Ingeniería hidráulica

Fundamentos de Ingeniería Hidráulica define la hidrostática como el estudio de los fluidos en reposo. ^{[ 1 ]} En un fluido en reposo, existe una fuerza, conocida como presión, que actúa sobre el entorno del fluido. Esta presión, medida en N/m² ^, no es constante en todo el cuerpo del fluido. La presión, p, en un cuerpo de fluido dado, aumenta con el aumento de la profundidad. Donde la fuerza ascendente sobre un cuerpo actúa sobre la base y se puede calcular mediante la ecuación:

${\displaystyle p=\rho gy}$

dónde,

ρ = densidad del agua

g = gravedad específica

y = profundidad del cuerpo de líquido

Reorganizando esta ecuación se obtiene la altura de presión.${\displaystyle {\frac {p}{\rho g}}=y}$. Cuatro dispositivos básicos para la medición de la presión son un piezómetro , un manómetro , un manómetro diferencial, un manómetro Bourdon y un manómetro inclinado. ^{[ 1 ]}

Como afirma Prasuhn ^{[ 1 ] :}

En cuerpos sumergidos en reposo, la presión actúa a lo largo de todas las superficies del cuerpo en un líquido, generando fuerzas perpendiculares iguales que se oponen a la presión del líquido. Esta reacción se conoce como equilibrio. Algunas aplicaciones más avanzadas de la presión son las que se dan en superficies planas, superficies curvas, presas y compuertas de cuadrante, entre otras. ^{[ 1 ]}

Los primeros usos de la ingeniería hidráulica se remontan al riego de cultivos en Oriente Medio y África . El control del movimiento y el suministro de agua para el cultivo de alimentos se ha utilizado durante miles de años. Una de las primeras máquinas hidráulicas, el reloj de agua, se utilizó a principios del segundo milenio a. C. ^{[ 4 ]} Otros ejemplos tempranos del uso de la gravedad para mover agua incluyen el sistema Qanat en la antigua Persia y el sistema de agua Turpan, muy similar , en la antigua China, así como los canales de riego en Perú. ^{[ 5 ]}

En la antigua China , la ingeniería hidráulica estaba muy desarrollada, y los ingenieros construyeron enormes canales con diques y presas para canalizar el agua de riego, así como esclusas para el paso de los barcos. Sunshu Ao es considerado el primer ingeniero hidráulico chino. Otro importante ingeniero hidráulico chino, Ximen Bao, fue reconocido por iniciar la práctica del riego por canales a gran escala durante el período de los Reinos Combatientes (481  a. C.-221  a. C.). Incluso hoy en día, la profesión de ingeniero hidráulico sigue siendo respetada en China.

En la época arcaica de Filipinas , la ingeniería hidráulica también se desarrolló especialmente en la isla de Luzón . Los ifugaos de la región montañosa de las Cordilleras construyeron sistemas de irrigación, represas y obras hidráulicas, así como las famosas terrazas de arroz de Banaue, como una forma de facilitar el cultivo de cosechas alrededor del año 1000 a. C. ^{[ 6 ]} Estas terrazas de arroz tienen 2000 años de antigüedad y fueron talladas en las montañas de Ifugao , en Filipinas , por los ancestros de los pueblos indígenas . Las terrazas de arroz son comúnmente conocidas como la " Octava Maravilla del Mundo ". ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Se cree comúnmente que las terrazas fueron construidas con un equipo mínimo, en gran parte a mano. Las terrazas se encuentran aproximadamente a 1500 metros (5000  pies) sobre el nivel del mar. Se alimentan de un antiguo sistema de irrigación proveniente de las selvas tropicales situadas sobre las terrazas. Se dice que si los escalones se colocaran uno tras otro, rodearían la mitad del globo. ^{[ 10 ]}

Eupalinos de Megara fue un ingeniero griego antiguo que construyó el Túnel de Eupalinos en Samos en el siglo VI a. C., una importante proeza de la ingeniería civil e hidráulica. El aspecto de ingeniería civil de este túnel radicaba en que se excavó desde ambos extremos, lo que requirió que los excavadores mantuvieran un trazado preciso para que los dos túneles se unieran y que toda la obra conservara una pendiente suficiente para permitir el flujo del agua.

La ingeniería hidráulica tuvo un gran énfasis en el imperio incaico, ya que poseían la capacidad de manipular el agua. En Tipón, la creación de terrazas permitió que el agua llegara a diferentes zonas, abasteciendo las residencias de la élite y distribuyéndose posteriormente en los niveles inferiores para la agricultura, lo que posibilitó el sustento de toda una comunidad. ^{[ 11 ]}

La ingeniería hidráulica se desarrolló enormemente en Europa bajo la égida del Imperio Romano , donde se aplicó especialmente a la construcción y el mantenimiento de acueductos para abastecer de agua a las ciudades y eliminar las aguas residuales de las mismas. ^{[ 3 ]} Además de satisfacer las necesidades de sus ciudadanos, utilizaron métodos de minería hidráulica para prospectar y extraer depósitos de oro aluvial en una técnica conocida como hushing , y aplicaron estos métodos a otros minerales como el estaño y el plomo .

En el siglo XV, el Imperio Somalí Ajuran era el único imperio hidráulico de África. Como tal, el Estado Ajuran monopolizó los recursos hídricos de los ríos Jubba y Shebelle . Mediante la ingeniería hidráulica, también construyó muchos de los pozos y cisternas de piedra caliza del estado, que aún hoy siguen en funcionamiento. Los gobernantes desarrollaron nuevos sistemas de agricultura e impuestos , que continuaron utilizándose en algunas partes del Cuerno de África hasta bien entrado el siglo XIX. ^{[ 12 ]}

Se produjeron nuevos avances en ingeniería hidráulica en el mundo musulmán entre los siglos VIII y XVI, durante lo que se conoce como la Edad de Oro islámica . De particular importancia fue el « complejo tecnológico de gestión del agua », que fue fundamental para la Revolución Verde islámica . ^{[ 13 ]} Los diversos componentes de este «conjunto de herramientas» se desarrollaron en diferentes partes de la masa continental afro-euroasiática , tanto dentro como fuera del mundo islámico. Sin embargo, fue en las tierras islámicas medievales donde el complejo tecnológico se ensambló y estandarizó, y posteriormente se difundió al resto del Viejo Mundo. ^{[ 14 ]} Bajo el gobierno de un único califato islámico , diferentes tecnologías hidráulicas regionales se ensamblaron en «un complejo tecnológico de gestión del agua identificable que tendría un impacto global». Los diversos componentes de este complejo incluían canales , presas , el sistema qanat de Persia, dispositivos regionales de elevación de agua como la noria , el shaduf y la bomba de tornillo de Egipto , y el molino de viento del Afganistán islámico . ^{[ 14 ]} Otros desarrollos islámicos originales incluyeron la saqiya con efecto de volante de la España islámica, ^{[ 15 ]} la bomba de succión recíproca ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} y el mecanismo de cigüeñal - biela de Irak , ^{[ 19 ] [ 20 ]} y el sistema de suministro de agua accionado por engranajes e hidroeléctrico de Siria . ^{[ 21 ]}

En muchos aspectos, los fundamentos de la ingeniería hidráulica no han cambiado desde la antigüedad. Los líquidos aún se mueven principalmente por gravedad a través de sistemas de canales y acueductos, aunque ahora los embalses se pueden llenar con bombas. La necesidad de agua ha aumentado constantemente desde la antigüedad, y el papel del ingeniero hidráulico es fundamental para su suministro. Por ejemplo, sin los esfuerzos de personas como William Mulholland, el área de Los Ángeles no habría podido crecer como lo ha hecho, ya que simplemente no cuenta con suficiente agua local para abastecer a su población. Lo mismo ocurre con muchas de las ciudades más grandes del mundo. De manera similar, el valle central de California no podría haberse convertido en una región agrícola tan importante sin una gestión y distribución eficaz del agua para el riego. De forma parecida a lo que sucedió en California, la creación de la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) trajo trabajo y prosperidad al Sur mediante la construcción de presas para generar electricidad barata y controlar las inundaciones en la región, haciendo navegables los ríos y modernizando en general la vida en la zona.

Leonardo da Vinci (1452–1519) realizó experimentos, investigó y especuló sobre olas y chorros, remolinos y aerodinámica. Isaac Newton (1642–1727), al formular las leyes del movimiento y su ley de viscosidad, además de desarrollar el cálculo, allanó el camino para muchos grandes avances en la mecánica de fluidos. Utilizando las leyes del movimiento de Newton, numerosos matemáticos del siglo XVIII resolvieron muchos problemas de flujo sin fricción (viscosidad cero). Sin embargo, la mayoría de los flujos están dominados por efectos viscosos, por lo que los ingenieros de los siglos XVII y XVIII consideraron inadecuadas las soluciones de flujo no viscoso y, mediante experimentación, desarrollaron ecuaciones empíricas, estableciendo así la ciencia de la hidráulica. ^{[ 3 ]}

A finales del siglo XIX, se reconoció la importancia de los números adimensionales y su relación con la turbulencia, dando origen al análisis dimensional. En 1904, Ludwig Prandtl publicó un artículo clave en el que proponía dividir los campos de flujo de fluidos de baja viscosidad en dos zonas: una capa límite delgada, dominada por la viscosidad, cerca de las superficies sólidas, y una zona exterior prácticamente no viscosa, alejada de los límites. Este concepto explicó muchas paradojas anteriores y permitió a los ingenieros posteriores analizar flujos mucho más complejos. Sin embargo, aún no contamos con una teoría completa sobre la naturaleza de la turbulencia, por lo que la mecánica de fluidos moderna sigue siendo una combinación de resultados experimentales y teoría. ^{[ 22 ]}

El ingeniero hidráulico moderno utiliza el mismo tipo de herramientas de diseño asistido por ordenador (CAD) que muchas otras disciplinas de ingeniería, al tiempo que hace uso de tecnologías como la dinámica de fluidos computacional para realizar los cálculos que permiten predecir con precisión las características del flujo, la cartografía GPS para ayudar a localizar las mejores rutas para la instalación de un sistema y las herramientas de topografía láser para ayudar en la construcción propiamente dicha del sistema.