IntroduccinEl Golpe de Ariete es un fenmeno transitorio que se presenta en las condiciones a presin, en el que la tubera no se considera rgida y el lquido se trata como compresible; es frecuente que en lneas de conduccin por gravedad para el abastecimiento de agua a poblaciones, en las obras de toma de algunas presas y en los conductos de alimentacin y desfogue en plantas hidroelctricas ocurran perturbaciones en el flujo permanente inicial debido a los procesos de regulacindelgasto, cuando el movimiento del lquido que circula a travs de ellas, es modificado bruscamente, dando inicio al golpe de ariete.

OrigenEn general el golpe de ariete es ocasionado por causas imprevistas como son: cierres bruscos de vlvulas ante las turbinas, causados por averas en los mecanismos de amortiguamiento; el no funcionas las vlvulas en caso de una descarga brusca del grupo; el golpe de una roca contra la tubera, originando una onda que se transmite a lo largo del conducto y puede producir una rotura en algn sitio alejado del punto de impacto; fallas en el suministro de energa que requiere una bomba para su adecuado funcionamiento, que obligan al cierre sbito de la vlvula de retencin, para evitar el paso del agua hacia la bomba. En fin, cualquier variacin de caudal en un sistema hidrulico que obliga al cierre parcial o total de una vlvula o de cualquier dispositivo de regulacin, provoca perturbaciones de flujo, desencadenando el fenmeno.La variacin en el movimiento del lquido se manifiesta bsicamente con modificaciones en las condiciones de presin y velocidad del flujo, repercutiendo en los diferentes elementos que estn en contacto con el fluido; generando esfuerzos superiores a los normales (en el flujo permanente). Inicialmente el fluido posee una energa cinticaEc = m v . Al disminuir la velocidad se reduce la ecuacin, transformndose en energas vibratorias, ondulatorias y en calor. Las dilataciones y contracciones cclicas de la conduccin originan esfuerzos de fatiga en el material del cual est fabricada y provocan los destrozos ya mencionados.

DefinicinLa palabra Ariete, designa una mquina militar, utilizado para derribar puertas, por medio de golpes reiterados. Por analoga se denominaGOLPE de ARIETE, el fenmeno que se presenta en las redes de acueductos, en particular si se cierra rpidamente una vlvula, produciendo un ruido caracterstico como un "latigazo" que resuena, hasta apagarse del todo. As pues, recordando el principio de Bernoulli una vena lquida repentinamente detenida, transformar toda su energa cintica en energa de presin (altura piezo-mtrica, presin cintica h). Esta sobre-presin h busca "desesperadamente" un desahogo, es capaz de romper las tuberas, arrancarlas de su sitio, deteriorar accesorios, etc. y llega a producir fenmenos insospechados como si se tratara de una verdadera explosin de red.Tambin se da en caso de cierre gradual de una vlvula aunque en menor intensidad. Igualmente, existe ungolpe de ariete"al revs" (gran depresin cuando repentinamente se abre una vlvula.El golpe de ariete en redes interiores de acueductoLa tubera es rgida no deformable: caso terico, el Mdulo de elasticidad del material (E) tiene un valor infinito.Al ser detenida sbitamente la vena lquida su energa cintica se convierte en energa de presin sobre el agua y energa elstica de deformacin del agua, al quedar fuertemente comprimida contra la vlvula cerrada. La tubera no se deforma, dad su rigidez infinita.La tubera es plstica o deformable: casos reales de la prctica tienen un mayor o menor grado de elasticidad.La sobre-presin se "desahoga" en sucesivas dilataciones y contracciones del agua y de la tubera, como en un movimiento oscilatorio, hasta desvanecerse totalmente, a lo cual coadyuva tambin el rozamiento.Descripcin del golpe de arieteTUBERIA EN PERIODO DE SERVICIO NORMAL VLVULA ABIERTA

Fig 1El agua fluye con una velocidad uniforme, bajo una presin h supuesta constante sin considerar rozamiento, el dimetro de la tubera es normalINICIACIN DEL FENOMENO, CIERRE RPIDO DE LA VLVULA B

Fig 2Repentinamente se cierra la llave B, en un tiempo terico t = 0. El primer "bloque lquido" ? Volumen en el frente de la vena lquida, se "aplasta" o comprime fuertemente contra la vlvula cerrada, su energa cintica se convierte bruscamente en energa de presin (sobre-presin h). La presin total en el extremo de la tubera es ahora H = h+ h ; y la velocidad del primer bloque se aula. El extremo B de la tubera se ensancha debido a h. Entre tanto, otros bloques lquidos son "progresivamente" detenidos a partir del primero, el agua se comprime y la tubera se va ensanchando en el sentido de B hacia A, como se aprecia en la figura 2, en la cual apenas se est iniciando el fenmeno.Origen de la onda elstica o de presinEn la figura 2, la deformacin se traslada de B hacia A, con una velocidad constante c. Esta es la onda elstica o de presin, del tipo longitudinal cuya velocidad se conoce como "celeridad". Esta onda es positiva cuando hay compresin del agua; parte de B y se dirige hacia la base del depsito. Se ha iniciado el primer ciclo y especficamenteel primer tiempo t, de lafase directa o Golpe Directo.FASE DIRECTA. PRIMER TIEMPOt1= L/ c

Fig 3La onda c llega a la base del depsito. La velocidad se anula. La tubera se ensancha, el agua queda comprimida en su interior, con una presin total H = h + h. Debido a la elasticidad del agua y del material de la tubera el conjunto "en tensin" est presto a recuperar su estado normal.FASE DIRECTA. SEGUNDO TIEMPOt2= L /c

La onda c se refleja en A y se dirige a B.Fig 4El agua que estaba comprimida comienza a escapar del depsito. Hay descompresin y la tubera empieza a recuperar su dimetro normal; desde A hacia B

La onda c regresa a su punto de partida B.Fig 5El dimetro es normal, ha desaparecido la sobre-presin h. Sin embargo, el agua continua por inercia fluyendo hacia el depsito. Ha transcurrido un tiempo total T = t1 + t2 = 2L/c = tiempo crtico = fase directa.FASE INVERSA. PRIMER TIEMPOt3= L/ c

Se inicia la onda de presin negativaFig 6Aparece una depresin en el interior de la tubera debido a que por A sigue fluyendo agua y la llave B est cerrada.

c se refleja en AFig 7La tubera queda contrada en toda su longitud L, sometida a depresin.FASE INVERSA SEGUNDO TIEMPOt4= L / c

Fig 8

Fig 9Cuando la onda llega a B, la tubera va a tener todas sus condiciones normales de igual forma que en la figura 1. Como la llave B continua cerrada, comenzar el segundo ciclo de forma semejante pero con menor intensidad.EXPRESIN GENERAL DE LA SOBRE-PRESINhLa sobre-presin depende del tiempo de cierre de la vlvula ( tc).El cierre puede ser: To : periodo de oscilacinRpido, si tc < T/2 = 2L/cL : Longitud de la conduccinLento, si tc < T/2c : Celeridad de la ondaEn cierres instantneos tc=0, las formulas de Jowkosky expresan:DP =rc v (cierre total)DP: aumento de presinr: densidadDP =rc (v v ) ( cierre parcial )v : velocidad inicial

v: velocidad finalc : velocidad de la onda (m/s)Eo : mdulo volumtricodel fluido (N/m)D : dimetro del tubo (m)E : mdulo elstico del material (N/m)d: espesor de tubera (m)Elgolpe de ariete aumenta directamente con: La longitud de la tubera La velocidad del flujo La rapidez de cierre

El golpe de ariete aplicado a la ingenieraBajo el punto de vista de la ingeniera el golpe de ariete puede ser estudiado como un fenmeno perjudicial o benfico dentro de las condiciones hidrulicas, dependiendo de las circunstancias, de la magnitud de sus efectos y del tipo del medio donde se presente. El hombre afronta dicho fenmeno de acuerdo a las necesidades y a sus manifestaciones de las siguientes maneras: Tanque de oscilacin diferencial:es la separacin de aceleracin o desaceleracin de conduccin, resultando una accin hidrulica ms rpida, reflejando una disminucin ms considerable y econmica en el dimetro del tanque. El ariete hidrulico:es una bomba impelente, en la que la energa para su accionamiento se toma del impulso o golpe generado cuando se detiene bruscamenteuna masa de agua mvil. Es utilizado en suministro de agua.

Prevencin o mitigacin del golpe de arieteSe tiene como primera medida de precaucin, instalar vlvulas apropiadas en las lneas de conduccin y controlar su tiempo de cierre. En algunos casos se construyen vlvulas interruptoras especiales, provistas de un resorte que opera contra la presin del agua, de manera que inmediatamente la velocidad empieza a disminuir como resultado de la detencin de la bomba, la vlvula comienza a cerrarse, logrndose el cierre completo antes del regreso de la columna lquida. Cerrar lentamente la vlvula de impulsin. Escoger el dimetro de la tubera de impulsin grande para que la velocidad sea pequea. Instalar la bomba con un volante, que en el caso de corte de la corriente reduzca lentamente la velocidad del motor y por consiguiente la velocidad del agua en la tubera. Usar una cmara o colchn de aire. Esto ha dado resultados satisfactorios, pero su costo inicial y la dificultad de mantener el nivel deseado del agua, le hacen perder importancia. Utilizar almedanas. Su uso se restringe a instalaciones de pequea cabeza y no son generalmente econmicas. Aumentar el momento de inercia de los elementos que rotan en la bomba y el motor es til, debido a que aumenta el intervalo de tiempo disponible para el ajuste de la vlvula. Utilizar un "by-pass" a travs de la vlvula de seguridad.Concepto de Gasto o CaudalUna de las variables que ms interesan a los usuarios de los sistemas hidrulicos es el gasto, debido a que a travs de l se cuantifican los consumos, extracciones y descargas de agua y se establecen las gestiones de concesin de los servicios. Gasto,conocido tambin como caudal, es la cantidad o volumen de agua que pasa por la seccin transversal de un conducto, cauce o canal en una unidad de tiempo, se mide en metros cbicos por segundo (m3/s), tambin puede expresarse en litros por segundo, por minuto, etc.Expresiones del caudal Al hablar del caudal es comn decir: El caudal de un pozo es de 600 litros por minuto (L/min) El caudal de una tubera es de 72 litros por segundo (L/seg) El caudal de un riachuelo es de 1200 metros cbicos de agua por da ( ) El caudal que sale de una planta de tratamiento, el efluente es de 18,000 es de ( )

En dinmica de fluidos,caudales la cantidad de fluido que avanza en una unidad de tiempo. Se denomina tambin caudal volumtrico o ndice de flujo fluido, y que puede ser expresado en masa o en volumen.El gasto o caudal Q, es una cantidad hidrulica que se define como el volumen de agua que pasa por una seccin de un conducto en un determinado tiempo, es decir:

Tambin se puede considerar elgasto volumtrico para un flujo incompresible y permanente:

Para entender el concepto de gasto, imagnese que se tiene un cubo de agua que mide un metro por cada lado; es decir, un metro cbico de agua. Supngase, adems, que este cubo avanza a una velocidad de un metro cada segundo. Entonces se tiene un gasto de un metro cbico por segundo.

Visto de esta manera, es fcil medir el gasto en cualquier conducto hidrulico. Basta contar el nmero de cubos de un metro cbico que pasan por una seccin en cada segundo de tiempo que transcurre. Desafortunadamente, esto no es posible. Jams se podr separar cada cubo de agua en un canal y contarlos en un segundo. An la accin es imposible aunque se dispusiera de varias horas para hacerlo. Para hacer las cosas ms sencillas se han desarrollado frmulas que calculan el gasto en funcin de variables que si se pueden medir aunque con algunas dificultades como ya se ver ms adelante. Las unidades tpicas que se utilizan para el gasto son litros por segundo (lt/s) y metros cbicos por segundo (m3/s). En algunas ocasiones se usan unidades inglesas como los galones por minuto (gpm).

Principio de continuidad del flujo de agua Como se mencion, el agua es un fluido prcticamente incompresible. El principio de continuidad de un flujo establece La masa de un fluido incompresible que atraviesa cualquier seccin de un conducto en el tiempo, permanece constanteCon base en este principio de continuidad, el gasto se calcula mediante la ecuacin:

Esta representa una tubera por la que circula lquido de densidad constante . Sean A1 y A2 las reas de las secciones transversales en dos puntos diferentes del tubo. Designemos por v1 la velocidad del fluido en A1 y por v2 la del fluido en A2. En el intervalo de tiempo t, un elemento de fluido recorre una distancia vt. Entonces, la masa del fluido m1 es aproximadamente, m1 = A1v1t Es decir, el flujo de masa caudal msico, m1t / t es aproximadamente A1v1. Debemos tomar t suficientemente pequeo para que en este intervalo de tiempo ni v ni A cambien apreciablemente en la distancia que recorre el fluido. En el lmite, cuando t 0, obtenemos las definiciones precisas: Flujo de masa en A1 = A1v1 [kg/s]Flujo de masa en A2 = A2v2 [kg/s]Ya que ningn fluido puede salir por las paredes del tubo y puesto que no hay fuentes ni sumideros en los que se pueda crear o destruir fluido en el tubo, la masa que cruza cada seccin del tubo por unidad de tiempo debe ser la misma.

A1v1 = A2v2 Es decir, Av = cte. Este resultado expresa la ley de la conservacin de la masa en la dinmica de los fluidos. Si el fluido es incompresible, la ltima ecuacin toma la forma ms sencilla A1v1 = A2v2 [l/s]Es decir Av = cte. El producto Av da el flujo de volumen caudal volumtrico.

Fuentes de informacinGolpe de ariete:http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/golpedeariete2/golpedeariete2.htmlMANCEBO DEL CASTILLO, Uriel. Teora del Golpe de Ariete y sus aplicaciones en la ingeniera hidrulica. Noriega editores. 1987.HENAO GAVIRIA, Edgar. Diseo y construccin de unidad experimental del Golpe de Ariete. Tesis de grado.1980.CAMPO, Alfredo.OROZCO, Eugenio.El Golpe de Ariete principios Bsicos Parte I.Proyecto de Grado.1983.

Gasto o caudal:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdfhttp://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/Fundamentos.pdfLevi, E, 1996, Tratado Elemental de Hidrulica, Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua, Segunda Edicin, Jiutepec, Morelos, Mxico.