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Fundamentos básicos de hidráulica (1 de 5)

Vamos a revisar en las próximas cinco entradas los cimientos básicos en los que se sustenta la hidráulica con la intención de recordar las normas fundamentales que componen esta rama de la física. Esta exploración, que a veces nos podrá resultar excesivamente simple, tiene, como se desprende del título, el saludable propósito de refrescar conceptos básicos, sin entrar en profundos análisis.


La revisión sería muy amplia si no la centráramos, y así lo vamos a hacer, en la conducción de fluidos, y más concretamente en el transporte de agua a través de conductos cerrados.



1. Caudal y presión


El agua se transporta a través de tuberías hasta, por ejemplo, una parcela de riego o un edificio. Para el caso por ejemplo del regadío. dependiendo del sistema de riego que se utilice (goteo o aspersión) se necesitará de una menor o una mayor presión para que el sistema funcione correctamente. Asimismo, dependiendo de la altura del edificio, necesitaremos de una mayor o menor presión a la entrada del mismo. Veamos los dos conceptos más importantes que intervienen en el funcionamiento en una instalación hidráulica el caudal y la presión.



a) Caudal


Se define caudal como el volumen de agua que atraviesa una superficie en un tiempo determinado.


Si denominamos al caudal Q, al volumen V y al tiempo t, entonces:


Normalmente el volumen se mide en litros y el tiempo en segundos, por tanto el caudal vendría expresado en:


Existe otra expresión para el caudal. Supongamos que estamos midiendo el caudal que pasa por una tubería circular. El volumen de agua que pasará en un determinado tiempo tendrá la forma de un cilindro con una sección igual a la de la tubería (la sección S la medimos en metros cuadrados), y con una longitud d (medida en metros):

El volumen será por tanto equivalente al volumen del cilindro, es decir:


V = S · d


Si ahora vamos a la fórmula [1] y sustituimos tendremos lo siguiente:


Pero aún podemos hacer una sustitución más. Esta ecuación contiene la distancia recorrida por el agua en un tiempo determinado, lo cual no es otra cosa que la velocidad a la que circula el agua, de modo que podemos escribir:

Donde v es la velocidad de circulación del agua en metros por segundo y S la sección del tubo en metros cuadrado (m2). El caudal por tanto se expresa en: Q = m2 · m/s = m3/s


Por tanto el caudal que circula por el interior de una tubería dependerá del ancho del tubo (sección) y de su velocidad. Cuanta más sección más caudal; a mayor velocidad mayor caudal también.


Fig. 1 El caudal que circula por el interior de una tubería depende de la sección del tubo y de la velocidad de circulación del agua. Q = S · v



El caudal se puede expresar en litros por segundo (l/s), litros por minuto (l/min) o bien litros hora (l/h). También se suele utilizar metros cúbicos por hora (m3/h) y metros cúbicos por segundo (m3/s).


Todas estas unidades se pueden convertir entre sí. Tendremos que emplear las siguientes conversiones para pasar de una unidad a otra:



Tabla I: “Conversión de unidades de caudal”



Ejemplo 1.


¿Qué caudal circulará por una tubería de 200 milímetros de diámetro si la velocidad del agua es de 1,5 m/s?


La fórmula de cálculo a utilizar es Q = S · v. Lo primero que debemos conocer es la sección o el área de la tubería. Para calcular la sección utilizaremos la expresión del área de un circulo: S = 3,1416 · radio^2. Como el radio es la mitad del diámetro, radio = 200/2 = 100 milímetros; lo pasamos a metros dividiendo entre mil; r= 100/1000 = 0,1 metro. Por tanto S = 3,1416 · 0,1^2 = 3,1416 · 0,1 · 0,1 = 0,031 m2


Ya podemos aplicar la fórmula; Q = S · v = 0,031 m2 · 1,5 m/s = 0,046 m3/s; para pasarlo por ejemplo a litros por minutos utilizamos la tabla I de conversión de unidades de caudal:


Q = 0,046 · 1.000 = 46 l/s



Ejemplo 2.


Deseamos saber la velocidad a la que circulará el agua por una tubería de 90 mm de diámetro que transporta un caudal de 15 l/s.


De la conocida fórmula Q = S · v, despejamos la velocidad. Es decir, v = Q/S


El caudal lo transformamos en m3/s según lo indicado en la tabla I:


15 l/s / 1.000 = 0,015 m3/s


Calculamos ahora la sección del tubo. El radio es 90/2 = 45 mm, que pasados a metros son 0,045 m.