DESARROLLO DE LA HIDRÁULICA Aunque el desarrollo moderno de la hidráulica sea comparativamente comparativamente reciente, las antiguas civilizaciones estaban familiarizadas con muchos principios hidráulicos y sus usos. Los egipcios y la población antigua de Persia, India, y China transportaron el agua a lo largo de canales para la irrigación y propósitos domésticos, usando las presas y esclusas para controlar el caudal. Los antiguos cretenses tenían un sistema de fontanería avanzado. Arquímedes estudió las leyes de la flotación y cuerpos sumergidos. Los romanos construyeron los acueductos para llevar el agua a sus ciudades. Después de la desintegración del mundo antiguo, hubo pocas novedades por muchos siglos. Luego, durante un período comparativamente corto, comenzando cerca del final del siglo XVII, el físico italiano, Evangelista Torricelle, el físico francés, Edme Mariotte, y posteriormente, Daniel Bernoulli condujeron experimentos para estudiar los elementos de fuerza en la descarga del agua a través de pequeñas aberturas a los lados de los tanques y a través de cañerías cortas. Durante el mismo período, Blaise Pascal, científico francés, descubrió la ley fundamental de la ciencia de la hidráulica. La ley de Pascal indica que el aumento en la presión sobre la superficie de un líquido confinado es transmitido sin disminución a través del recipiente o del sistema que lo contiene . (Éste es el principio básico de la hidráulica). Para que la ley de Pascal sea útil en usos prácticos, era necesario tener un pistón que “encajara exactamente.” No fue sino hasta la última parte del siglo XVIII en que fueron encontrados métodos para hacer piezas que encajaran con precisión según los requerimientos de los sistemas hidráulicos. Esto fue logrado por la invención de máquinas que fueron utilizadas para cortar y para dar forma a las piezas, logrando el encastre necesario, particularmente, por el desarrollo de juntas y empaquetaduras. Desde entonces, componentes tales como válvulas, bombas, cilindros actuadores, y motores han progresado y perfeccionado para hacer de la hidráulica una de tecnologías principales para transmitir potencia. La prensa hidráulica, inventada por el inglés John Brahmah, fue uno de los primeras partes realizables de maquinaria desarrolladas que utilizaron la hidráulica en su operación. Consistió en una bomba de émbolo canalizada por tubos a un cilindro grande y a un pistón. Esta prensa encontró uso amplio en Inglaterra porque proporcionó medios más eficaces y más económicos de aplicar grandes fuerzas en aplicaciones industriales. .
CAMPO DE APLICACIÒN DE LA INGENIERIA HIDRAULICA Los ingenieros hidráulicos se ocupan de diseñar, construir y operar las obras hidráulicas, las llamadas grandes estructuras como, por ejemplo, presas, esclusas, canales navegables, puertos, etc. Así como también obras relacionadas con la agricultura, especialización de la ingeniería hidráulica conocida como hidráulica agrícola (rama propia de Ingeniería agrícola): sistemas de riego, sistemas de drenaje. Y además obras relacionadas con el medio ambiente: presas filtrantes para el control de la erosión y obras de encauzamiento de ríos, entre otros.
Se entiende por obra hidráulica o infraestructura hidráulica a una construcción, en el campo de la ingeniería civil, donde el elemento dominante tiene que ver con el agua. Se puede decir que las obras hidráulicas constituyen un conjunto de estructuras construidas con el objeto de manejar el agua, cualquiera que sea su origen, con fines de aprovechamiento o de defensa.
Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir dos, móviles e industriales: Aplicaciones Móviles El empleo de la energía proporcionada por el aire y aceite a presión, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como:
Tractores
Grúas
Retroexcavadoras
Camiones recolectores de basura
Cargadores frontales
Frenos y suspensiones de camiones
Vehículos para la construcción y mantención de carreteras
Etc.
Aplicaciones Industriales En la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energía proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros:
Maquinaria para la industria plástica
Máquinas herramientas
Maquinaria para la elaboración de alimentos
Equipamiento para robótica y manipulación automatizada
Equipo para montaje industrial
Maquinaria para la minería
Maquinaria para la industria siderúrgica
Etc.
Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehículos automotores, como automóviles, aplicaciones aerospaciales y aplicaciones navales, por otro lado se pueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellas áreas en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisión, así se tiene:
Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc. Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores, equipos de mantenimiento aeronáutico, etc. Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas especializados de embarcaciones o buques militares Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e instrumental odontológico, etc.
La hidráulica y neumática tienen aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en controles escénicos (teatro), cinematografía, parques de entretenciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina, ascensores, mesas de levante de automóviles, etc.
Generalmente se consideran obras hidráulicas: Canal. Se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos (generalmente utilizada para agua) y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación. Un canal de navegación es una vía de agua, a menudo de origen artificial, que normalmente conecta lagos, ríos u océanos. Se utilizan para el transporte, a menudo surcados por barcazas en los canales fluviales y por barcos en los canales que conectan océanos. Los canales interiores precedieron el desarrollo del ferrocarril durante la revolución industrial y algunos de ellos fueron posteriormente secados y utilizados como pasos libres para construir vías férreas. La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil. Represa. Una barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero, sobre un río o arroyo. Tiene la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o
regadío, para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego, para laminación de avenidas (evitar inundaciones aguas abajo de la presa) o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética y ésta nuevamente en mecánica al accionar la fuerza del agua un elemento móvil. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para producir energía eléctrica, como se hace en las centrales hidroeléctricas. Las estaciones de bombeo. Las estaciones de bombeo son estructuras destinadas a elevar un fluido desde un nivel energético inicial a un nivel energético mayor. Su uso es muy extendido en los varios campos de la ingeniería, así, se utilizan en: * Redes de abastecimiento de agua potable, donde su uso es casi obligatorio, salvo en situaciones de centros poblados próximos de cadenas montañosas, con manantiales situados a una cota mayor; * Red de alcantarillado, cuando los centros poblados se sitúan en zonas muy planas, para evitar que las alcantarillas estén a profundidades mayores a los 4 - 5 m; * Sistema de riego, en este caso son imprescindibles si el riego es con agua de pozos no artesianos; * Sistema de drenaje, cuando el terreno a drenar tiene una cota inferior al recipiente de las aguas drenadas; * En muchas plantas de tratamiento tanto de agua potable como de aguas servidas, cuando no puede disponerse de desniveles suficientes en el terreno; * Un gran número de plantas industriales. Las esclusas. Son obras hidráulicas que permiten vencer desniveles concentrados en canales navegables, elevando o descendiendo los navíos que se encuentran en ellas. Pueden formar parte de las estructuras complementarias de una presa, cuando ésta se construye sobre ríos navegables. El cruce de una esclusa es una operación bastante lenta; puesto que hay que equilibrar los niveles de agua, primero con el tramo de canal donde se encuentra el navío y luego con el otro nivel hacia el que saldrá el navío. El consumo de agua es considerable; para disminuirlo se procura nunca hacer un llenado o vaciado de la esclusa si no hay un navío que requiere de atravesarla Ése también es uno de los motivos por los cuales en general se construyen dos esclusas en paralelo; así, parte del agua de vaciado de una se puede utilizar para el llenado de la otra. Técnicamente, el límite de desnivel que puede ser vencido con una sola esclusa es de aproximadamente 25 m. Para desniveles mayores debe pensarse en esclusas concatenadas, lo que dificulta aún más su operación, o debe pensarse en otros dispositivos como:
* Ascensores de barcos, de los cuales ya se han construido varios tipos * Planos inclinados de agua
Red de abastecimiento de agua potable. La red de abastecimiento de agua potable es un sistema de obras de ingeniería, concatenadas que permiten llevar hasta la vivienda de los habitantes de una ciudad, pueblo o área rural relativamente densa, el agua potable. El sistema de abastecimiento de agua potable más complejo, que es el que utiliza aguas superficiales, consta de cinco partes principales: * Captación. * Almacenamiento de agua bruta. * Tratamiento. * Almacenamiento de agua tratada. * Red de distribución abierta. Alcantarillado. Se denomina alcantarillado (de alcantarilla, que procede del diminutivo hispano-árabe alqánṭara, «el puentecito») o también red de alcantarillado, red de saneamiento o red de drenaje al sistema de estructuras y tuberías usado para la recogida y transporte de las aguas residuales y pluviales de una población desde el lugar en que se generan hasta el sitio en que se vierten al medio natural o se tratan. La red de alcantarillado se considera un servicio básico, sin embargo la cobertura de estas redes en las ciudades de países en desarrollo es ínfima en relación con la cobertura de las redes de agua potable. Esto genera importantes problemas sanitarios. Las redes de alcantarillado son estructuras hidráulicas que funcionan a presión atmosférica, por gravedad. Sólo muy raramente, y por tramos breves, están constituidos por tuberías que trabajan bajo presión o por vacío. Normalmente están constituidas por canales de sección circular, oval o compuesta, enterrados la mayoría de las veces bajo las vías públicas. Sistema de riego. Se denomina sistema de riego o perímetro de riego, al conjunto de estructuras, que hace posible que una determinada área pueda ser cultivada con la aplicación del agua necesaria a las plantas. El sistema de riego consta de una serie de componentes, sin embargo debe notarse que no necesariamente el sistema de riego debe constar de todas ellas, el conjunto de componentes dependerá de si se trata de riego superficial, por aspersión, o por goteo. Por ejemplo, un embalse no será necesario si el río o arroyo del cual se capta el agua tiene un caudal suficiente incluso en el período de aguas bajas. Sistema de drenaje.
La función principal de un sistema de drenaje es la de permitir la retirada de las aguas que se acumulan en depresiones topográficas del terreno, causando inconvenientes ya sea a la agricultura o en áreas urbanizadas. El origen de las aguas puede ser: * Por escurrimiento superficial * Por la elevación del nivel freático, causado por el riego, o por la elevación del nivel de un río próximo Otra función sumamente importante del sistema de drenaje es la de controlar, en los perímetros de riego, la acumulación de sales en el suelo, lo que puede disminuir drásticamente la productividad. Principalmente, el sistema de drenaje está compuesto por una red de canales que recogen y conducen las aguas a otra parte, fuera del área a ser drenada, impidiendo al mismo tiempo, la entrada de las aguas externas. Típicamente estos sistemas se hacen necesarios en los amplios estuarios de los grandes ríos y en los valles donde el drenaje natural es deficiente. La red de canales debe ser periódicamente limpiada, eliminando el fango que se deposita en ellos y las malezas que crecen en el fondo y en los taludes, caso contrario muy fácilmente el flujo del agua se modificaría y se perdería la eficiencia del sistema Defensa ribereña. La protección contra las inundaciones incluye, tanto los medios estructurales, como los no estructurales, que dan protección o reducen los riesgos de inundación. Las medidas estructurales incluyen las represas y reservorios, modificaciones a los canales de los ríos, defensas ribereñas, depresiones para desbordamiento, cauces de alivio y obras de drenaje. Las medidas no estructurales consisten en el control del uso de los terrenos aluviales mediante zonificación, los reglamentos para su uso, las ordenanzas sanitarias y de construcción, y la reglamentación del uso de la tierra de las cuencas hidrográficas. Las defensas ribereñas son estructuras construidas para proteger de las crecidas de los ríos las áreas aledañas a estos cursos de agua. La forma y el material empleado en su construcción varía, fundamentalmente en función de: * Los materiales disponibles localmente. * El tipo de uso que se da a las áreas aledañas. Generalmente en áreas rurales se usan diques de tierra, mientras que en las áreas urbanas se utilizan diques de hormigón. Trasvase de cuenca. Los trasvases de cuenca son obras hidráulicas cuya finalidad es la de incrementar la disponibilidad de agua en una cuenca vecina. Los usos específicos del agua pueden ser los más variados, sin embargo los más comunes son: Abastecimiento de agua potable a ciudades con un número de habitantes superior al que podrían soportar los recursos hídricos de la cuenca en la cual se sitúa la ciudad. Esta necesidad se da en casi todas si no en todas las mega ciudades. Esta situación acarrea una
serie de impactos ambientales, sobre todo si se considera que las aguas servidas se restituirán en una cuenca diferente de la que se extrajo el agua.
