Hidráulica

La hidráulica (del griego antiguo ὕδωρ ( húdōr )  ' agua ' y αὐλός ( aulós )  ' tubería ') ^[2] es una tecnología y ciencia aplicada que utiliza la ingeniería , la química y otras ciencias que involucran las propiedades mecánicas y el uso de líquidos . En un nivel muy básico, la hidráulica es la contraparte líquida de la neumática , que se ocupa de 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 potencia de fluidos , la hidráulica se utiliza para la generación, control y transmisión de potencia 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 flujo de tuberías , diseño de presas , fluídica y circuitos de control de fluidos. Los principios de la hidráulica se utilizan de forma natural en el cuerpo humano dentro del sistema vascular y el tejido eréctil . ^{[3] [4]}

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, el flujo en canales abiertos, estudia el flujo en canales abiertos .

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

En el Imperio persa o en entidades anteriores de Persia, los persas construyeron un intrincado sistema de molinos de agua, canales y represas 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 , ^[5] ha sido calificado por la UNESCO como "una obra maestra de genio creativo". ^[5] También fueron los inventores ^[6] del Qanat , un acueducto subterráneo, alrededor del siglo IX a. C. ^[7] Varios de los grandes y antiguos jardines de Irán fueron irrigados gracias a los Qanats. ^[8]

El qanat se extendió a las zonas vecinas, incluidas las tierras altas de Armenia . Allí, a principios del siglo VIII a. C., el reino de Urartu emprendió importantes obras hidráulicas, como el canal de Menua . ^{[9] [7] [10]}

Las primeras evidencias de ruedas hidráulicas y molinos de agua se remontan al antiguo Cercano Oriente en el siglo IV a. C., ^[11] específicamente en el Imperio Persa antes del 350 a. C., en las regiones de Irak , Irán , ^[12] y Egipto . ^[13]

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 en la China medieval estaban Su Song (1020-1101 d. C.) y Shen Kuo (1031-1095). Du Shi empleaba una rueda hidráulica para accionar el fuelle de un alto horno que producía hierro fundido . Zhang Heng fue el primero en emplear la hidráulica para proporcionar fuerza motriz en la rotación de una esfera armilar para la observación astronómica . ^{[14] [15]}

En la antigua Sri Lanka, la hidráulica se utilizó ampliamente en los antiguos reinos de Anuradhapura y Polonnaruwa . ^[16] 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 2000 años. ^[17] Para el siglo I d.C., se habían completado varias obras de irrigación a gran escala. ^[18] La macro y microhidráulica para satisfacer las necesidades domésticas de horticultura y agricultura, el drenaje superficial y el control de la erosión, los cursos de agua ornamentales y recreativos y las estructuras de retención y también los sistemas de refrigeración estaban en funcionamiento en Sigiriya , Sri Lanka. El coral en la roca masiva en el sitio incluye cisternas para recolectar agua. Los grandes reservorios antiguos de Sri Lanka son Kalawewa (Rey Dhatusena), Parakrama Samudra (Rey Parakrama Bahu), Tisa Wewa (Rey Dutugamunu), Minneriya (Rey Mahasen)

En la antigua Grecia , los griegos construyeron sofisticados sistemas hidráulicos y de suministro de agua. Un ejemplo de ello es la construcción, por parte de Eupalino , de un canal de riego para Samos , el Túnel de Eupalino , bajo un contrato público . Un ejemplo temprano del uso de la rueda hidráulica, probablemente el más antiguo en Europa, es la rueda de Perachora (siglo III a. C.). ^[19]

En el Egipto grecorromano , es notable la construcción de los primeros autómatas hidráulicos por Ctesibio (que floreció alrededor del 270 a. C.) y Herón de Alejandría (alrededor del 10-80 d. C.). Herón describe varias máquinas que funcionaban con energía hidráulica, como la bomba de fuerza , que se sabe en muchos yacimientos romanos que se utilizaba para elevar agua y en los vehículos contra incendios. ^[20]

En el Imperio Romano se desarrollaron diferentes aplicaciones hidráulicas, entre ellas el suministro público de agua, innumerables acueductos , la energía mediante molinos de agua y la minería hidráulica . Fueron de los primeros en utilizar el sifón para transportar agua a través de los valles, y utilizaron el sifón a gran escala para la prospección y posterior extracción de minerales metálicos . Utilizaron ampliamente el plomo en los sistemas de plomería para el suministro doméstico y público, como la alimentación de termas . ^{[ cita requerida ]}

La minería hidráulica se utilizaba en los yacimientos auríferos del norte de España, que fue conquistada por Augusto en el año 25 a. C. La mina de oro aluvial de Las Médulas era una de las mayores de sus minas. Al menos siete largos acueductos la explotaban y las corrientes de agua se utilizaban para erosionar los depósitos blandos y luego lavar los relaves para extraer el valioso contenido de oro. ^{[21] [22]}

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 de los primeros usos de la energía de las mareas , ^{[23] y de los grandes complejos} fabriles hidráulicos . ^[24] En el mundo islámico se utilizaron diversos molinos industriales propulsados ​​por agua, incluidos batanes , molinos harineros , fábricas de papel , descascaradoras , aserraderos , molinos navales , molinos de sellos , fábricas de acero , molinos de azúcar y molinos de mareas . 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 . ^[25] Los ingenieros musulmanes también utilizaron turbinas hidráulicas , emplearon engranajes en molinos de agua y máquinas para extraer agua, y fueron pioneros en el uso de presas como fuente de energía hidráulica, utilizadas para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y las máquinas para extraer agua. ^[26]

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 , entre ellos relojes de agua, un dispositivo para servir vino y cinco dispositivos para sacar agua de ríos o estanques. Entre ellos se incluyen una cinta sin fin con jarras unidas y un dispositivo de vaivén con válvulas articuladas. ^[27]

Las primeras máquinas programables fueron dispositivos impulsados ​​por agua desarrollados en el mundo musulmán. Un secuenciador musical , un instrumento musical programable , fue el primer tipo de máquina programable. El primer secuenciador musical fue un flautista automatizado impulsado por agua inventado por los hermanos Banu Musa , descrito en su Libro de ingeniosos dispositivos , en el siglo IX. ^{[28] [29]} En 1206, Al-Jazari inventó autómatas/ robots programables impulsados ​​por agua . Describió 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. ^[30]

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. ^[31]

La ciencia y la ingeniería del agua en Italia desde 1500-1800 en libros y manuscritos se presenta en un catálogo ilustrado publicado en 2022. ^[32]

Blaise Pascal (1623-1662) estudió la hidrodinámica de fluidos y la hidrostática, centrándose en los principios de los fluidos hidráulicos. Su descubrimiento sobre la teoría detrás de la hidráulica condujo a su invención de la prensa hidráulica , que multiplicaba una fuerza menor que actuaba sobre un área menor en la aplicación de una fuerza mayor totalizada sobre un área mayor, 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 si la presión general del fluido cambia o no al aplicar una fuerza externa. 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.

Poiseuille (1797-1869) , un médico francés, investigó el flujo de sangre a través del cuerpo y descubrió una importante ley que regula la velocidad del flujo en función del diámetro del tubo en el que se produce el flujo. ^{[33] [ cita requerida ]}

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 ^[34] (1748-1814) fue uno de los primeros innovadores y William Armstrong ^[35] (1810-1900) perfeccionó el aparato para el suministro de energía a escala industrial. En Londres, la London Hydraulic Power Company ^[36] fue un importante proveedor de sus tuberías que servían a grandes partes del West End de Londres , la City y los Docks , pero había esquemas restringidos a empresas individuales como muelles y patios de mercancías ferroviarios .

Una vez que los alumnos comprenden los principios básicos de la hidráulica, algunos profesores utilizan una analogía hidráulica para ayudarles a aprender otras cosas. Por ejemplo:

• La computadora MONIAC ​​utiliza agua que fluye a través de componentes hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender sobre economía.
• La analogía termohidráulica utiliza principios hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender sobre los circuitos térmicos.
• La analogía electrónico-hidráulica utiliza principios hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender sobre electrónica.

El requisito de conservación de 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: ^[37]

${\displaystyle {\frac {dp}{dt}}={\frac {\beta }{V}}\left(\sum _{\text{en}}Q-{\frac {dV}{dt}}\right)}$

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

• Rāshid, Rushdī; Morelon, Régis (1996), Enciclopedia de la historia de la ciencia árabe , Londres: Routledge, ISBN 978-0-415-12410-2.

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• El principio de Pascal y la hidráulica (copia archivada)
• El principio de la hidráulica
• Biblioteca de medios de la IAHR Recurso web de fotografías, animaciones y vídeos
• Notas del curso de hidráulica del MIT