LA ESTRUCTURA COGNITIVA DE LAS ECUACIONES DE CONTINUIDAD Y GASTO 

La estructura cognitiva de la ecuaciones de continuidad y gasto equivale a identificar y ubicar los conceptos previos de cada una. En la Figura 3.9 se presenta tal estructura. 

Principio de conservación de la materia 

También se puede decir “conservación de la masa”. En mecánica del medio continuo, se acepta la hipótesis de que ante cualquier transformación, la materia siempre se conserva: ni se pierde, ni se crea (Figueroa et al, 2010). Esto puede parecer hasta obvio, pero para cuestiones hidráulicas se puede decir que el agua que pasa por un tubo, canal o cualquier conducción no se hará más o menos siempre y cuando no tenga aportes o extracciones.

Movimiento 

En mecánica, el estudio del movimiento es un apartado extenso. Este concepto es intuitivamente simple, pero su reflexión ya no lo es tanto. Afortunadamente, se recuerda que se está trabajando en hidráulica y se puede decir que el movimiento es un cambio de posición en el espacio de algún tipo de materia de acuerdo con un observador físico (Wikipedia). Adviértase la complicación inherente en la explicación del concepto. El lector debe reflexionar sobre esto mismo: ni siquiera parece necesario explicar el concepto, pero si se pide una definición del mismo, se verá que el tema es más complicado de lo que parece. 

Distancia 

Al igual que el concepto anterior, resulta curioso que algunas explicaciones de temas comunes no sean tan sencillas. La distancia es uno de esos temas. Tal vez el concepto se comprenda si se dice que la distancia simplemente es “el tamaño del espacio entre dos sitios”.

Tiempo 

El tiempo es una magnitud física con la que medimos la duración o separación de acontecimientos, sujetos a cambio, de los sistemas sujetos a observación; esto es, el período que transcurre entre el estado del sistema cuando éste presentaba un estado X y el instante en el que X registra una variación perceptible para un observador (o aparato de medida). Todas las teorías físicas permiten, fijado un evento, clasificar a los eventos en: (1) pasado, (2) futuro y (3) resto de eventos (ni pasados ni futuros). La clasificación de un tiempo presente es debatible por la poca durabilidad de este intervalo que no se puede medir como un estado actual sino como un dato que se obtiene en una continua sucesión de eventos (Wikipedia). 

Se genera en este concepto la contradicción ya mencionada: casi cualquier persona podrá tener una noción intuitiva del concepto “tiempo”, pero se verá en dificultades si se trata de reflexionar sobre el mismo.

Velocidad 

Definidos los conceptos de movimiento, distancia y tiempo, se considera no tener problema en entender lo que es la velocidad. La velocidad es el tiempo que tarda un objeto en efectuar un movimiento desde una posición a otra, con la condición de que entre dichas posiciones exista una distancia perceptible. Formulando la definición, para su cálculo simplemente se divide la distancia recorrida entre el tiempo transcurrido.

Área 

Ya se ha manejado el concepto: Área es el nombre que se la ha dado a una medida que considera el tamaño de la extensión de una superficie.

Volumen 

Este concepto también se ha mencionado con anterioridad: el volumen es esencialmente una medida; es la medida del espacio que ocupan los cuerpos.

Flujo y fluido 

Las palabras flujo y fluido, son maneras formales y técnicas de nombrar al escurrimiento y al líquido (o gas) respectivamente. Un fluido es cualquier elemento que “fluya”; es decir, que escurra, tal y como sucede con los líquidos y los gases. En hidráulica se puede cambiar el término “fluido” por “agua”; pero el término “flujo” es más común que cualquier otro sinónimo. En la mecánica de fluidos no es correcto hablar de líquidos o gases separadamente, ambos se agrupan en el término “fluido”.

Viscosidad

La viscosidad es el resultado de la cohesión. Ya se ha hablado de los puentes de hidrógeno que son los responsables del comportamiento del agua en estado líquido. La cohesión es la unión que se establece entre las moléculas de agua y que hace que el agua tenga una pequeña resistencia a fluir. La viscosidad siempre existe pero se manifiesta, y por tanto se puede medir, solamente si el agua se mueve. Esta unión entre las moléculas es la que resiste un poco a que fluya el agua, pero esta pequeña resistencia es la responsable de varios y muy importantes fenómenos en el escurrimiento del agua, que más adelante se explicarán.

Adherencia 

En la mecánica de fluidos, la adherencia es diferente de la cohesión. La cohesión es la tendencia interna de los fluidos a permanecer unidos; y la adherencia es la tendencia de los filudos a unirse a otro material. Esta es la propiedad por la cual el agua “moja” lo que toca.

Rugosidad 

Este concepto también debiera ser intuitivo ya que es posible darse cuenta cuando una superficie es rugosa, muy rugosa o lisa. Desde el punto de la ingeniería de materiales, la disciplina que estudia la rugosidad de las superficies es la topometría, y técnicamente se define a la rugosidad como “el conjunto de particularidades geométricas naturales o artificiales que caracterizan una superficie” (Hinojosa y Reyes, 2001).

Irregularidad 

Se entiende que las irregularidades en una conducción son algo más grandes que lo que se conoce como rugosidad. Sin que se tenga una medida bien definida, puede decirse que la rugosidad de la pared de un conducto es del orden de milímetros y cualquier saliente como una roca o maleza, que sea mayor a un centímetro se considera irregularidad más que rugosidad.

Turbulencia

El escurrimiento del agua en tubos y canales –los más comunes conductos para el escurrimiento del agua- se produce con muchas alteraciones: codos, válvulas y varios tipos de accesorios en las tuberías; así como piedras y curvas en los canales. El escurrimiento en estos casos se vuelve turbulento. Se trata del agua escurriendo con desviaciones, choques, remolinos, ondas u olas y cualquier comportamiento del agua contrario a un escurrimiento recto y paralelo a las paredes del conducto que lo contiene.

Flujo ideal 

En mecánica de fluidos el concepto de flujo ideal es importante y a la vez imaginario. Para el planteamiento de la ecuación de continuidad se hace la hipótesis (por simplicidad) de que el agua escurre –fluye- en un conducto infinitamente largo, recto, liso y sin ninguna variación en su sección; no tiene ningún tipo de interacción con las paredes del conducto por el que escurre y tampoco existe ninguna interacción entre las partículas de agua. Es decir, el flujo no es turbulento ni viscoso; no se adhiere a las paredes del conducto, y el conducto no tiene rugosidad ni irregularidades. Esta situación es totalmente irreal; sin embargo, para la comprensión del concepto de gasto y de continuidad es conveniente considerarlo así. 

Entendidos los conceptos anteriores, se deberá estar en condición de proceder a los conceptos de las ecuaciones del gasto y de continuidad.

Gasto 

La definición de gasto es sencilla; a saber: “cantidad de agua que pasa por una sección en una determinada cantidad de tiempo”. Se puede utilizar la analogía de una carretera o una calle por la que circulan carros. Simplemente el gasto sería el número de carros que pasan por un sitio cualquiera (por ejemplo un tope) en un periodo determinado. De esta manera se podría decir que pasan por ejemplo, cinco carros por minuto.

Otro ejemplo es imaginar una fila de camionetas que llevan un tanque de un metro cúbico y que una persona, parada frente a la fila, contabiliza el número de camionetas que pasan. Si pasan treinta camionetas en 30 segundos, entonces se tendrá un gasto de 30 metros cúbicos en 30 segundos. Se acostumbra utilizar la letra Q2 para evitar escribir la palabra “gasto”. De esta manera, se puede escribir: Gasto=Q=30 metros cúbicos por cada 30 segundos. Vale aquí el concepto de división: ¿cuántos metros cúbicos le corresponden a cada segundo? Se divide el número de metros cúbicos entre el número de segundos. 

Q= 30 metros cúbicos/30 segundos 

Q= 1 m3 /s