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Si ha visitado alguna vez el precioso río Kennet, quizás se haya fijado en una estructura en zigzag de apariencia extraña. ¿Sabía que si esta estructura llegara a desaparecer en una mañana cualquiera la consecuencia sería un desastre? Bienvenido a la interesante ingeniería que hay detrás de las presas.
Imaginemos que disponemos de un canal de flujo abierto de este tipo. Introducimos en el flujo una estructura sencilla llamada presa. ¿Cuál cree que será el resultado? ¿Será esta su respuesta? Desgraciadamente, su respuesta es incorrecta. Se trata de un flujo de canal abierto. Presenta una altura de nivel de agua de prácticamente 1,4 cm. Ahora déjenme introducir esta presa y averiguar qué pasa con la altura del nivel del agua.
Tras la introducción de la presa corriente arriba, la altura del nivel del agua es de casi 2 cm y se ha incrementado. Del lado de aguas abajo es solo 4 mm. Ha disminuido. ¿Cuál es el motivo? Se está preguntando por qué se originan estas subidas y bajadas bruscas del nivel del agua. Exploraremos la apasionante física que se esconde detrás de esto al final de este video. En todo caso, se trata de un hallazgo interesante.
¿Puede solucionar este problema de diseño de ingeniería civil empleando este descubrimiento? En este paisaje existe la bendición de tener un precioso río. No obstante, en época de lluvias el río se torna violento y lo destruye todo. Para controlarlo, ¿dónde debe introducirse la presa? Por supuesto, en la zona boscosa. Al introducir el dique, la altura del agua se incrementará en la parte aguas arriba. Es decir, tras la introducción de la presa, las inundaciones serán mayores en la zona forestal. Pero en la parte aguas abajo, donde vive la gente, la altura del nivel del agua se reducirá.
Por lo tanto, la introducción de una presa sencilla disminuirá la posibilidad de inundaciones en la zona aguas abajo. Ahora bien, la situación todavía no está resuelta. Regresemos al experimento y veamos de qué se trata. Este es un caudal mínimo de agua que atraviesa este canal abierto y se puede observar que la altura del nivel del agua por encima del nivel de la muesca es de tan solo 8 mm.
Ahora incrementemos el caudal de agua. La altura por encima del nivel de la muesca es de 1,5 cm. Ahora aumentemos al máximo el caudal de agua. Ahora el agua fluye alrededor de 2 cm por encima del nivel de la muesca. En pocas palabras, al incrementar el caudal de agua, la altura de la superficie del nivel de agua se incrementa.
¿Se trata de algo bueno para la presa? En caso de que la altura del nivel del agua suba considerablemente con el caudal, este tipo de presas puede causar inundaciones fácilmente. Por este motivo, la presa ideal debería ser capaz de limitar el incremento de la altura del agua con el caudal.
¿Y qué pasa con esta presa en zigzag? Vamos a probarlo en el flujo de un canal abierto. Esta es la presa en zigzag que imprimimos en 3D. Por encima del nivel de la presa, el nivel del agua en el caso de la presa en zigzag es de tan solo 1,3 cm con el caudal máximo. Recordemos que el nivel del agua se encontraba a 2 cm de altura en el caso de la presa rectangular normal. Con ello se demuestra que es preferible emplear una presa en zigzag en nuestro paisaje. Además, los animales del bosque gozarán de una vida más pacífica.
Imaginemos que disponemos de un canal de flujo abierto de este tipo. Introducimos en el flujo una estructura sencilla llamada presa. ¿Cuál cree que será el resultado? ¿Será esta su respuesta? Desgraciadamente, su respuesta es incorrecta. Se trata de un flujo de canal abierto. Presenta una altura de nivel de agua de prácticamente 1,4 cm. Ahora déjenme introducir esta presa y averiguar qué pasa con la altura del nivel del agua.
Tras la introducción de la presa corriente arriba, la altura del nivel del agua es de casi 2 cm y se ha incrementado. Del lado de aguas abajo es solo 4 mm. Ha disminuido. ¿Cuál es el motivo? Se está preguntando por qué se originan estas subidas y bajadas bruscas del nivel del agua. Exploraremos la apasionante física que se esconde detrás de esto al final de este video. En todo caso, se trata de un hallazgo interesante.
¿Puede solucionar este problema de diseño de ingeniería civil empleando este descubrimiento? En este paisaje existe la bendición de tener un precioso río. No obstante, en época de lluvias el río se torna violento y lo destruye todo. Para controlarlo, ¿dónde debe introducirse la presa? Por supuesto, en la zona boscosa. Al introducir el dique, la altura del agua se incrementará en la parte aguas arriba. Es decir, tras la introducción de la presa, las inundaciones serán mayores en la zona forestal. Pero en la parte aguas abajo, donde vive la gente, la altura del nivel del agua se reducirá.
Por lo tanto, la introducción de una presa sencilla disminuirá la posibilidad de inundaciones en la zona aguas abajo. Ahora bien, la situación todavía no está resuelta. Regresemos al experimento y veamos de qué se trata. Este es un caudal mínimo de agua que atraviesa este canal abierto y se puede observar que la altura del nivel del agua por encima del nivel de la muesca es de tan solo 8 mm.
Ahora incrementemos el caudal de agua. La altura por encima del nivel de la muesca es de 1,5 cm. Ahora aumentemos al máximo el caudal de agua. Ahora el agua fluye alrededor de 2 cm por encima del nivel de la muesca. En pocas palabras, al incrementar el caudal de agua, la altura de la superficie del nivel de agua se incrementa.
¿Se trata de algo bueno para la presa? En caso de que la altura del nivel del agua suba considerablemente con el caudal, este tipo de presas puede causar inundaciones fácilmente. Por este motivo, la presa ideal debería ser capaz de limitar el incremento de la altura del agua con el caudal.
¿Y qué pasa con esta presa en zigzag? Vamos a probarlo en el flujo de un canal abierto. Esta es la presa en zigzag que imprimimos en 3D. Por encima del nivel de la presa, el nivel del agua en el caso de la presa en zigzag es de tan solo 1,3 cm con el caudal máximo. Recordemos que el nivel del agua se encontraba a 2 cm de altura en el caso de la presa rectangular normal. Con ello se demuestra que es preferible emplear una presa en zigzag en nuestro paisaje. Además, los animales del bosque gozarán de una vida más pacífica.
El uso más importante de la presa es el riego y las actividades recreativas. Pongamos un ejemplo: el río Kennet. Hay gente disfrutando de un paseo en barco. Hasta se pueden ver los canales de riego construidos. No obstante, antes de instalar la presa, esta era la situación del río Kennet.
Tal y como hemos visto en el experimento, cuando instalamos una presa, la altura del agua en el lado de agua arriba se incrementa. En la parte de aguas abajo, el caudal sigue siendo bajo. En todo caso, la introducción de la presa consiguió que la parte aguas arriba del río fuera útil para los seres humanos.
Ahora pasemos al tema que todos estaban esperando. ¿Cómo es posible que la introducción de una presa provoque una alteración de las alturas del nivel del agua tanto aguas abajo como aguas arriba? La respuesta está en la conservación de la energía. Implantar simplemente una presa no cambiará la energía del fluido. Dicha energía será constante en esos dos lugares. Efectivamente, la energía del flujo permanece igual antes y después de colocar la presa.
Al introducir una presa en el lado de aguas arriba, la energía potencial de la corriente de fluidos se incrementa. Es decir, para conservar constante la energía total en el lado de aguas arriba, el fluido debe reducir su velocidad. Puesto que el caudal es el mismo, la disminución de la velocidad se traducirá en una mayor área de flujo o en una mayor altura de flujo.
Esta es la razón por la que en el lado de aguas arriba el incremento de altura es mayor que la altura original del agua. Aguas abajo, todo este potencial de energía se transforma en energía cinética de la corriente. Por tanto, la velocidad del agua debe incrementarse drásticamente después de la presa. No obstante, tampoco en este caso cambia el caudal de agua.
A fin de conservar el caudal constante, debe reducirse el área o la altura de flujo. La física también significa que en el lado de aguas arriba el agua fluye a una velocidad baja, pero en el lado de aguas abajo el flujo es extremadamente rápido. Esto nos parece absurdo, aunque lo hayamos demostrado lógicamente.
Vamos a probarlo en la práctica para que resulte más creíble. Se trata de un objeto flotante que se mueve despacio antes de la presa y se acelera mucho después de ella. Las presas tienen por objeto controlar la erosión del suelo, que constituye una de las principales aplicaciones.
Mediante la regulación del flujo de agua, evitan el exceso de escorrentía, una de las principales causas de la erosión del suelo. Al reducir la velocidad del flujo de agua, se disminuye su fuerza erosiva, lo que permite que los sedimentos se asienten en lugar de ser arrastrados. Tras la presa se depositan los sedimentos, reduciendo la cantidad de tierra que de otro modo sería arrastrada aguas abajo.
Finalmente, al reducir la velocidad y la fuerza del agua, los diques también ayudan a conservar el suelo. Esperamos que le haya resultado agradable observar cómo la introducción de geometrías de aspecto simple en el flujo de un canal abierto contribuye a modificar el flujo de agua en beneficio del ser humano.
Tal y como hemos visto en el experimento, cuando instalamos una presa, la altura del agua en el lado de agua arriba se incrementa. En la parte de aguas abajo, el caudal sigue siendo bajo. En todo caso, la introducción de la presa consiguió que la parte aguas arriba del río fuera útil para los seres humanos.
Ahora pasemos al tema que todos estaban esperando. ¿Cómo es posible que la introducción de una presa provoque una alteración de las alturas del nivel del agua tanto aguas abajo como aguas arriba? La respuesta está en la conservación de la energía. Implantar simplemente una presa no cambiará la energía del fluido. Dicha energía será constante en esos dos lugares. Efectivamente, la energía del flujo permanece igual antes y después de colocar la presa.
Al introducir una presa en el lado de aguas arriba, la energía potencial de la corriente de fluidos se incrementa. Es decir, para conservar constante la energía total en el lado de aguas arriba, el fluido debe reducir su velocidad. Puesto que el caudal es el mismo, la disminución de la velocidad se traducirá en una mayor área de flujo o en una mayor altura de flujo.
Esta es la razón por la que en el lado de aguas arriba el incremento de altura es mayor que la altura original del agua. Aguas abajo, todo este potencial de energía se transforma en energía cinética de la corriente. Por tanto, la velocidad del agua debe incrementarse drásticamente después de la presa. No obstante, tampoco en este caso cambia el caudal de agua.
A fin de conservar el caudal constante, debe reducirse el área o la altura de flujo. La física también significa que en el lado de aguas arriba el agua fluye a una velocidad baja, pero en el lado de aguas abajo el flujo es extremadamente rápido. Esto nos parece absurdo, aunque lo hayamos demostrado lógicamente.
Vamos a probarlo en la práctica para que resulte más creíble. Se trata de un objeto flotante que se mueve despacio antes de la presa y se acelera mucho después de ella. Las presas tienen por objeto controlar la erosión del suelo, que constituye una de las principales aplicaciones.
Mediante la regulación del flujo de agua, evitan el exceso de escorrentía, una de las principales causas de la erosión del suelo. Al reducir la velocidad del flujo de agua, se disminuye su fuerza erosiva, lo que permite que los sedimentos se asienten en lugar de ser arrastrados. Tras la presa se depositan los sedimentos, reduciendo la cantidad de tierra que de otro modo sería arrastrada aguas abajo.
Finalmente, al reducir la velocidad y la fuerza del agua, los diques también ayudan a conservar el suelo. Esperamos que le haya resultado agradable observar cómo la introducción de geometrías de aspecto simple en el flujo de un canal abierto contribuye a modificar el flujo de agua en beneficio del ser humano.