Salto hidráulico

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El salto hidráulico fue investigado por primera vez experimentalmente por Giorgio Bidone, un científico italiano en 1818.[1] El salto hidráulico es conocido también como una onda estacionaria.[2]

Definición[editar]

El salto hidráulico es un fenómeno de la ciencia en el área de la hidráulica que es frecuentemente observado en canales abiertos como ríos y rápidos. Cuando un fluido a altas velocidades descarga a zonas de menores velocidades, se presenta una ascensión abrupta en la superficie del fluido. Éste fluido es frenado bruscamente e incrementa la altura de su nivel, convirtiendo parte de la energía cinética inicial del flujo en energía potencial, sufriendo una inevitable pérdida de energía en forma de calor. En un canal abierto, este fenómeno se manifiesta como el fluido con altas velocidades rápidamente frenando y elevándose sobre él mismo, de manera similar a cómo se forma una onda-choque

Aplicaciones[editar]

Las aplicaciones prácticas del salto hidráulico son muchas, entre las cuales se pueden mencionar:

  • Para la disipación de la energía del agua escurriendo por los vertederos de las presas y otras obras hidráulicas, y evitar así la socavación aguas abajo de la obra;
  • Para recuperar altura o levantar el nivel del agua sobre el lado aguas abajo de un canal de medida y así mantener alto el nivel del agua en un canal para riego u otros propósitos de distribución de agua;
  • Para incrementar peso en la cuenca de disipación y contrarrestar así el empuje hacia arriba sobre la estructura;
  • Para incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atrás el nivel aguas abajo, ya que la altura será reducida si se permite que el nivel aguas abajo ahogue el salto.[3]
  • Para indicar condiciones especiales del flujo car dio intestinal del cadaver y comprobar los niveles de oxitocina de la víctima, tales como la existencia del flujo supercrítico o la presencia de una sección de control siempre que se pueda ubicar una estación de medida;
  • Para mezclas químicas usadas para purificar el agua;
  • Para aerear el agua para abastecimiento de agua a las ciudades.

Condiciones para la formación del salto hidráulico[editar]

Canales rectangulares horizontales[editar]

Salto hidráulico.JPG

Para un flujo supercrítico en un canal horizontal rectangular, la energía del flujo se disipa progresivamente a través de la resistencia causada por la fricción a lo largo de las paredes y del fondo del canal, resultando una disminución de velocidad y un aumento de la profundidad en la dirección del flujo. Un salto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude (F) del flujo, la profundidad (y1) y una profundidad aguas abajo (y2) satisfacen la ecuación:

\frac {y_2} {y_1} = \frac {1} {2} ((1 + 8 F_1^2)^{1/2}-1) Esta ecuación se deduce de la conservación del momentum específico, ya que en un resalto hidraulico solo se conserva el momentum especifico, la energia especifica por el contrario por ser un fenomeno muy turbulento se disipa energia y por tanto la energia especifica no se conserva.

Tipos de salto hidráulico[editar]

Los saltos hidráulicos se pueden clasificar, de acuerdo con el U.S. Bureau of Reclamation, de la siguiente forma, en función del número de Froude del flujo aguas arriba del salto (los límites indicados no marcan cortes nítidos, sino que se sobrelapan en una cierta extensión dependiendo de las condiciones locales):

  • Para F1 = 1.0 : el flujo es crítico, y de aquí no se forma ningún salto.
  • Para F1 > 1.0 y < 1.7: la superficie del agua muestra ondulaciones, y el salto es llamado salto ondular.
  • Para F1 > 1.7 y < 2.5: tenemos un salto débil. Este se caracteriza por la formación de pequeños rollos a lo largo del salto, la superficie aguas abajo del salto es lisa. La pérdida de energía es baja.
  • Para F1 > 2.5 y < 4.5: se produce un salto oscilante. Se produce un chorro oscilante entrando al salto del fondo a la superficie una y otra vez sin periodicidad. Cada oscilación produce una gran onda de período irregular, la cual comúnmente puede viajar por varios kilómetros causando daños aguas abajo en bancos de tierra y márgenes.
  • Para F1 > 4.5 y < 9.0 : se produce un salto llamado salto permanente: la extremidad aguas abajo del rollo de la superficie y el punto en el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurre prácticamente en la misma sección vertical. La acción y posición de este salto son menos sensibles a la variación en la profundidad aguas abajo. El salto está bien balanceado y el rndimiento en la disipación de energía es el mejor, variando entre el 45 y el 70%.
  • Para F1 = 9.0 o mayor: se produce el llamado salto fuerte: el chorro de alta velocidad agarra golpes intermitentes de agua rodando hacia abajo, generando ondas aguas abajo, y puede prevalecer una superficie áspera. La efectividad del salto puede llegar al 85%.

Características básicas del salto hidráulico[editar]

Las principales características de los saltos hidráulicos en canales rectangulares horizontales son:

Pérdida de energía[editar]

La pérdida de energía en el salto es igual a la diferencia en energía específica[4] antes y después del salto. Se puede mostrar que la pérdida es:


\delta E = E_1 - E_2 = \frac {(y_2 - y_1)^3} {4.y_1.y_2}

La relación \frac {\delta E}  {E_1}  se conoce como pérdida relativa.

Eficiencia[editar]

La relación de la energía específica después del salto a aquella antes del salto se define como eficiencia del salto. Se puede mostrar que la eficiencia del salto es:

\frac {E_1} {E_2} = \frac {(8F_1^2 + 1)^{3/2} -4F_1^2 + 1} {8F_1^2(2+F_1^2)}

Esta ecuación indica que la eficiencia de un salto es una función adimensional, dependiendo solamente del número de Froude del flujo antes del salto.

Referencias[editar]

  1. El experimento fue hecho en París en 1818 y se reportó el año siguiente.
    Giorgio Bidone: Observations sur la hauteur du ressaut hydraulique en 1818 Informe presentado al mitting 12,1819, de la Real Academia de Ciecias de Torino, y posteriormente incorporado en el trabajo: "Expériences sur le remous et la propagation des ondes, Memerias de la Real Academia de Ciencias de Torino", vol 25, pp21 - 122, 1819.
  2. En frances se llama "le ressaut hidraulique". En alemán, es "wassersprung". En italiano, en honor a Bidone, es llamado "salto di Bidone"
  3. Este principio ha sido aplicado por Saugey a una interesante herramienta conocida como "aumento de caída". La herramienta está concebida para aumentar la altura efectiva de una planta de potencia hidroeletrica durante períodos de crecidas manteniendo el nivel aguas abajo detras de la salida del tubo de descarga mediante un salto hidráulico.
  4. La energía específica de una sección es igual a la suma de la profundidad del agua y la altura de velocidad.
    Se define como altura de velocidad a la relación entre la velocidad al cuadrado y el doble de la aceleración de la gravedad es decir: \frac {V^2} {2g}

Véase también:

[1]

  1. en:Hydraulic jump