LABORATORIO FUERZA Y ENERG A ESPEC FICA

LABORATORIO FUERZA Y ENERGÍA ESPECÍFICA (TEORÍA)


En el diseño de conductos abiertos como son los canales es importante definir la energía específica que presenta el flujo en una determinada sección, ya que esto nos permite definir la capacidad para desarrollar un trabajo, así mismo la determinación del tirante crítico tiene una aplicación directa en la definición del tipo de régimen quepresenta un determinado escurrimiento, ya que si el tirante con que fluye un determinado caudal es menor que el tirante crítico, se sabe que el escurrimiento es en régimen supercrítico (rápido) y si es mayor que el crítico entonces el escurrimiento es en régimen subcrítico (lento).


MARCO TEÓRICO

ENERGÍA ESPECÍFICA

El concepto de energía específica, desarrollado en 1912 por Bakmeteff, deriva de laecuación de Bernoulli antes mostrada. Cuando la distribución de presiones en la sección es hidrostática, la carga piezométrica es constante y la carga de presión , siendo y el tirante del flujo en el canal.

De esta forma la carga hidráulica total en la sección referida al fondo del canal (tomando z=0 en el fondo del canal) es lo que se define como energía específica (E) .

Para canales dependiente suave la energía específica resulta: .
Despreciando los efectos de no-uniformidad (coef. de Coriolis α = 1): .

Una expresión de la energía específica en función del caudal (Q) se escribe de la siguiente manera: .


Suponiendo que Q es constante y A es función del tirante, la energía especifica es función únicamente del tirante. Graficando la última ecuación para un caudalconstante, se obtiene una curva de dos ramas, lo cual se puede apreciar del siguiente análisis:



Es decir, E → ∞ cuando y → 0 así como cuando y → ∞, lo que indica que para valores del intervalo 0 < y < ∞, habrán valores definidos de E, y que debe haber un valor mínimo de E.


Los tirantes y1 y y2 que se obtienen para una misma energía específica, se denominan tirantes alternos o correspondientes, yc quecorresponde a la energía específica mínima, se le llama tirante crítico.

En la figura siguiente, la curva específica tiene dos ramas, AC y BC. La rama AC se aproxima asintóticamente al eje horizontal hacia la derecha. La rama BC se aproxima a la línea OD a medida que se extiende hacia arriba y hacia la derecha. La línea OD es una línea que pasa a través del origen y tiene un ángulo de inclinaciónigual a 45º. Para un canal de pendiente alta, el ángulo de inclinación de la línea OD será diferente de 45º. En cualquier punto P de esta curva, la ordenada representa la profundidad y la abscisa representa la energía específica, que es igual a la suma de la altura de presión y y la altura de velocidad V2/2g.

La curva muestra que, para una energía específica determinada, existen dos posiblesprofundidades, la profundidad baja y1 y la profundidad alta y2. La profundidad baja es la profundidad alterna de la profundidad alta, y viceversa. En el punto C, la energía específica es mínima. Más adelante se probará que esta condición de energía específica mínima corresponde al estado crítico de flujo. Por consiguiente, en el estado crítico es claro que las dos profundidades alternas se conviertenen una, la cual es conocida como profundidad crítica yc.

Cuando la profundidad de flujo es mayor que la profundidad crítica, la velocidad de flujo es menor que la velocidad crítica para un caudal determinado y, por consiguiente, el flujo es subcrítico. Cuando la profundidad del flujo es menor que la profundidad crítica, el flujo es supercrítico. Por tanto, y1 es la profundidad de un flujosupercrítico y y2 es la profundidad de un flujo subcrítico.

Si el caudal cambia, existirá un cambio correspondiente en la energía específica. Las dos curvas A'B' y A"B" representan posiciones de la curva de energía específica cuando el caudal es menor y mayor, respectivamente, que el caudal utilizado para la construcción de la curva AB.

































PROCEDIMIENTO

Para este...