Ingeniería hidráulica: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 10 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Fuerza hidrostática

Presión a una profundidad: p = ρgh
Fuerza sobre una pared vertical: F = ρg·h_c·A
Centro de presiones: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
Rectángulo: I_c = bH³/12

Continuidad y Bernoulli

Continuidad: A₁v₁ = A₂v₂
Bernoulli: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
Caudal: Q = A·v
Área del círculo: A = πd²/4

Fricción en tuberías y pérdida de carga

Número de Reynolds: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régimen de flujo: laminar por debajo de Re ≈ 2000, turbulento por encima de Re ≈ 4000
Velocidad media: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Pérdidas localizadas: h_m = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K: entrada 0,5, salida 1,0, codo de 90° ≈ 0,3
Caída de presión: Δp = ρ·g·h_f
Dos depósitos abiertos: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Salida libre: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Bombas y potencia de bombeo

Potencia hidráulica: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potencia en el eje: P_shaft = P_h/η_pump
Potencia eléctrica: P_el = P_shaft/η_motor
Altura de la bomba: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Pérdidas del sistema: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Flujo en canales abiertos (Manning)

Ecuación de Manning: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
Caudal: Q = A·V
Radio hidráulico: R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rectángulo: A = b·y, P = b + 2y
Trapecio (talud z:1): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Tubería circular, llena o a media sección: R = D/4
Pendiente necesaria: S = (n·Q/(A·R^2/3))²

2Problemas de práctica

1.Fuerza hidrostáticaMedia

Una compuerta rectangular vertical de 3 m de ancho está en la pared de un depósito de agua, con su borde superior a 2 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 2 mH = 2,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

2.Fuerza hidrostáticaDifícil

Una compuerta rectangular vertical de 3 m de ancho está en la pared de un depósito de agua de mar, con su borde superior a 1 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 1 mH = 3 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

3.Continuidad y BernoulliMedia

Por una tubería horizontal que se estrecha de 200 mm a 150 mm circulan 38 L/s de agua. La presión en la sección estrecha es 50 kPa. Despreciando las pérdidas, halla la presión p₁ en la sección ancha.

Q = 38 L/sd₁ = 200 mmd₂ = 150 mmp₂ = 50 kPaρ = 1000 kg/m³

p₁ = kPa

4.Continuidad y BernoulliDifícil

Un depósito de agua cerrado tiene aire comprimido sobre el agua a una presión manométrica de 40 kPa. El agua sale al aire libre por un orificio de 50 mm de diámetro, 4,5 m por debajo de la superficie del agua. Despreciando las pérdidas, halla la velocidad del chorro v. Usa g = 9,81 m/s².

p_air = 40 kPa (manométrica)h = 4,5 md = 50 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

v = m/s

5.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia

Agua circula a razón de 25 L/s por una tubería de 150 m de longitud y 100 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,02 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción h_f.

Q = 25 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²

h_f = m

6.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil

Una tubería de 100 m de longitud y 200 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,025) sale de un depósito abierto y descarga como chorro libre a la atmósfera. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 4 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 10). Usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura H debe estar la superficie del depósito sobre la salida de la tubería para un caudal de 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,025K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 10

H = m

7.Bombas y potencia de bombeoMedia

En un ensayo, una bomba impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 48 m mientras su eje absorbe 35,3 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 60 L/sH = 48 mP_shaft = 35,3 kWg = 9,81 m/s²

η = %

8.Bombas y potencia de bombeoDifícil

Una bomba impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 11 m más alta. La tubería mide 200 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,02; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 3 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 85 %. Halla la potencia en el eje P_shaft en kW.

Q = 50 L/sΔz = 11 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 3η = 85%

P_shaft = kW

9.Flujo en canales abiertos (Manning)Media

Un colector de pluviales de hormigón de 1200 mm de diámetro interior funciona justo lleno (como canal abierto, no a presión). n de Manning = 0,013 y la pendiente es S = 0,0015. Halla el caudal Q en m³/s.

D = 1200 mmn = 0,013S = 0,0015

Q = m³/s

10.Flujo en canales abiertos (Manning)Difícil

Un canal trapecial de tierra revestida de hierba con una anchura de fondo de 5 m y taludes de 2:1 (horizontal:vertical) debe transportar 42 m³/s en régimen uniforme con un calado de 2,3 m. n de Manning = 0,03. Halla la pendiente del fondo necesaria S (en m/m).

Q = 42 m³/sb = 5 my = 2,3 mz = 2n = 0,03

S = m/m

3Disoluciones

1.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 239,1 kN

Fuerza hidrostática sobre una superficie plana: F = ρ·g·y_c·A. Actúa en el centro de presiones, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), que siempre está por debajo del centroide.

Profundidad del centroide y área

y_c = d + H/2 = 2 + 2,5/2 = 3,25 m

A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²

Fuerza resultante

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·3,25·7,5 = 239,1 kN

Respuesta

F = 239,1 kN

2.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 226,2 kN

Fuerza hidrostática sobre una superficie plana: F = ρ·g·y_c·A. Actúa en el centro de presiones, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), que siempre está por debajo del centroide.

Profundidad del centroide y área

y_c = d + H/2 = 1 + 3/2 = 2,5 m

A = H·b = 3·3 = 9 m²

Fuerza resultante

F = ρ·g·y_c·A = 1025·9,81·2,5·9 = 226,2 kN

Respuesta

F = 226,2 kN

3.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: p₁ = 51,58 kPa

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

Velocidades

v₁ = Q/A₁ = 0,038/0,03142 = 1,21 m/s

v₂ = Q/A₂ = 0,038/0,01767 = 2,15 m/s

Bernoulli

p₁ = p₂ + ½ρ(v₂² − v₁²) = 50 + ½·1000·(2,15² − 1,21²)/1000 = 50 + 1,58 = 51,58 kPa

Respuesta

p₁ = 51,58 kPa

4.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: v = 12,97 m/s

Bernoulli de la superficie al chorro

v = √(2·(40000/1000 + 9,81·4,5)) = 12,97 m/s

Respuesta

v = 12,97 m/s

5.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: h_f = 15,49 m

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas h_m = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = h_f + h_m, incluida la pérdida de salida K = 1.

Velocidad media

A = π·0,1²/4 = 0,007854 m²

V = Q/A = 0,025/0,007854 = 3,183 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 3,183²/(2·9,81) = 0,5164 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(150/0,1)·3,183²/(2·9,81) = 15,49 m

Respuesta

h_f = 15,49 m

6.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 13,01 m

Velocidad

V = Q/A = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s

V²/(2g) = 0,5164 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,025·100/0,2 = 12,5

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7

Ecuación de la energía

El chorro de salida conserva su altura de velocidad; no es una pérdida, pero hay que aportarla.

H = (1 + 12,5 + 11,7)·0,5164 = 13,01 m

Respuesta

H = 13,01 m

7.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 80,04 %

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: P_shaft = P_h/η_pump, y el motor absorbe P_el = P_shaft/η_motor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Potencia hidráulica

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·48 = 28,25 kW

Rendimiento

η = P_h/P_shaft = 28,25/35,3 = 80,04%

Respuesta

η = 80,04%

8.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: P_shaft = 13,33 kW

Velocidad

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s

V²/(2g) = 0,408 m

Pérdidas de carga

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (26,67 + 3)·0,408 = 12,11 m

Altura de la bomba

H = Δz + h_L = 11 + 12,11 = 23,11 m

Potencia en el eje

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·23,11/0,85 = 13,33 kW

Respuesta

P_shaft = 13,33 kW

9.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: Q = 1,51 m³/s

Ecuación de Manning (SI): para flujo uniforme en un canal abierto V = (1/n)·R^2/3·S^1/2 y Q = A·V, con n el coeficiente de rugosidad, S la pendiente del fondo (m/m) y R = A/P el radio hidráulico: área de la sección mojada dividida entre el perímetro mojado. En P solo cuenta el contorno en contacto con el agua, no la superficie libre. Rectángulo: A = b·y, P = b + 2y. Trapecio con taludes z:1 (horizontal:vertical): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Una tubería circular llena o a media sección tiene R = D/4.

Geometría

A = 1,131 m², R = D/4 = 0,3 m

Velocidad

V = (1/0,013)·0,3^2/3·0,0015^1/2 = 1,335 m/s

Caudal

Q = A·V = 1,131·1,335 = 1,51 m³/s

Respuesta

Q = 1,51 m³/s

10.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: S = 0,001994 m/m

Geometría

A = (b + z·y)·y = (5 + 2·2,3)·2,3 = 22,08 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·2,3·√(1 + 2²) = 15,29 m

R = A/P = 1,444 m

Despeja S de Manning

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0,03·42/(22,08·1,278) = 0,04466

S = 0,04466² = 0,001994

Respuesta

S = 0,001994

Eso supone un desnivel de 1,994 m por kilómetro.

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