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1.10.2 Modelos físicos reducidos.
Hidráulica fluvial. Conceptos generales sobre morfología, dinámica y el transporte de sedimentos en ríos aluviales. Ecuaciones y métodos de uso más extendido para su evaluación y cálculo.


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1.10.2    Modelos físicos reducidos.

 

Los modelos físicos reducidos son una herramienta muy útil en hidráulica fluvial y son una técnica para resolver problemas de ingeniería hidráulica, consistente en el ensayo de una réplica del problema a escala reducida.  La réplica reducida es lo que se llama modelo, frente a la realidad que se llama prototipo.  Estos modelos son todavía necesarios para el cálculo hidráulico no ha alcanzado la competencia suficiente para sustituirlos y explicar con exactitud el fenómeno físico que se presenta en la realidad. Este cálculo es imperfecto debido principalmente a la complejidad de los fenómenos de turbulencia y a la dificultad que imponen los contornos reales, tridimensionales y “caprichosos” (río).  En ingeniería fluvial el avance de los modelos matemáticos es muy considerable, pero su contraste y calibración exigen medidas de campo o laboratorio, representando así un futuro de larga vida para los modelos reducidos.

 

En problemas concretos de proyecto de obras en intervenciones fluviales, el modelo reducido, aunque es costoso y necesita mucho tiempo de construcción y ensayo, puede suponer un ahorro mucho mayor gracias a las mejoras introducidas, a la corrección de defectos que hubieren obligado a obras futuras de reparación o al mayor conocimiento y seguridad de la obra en funcionamiento. 

 

La base de los modelos reducidos es la teoría de la semejanza.  La semejanza dinámica completa entre modelo y prototipo es imposible, es decir, cada fuerza presente en el problema se reduce de una manera diferente (no en la misma proporción) de prototipo a modelo; sin embargo, el modelo puede ser aún una buena representación del movimiento real si una fuerza es tan dominante sobre los demás (o sea, si representa la casi totalidad de la resultante, igualada a las fuerzas de inercia) que también, pese a la diferente proporción en que se reducen, es dominante en el modelo.  La fuerza de gravedad domina los problemas de las obras hidráulicas y de ingeniería fluvial.  La ley de semejanza en este caso, llamada de Froude, garantiza que esta fuerza en su proporción con la resultante se reproduce correctamente en el modelo.  Las escalas de semejanza más útiles que se deducen de la semejanza de Froude son las de la velocidad: lv = l0.5 y la de caudal lQ = l2.5, siendo l la escala geométrica.  Si una fuerza menor (de viscosidad, de tensión superficial) toma en el modelo una importancia como para alterar el movimiento, hablamos de un efecto de escala.

 

Los modelos reducidos en ingeniería fluvial se pueden clasificar en cuatro grandes tipos, todos ellos analizados según la semejanza de Froude:

 

·   Los modelos de estructuras hidráulicas, es decir, las obras de corta extensión, emplazadas en los ríos y estudiadas en sus características hidráulicas.  El fondo es fijo (no erosionable).  La preparación del modelo debe atender sobre todo a la correcta reproducción de la geometría.

 

·        Los modelos de lecho fijo o modelos hidráulicos de ríos, en sentido estricto.  Son de contornos o lecho fijo (no erosionable), y reproducen un tramo extenso del río.  El objetivo del modelo es el estudio de las magnitudes hidráulicas: calados, velocidades, superficie inundada, entre otros.  El modelo debe representar correctamente la geometría y la rugosidad fluvial.

 

·       Los modelos de lecho móvil o modelos fluviales.  Son de lecho móvil (erosionable), y también reproducen un tramo extenso del río. El objetivo del modelo es, por una parte, las magnitudes hidráulicas y, por otra, el comportamiento del fondo erosionable: erosiones, sedimentaciones, etc. El modelo debe representar correctamente la geometría y la rugosidad, al igual que emplear criterios de semejanza respecto al sedimento utilizado y al caudal sólido.

 

·        Los modelos de obras locales en lecho móvil, de corta extensión y realizados para el estudio de fenómenos locales de la superficie libre y sobre todo el lecho, tal como la erosión local.  Deben reproducir correctamente la geometría y emplear criterios de semejanza respecto al sedimento.

 

 


Escuela Colombiana de Ingeniería. Centro de Estudios Hidráulicos y Ambientales.
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