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• Edson Abel

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CANALES ABIERTOS DEFINICION

Los canales son conductos en los que el agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmosfera. Los canales pueden ser

naturales (ríos o arroyos) o artificiales

(construidos por el hombre). Dentro de estos últimos pueden incluirse aquellos conductos cerrados que trabajan parcialmente llenos (alcantarillas, tuberías).

SECCIONES TRANSVERSALES MAS FRECUENTES La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y varia de un lugar a otro. Los canales artificiales usualmente se diseñan con forma geométricamente regulares (prismáticos), las más comunes son las siguientes: Secciones abiertas: 

Sección trapezoidal. Se usa siempre en canales de tierra y en canales revestidos.



Sección rectangular. Se emplea para acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos.



Sección triangular. Se usa para cunetas revestidas en las carreteras

también

fundamentalmente

en por

canales facilidad

de de

tierra trazo.

pequeños, También

se

emplean revestidos, como alcantarillas de las carreteras. 

Sección

parabólica.

Se

emplea

a

veces

para

canales

revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra.

Fig. 01 Sección triangular, rectangular y trapezoidal

Fig. 02 Sección circular

ELEMENTOS GEOMETRICOS DE LA SECCION DE UN CANAL

Fig. 03 Elementos geométricos de un canal El diseño de un canal implica darle valor numérico a las siguientes especificaciones técnicas: Q= caudal en m3/s v= velocidad media del agua en m/s S= Pendiente en m/m n= Coeficiente de rugosidad Z= talud b= ancho de solera en m

y= tirante en m A= Área hidráulica en m2 B.L.= H-y= bordo libre en m H= Profundidad total desde la corona al fondo del canal en m

DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES EN UNA SECCIÓN DE CANAL Debido a la presencia de la superficie libre y a la fricción a lo largo de las paredes del canal, las velocidades no están uniformemente distribuidas en su sección. Para el estudio de la distribución de las velocidades se consideran dos secciones:

a) Sección transversal: La resistencia ofrecida por las paredes y por el fondo del canal, reduce la velocidad. En la superficie libre, la resistencia ofrecida por la atmósfera y por el viento (aunque este último tiene muy poco efecto) también influye sobre la velocidad. La velocidad máxima medida en canales será encontrada en la vertical (1) (central) Figura 4, por debajo de la superficie libre a una distancia de 0.05 a 0.25 de la profundidad.

Fig. 04 Sección transversal b) Sección longitudinal: En la Figura 5 se muestra la variación de la velocidad en las verticales (1), (2) y (3), indicadas anteriormente. Considerándose la velocidad media en determinada sección como igual a 1.0, se puede trazar el diagrama de variación de la velocidad con la profundidad (Figura 6).

Fig. 5 Variación de las velocidades en las verticales (1), (2) y (3)

Fig. 06 Variación de la velocidad con la profundidad La distribución de velocidades en una sección de canal depende también de otros factores, entre ellos la forma inusual de la sección, la presencia de curvas a lo largo del canal, etc. En una curva, la velocidad se incrementa de manera sustancial en el lado convexo, debido a la acción centrifuga del flujo. En la Figura 07 se muestra el modelo general de la distribución de velocidades para varias secciones horizontales y verticales en un canal con sección rectangular y las curvas de igual velocidad de la sección transversal.

Fig. 07 Perfiles de velocidad en un canal rectangular

FORMULA DE MANNING

La fórmula de Manning es una evolución de la fórmula de Chézy para el cálculo de la velocidad del agua en canales abiertos y tuberías, propuesta por el ingeniero irlandés Robert Manning, en 1889:

Siendo S la pendiente en tanto por 1 del canal. Para algunos, es una expresión del denominado coeficiente de Chézy C utilizado en la fórmula de Chézy,

EL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD El ingeniero irlandés Robert Manning presentó el 4 de diciembre de 1889 en el Institute of Civil Engineers de Irlanda, una fórmula compleja para la obtención de la velocidad, que podía simplificarse como:

Cuando

fue

convertida

a

unidades

inglesas,

debido

a

que

, se obtuvo su expresión en ese sistema de unidades anglosajón

El valor del coeficiente es más alto cuanta más rugosidad presenta la superficie de contacto de la corriente de agua. Algunos de los valores que se emplean de n son:

RELACIONES GEOMETRICAS DE TRANSVERSALES MÁS FRECUENTES

LAS

SECCIONES

Fig. 08 Secciones transversales

TIPOS DE FLUJOS EN CANALES El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos tipos y distribuirse de diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio. 1. Flujo permanente y no permanente: tiempo como criterio. Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración. 2. El flujo es no permanente si la profundidad no cambia con el tiempo. En la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permante, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida que las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia para el diseño de

estructuras de control. Para cualquier flujo, el caudal Q en una sección del canal se expresa por Q=VA. Donde V es la velocidad media y A es el área de la sección transversal de flujo perpendicular a la dirección de este, debido a que la velocidad media está definida como el caudal divido por el área de la sección transversal. 3. Flujo uniforme y flujo variado: espacio como criterio. Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo. El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal. 4. El flujo es variado si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. el flujo variado puede ser permanente o no permanente es poco frecuente, el término "Flujo no Permanente" se utilizara de aquí en adelante para designar exclusivamente el flujo variado no permanente. El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o gradualmente

variado.

El

flujo

es

rápidamente

variado

si

la

profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias compartida mente cortas; de otro modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la caída hidráulica. 



A.- Flujo Permanente o flujo uniforme o flujo variado o flujo gradualmente variado o flujo rápidamente variado B.- flujo no permanente o flujo uniforme no permanente "raro" o flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente) o flujo gradualmente variado no permanente o flujo rápidamente variado no permanente

Estado de flujo. El estado o comportamiento del flujo en canales abiertos esta gobernado básicamente por los efectos de viscosidad y gravedad con relación con las fuerzas inerciales del flujo. Efecto

de

viscosidad.

El

flujo

puede

ser

laminar,

turbulento

o

transaccional según el efecto de la viscosidad en relación de la inercia. El flujo es laminar: si las fuerzas viscosas son muy fuertes en relación con las fuerzas inerciales, de tal manera que la viscosidad juega con un papel muy importante en determinar el comportamiento del flujo. En el flujo laminar, las partículas de agua se mueven en trayectorias suaves definidas o en líneas de corriente, y las capas de fluido con espesor infinitesimal parecen deslizarse sobre capas adyacentes. Efecto de la gravedad. El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo representa

por

relación

por

las

fuerzas

inerciales

y

las

fuerzas

gravitacionales. Regímenes de flujo: en un canal el efecto combinado de la viscosidad y la gravedad puede producir cualquiera de 4 regímenes de flujo, los cuales son:    

Subcritico-laminar Súper critico-laminar Subcritico-turbulento Supercrítico-turbulento