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hidráulica

es una rama de la física y la ingeniería que se relaciona con el estudio de la propiedades mecánicas de los fluidos.

La palabra hidráulica viene del griego ὑδϱαυλικός (hydraulikós) que, a su vez, viene de ὕδϱαυλος que significa órgano de agua, palabra compuesta por ὕδωϱ(agua) y αὐλός (caño).

La hidráulica es la ciencia que estudia la utilización de los líquidos, en especial del agua. Los problemas relacionados a estos estudios se dividen en dos categorías


Historia de la hidráulica

Desde la más remota antigüedad el hombre se ha encontrado frente a problemas prácticos de hidráulica, íntimamente ligado con las exigencias de la vida

Egipto y Grecia

Las civilizaciones más antiguas se desarrollan a lo largo de los ríos más importantes de la Tierra, como el Tigris y Eufrates, el Nilo, el Indo. La experiencia y la intuición guiaron a estas comunidades en la solución de los problemas relacionados con las numerosas obras hidráulicas necesarias para la defensa ribereña, el drenaje de zonas pantanosas, el uso de los recursos hídricos, la navegación.

En las civilizaciones de la antigüedad, estos conocimientos se convirtieron en privilegio de una casta sacerdotal. Por ejemplo en el antiguo Egipto los sacerdotes se transmitían, de generación en generación, las observaciones y registros, mantenidos en secreto, respecto a las inundaciones del río, y estaban en condiciones, con base a éstos, de hacer previsiones fácilmente interpretadas por adivinaciones transmitidas por los dioses. Siempre en Egipto nació la más antigua de las ciencias exactas: la geometría, que según el historiador griego Erodoto, surgió a raíz de exigencias catastrales relacionadas con las inundaciones del Nilo.

Con los griegos la ciencia y la técnica pasan por un proceso de desacralización, a pesar de que algunas veces se relegan al terreno de la mitología.

Tales de Mileto, de padre griego y madre fenicia, atribuye al agua el origen de todas las cosas. La teoría de Tales de Mileto, y la teoría de los filósofos griegos subsecuentes del período Iónico encontrarán una sistematización de sus principios en la física de Aristóteles. Física que, como se sabe, está basada en los cuatro elementos naturales, sobre su ubicación, sobre el movimiento natural, es decir hacia sus respectivas esferas, diferenciado del movimiento violento; la física antigua se basa en el sentido común, es capaz de dar una descripción cualitativa de los principales fenómenos, pero es absolutamente inadecuada a la descripción cuantitativa de los mismos.

Las primeras bases del conocimiento científico cuantitativo se establecieron en el siglo III a.C. en los territorios en los que dividido el imperio de Alejandro Magno y el epicentro del saber científico fue Alejandría en Egipto. Aquí, Euclides recogió, en los “Elementos” el conocimiento precedente, en el terreno de la geometría, en una obra única, en la que de las pocas definiciones y axiomas se deducen una infinidad de teoremas; los “Elementos” de Euclides constituirán, por más de dos mil años un modelo de ciencia deductiva de un insuperable rigor lógico. Arquímedes de Siracusa estuvo en contacto epistolar con los científicos de Alejandría.

Arquímedes ha hecho una cantidad extraordinaria descubrimientos excepcionalmente geniales. Entre ellas cabe recordar una que lleva el signo de una gran inteligencia. Cuando Ceron reinaba en Siracusa, quiso ofrecer a un santuario una corona de oro, en agradecimiento por los éxitos alcanzados. Contrató un artista con el que pactó el precio de la obra y además le entregó la cantidad de oro requerida para la obra. La corona terminada fue entregada al rey, con la plena satisfacción de este, y el peso también coincidía con el peso de oro entregado. Un tiempo después sin embargo Ceron tuvo motivos para desconfiar de que el artista lo había engañado sustituyendo una parte del oro con plomo, manteniendo el mismo peso. Indignado por el engaño, pero no encontrando la forma de demostrarlo, solicitó a Arquímedes que estudiara la cuestión. Un día, absorto por este problema, Arquímedes mientras tomaba un baño en una tina observó que mientras el se sumergía en el agua, esta se derramaba de la tina. Esta observación le dio la solución del problema. Saltó fuera de la tina y emocionado corrió desnudo a su casa gritando “Eureka! Eureka!”

Arquímedes fue el fundador de la hidrostática, y también el precursor del cálculo diferencial: recuérdese su célebre demostración del volumen de la esfera, y en conjunto con los científicos de Alejandría no desdeñó las aplicaciones a la ingeniería de los descubrimientos científicos, tentando disminuir la brecha entre ciencia y tecnología, típica de la sociedad de la antigüedad clásica, sociedad que, como es bien sabido, estaba basada en la esclavitud.

En el campo de la hidráulica él fue el inventor de la espiral sin fin, la que, al hacerla girar al interior de un cilindro, es usada aun hoy para elevar líquidos.

Los romanos

Los antiguos romanos, que difundieron, en todo el Mediterráneo, la vida urbana, basaron el bienestar, el vivir bien, especialmente en la disponibilidad de abundante cantidad de agua. Se considera que los acueductos suministraban más de un millón de m3 de agua al día a la Roma Imperial, la mayor parte distribuida a viviendas privadas por medio de tubos de plomo. Llegaban a Roma por lo menos una docena de acueductos unidos a una vasta red subterránea.

Para construir el acueducto Claudio, se requirieron, por 14 años consecutivos más de 40 mil carros de tufo por año.

En las provincias romanas los acueductos atravesaron con frecuencia profundos valles, como en Nîmes, donde el “Pont du Gard” de 175 m de longitud tiene una altura máxima de 49 m, y en Segovia, en España, donde el puente-acueducto de 805 m de longitud todavía funciona.

Los romanos excavaron también canales para mejorar el drenaje de los ríos en toda Europa y, menos frecuentemente para la navegación, como es el caso del canal Rin-Mosa de 37 km de longitud. Pero sin duda en este campo la obra prima de la ingeniería del Imperio Romano es el drenaje del lago Fucino, a través de una galería de 5,5 km por debajo de la montaña. Esta galería solo fue superada en el 1870 con la galería ferroviaria del Moncenisio. El “Portus Romanus, completamente artificial, se construyó después del de Ostia, en el tiempo de los primeros emperadores romanos. Su bahía interna, hexagonal, tenía una profundidad de 4 a 5 m, un ancho de 800 m, mueller de ladrillo y mortero, y un fondo de bloques de piedra para facilitar su dragado.





La generación de energía

La principal fuente no viviente de energía de la antigüedad fue el llamado “molino” griego, constituido por un eje de madera vertical, en cuya parte inferior había una serie de paletas sumergicas en el agua. Este tipo de molino fue usado principalmente para moler los granos, el eje pasaba a través de la máquina inferior y hacía girar la máquina superior, a la cual estaba unido. Molinos de este tipo requerían una corriente veloz, y seguramente se originaron en las regiones colinares del Medio Oriente, a pesar de que Plinio atribuye la creación de los molinos de agua para moler granos al norte de Italia. Estos molinos generalmente eran pequeños y más bien lentos, la piedra de moler giraba a la misma velocidad que la rueda, tenían por lo tanto una pequeña capacidad de molienda, y su uso era puramente local. Sin embargo pueden ser considerados los precursores de la turbina hidráulica, y su uso se extendió por más de tres mil años.

El tipo de molino hidráulico con eje horizontal y rueda vertical se comenzó a construir el el siglo I a.C. por el ingeniero militar Marco Vitruvio Polione. Su inspiración puede haber sido la rueda persa o “saqíya”, un dispositivo para elevar el agua, que estaba formado por una serie de recipientes dispuestos en la circunferencia de la rueda que se hace girar con fuerza humana o animal. Esta rueda fue usada en Egipto (Siglo IV a.C.). La rueda hidráulica vitruviana, o rueda de tazas, es básicamente una rueda que funciona en el sentido contrario. Diseñada para moler grano, la rueda estaban conectadas a la máquina móvil por medio de engranajes de madera que daban una reducción de aproximadamente 5:1. Los primeros molinos de este tipo eran del tipo en los que el agua pasa por debajo.

Más tarde se observó que una rueda alimentada desde arriba era más eficiente, al aprovechar también la diferencia de peso entre las tazas llenas y las vacías. Este tipo de rueda, significativamente más eficiente requieren una instalación adicional considerable para asegurar el suministro de agua: generalmente se represaba un curso de agua, de manera a formar un embalse, desde el cual un canal llevaba un flujo regularizado de agua a la rueda.

Este tipo de molino fue una fuente de energía mayor a la que se disponía anteriormente, y no solo revolucionó la molienda de granos, sino que abrió el camino a la mecanización de muchas otras operaciones industriales. Un molino de la época romana del tipo alimentado por debajo, en Venafro, con una rueda de 2 m de diámetro podía moler aproximadamente 180 kg de granos en una hora, lo que corresponde aproximadamente a 3 caballos vapor, en comparación, un molino movido por un asno, o por dos hombres podía apenas moler 4,5 kg de grano por hora.

Desde el siglo IV d.C. en el Imperio Romano se instalaron molinos de notables dimensiones. En Barbegal, en las proximidades de Arles, en el 310, se usaron para moler granos 16 ruedas alimentadas desde arriba, que tenían un diámetro de hasta 2,7 m cada una. Cada una de ellas accionaba, mediante engranajes de madera dos máquinas: La capacidad llegaba a 3 toneladas por hora, suficientes para abastecer la demanda de una población de 80 mil habitantes, la población d Arles en aquella época no sobrepasaba las 10 mil personas, es por lo tanto claro que abastecía a una vasta zona.

Es sorprendente que el molino de Vitruvio no se popularizara, en el Imperio Romano hasta el tercero o cuarto siglo. Siendo disponible en la época los esclavos y otra mano de obra a bajo precio, no había un gran incentivo para promover una actividad que requería la utilización de capital, se dice además que el emperador Vespasiano (69 – 79 d.C.) se habría opuesto al uso de la energía hidráulica porque esta habría provocado la desocupación.




La rueda hidráulica

En la Edad Media, la rueda hidráulica fue ampliamente utilizada en Europa para una gran variedad de usos industriales El Domesday book, el catastro inglés elaborado en el 1086, por ejemplo reporta 5,624 molinos de agua, todos del tipo vitruviano. Estos molinos fueron usados para accionar aserraderos, molinos de cereales y para minerales, molinos con martillos para trabajar el metal, para accionar fuelles de fundiciones y para una variedad de otras aplicaciones. De este modo tuvieron también un papel importante en la redistribución territorial de la actividad industrial.

Otra forma de energía desarrollada en la Edad Media fue el molino de viento. Desarrollado originalmente en Persia en el siglo VII, parece que tuvo su origen en las antiguas ruedas de oraciones accionadas por el viento utilizadas en Asia central. Otra hipótesis plausible pero no demostrada, es la de que el molino de viento se derivaría de las velas de los navíos. Durante el siglo X estos molinos eólicos fueron ampliamente utilizados en Persia, para bombear agua. Los molinos persas estaban constituidos por edificios de dos pisos, en el piso inferior se encontraba una rueda horizontal accionada por 10 a 12 alas adaptadas para captar el viento, conectadas a un eje vertical que transmitía el movimiento a la máquina situada en el piso superior, con una disposición que recuerda los molinos de agua griegos. Los molinos de viento de eje horizontas se desarrollaron en Europa del norte entorno al siglo XIII.




La hidráulica en los países árabes

En la Edad Media el islam contribuyó en forma importante al desarrollo de la hidráulica. En el área geográfica donde se ubica el primer desarrollo de la civilización islámica se realizaron importantes obras hidráulicas, como por ejemplo canales para la distribución de agua, con un uso frecuente de sifones, casi desconocidos anteriormente, pero lo que tiene más significado, el Islam aseguró la continuidad del conocimiento con las civilizaciones antiguas, particularmente con la alejandrina. Cuando en el Renacimiento se redescubrió la civilización clásica y su ciencia, en realidad se disponía de técnicas mucho más evolucionadas que en la antigüedad y de instrumentos matemáticos mucho más versátiles, como la numeración árabe y el álgebra, también de origen árabe.

Entre los numerosos “arquitectos” que actuaban en el Renacimiento, el más significativo fue Leonardo Da Vinci (1452 – 1519). A Leonardo se debe la primera versión de la conservación de la masa en un curso de agua, en el cual el producto entre la velocidad media del agua en una sección y el área de la misma sección es constante, mientras que, siempre Leonardo observa, la velocidad del agua es máxima en el centro del río y mínima sobre los bordes. En tiempos recientes se ha reconducido el estudio d la turbulencia al de los sistemas dinámicos que conducen al caos. Actualmente la verdadera naturaleza del movimiento turbulento no está del todo clara, y el enfoque probabilístico parecería no ser el simple reflejo de nuestra ignorancia, sino que reflejaría la esencia misma del fenómeno, como en otras ramas de la física.

Se puede concluir que “es más fácil estudiar el movimiento de cuerpos celestes infinitamente lejanos que el de un arroyito que corre a nuestros pies” (Galileo Galilei): “Discurso sobre dos ciencias nuevas”





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