HIDRÁULICA BÁSICA PARA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS – I

INTRODUCCIÓN

Este artículo es el primero de una serie donde se expondrán los Conceptos Básicos de la Hidráulica que son necesarios para la comprensión de algunos aspectos relacionados con los sistemas de extinción de incendios. Se proporcionará información acerca de las propiedades y el comportamiento del agua, así como para comprender los parámetros y leyes que gobiernan su transporte por sistemas de tuberías.

La hidráulica es una rama de la mecánica de fluidos que se ocupa de las propiedades físicas de los líquidos y su aplicación en la ingeniería. En la disciplina de protección contra incendios el líquido que se considera es el agua, y en algunas ocasiones los concentrados de espuma.

La hidráulica se divide en dos áreas primarias: hidrostática e hidrodinámica.

La hidrostática estudia el agua en reposo. Se ocupa de las propiedades del agua en estado estático, ya sea en un recipiente abierto sujeto a la presión atmosférica, en un recipiente cerrado y presurizado o dentro de un sistema de tuberías. La hidrodinámica, en cambio, es el estudio del agua en movimiento, particularmente en relación con las fuerzas creadas por ella o aplicadas a ella.

DEFINICIONES Y TÉRMINOS BÁSICOS

FUERZA

En términos generales de física, la fuerza es lo que causa el movimiento de un cuerpo, y se ilustra matemáticamente por:

Donde:
F = Fuerza
m = masa
a = aceleración

Las unidades comúnmente utilizadas para expresar la fuerza son: Newton, kgf y lbf.

PESO

El peso de una sustancia corresponde a su masa multiplicada por la aceleración de la gravedad. Se expresa como:

Donde:
W = Peso
m = masa
g = aceleración de la gravedad (9,81 m/s2 [32,2 pie/s2]).

Las unidades utilizadas para expresar Peso son las mismas utilizadas para Fuerza. En algunas situaciones prácticas ambos términos resultan equivalentes. Partiendo de las ecuaciones, son iguales cuando la aceleración a la que está sometido el objeto es la de la gravedad.

PRESIÓN

La presión es la medida de la fuerza ejercida sobre una superficie. Se representa como:

Donde:
P = Presión
F = Fuerza
A = Área

La presión se puede expresar en varias unidades. En la disciplina de protección contra incendio normalmente se utiliza libras por pulgadas cuadradas (psi, por sus siglas en inglés). Otras unidades son: N/m2, kiloPascal, Bar, Kgf/cm2, mca, pulgadas de mercurio, atmósferas.

La presión puede ser absoluta o relativa, también llamada manométrica. La presión absoluta incluye la presión atmosférica, la cual es de 14,7 psi a nivel del mar, y se mide con un barómetro. La presión relativa excluye la presión atmosférica y se mide con un manómetro. En protección contra incendios normalmente se trabaja con la presión manométrica.

DENSIDAD

La densidad de una sustancia se define como la masa contenida en un volumen dado. Se expresa como:

Donde:
ρ = Densidad
m = masa
V = Volumen

En general, la densidad varía al cambiar la presión o la temperatura. El aumento de la presión siempre aumenta la densidad de un material. El aumento de la temperatura generalmente disminuye la densidad, con algunas excepciones. Por ejemplo, la densidad del agua aumenta entre 0 °C y 4 °C.

La densidad del agua es de 1.000 kg/m3 (62,43 lb/pie3), a 4 ºC (39,2 ºF) y en vacío; pero son los valores que normalmente se utilizan en los cálculos hidráulicos, dado que las variaciones a otras temperaturas y presiones pueden ser ignoradas en aplicaciones prácticas. Para agua salada el valor de densidad utilizado es de 1.030 kg/m3 (64,1 lb/pie3).

PESO ESPECÍFICO

El peso específico de una sustancia es la representación de la fuerza ejercida por la gravedad sobre una unidad de volumen. Se obtiene multiplicando su densidad por la aceleración debida a la gravedad. También se define como el peso contenido en un volumen o la fuerza ejercida por un volumen. Normalmente se expresa en N/m3 (lbf/pie3).

Donde:
w = Peso específico
ρ = Densidad
g = aceleración de la gravedad

El peso específico del agua es de 9.810 N/m3; también es igual a 1.000 kgf/m3 (62,4 lbf/pie3).

Dado que el peso específico es función de la densidad del material y la densidad depende de la temperatura, el peso específico también variará con la temperatura.

VISCOSIDAD

Es la propiedad de un fluido que indica la facilidad con la que sus moléculas pueden moverse entre sí y la capacidad de fluir unas sobre otras. La viscosidad puede considerarse una medida de la resistencia de un fluido a la deformación o cizallamiento o, alternativamente, su disposición a fluir cuando actúa sobre él una fuerza externa.

Cuando el fluido pasa a través de un tubo, las partículas que componen el fluido generalmente se mueven más rápido cerca del eje del tubo y más lentamente cerca de sus paredes. La viscosidad es una medida de la fricción por deslizamiento entre capas sucesivas de un líquido que fluye en una tubería. Esto causa una variación en la velocidad de las diferentes capas líquidas, lo que da como resultado un gradiente de velocidad.

La viscosidad se expresa comúnmente en una de dos formas:

La viscosidad se expresa comúnmente en una de dos formas:

  • Viscosidad dinámica (μ)
  • Viscosidad cinemática (υ)

La relación entre ambas es la siguiente:

La viscosidad cinemática del agua a 20 ºC es 1×10–6 m2/s (1,076×10–5 pie2/s).

La viscosidad del líquido está directamente relacionada con las pérdidas de presión que ocurren cuando fluye por una tubería.

PRINCIPIOS BÁSICOS DE HIDROSTÁTICA

PRINCIPIO 1: La presión en un fluido actúa igualmente en todas las direcciones y perpendicular a la superficie.

Es decir, la presión actúa en ángulo recto sobre cualquier superficie con la que esté en contacto el fluido. Se tiene la idea de que la presión siempre actúa en dirección descendente. Esto se fomenta en el hecho de que la presión está estrechamente relacionada con el peso; pero en realidad no es así.

Comprender este principio requiere un poco de imaginación. Visualicemos una gota de agua en un punto en el centro de un balde lleno de agua. A partir de esa gota la presión se ejerce igualmente en todas las direcciones. Un ejemplo más familiar es una manguera contra incendios cargada. Si se toma un punto de presión en el centro de la corriente de agua dentro de la manguera; una prueba de que esa presión es igual en todas las direcciones, es que la misma, que no tiene una forma intrínseca propia, se mantiene redonda.

Balde o cubo lleno de agua Manguera cargada con agua

PRINCIPIO 2: La presión aplicada desde fuentes externas sobre un líquido confinado será transmitida en todas las direcciones a través del líquido sin reducción en su magnitud.

El concepto de transmisión de presión sin disminución a través de un líquido confinado se acepta por su naturaleza relativamente incompresible, es decir, que mantienen sustancialmente su volumen original cuando están confinados y sujetos a presiones externas. Debido a que la presión no es absorbida en una contracción del volumen, simplemente se transmite a través del líquido en todas las direcciones sin reducción de magnitud.

PRINCIPIO 3: La presión creada por un líquido dentro de un contenedor es directamente proporcional a la profundidad del mismo.

Este Principio es básico y crítico de la hidráulica de protección contra incendios.

De acuerdo con este Principio, la presión puede expresarse como:

Al ser constante el peso específico del agua, así como la aceleración de la gravedad, la presión sólo dependería de la altura.

Imaginemos un cubo de agua de 1 metro de lado, es decir, un volumen de 1 m3. Como el peso específico del agua es de 9.810 N/m3 (62,4 lbf/pie3), dicho cubo ejercería sobre su base una presión de 9.810 Pa (1,42 psi). Si es multiplica la altura, se multiplica la presión.

PRINCIPIO 4: La presión creada por un líquido dentro de un contenedor abierto es directamente proporcional a la densidad del líquido.

Mientras mayor densidad posea el líquido, mayor presión será la presión que ejerza.

La densidad del mercurio es mucho mayor que la del agua, por lo que para ejercer la misma presión, se requiere una menor altura de mercurio que de agua.

PRINCIPIO 5: La forma o volumen de un contenedor no influye en la presión creada por el líquido.

Sin importar la forma del tanque, la presión reflejada en los manómetros es la misma, en vista de que la altura del nivel de agua es la misma.

ENERGÍA POTENCIAL

La presión hidrostática es el componente de energía potencial de la energía total de un sistema hidráulico.

La energía potencial es energía almacenada. Tiene la habilidad de ejecutar un trabajo cuando se libera; también representa la capacidad de mover alguna unidad de peso a cierta distancia. Un volumen de agua elevado y/o presurizado contiene energía potencial.

Se expresa de la siguiente forma:

Donde:
EP = Energía potencial
W = Peso
H = Altura

En un sistema hidráulico la energía potencial tiene dos componentes: la energía debida a la elevación y la energía debida a las fuentes de presión externa tales como bombas, por lo que la energía potencial total existente en cualquier punto de un sistema es:

Donde:
EPt = Energía potencial total
EPh = Energía potencial debida a la altura
EPp = Energía potencial debida a la presión interna

 

Ing. Luis Ybirma
Caracas – Venezuela

Notas:
1. El contenido de este artículo no es una Interpretación Formal de NFPA. Lo aquí expresado es la interpretación personal del autor y no necesariamente representa la posición oficial de las normas NFPA y sus Comités Técnicos. Por otra parte, el lector es libre de estar de acuerdo, en todo o en parte, con lo aquí expresado.
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