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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Universidad del Perú, Decana de América FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Escuela Profesional de Ingeniería de Mecánica de Fluidos

PRESA HOOVER, LA PRIMERA PRESA QUE REVOLUCIONÓ EL MUNDO DE LA CONSTRUCCIÓN E IMPULSÓ EL DESARROLLO DE LA INGENIERÍA, COMENZANDO UNA CARRERA MUNDIAL DE OBRAS HIDRÁULICAS

CURSO Dinámica de Fluidos AUTORES Jean Pierre Jesús Huané Meza ( 17130119) Juan Carlos Tenorio Alvarado (16130225) Franco Reynalde Rios (17130137) Flavio Cirineo Cóndor (16130155) Jesús Emerson Huamani Huamani (14130152) Elmer Valdivia Rosario (15130057) DOCENTE Beatriz Luisa Salvador Gutierrez

Lima, 2020

ÍNDICE 1. Introducción 2. Objetivos 2.1 objetivo general 2.2 objetivos específicos 3. Descripción del contenido del video 4. Descripción del contenido contextual (teórico) 4.1 Fluidos No Newtonianos 4.2 Presión hidrostática y Principio de Arquímides 4.3 Fuerzas sobre superficies sumergidas 4.3.1 Fuerzas hidrostáticas en superficies planas 4.3.2 Fuerzas hidrostáticas en superficies curvas 4.4 Ecuación de continuidad y principio de Bernoulli 4.5 Presas 4.5.1 ¿Qué es una presa? 4.5.2 Embalse 4.5.3 Centrales hidroeléctricas 5. Mapa semántico del contenido del video 6. Factor de impacto Conclusiones Bibliografía

1. INTRODUCCIÓN El agua es la matriz de la cultura, la matriz de la vida. El agua ha sido clave para el bienestar material y cultural de las sociedades de todo el mundo. Desafortunadamente, este preciado líquido se encuentra amenazado. Si bien es cierto las dos terceras partes de nuestro planeta es agua, enfrentamos una grave escasez. Por ello el hombre, buscando la forma de contener el agua y sacar beneficios nos conllevo a las construcciones de grandes presas. A principios del siglo XX los ingenieros de Estados Unidos tenían dos problemas; el rio Colorado continuamente se desbordaba por lo cual causaba inundaciones y al mismo tiempo, California no tenía suficiente agua. La construcción de una presa podría resolver ambos problemas. La mayor parte de la presa se construyó durante la Gran Depresión, es decir, el proyecto ayudo a resolver más de un problema. Más de 7000 personas consiguieron trabajo en la construcción de la presa, pero el costo fue muy alto, más de 100 personas perdieron la vida. Los ingenieros de la presa crearon uno de los lagos artificiales más grandes del mundo, el lago Mead. Su trabajo es controlar inundaciones y producir electricidad; este es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua y un desnivel considerable. Su desarrollo requiere construir una central hidroeléctrica, embalses, presas, canales de derivación, y las instalaciones de grandes turbinas y equipamientos para generar electricidad. Es así entonces que el agua del lago Mead es enviado a través de las torres de entrada hacia la sala de máquinas para finalmente generar electricidad para más de 1.7 millones de hogares en los EE.UU. 2.Objetivos 2.1 Objetivo General Dar a conocer las características generales y otros aspectos de interés relacionados a la presa Hoover; para lo cual se analizará el material audiovisual proporcionado por la docente, el que se analizará detalladamente para identificar los temas vistos y próximos a tratar en clase, haciendo énfasis en las propiedades físicas involucradas en su funcionamiento, todo esto para brindar información válida a los estudiantes sobre la presa Hoover para obtener un adecuado estudio.

2.2 Objetivos específicos 

Identificar y explicar aspectos técnicos y teóricos, como las propiedades físicas involucradas en el funcionamiento de las presas tipo arco gravedad, tales como la presión hidrostática al contener el agua embalsada, el empuje provocado por el agua, el peso de la estructura y distribución de fuerzas, entre otras.



Describir las propiedades de diseño y estructurales necesarias para el correcto funcionamiento de la presa, basándonos en conceptos abarcados en el curso y la carrera.



Mencionar los impactos económicos y sociales que afronto debido a la difícil época de su construcción; asimismo los impactos medioambientales que generó al producir un cambio generalizado del ecosistema en los alrededores de la localización de la presa.

3.Descripción del contenido del vídeo La presa Hoover considerada una obra de ingeniería nunca antes hecha en tal magnitud, la cual, en aquel entonces fue la más grande del mundo durante casi una década. En síntesis, estructuraremos el vídeo de la siguiente manera. 

Ubicación:

Esta mega obra está situada a 48 km al sudeste de las Vegas, en la frontera de los estados de Arizona y Nevada. Fue ubicada en el cañón negro, dónde transcurre el Rio Colorado. 

Objetivo de su construcción:

Como toda construcción humana, tiene una finalidad, y está fue, en una primera instancia por las inundaciones causadas por el Rio Colorado, la cual generaba pérdidas en cultivos todos los años. Por ende, el estado mandó a dar una pronta solución a este problema. Sin embargo, se aprovechó también para generar luz eléctrica, y así beneficiar a miles de familias. 

Fases del Proceso Constructivo:

Debido a ser una mega obra, se vio remarcado tres fases en su construcción, siendo la primera encargada de desviar el cauce del río Colorado, para así poder dar inicio a la

segunda fase, que consistía en la construcción en hormigón de la presa; y por último la tercera fase, encargada de la construcción y puesta en marcha de la central hidroeléctrica. 

Primera Fase: Desviación del cauce del Rio Colorado

Está consistió en construir cuatro túneles, dos de cada lado del cañón, que fueron perforados capa por capa. Todo el proceso se realizó de forma mecánica. Para optimizar el tiempo se usaron 8 camiones con andamios, cada uno con 30 trabajadores con sus respectivos taladros. Con esta medida se redujo el tiempo previsto de 28 meses a 18 meses, pero trajo como consecuencia que el túnel se llene de CO ya que no contaba con una ventilación adecuada. Esta etapa se inició en abril de 1931 y culminó en noviembre de 1932 con la desviación total del río Colorado por los cuatro túneles. 

Segunda Fase: Construcción en hormigón de la estructura de la Presa

Una vez culminada la desviación del rio Colorado, sin duda un hecho nunca antes visto, se procedió a la construcción de la pared de la presa, la cual fue de tipo arco-gravedad. Para ello se necesitó de dos grandes pilares, que fue la mano de obra y los materiales, en esta última se tuvo que crear hasta dos fábricas para poder abastecer de suficiente material, así como el transporte de este material a la obra, ya que una parte llegaba en tren y otra de la misma localidad. Sin embargo, el principal problema radicaba en el tiempo de fraguado es decir el endurecimiento; ya que al echar el material en una pieza, el tiempo de fraguado duraría muchos años; la solución para esto fue construir la pared de la presa en bloques más pequeños para poder trabajar al mismo tiempo en diferentes partes. Otro problema con el fraguado era que las altas temperaturas generadas en la mezcla producían agrietamientos, para la solución de esto se instaló una red de cañerías que pasaban a través de los bloques transportando agua fría. Esta etapa finalizó en enero de 1935 con la apertura de las micropresas y el cierre de las compuertas que desviaban el cauce.



Tercera Fase: Construcción y funcionamiento de la Central Hidroeléctrica:

El paulatino llenado del envase, dio inicio a la tercera fase. Cuando se inauguró solo se tenía puesto un generador, pero para el año 1939, ya estaba funcionando completamente, suministrando una corriente eléctrica de 2080 MW. 

Componentes del proyecto:  La represa: También llamada azud, encargada de atajar el rio y embalsar las aguas, logrando un nivel determinado aguas arriba y un nivel diferente después de la contención, la cual dicha diferencia se aprovecha para producir energía.  Aliviaderos: Fueron creados fundamentalmente para liberar parte del agua detenida de manera que no pase por el cuarto de máquinas, para esto se construyeron dos aliviaderos en la parte principal de la represa de cada lado del cañón.  Torres de Entrada: Cuenta con cuatro de estos las cuales permiten recoger el líquido para llevarlas a las máquinas.  Tuberías forzadas: Son las mismas tuberías de presión, se encargan de conducir el agua desde antes de la contención hasta las turbinas de la central hidroeléctrica.  Cuarto de máquinas: Aquí se encuentran ubicados las turbinas y generadores  Desagües de embalse: Evacuan las aguas que han acudido a este por medio de las torres de entrada y que son usadas por las turbinas para generar electricidad.  Turbinas: Encargada de mover los generadores y producir la corriente eléctrica; la presa Hoover posee 17 turbinas principales, de las cuales 9 se encuentran en Arizona y 8 en Nevada, además presenta 1 turbina tipo Francis y 16 tipo Pelton las cuales son adecuadas para saltos grandes de agua y presiones elevadas.



Características  Presa de tipo arco gravedad  Construida completamente de hormigón  Presenta 221 m de altura y de base 201 m de espesor  Tipo arco porque transmite esfuerzo a las paredes laterales del cañón

 Tipo gravedad porque resiste los empujes provocados por el agua  Productora de energía hidroeléctrica capaz de alimentar 1.7 millones de hogares  Icono nacional de los Estados Unidos, por la sorprendente obra de ingeniería. 4. Descripción del contenido conceptual (teórico) Para el mejor entendimiento de la construcción y funcionamiento de la presa Hoover, nosotros como estudiantes de ingeniería contamos: 

Con ciertos conceptos ya llevados en el curso.



Nociones de temas que llevaremos en el transcurso del curso y carrera.

La cual identificaremos y definiremos en el presente punto. 4.1 Fluido No Newtoniano Según el vídeo sobre la presa Hoover, específicamente en la segunda etapa de construcción, podemos observar que para la construcción de la estructura y paredes de la presa se necesitó el hormigón, el cual hemos identificado, gracias a los conocimientos adquiridos en el curso, como un fluido no newtoniano debido a sus propiedades. 

¿Qué es un fluido No Newtoniano?

Como ya hemos visto anteriormente en clases pasadas, un fluido no newtoniano no tiene una viscosidad definida y constante, pues este varía con la temperatura. Por otra parte, en los fluidos newtonianos la viscosidad puede describirse en función de la temperatura y la presión sin que intervengan otras fuerzas. López (2011) sostiene que “Tampoco hay una relación lineal entre el esfuerzo cortante aplicado al fluido y el gradiente de velocidad que se produce en el mismo; a diferencia de este, en el fluido newtoniano si se llega a cumplir esta ley” (p.9).

Figura 1: Relación del esfuerzo cortante con el gradiente de velocidad

Fuente: Rodrigo L. (2011)

4.2 Presión hidrostática y principio de Arquímedes En el presente video podemos identificar claramente este tema ya tocado durante el curso, específicamente lo podemos encontrar en el diseño de la presa, ya que es de tipo arco gravedad, el cual resiste una presión hidrostática al embalsar las agua y soporta una fuerza de empuje provocada por la misma. Para el correcto entendimiento tocaremos estos temas con la finalidad de recordar lo ya tocado en clase. 

Presión hidrostática

Dado un fluido en equilibrio, donde todos sus puntos tienen idénticos valores de temperatura y otras propiedades, el valor de la presión que ejerce el peso del fluido sobre una superficie dada es: PH =ρ× g× h Donde: PH =presion hidrostatica ρ=densidad del fluido g=gravedad h=altura

Es decir, la presión hidrostática es independiente del líquido, pues solo depende de la altura que se considere. 

Principio de Arquímedes

Una consecuencia de la presión hidrostática es que cuando introducimos un cuerpo en un líquido, éste líquido ejerce una presión sobre todas las superficies del mismo. Ahora bien, hemos visto que la presión se hace mayor conforme aumenta la profundidad, de modo que la presión en la parte inferior del cuerpo siempre es mayor que la ejercida sobre la parte superior. Esto implica que, por el hecho de estar sumergido en un líquido, siempre hay una fuerza neta hacia arriba. Esta fuerza se conoce como empuje. Esto fue observado por el físico y matemático griego Arquímedes, que además describió dos particularidades adicionales: 1. El peso del líquido desalojado coincidía con el empuje ejercido sobre el cuerpo. 2. El empuje depende únicamente del volumen sumergido, siendo independiente del material del que esté formado el cuerpo. E= ρ× g × v E = empuje (N)

⍴ = densidad del fluido (kg ¿ m 3 ¿ v = volumen sumergido ( m 3 ¿

Debido al efecto del empuje, los cuerpos sumergidos en un fluido tienen un peso aparentemente menor a su verdadero peso, y le llamamos peso aparente. El valor de la fuerza de empuje se determina mediante la diferencia del peso real y la del peso aparente, es decir: E=W real −W aparente

•

E = empuje (N)

•

W real =¿ peso real (N)

•

W aparente =¿ peso aparente (N)

4.3 Fuerzas sobre superficies sumergidas Respecto al presente vídeo de la presa Hoover, podemos observar que en la segunda etapa de construcción de esta presa se toca este tema, al mencionar que dicha etapa finaliza con la apertura de las micropresas y el cierre de las compuertas que desvían el cauce del rio, ya que estas compuertas están sometidas a fuerzas hidrostáticas que actúan en dicha superficie, la cual en clase lo desarrollamos en diferentes problemas aplicativos cuyas dinámicas consistían en hallar la altura de la presa, hallar la fuerza vertical que debe aplicarse en el centro de gravedad para mantener la compuerta en equilibrio o encontrar la fuerza necesaria para mantener la compuerta cerrada. Para poder desarrollar y abordar dicho tema es necesario tener claro los conceptos que ya han sido desarrollados en clase, y que a continuación veremos brevemente. 

Fuerzas hidrostáticas sobre superficies planas:

La fuerza F ejercida por un líquido sobre un área plana A es igual al producto del peso específico

γ

hcg

del líquido por la profundidad

del centro de gravedad de la

superficie y por el área de la misma. 

F=γ hcg A

Se observa que el producto del peso específico

γ

por la profundidad del centro de

gravedad de la superficie es igual a la presión del centro de la gravedad del área. La línea de acción de la fuerza pasa por el centro de presión, que se localiza mediante la fórmula: 

Donde

y cp =

I cg + y cg y cg ∙ A

I cg

es el momento de inercia del área respecto de un eje que pasa por su

centro de gravedad. Las distancias y se miden a lo largo del plano y a partir de un eje determinado por la intersección del plano que contiene la superficie y de la superficie del líquido. 

Fuerzas hidrostáticas sobre superficies curvas:

Para una superficie curva sumergida, la determinación de la fuerza hidrostática resultante es más complicada, en virtud de que es común que se necesite la integración de las fuerzas de presión que cambian de dirección a lo largo de la superficie curva. La manera más fácil de determinar la fuerza hidrostática resultante

FR

que actúa

sobre una superficie curva bidimensional es determinar las componentes horizontal y vertical

FH y

FV

por separado:

La componente horizontal de la fuerza hidrostática que actúa sobre una superficie curva es igual (en magnitud y respecto a la línea de acción) a la fuerza hidrostática que actúa sobre la proyección vertical de esa superficie curva: 

F H =F x

La componente vertical de la fuerza hidrostática que actúa sobre una superficie curva es igual a la fuerza hidrostática que actúa sobre la proyección horizontal de esa superficie curva, más (menos, si actúa en la dirección opuesta) el peso del bloque de fluido: 

FV =F y +W

La magnitud de la fuerza hidrostática resultante que actúa sobre la superficie curva es F R= √ F H +F V ,y la tangente del ángulo que forma con la horizontal es 2

2

tan α=F V / F H . 4.4 Ecuación de continuidad y principio de Bernoulli Estos temas lo encontramos en la tercera etapa del vídeo, que habla sobre la construcción y funcionamiento de la central hidroeléctrica, específicamente en el punto de desagües de embalse, la cual menciona que al evacuar las aguas que han acudido al embalse por medio de las torres de entrada son usadas por las turbinas para generar energía eléctrica. En esta parte respecto a la ecuación de continuidad, el caudal se mantiene constante al salir el fluido del embalse hacia la turbina generadora de energía, puesto que este se basa en el principio de conservación de la masa. Esto lo hemos tocado experimentalmente en el curso de laboratorio.

En cuanto al principio de Bernoulli, lo observamos precisamente en el momento que el fluido entra y sale de la turbina ya que en ese transcurso hay diferencias de presiones y velocidades. Bueno, gracias a la dinámica del trabajo sobre el vídeo de la presa Hoover, identificamos y contamos con nociones de estos temas próximos a tratar; que en general serán detallados próximamente en el presente curso. 4.5 Presas En el transcurso de nuestra carrera, este tema será un punto de investigación muy importante, por lo cual gracias al video empezamos a investigar y adquirir nociones respecto a esto. 4.5.1 ¿Qué es una presa? Según la Comisión Internacional de Grandes Presas citado por Mates (2007): Una gran presa es aquella que logra superar 15 metros de altura. También son clasificadas como grandes presas aquellas que tienen de 10 a 15 m de altura con un embalse de más de 3 millones de

m 3 . Una presa es una barrera artificial que se

construye en algunos ríos para embalsarlos y retener su caudal. Los motivos principales para construir grandes presas son:  Concentrar el agua del río en un sitio determinado.  Generar electricidad.  Regular el agua y dirigirla hacia canales y sistemas de abastecimiento.  Aumentar la profundidad de los ríos para hacerlos navegables.  Controlar el caudal de agua durante los periodos de inundaciones y sequía.  Crear pantanos para actividades recreativas. Una presa está compuesta por las partes: 

El embalse: Es el volumen de agua que queda retenido por la presa.



El vaso: Es la parte del valle que, inundándose, contiene el agua embalsada.



La cerrada: Es el punto concreto del terreno donde se construye la presa.



La presa propiamente dicha, cuyas funciones básicas son, por un lado garantizar la estabilidad de toda la construcción, soportando un empuje hidrostático del agua, y por otro no permitir la filtración del agua.

A su vez, en la presa se encuentran los siguientes elementos: 

Los paramentos: Son las dos caras de la presa. La cara interior tiene contacto con las aguas del embalse y la exterior.



La coronación: Es la superficie que delimita la presa en la parte superior.



Los estribos: Los laterales, que están en contacto con las paredes de la cerrada.



La cimentación: La superficie inferior de la presa, a través de la cual descarga su peso al terreno.



El aliviadero o vertedero: Es la estructura hidráulica por la que rebosa el agua cuando la presa se llena.



Las tomas: Son tambié...