Hidráulica

Hidraulics and other studies

Un canal abierto, con una profundidad uniforme. Hidráulicos de canales abiertos trata de corrientes uniformes y no uniformes.

Ilustración de hidráulicas e hidrostáticas, de la "Tabla de Hidráulicos e Hidrostáticos", de Cyclopædia, o un Diccionario Universal de Artes y Ciencias, editado por Ephraim Chambers, 1728, Vol. 1

La hidráulica (del griego: Υδραυλική) es una tecnología y una ciencia aplicada que utiliza la ingeniería, la química y otras ciencias relacionadas con las propiedades mecánicas y el uso de líquidos. En un nivel muy básico, la hidráulica es la contraparte líquida de la neumática, que se refiere a los gases. La mecánica de fluidos proporciona la base teórica para la hidráulica, que se centra en la ingeniería aplicada utilizando las propiedades de los fluidos. En sus aplicaciones de energía fluida, la hidráulica se utiliza para la generación, control y transmisión de energía mediante el uso de líquidos presurizados. Los temas hidráulicos abarcan algunas partes de la ciencia y la mayoría de los módulos de ingeniería, y cubren conceptos como el flujo de tuberías, el diseño de presas, la fluídica y los circuitos de control de fluidos. Los principios de la hidráulica se utilizan naturalmente en el cuerpo humano dentro del sistema vascular y el tejido eréctil. La hidráulica de superficie libre es la rama de la hidráulica que se ocupa del flujo de superficie libre, como el que se produce en ríos, canales, lagos, estuarios y mares. Su subcampo open-channel flow estudia el flujo en canales abiertos.

La palabra "hidráulica" tiene su origen en la palabra griega ὑδραυλικός (hydraulikos) que en el giro se origina en ὕδωρ (hydor, griego para agua) y αὐλός (aulos, que significa tubería).

Historia

Épocas antigua y medieval

Waterwheels

Los primeros usos de la energía hidráulica se remontan a Mesopotamia y al antiguo Egipto, donde el riego se ha usado desde el sexto milenio antes de Cristo y los relojes de agua se habían usado desde principios del segundo milenio antes de Cristo. Otros ejemplos tempranos de energía hidráulica incluyen el sistema Qanat en la antigua Persia y el sistema de agua de Turpan en la antigua Asia Central.

Imperio Persa

En el Imperio Persa, los persas construyeron un intrincado sistema de molinos de agua, canales y presas conocido como el Sistema Hidráulico Histórico de Shushtar. El proyecto, iniciado por el rey aqueménida Darío el Grande y terminado por un grupo de ingenieros romanos capturados por el rey sasánida Shapur I, ha sido calificado por la UNESCO como "una obra maestra del genio creativo". También fueron los inventores del Qanat, un acueducto subterráneo. Varios de los grandes y antiguos jardines de Irán fueron regados gracias a Qanats.

La evidencia más antigua de ruedas hidráulicas y molinos de agua se remonta al antiguo Cercano Oriente en el siglo IV a. C., específicamente en el Imperio Persa antes del 350 a. C., en las regiones de Irak, Irán y Egipto.

China

En la antigua China estaban Sunshu Ao (siglo VI a. C.), Ximen Bao (siglo V a. C.), Du Shi (circa 31 d. C.), Zhang Heng (78-139 d. C.) y Ma Jun (200-265 d. C.), mientras que la China medieval tenía Su Song (1020-1101 dC) y Shen Kuo (1031-1095). Du Shi empleó una rueda hidráulica para accionar los fuelles de un alto horno que producía hierro fundido. Zhang Heng fue el primero en emplear la hidráulica para proporcionar fuerza motriz al girar una esfera armilar para la observación astronómica.

Sri Lanka

Moat y jardines en Sigiriya

En la antigua Sri Lanka, la hidráulica se usaba ampliamente en los antiguos reinos de Anuradhapura y Polonnaruwa. El descubrimiento del principio de la torre de válvulas, o pozo de válvulas (Bisokotuwa en cingalés) para regular el escape de agua se atribuye al ingenio hace más de 2.000 años. Para el siglo I d. C., se habían completado varias obras de riego a gran escala. En Sigiriya, Sri Lanka, se instalaron macro y microhidráulicos para satisfacer las necesidades domésticas de horticultura y agricultura, drenaje superficial y control de la erosión, cursos de agua ornamentales y recreativos y estructuras de retención y también sistemas de refrigeración. El coral en la enorme roca del sitio incluye cisternas para recolectar agua. Los grandes embalses antiguos de Sri Lanka son Kalawewa (Rey Dhatusena), Parakrama Samudra (Rey Parakrama Bahu), Tisa Wewa (Rey Dutugamunu), Minneriya (Rey Mahasen)

Mundo grecorromano

En la antigua Grecia, los griegos construyeron sofisticados sistemas de agua y energía hidráulica. Un ejemplo es la construcción por parte de Eupalinos, bajo contrato público, de un canal de riego para Samos, el Túnel de Eupalinos. Un ejemplo temprano del uso de la rueda hidráulica, probablemente el más antiguo de Europa, es la rueda de Perachora (siglo III a. C.).

En el Egipto grecorromano, es notable la construcción de la primera máquina autómata hidráulica por parte de Ctesibio (floreció c. 270 a. C.) y Héroe de Alejandría (c. 10 - 80 d. C.). Hero describe varias máquinas de trabajo que utilizan energía hidráulica, como la bomba de fuerza, que se sabe que en muchos sitios romanos se usó para elevar agua y en camiones de bomberos.

Acueducto de Segovia, obra maestra del siglo I

En el Imperio Romano se desarrollaron diferentes aplicaciones hidráulicas, entre las que se encuentran los abastecimientos públicos de agua, innumerables acueductos, la energía mediante molinos de agua y la minería hidráulica. Fueron de los primeros en hacer uso del sifón para transportar agua a través de los valles y utilizaron el silenciamiento a gran escala para buscar y luego extraer minerales metálicos. Usaron plomo ampliamente en sistemas de plomería para suministro doméstico y público, como termas de alimentación.

La minería hidráulica se utilizó en los yacimientos auríferos del norte de España, que fue conquistada por Augusto en el 25 a. La mina de oro aluvial de Las Medulas fue una de las más grandes de sus minas. Al menos siete acueductos largos funcionaron, y las corrientes de agua se usaron para erosionar los depósitos blandos y luego lavar los relaves para obtener el valioso contenido de oro.

Mundo árabe-islámico

En el mundo musulmán durante la Edad de Oro Islámica y la Revolución Agrícola Árabe (siglos VIII-XIII), los ingenieros hicieron un amplio uso de la energía hidroeléctrica, así como los primeros usos de la energía de las mareas y grandes complejos de fábricas hidráulicas. En el mundo islámico se utilizó una variedad de molinos industriales accionados por agua, incluidos batanes, molinos de harina, molinos de papel, descascarilladores, aserraderos, molinos de barcos, molinos de sellos, acerías, ingenios azucareros y molinos de marea. En el siglo XI, todas las provincias del mundo islámico tenían estos molinos industriales en funcionamiento, desde Al-Andalus y el norte de África hasta Oriente Medio y Asia Central. Los ingenieros musulmanes también usaron turbinas de agua, emplearon engranajes en molinos de agua y máquinas elevadoras de agua, y fueron pioneros en el uso de represas como fuente de energía hidráulica, que se utiliza para proporcionar energía adicional a molinos de agua y máquinas elevadoras de agua.

Al-Jazari (1136-1206) describió diseños para 50 dispositivos, muchos de ellos accionados por agua, en su libro, El libro del conocimiento de ingeniosos dispositivos mecánicos, incluidos relojes de agua, un dispositivo para servir vino, y cinco artilugios para sacar agua de ríos o estanques. Estos incluyen una correa sin fin con jarras adjuntas y un dispositivo alternativo con válvulas articuladas.

Las primeras máquinas programables fueron dispositivos impulsados por agua desarrollados en el mundo musulmán. Un secuenciador de música, un instrumento musical programable, fue el primer tipo de máquina programable. El primer secuenciador de música fue un flautista automático accionado por agua inventado por los hermanos Banu Musa, descrito en su Libro de dispositivos ingeniosos, en el siglo IX. En 1206, Al-Jazari inventó autómatas/robots programables accionados por agua. Describió a cuatro músicos autómatas, incluidos bateristas operados por una caja de ritmos programable, donde se les podía hacer tocar diferentes ritmos y diferentes patrones de batería. El reloj del castillo, un reloj astronómico mecánico impulsado por agua inventado por Al-Jazari, fue la primera computadora analógica programable.

Era moderna (c. 1600–1870)

Benedetto Castelli

En 1619 Benedetto Castelli, alumno de Galileo Galilei, publicó el libro Della Misura dell'Acque Correnti o "Sobre la medición de las aguas corrientes," uno de los fundamentos de la hidrodinámica moderna. Se desempeñó como consultor principal del Papa en proyectos hidráulicos, es decir, la gestión de los ríos en los Estados Pontificios, a partir de 1626.

Blaise Pascual

Blaise Pascal (1623–1662) estudió hidrodinámica e hidrostática de fluidos, centrándose en los principios de los fluidos hidráulicos. Su descubrimiento de la teoría detrás de la hidráulica condujo a su invención de la prensa hidráulica, que multiplicaba una fuerza más pequeña que actuaba en un área más pequeña por la aplicación de una fuerza más grande totalizada en un área más grande, transmitida a través de la misma presión (o cambio exacto de presión).) en ambos lugares. La ley o principio de Pascal establece que para un fluido incompresible en reposo, la diferencia de presión es proporcional a la diferencia de altura, y esta diferencia permanece igual independientemente de que la presión total del fluido cambie o no al aplicar una presión externa. fuerza. Esto implica que al aumentar la presión en cualquier punto de un fluido confinado, hay un aumento igual en todos los demás extremos del recipiente, es decir, cualquier cambio en la presión aplicada en cualquier punto del líquido se transmite sin disminución a través de los fluidos.

Jean Léonard Marie Poiseuille

Un médico francés, Poiseuille (1797–1869) investigó el flujo de sangre a través del cuerpo y descubrió una ley importante que rige la tasa de flujo con el diámetro del tubo en el que se produjo el flujo.

En el Reino Unido

Varias ciudades desarrollaron redes de energía hidráulica en toda la ciudad en el siglo XIX, para operar maquinaria como ascensores, grúas, cabrestantes y similares. Joseph Bramah (1748–1814) fue uno de los primeros innovadores y William Armstrong (1810–1900) perfeccionó el aparato para el suministro de energía a escala industrial. En Londres, London Hydraulic Power Company era un importante proveedor de sus tuberías que servían a gran parte del West End de Londres, la City y los muelles, pero había esquemas restringidos a empresas individuales como muelles y patios de mercancías ferroviarias.

Modelos hidráulicos

Después de que los estudiantes comprendan los principios básicos de la hidráulica, algunos maestros usan una analogía hidráulica para ayudar a los estudiantes a aprender otras cosas. Por ejemplo:

• El equipo MONIAC utiliza el flujo de agua a través de componentes hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender sobre economía.
• La analogía térmica-hidráulica utiliza principios hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender sobre circuitos térmicos.
• La analogía electrónica-hidráulica utiliza principios hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender sobre la electrónica.

El requisito de conservación de la masa combinado con la compresibilidad del fluido produce una relación fundamental entre la presión, el flujo del fluido y la expansión volumétrica, como se muestra a continuación:

dpdt=β β V().. dentroQ− − dVdt){displaystyle {frac {fnK}={frac} {beta } {V}left(sum _{in}Q-{frac {dV} {dt}right)}

Suponiendo un fluido incompresible o un "muy grande" relación de compresibilidad al volumen de fluido contenido, una tasa finita de aumento de presión requiere que cualquier flujo neto en el volumen de fluido recolectado cree un cambio volumétrico.