Energía específica en canales abiertos (energía en una sección)
En un canal abierto, la energía del flujo en cualquier sección es la suma de tres componentes: la energía de posición (la cota del fondo respecto a un nivel de referencia), la de presión —que en un canal se representa por el tirante (y)— y la de velocidad. Cuando esa energía se mide tomando como referencia el fondo del canal, se denomina energía específica, un concepto central para entender el tirante crítico y el régimen del flujo.
A diferencia de la ecuación general de la energía, que se aplica a tuberías a presión con bombas y pérdidas, aquí el flujo tiene superficie libre y la carga de presión se sustituye por el tirante.
Energía total en una sección de un canal
La energía total por unidad de peso en una sección, respecto a un nivel de referencia, es:
E = Z + y + α·V²/2g
donde:
- E = energía total en la sección.
- Z = energía de posición o elevación del fondo respecto al nivel de referencia.
- y = tirante en la sección (profundidad del flujo).
- V = velocidad media del flujo en la sección.
- α = coeficiente de Coriolis, que corrige la distribución no uniforme de velocidades.
- g = aceleración de la gravedad (9,81 m/s²).
Energía específica
La energía específica es la energía por unidad de peso medida tomando el fondo del canal como referencia, es decir, con Z = 0:
E = y + α·V²/2g
Este concepto es la base para analizar el tirante crítico (el tirante para el cual la energía específica es mínima) y el régimen del flujo: subcrítico, crítico o supercrítico, según el número de Froude. El paso de un régimen a otro es justamente lo que ocurre en el resalto hidráulico.
El coeficiente de Coriolis (α)
La velocidad no es uniforme en toda la sección: es mayor en el centro y menor cerca de las paredes y el fondo. El coeficiente de Coriolis α corrige la carga de velocidad calculada con la velocidad media. En canales su valor suele estar entre 1,0 y 1,15, y se acerca más a la unidad cuanto más uniforme es la distribución de velocidades.
Energía entre dos secciones
Entre dos secciones (1) y (2) en la dirección del flujo, la energía de la sección de aguas arriba es igual a la de aguas abajo más la energía disipada en el tramo:
E₁ = E₂ + hf1−2
donde hf1−2 es la disipación de energía entre las secciones (1) y (2). La versión general de este balance, con bombas, turbinas y pérdidas en tuberías, se desarrolla en la ecuación general de la energía.
Cómo se calcula el tirante crítico
El régimen crítico ocurre cuando el número de Froude vale 1. Para una sección cualquiera, la condición es Q²·T/(g·A³) = 1, donde A es el área mojada y T el ancho superficial, ambos función del tirante. El tirante que la cumple es el tirante crítico yc, y en él la energía específica es la mínima para ese caudal.
- Canal rectangular (ancho b, q = Q/b): solución cerrada, yc = (q²/g)1/3, con energía específica mínima Ec = 1,5·yc.
- Canal triangular (talud z): yc = (2Q²/(g·z²))1/5.
- Secciones trapezoidal y circular: sin fórmula cerrada; yc se obtiene por iteración sobre Q²·T/(g·A³) = 1.
Con el tirante crítico se define el régimen: si el tirante real es menor que yc el flujo es supercrítico (rápido); si es mayor, subcrítico (tranquilo). Si necesitas el tirante normal del canal, combínalo con la calculadora de Manning; y cuando el flujo pasa de supercrítico a subcrítico se forma un resalto hidráulico.
Calculadora de tirante críticov1.0
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Preguntas frecuentes
¿Qué es la energía específica en un canal?
Es la energía del flujo por unidad de peso medida desde el fondo del canal: E = y + α·V²/2g. Sirve para determinar el tirante crítico y el régimen del flujo.
¿Cuál es la diferencia entre energía total y energía específica?
La energía total incluye la cota del fondo (Z) respecto a un nivel de referencia; la energía específica toma el fondo del canal como referencia (Z = 0), por lo que solo considera el tirante y la carga de velocidad.
¿Qué es el coeficiente de Coriolis?
Es un factor (α) que corrige la carga de velocidad por la distribución no uniforme de velocidades en la sección. En canales suele valer entre 1,0 y 1,15.