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DISEÑO HIDRÁULICO DEVERTEDEROS YCOMPUERTAS
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AFORO CON CORRENTOMETRO
Normalmente, el caudal se mide enestaciones de aforo o estacioneshidrológicas, limnimétricas (con limnímetro)o limnigráficas (con limnígrafo).
En una estación de aforos, de seccióntransversal constante y conocida, se
requiere medir caudales y niveles de agua,para así establecer la “curva de calibración”o “curva de descarga” de la estación deaforos (h vs Q).
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ESTACION DE
AFOROSLIMNIGRAFICA
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AFORO CON CORRENTOMETRO
• MEDICION DE NIVELES DE AGUA
Los niveles de agua se miden medianteuna mira, denominada limnímetro, con la
que se efectúan lecturas discretas. Al utilizar limnímetros se requiere lecturascon regular frecuencia para establecer con
cierta precisión la variación de caudales.
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AFORO CON CORRENTOMETRO
Si los caudales varían muy rápidamente, losniveles de agua también habrán de variar muy rápido, siendo necesario, en este caso,
efectuar la medición con el empleo delimnígrafos, que son instrumentosregistradores continuos del nivel del agua.
El registro, discreto o continuo, setransforma en registro de descargashaciendo uso de la curva de calibración decaudales.
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AFORO CON CORRENTOMETRO
• MEDICION DE CAUDALES
En cauces naturales, el método de
medición de la velocidad de flujo másusado es el correntómetro, instrumentoque consta de un sistema de copascónicas que giran alrededor de un ejevertical o de una hélice que giraalrededor de un eje horizontal.
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AFORO CON CORRENTOMETRO
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AFORO CONCORRENTOMETRO
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AFORO CON CORRENTOMETRO
En general, la velocidad de flujo varía con laprofundidad y se hace mayor conforme se aleja delcontorno de la sección.
La velocidad aumenta, teóricamente, desde 0 en ellecho del cauce hasta un valor máximo cerca desuperficie, con un valor promedio alrededor del 0.6de la profundidad.
En la práctica, es común que las mediciones de lavelocidad se efectúen a 0.2 y 0.8 de la profundidad,cuando ésta es mayor de 0.6 m (2 pies), ypromediar ambos valores para determinar velocidadmedia en la sección vertical.
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AFORO CON CORRENTOMETRO
Para profundidades menores a 0.6 m, bastacon realizar una medición de la velocidad a0.6 de la profundidad.
Al medir velocidades, el correntómetroregistra velocidades de rotación (N, en rpm),las cuales deben ser luego transformadas avelocidades lineales.
Cada instrumento posee su ecuación decalibración: V = a + bN; relación lineal queresulta de la calibración en laboratorio.
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AFORO CON CORRENTOMETRO
Vm = 0.85 Vsup
Vm = V0.6
Vm = (V0.2+V0.8)/2
Vm = ΣVi/n
Vm = c V0.5 ; c = 0.96
0.6h
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AFORO CON CORRENTOMETRO
La estimación del caudal requiere ladeterminación de varias velocidadespuntuales, para así obtener la velocidadpromedio de la sección, que multiplicadapor el área dará el caudal de la secciónen estudio. La suma de los caudales
correspondientes a cada una de lassecciones proporcionará el caudal total.
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AFORO CON CORRENTOMETRO
Para la determinación del caudal, lasección del río o del curso natural se
divide en una serie de franjas verticales.De acuerdo al WMO, el ancho de cadafranja debe ser menor a B/20, siendo B elancho superficial; además, el caudal en
cada franja (q) debe ser menor a Q/10,siendo Q el caudal total.
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AFORO CON CORRENTOMETRO
Como práctica usual, se considera unmínimo de:
• 10 secciones en cursos de fondouniforme
• 10 secciones en cursos pequeños
• 20 a 40 secciones en cursos mayores
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AFORO CON CORRENTOMETRO
De acuerdo al diagrama siguiente, elcaudal en cada franja se determina
mediante alguna de las expresionesindicadas:
dn
Vn
bn bn+1
n-1n n+1
Vn+1
dn+1
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AFORO CON CORRENTOMETRO
1n1nn1nn)1n,n( b2dd
2VVq ++++ + +=
n1nnnn d2bbVq += +
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EJEMPLO DE AFORO CONCORRENTOMETRO
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AFORO CON CORRENTOMETRO
Cabe también señalar que la medición delas velocidades de la corriente en la seccióntransversal de un río o curso natural,
permite determinar las curvas de contornosde velocidades o isovelas.
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
Al emplear estructuras en la medición delflujo, debe distinguirse:
• Vertederos (rectangular, triangular,cipolletti)
• Orificios
• Aforadores de profundidad crítica (flumeventuri, vertedero de pared gruesa,aforador Parshall, vertedero tipo Crump)
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
VERTEDEROS
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
VERTEDERO RECTANGULAR
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
VERTEDERO TRIANGULAR
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
FORMULAS DE VERTEDEROS:• VERTEDERO RECTANGULAR
– Despreciando la velocidad de
aproximación
– Tomando en consideración la
velocidad de aproximación
2/3dLHCg2
3
2Q =
[ ]2/32/3d hv)hvH(LCg2
3
2Q −+=
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
• VERTEDERO TRIANGULAR
donde:
H – carga sobre la crestaθ - ángulo de la escotadura triangular
2/5
d H2tanCg215
8
Q
θ
=
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
VERTEDERO TIPO CRUMP
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
VERTEDERO TIPO CRUMP
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ESTRUCTURAS DE MEDICION
FLUME VENTURI
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AFORADOR
PARSHALL(Parshall Flume)
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AFORADOR PARSHALL
http://www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s06.
htm#el%20canal%20de%20aforo%20parsh
all
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AFORADORPARSHALL(Parshall Flume)
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AFORADOR PARSHALL
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CRITERIOS DE SELECCION
Usualmente, aunque no es un regla general,el ancho de garganta del aforador Parshall aser empleado normalmente fluctúa entre B/3
y B/2, siendo B el ancho superficial delcanal. Sin embargo, el procedimiento formalde selección del aforador se basa en elcumplimiento de los tres pasos que se
indican a continuación:
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CRITERIOS DE SELECCION
a) Identificar los aforadores que permitenmedir el rango de caudales deseado.
b) De los aforadores identificados en a)
seleccionar aquellos que originan unapérdida de carga menor o igual a laespecificada.
c) De los aforadores que han quedado del
paso anterior, determinar cuál es aquel -de menor tamaño - que no origina unefecto de remanso aguas arriba de la
ubicación del aforador.
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CRITERIOS DE SELECCION
Ejemplo:Seleccionar el aforador Parshall a ser empleadopara la medición de caudales en un canal deirrigación, considerando las siguientescaracterísticas:•Rango de caudales a medir: de 4 cfs a 40 cfs
•Ancho de la base del canal: 6 ft
•Tirante normal en el canal: 2 ft•Taludes: 1.5 : 1
•Altura de pérdidas permitida en el aforador: 0.65ft
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CRITERIOS DE SELECCION
• Ancho superficial del canal: 6 + 2 x 1.5 x2 = 12 ft
• Tamaño del aforador según criterio
preliminar: B/3 a B/2 4 a 6 ftProceso formal de selección del tamaño del
aforador a emplear:
a)Aforadores que permiten medir el rangode caudales comprendido entre 4 y 40cfs: – W = 3, 4, 5, 6, 7 y 8 ft
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CRITERIOS DE SELECCION
b) Aforadores que originan una pérdidamenor o igual a la especificada (0.65 ft):
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CRITERIOS DE SELECCION
c) Selección del aforador de menor tamaño(y por ende, menor costo) que no originaefecto de remanso aguas arriba:
Debe verificarse que la altura de energía antesdel aforador (Eo) sea mayor o igual que laaltura de energía sobre la cresta del aforador (Ea), es decir, la altura de energía medida en
la sección (a).En este caso, se empieza la comprobación conel aforador de menor tamaño que ha quedadoluego del paso b), esto es, W = 5 ft.
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CRITERIOS DE SELECCION
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CRITERIOS DE SELECCION
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METODO DE DILUCION
Consiste en la inyección a la corriente deuna solución química (normalmente NaCl),sea de golpe o en forma uniforme, paraluego tomar una muestra del agua aguasabajo del punto de aplicación, habiéndoseproducido una mezcla uniforme. Sedetermina la nueva concentración y, a partir
de ello, se estima el caudal circulante. Seadapta a corrientes turbulentas y pequeñas,donde otros métodos serían inapropiados ocostosos.
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METODO DE DILUCION
• APLICACIÓN DE GOLPE:
Se inyecta de golpe un cierto volumende solución con una concentración Co
en una corriente que en forma naturalcontiene dicha solución con unaconcentración C1 (C1 << Co)
∫ −=
T
0
10
cdt
)CC(VQ
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METODO DE DILUCION
• APLICACIÓN UNIFORME:Se aplica un caudal constante (q) de unasolución con una concentración Co en
una corriente que en forma contiene dichasolución con una concentración C1 (C1
<< Co). Aguas abajo del punto deaplicación, la concentración habrá de
estabilizarse en un valor C2.
qCC
CCQ
12
20
−−
=
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METODO DE DILUCIONUna solución concentrada se inyecta en un río a una razón
constantes de 2 lts/min en cuatro ocasiones diferentes. Los
resultados de las mediciones se indican en la tabla:
PruebaConcentr.
en el río
Concentr.
en sección
de lectura
Concentr.
de soluc.
diluida
Altura (mm)
1 100 112 112 2742 110 125 120 224
3 105 115 120 366
4 95 111 113 313
Determinar la curva de descarga (caudal vs altura) del río
a partir de la ecuación general: Q = K (H-b)**nTomar en cuenta que la altura para descarga nula es 50 mm.
La dilución se efectúa con agua del mismo río, procediendo del
siguiente modo:
5 ml de la solución concentrada se diluyen en un litro de agua del
río y luego, 5 ml de esta mezcla se diluyen nuevamente en un litro
de agua del río.
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COMPUERTAS
Una compuerta es una placa móvil, planao curva, que, al levantarse, forma unorificio entre su borde inferior y la
estructura hidráulica (presa, canal, etc.)sobre la cual se instala.
Se utiliza en la mayoría de los casos para
la regulación de caudales, así comotambién para cierres por mantenimiento uoperaciones de emergencia.
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COMPUERTAS
Las compuertas tienen las propiedadeshidráulicas de los orificios y, cuando estánbien calibradas, también pueden
emplearse como medidores de flujo.La selección del tipo y tamaño de lascompuertas depende de condiciones
físicas, hidráulicas, climáticas y deoperación, las cuales, evaluadasapropiadamente, permiten elegir el tipo decompuerta.
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COMPUERTAS
Existen diferentes tipos de compuertas,con variadas características en suoperación y en su mecanismo de izado,
los cuales permiten clasificarlas en gruposgenerales de la siguiente manera:
a) Según las condiciones de flujo aguas
abajob) Según el tipo de operación ofuncionamiento
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COMPUERTAS
c) De acuerdo a sus característicasgeométricas
d) Según los mecanismos de izado
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COMPUERTAS
a) Según las condiciones de flujoaguas abajo:
• Compuertas con descarga libre
• Compuertas con descarga sumergida oahogada
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COMPUERTAS
b) Según el tipo de operación ofuncionamiento:
• Compuertas Principales: se diseñan
para operar bajo cualquier condición deflujo.
Se les llama de regulación cuando seles conciben para controlar caudales enun canal abierto o sobre una estructurade presa, con aberturas parciales.
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COMPUERTAS
Se les conoce como compuertas deguarda o de cierre cuando funcionancompletamente abiertas o cerradas.
• Compuertas de Emergencia: se utilizanen los eventos de reparación, inspeccióny mantenimiento de las compuertasprincipales.
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COMPUERTAS
c) De acuerdo a sus característicasgeométricas:
• Compuertas planas, que pueden ser:
Rectangulares Cuadradas
Circulares
Triangulares
Etc.
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COMPUERTAS
• Compuertas curvas o alabeadas, quepueden ser:
Radiales: también llamadas
compuertas Taintor , tienen la forma deuna porción de cilindro, y giranalrededor de un pivote o eje horizontalsituado en el eje longitudinal de la
superficie cilíndrica. Por su formaalgunas veces se les llamacompuerta de Sector.
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COMPUERTAS
En las compuertas radiales,generalmente el agua actúa en el ladoconvexo y, debido a las propiedadeshidrostáticas de una superficie cilíndrica,la línea de acción del empuje hidrostáticoresultante pasa a través del pivote ocentro de giro. En consecuencia, la
fuerza requerida para levantar lacompuerta es la necesaria para vencer elpeso propio de la misma y la fricción enlos apoyos.
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COMPUERTAS
Este tipo de compuerta se usa envertederos de presa, en obras decaptación y en canales de riego.
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COMPUERTAS
Este tipo de compuerta se usa envertederos de presa, en obras decaptación y en canales de riego.
Tambor: consiste en una estructurahermética de acero, abisagrada en lacresta de rebose de un vertedero depresa, y con una forma tal que, cuando
está en su posición más baja, ocupa unrecinto dentro de la estructura de lapresa, sin interrumpir el perfil de dichacresta.
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COMPUERTAS
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COMPUERTAS
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COMPUERTAS
HOOVER SPILLWAY
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COMPUERTAS
HOOVER SPILLWAY
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COMPUERTAS
Si el líquido penetra a dicho recinto, lacompuerta se levanta por encima de lacresta, debido al empuje de flotación,evitando el paso de la corriente.
Este mecanismo de operación constituyecierta ventaja sobre los otros tipos decompuerta, puesto que no requiere de
superestructuras que incluyan grúas,cables, ni volantes, para su manejo.
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COMPUERTAS
Cilíndricas: consisten en un cilindro deacero que se extiende entre los estribosde un vertedero de presa, en los cualesestá adosada una cremallera dentada einclinada. También puede utilizarse unatorre cilíndrica de captación de unembalse.
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COMPUERTAS
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COMPUERTAS
La compuerta se iza rodando hacia arriba,permitiendo el engranaje entre los dientesy las cremalleras en los extremos. Envirtud de la gran resistencia de unaestructura cilíndrica, este tipo decompuerta se usa económicamente enproyectos con estructuras de grandes
luces.
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COMPUERTAS
Generalmente se coloca un bordelongitudinal de acero en un puntoapropiado de su periferia, para que formeun sello con la cresta del vertedero,cuando la compuerta está en la posiciónmás baja.
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COMPUERTAS
d) Según sus mecanismos de izaje:• Compuertas deslizantes: el elemento
de cierre u obturación se mueve sobre
superficies deslizantes (guías o rieles)que sirven, a la vez, de apoyo ysello.
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COMPUERTAS
Generalmente, se construyen en acerocolado y se emplean en estructuras decanales y en algunas obras de
captación; en presas o tanques deregulación. La hoja de la compuerta oelemento de obturación se acciona conun mecanismo elevador, a través de un
vástago o flecha de acero.
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COMPUERTAS
• Compuertas rodantes: el elemento decierre u obturación se mueve sobre untren de ruedas, rodillos o de
engranajes, hasta la posición deestanca. Se utilizan en obras de tomaprofunda, para casos de emergencia yde servicio, así como para cierre demantenimiento en conductos apresión.
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COMPUERTAS
Estas compuertas ruedan a su posiciónde sello debido a su propio peso y seizan con cadenas o cables por medio
de grúas especiales, fuera de lasuperficie del agua, hasta una casetade operación, donde se les hacemantenimiento.
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COMPUERTAS
En términos generales, en la literaturapuede encontrarse referencias a lossiguientes tipos de compuertas: tipoanillo; tipo basculante (denominadatambién clapeta o chapaleta); tipo cilindro;tipo esclusa; tipo laagarto; tipo rodante;tipo sector; tipo segmento; tipo Stoney;
tipo tambor; tipo tejado; tipo plana odeslizante con ruedas; tipo vagón; tipovisera; tipo ataguía.
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COMPUERTAS
También compuertas automáticas paracontrol de nivel: compuertas para elcontrol de nivel aguas arriba (AMIS) ycompuertas para el control de nivel aguasabajo (AVIS).
Para el caso de tuberías se tiene lossiguientes tipos de válvulas: esférica, de
mariposa y de aguja.
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COMPUERTAS
COMPUERTA AVIS
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COMPUERTAS
COMPUERTA AMIS
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COMPUERTAS
VALVULAESFERICA
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COMPUERTAS
VALVULA DEMARIPOSA
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COMPUERTAS
VALVULA DEAGUJA
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COMPUERTAS
Flujo a través de compuertas planas yradiales:
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COMPUERTAS
El caudal circulante a través de la aberturade una compuerta plana está dado por laexpresión:
donde:• Cd – coeficiente de descarga.
En el caso de compuertas planas verticales,usualmente Cd es del orden de 0.61
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COMPUERTAS
• a – abertura de la compuerta• B – ancho de la compuerta
• y1 – carga de agua inmediatamente aguas
arriba de la compuertaPara el caso de compuertas radiales, laecuación del caudal es la misma que paracompuertas planas, con adecuados valoresde Cd, el cual dependerá del ángulo θ y dela relación y1/a.
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COMPUERTAS
Fuerza sobre una compuerta plana:
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COMPUERTAS
La magnitud de la fuerza ejercida por lapresión del agua sobre la superficie planase determina planteando la ecuación decantidad de movimiento en el volumen decontrol que se muestra a continuación:
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COMPUERTAS
El resultado de la aplicación de dichaecuación en el volumen de controlconsiderado conduce a la siguienteexpresión de la fuerza:
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