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