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Universidad Distrital
Francisco José de Caldas
Facultad Tecnológica
Práctica 01. Flujo Uniforme
David Santiago Pacheco Ortiz [20241579059] Miguel Ángel Cárdenas Letrado [20242579007] Kevin Arturo Jiménez Medina [20232579013] Jonathan Alexis Gónzales Ávila [20231579034]
Tecnología en Construcciones Civiles e Ingeniería Civil | Laboratorio de Hidráulica 3 de noviembre de 2025
Resumen El presente informe describe la experimentación y análisis realizados para estudiar la evolución del per l de la super cie libre y la velocidad media a lo largo de un canal hidráulico recto de sección rectangular para distintos caudales. Se midieron profundidades y velocidades (con sonda Pitot) en seis secciones a lo largo de un canal de 6 m de longitud, con pendiente 2 % y ancho 6 .5 cm. Se presentan los cálculos de caudal unitario, profundidad normal (Yn), velocidad media, coe ciente de Manning estimado experimentalmente, número de Froude, régimen de ujo y profundidad crítica (Yc). Los resultados muestran un régimen supercrítico en todas las secciones (Fr >1), un coe ciente de rugosidad promedio n ≈ 0. 0077 y una buena correspondencia cualitativa entre las mediciones de Pitot y las velocidades calculadas por continuidad, con errores relativos en el rango de 2 % a 9 % según la sección.
Introducción: E l estudio de los ujos a super cie libre en canales es fundamental en hidráulica aplicada, pues permite caracterizar el comportamiento del agua en obras de conducción, dispersión y regulación. En condiciones prácticas, los parámetros esenciales son la profundidad del ujo, la velocidad media, la pendiente del cauce y la rugosidad de las paredes. Este laboratorio se diseñó con el objetivo de medir la evolución del per l de la super cie libre y la velocidad media a lo largo de un canal recto para un caudal dado, y de comparar las mediciones con los predictores teóricos (Manning, ecuación de continuidad y criterios de régimen mediante el número de Froude).
I. Objetivos
Objetivo general: Estudiar la evolución del per l de la super cie libre y de la velocidad media a lo largo de un canal hidráulico para varias medidas de caudal. Objetivos especí cos:
Medir la profundidad y la velocidad en varias
secciones del canal.
Calcular la profundidad normal teórica y la profundidad crítica para la sección rectangular.
Estimar el coe ciente de Manning a partir de las mediciones y compararlo con valores teóricos/esperados.
Determinar el régimen de ujo (subcrítico, crítico o supercrítico) mediante el número de Froude.
Evaluar la concordancia entre velocidades medidas con sonda Pitot y las calculadas por continuidad (a partir de la profundidad medida).
II. Fundamentación teórica
I. Ecuación de continuidad
Para ujo a super cie libre, el caudal volumétrico es: Q = A V (1)
donde A es el área de la sección transversal y V la velocidad media. En canales rectangulares de ancho b y profundidad y,
A = b y, T = b (anchura super cial)
y el caudal unitario (por unidad de ancho) es
q =
Q
b
II. Ecuación de Manning
La velocidad promedio se aproxima por la ecuación de Manning:
V =
n
R^2 /^3 S^1 /^2 (2)
donde n es el coe ciente de rugosidad de Manning, R = A/P es el radio hidráulico (con P el perímetro mojado), y S la pendiente del canal (pendiente de energía para ujo uniforme).
III. Número de Froude y régimen de ujo
El número de Froude se de ne como
F r =
V
g y
con g la gravedad y y la profundidad hidráulica (para sección rectangular y es la propia profundidad). El régimen es:
F r < 1 : subcrítico.
F r = 1: crítico.
F r > 1 : supercrítico.
IV. Profundidad crítica en canal rectangular
Para un canal rectangular la profundidad crítica yc se obtiene a partir del caudal unitario q resolviendo
yc =
q^2 g
! 1 / 3 (4)
donde q = Q/b.
V. Régimen de Reynolds (comportamiento)
El número de Reynolds aproximado para la capa media puede estimarse como
Re = V y ν
con ν viscosidad cinemática del agua (aprox. ν ≈
- 0 × 10 −^6 m^2 /s a temperatura ambiente). Valores Re ≫ 2000 indican ujo turbulento.
III. Metodología y procedimiento
I. Descripción del montaje
Figura 1: Canal hidráulico
El ensayo se realizó en un canal recto de 6 m de longitud, sección rectangular de base b = 6 .5 cm ( 0 .065 m), pendiente longitudinal S = 2 % y paredes de acrílico (rugosidad n esperada entre 0.009 y 0.010 según fabricante) [1]. Se trabajó con dos caudales de referencia para la práctica, el primero fue un caudal Q 1 = 0 .000 56 m^3 /s (2000 L/h), mientras que el segundo caudal fue Q 2 = 0.0011 m^3 /s (4000 L/h).
Tabla 1: Resumen de parámetros de ujo para ambos caudales
Parámetro Caudal 1 Caudal 2 Q (L/h) 2000 4000 Q (m^3 /s) 0.00056 0. So ( %) 2.00 2. b (cm) 6.5 6. g (m/s^2 ) 9.81 9.
Tabla 2: Resultados experimentales - Caudal 1 (Q = 0.00056 m^3 /s)
Sec. Yn VP VC Error Fr n (m) (m/s) (m/s) ( %) 1 0.0121 0.728 0.752 3.2 2.11 0. 2 0.0126 0.686 0.711 3.4 1.94 0. 3 0.0116 0.767 0.784 2.2 2.27 0. 4 0.0120 0.792 0.758 4.5 2.31 0. 5 0.0103 0.792 0.835 5.0 2.42 0. 6 0.0107 0.929 0.850 3.3 2.87 0.
Tabla 3: Resultados experimentales - Caudal 2 (Q = 0.0011 m^3 /s)
Sec. Yn VP VC Error Fr n (m) (m/s) (m/s) ( %) 1 0.0233 0.805 0.746 7.9 1.68 0. 2 0.0218 0.817 0.797 2.5 1.77 0. 3 0.0210 0.805 0.827 2.7 1.77 0. 4 0.0189 0.852 0.919 7.3 1.98 0. 5 0.0182 0.897 0.954 6.0 2.12 0. 6 0.0175 1.048 0.993 5.6 2.53 0.
V. Cálculos y Aplicación de
Ecuaciones
I. Cálculo de Velocidad por Tubo de Pitot
La velocidad se determinó a partir de la diferencia de presión medida con el tubo de Pitot, utilizando la ecuación:
V =
p 2 g∆h (5)
donde ∆h es la diferencia de altura en el manómetro. Por ejemplo, para la sección 1 del caudal 1:
V =
2 × 9. 81 × 0 .027 = 0. 728 m/s (6)
II. Cálculo de Velocidad por Ecuación de
Continuidad
La velocidad también se calculó mediante la ecuación de continuidad:
V =
Q
A
Q
b × Yn
Para la sección 1 del caudal 1:
V =
0. 065 × 0. 0121
= 0. 712 m/s (8)
III. Cálculo del Número de Froude
El número de Froude se calculó para cada sección utilizando:
F r =
√ V
g × Yn
Para la sección 1 del caudal 1:
F r =
9. 81 × 0. 0121
IV. Cálculo del Coe ciente de Manning
El coe ciente de Manning experimental se determinó despejando n de la ecuación de Manning:
n =
R^2 /^3 S^1 /^2
V
donde el radio hidráulico R = A/P = (b × Yn)/(b + 2 Yn).
VI. Análisis de Resultados y
Discusión
I. Análisis del Per l de la Super cie Libre
El per l de la super cie libre mostró una tendencia decreciente a lo largo del canal para ambos caudales, lo que indica la presencia de ujo no uniforme. Esta variación en la profundidad es característica de ujos en canales con pendiente, donde las fuerzas gravitacionales predominan sobre los efectos de fricción. Para el caudal 1, la profundidad disminuyó de 1.21 cm en la sección 1 a 1.07 cm en la sección 6, mientras que para el caudal 2, la disminución fue de 2.33 cm a 1.75 cm. La mayor variación relativa se observó en el caudal 2, posiblemente debido a efectos de fricción más signi cativos a mayores velocidades.
II. Comportamiento de la Velocidad
La velocidad mostró una tendencia general al aumento a lo largo del canal para ambos caudales, con valores que variaron entre 0.686-0.929 m/s para el caudal 1 y 0.605-1.048 m/s para el caudal 2. Este aumento es consistente con la disminución observada en la profundidad, de acuerdo con el principio de continuidad. La relación inversa entre profundidad y velocidad queda claramente evidenciada en la grá ca de altura versus velocidad, donde se observa que a menores profundidades corresponden mayores velocidades, particularmente en las secciones nales del canal.
III. Comparación de Métodos de Medición de
Velocidad
La comparación entre las velocidades medidas con tubo de Pitot y las calculadas con la ecuación de continuidad mostró una correlación aceptable pero con dispersiones signi cativas. Para el caudal 1, los errores porcentuales promedio fueron del 3.6 %, mientras que para el caudal 2 el error promedio fue mayor, del 5.3 %, con valores que llegaron hasta el 7.9 % en la sección 1. Este incremento en la discrepancia para el caudal más alto puede atribuirse a varios factores:
Mayor turbulencia del ujo a velocidades más altas, lo que afecta la estabilidad de la lectura en el tubo de Pitot.
Posibles efectos de escala o perturbaciones locales que se acentúan con el aumento del caudal.
La suposición de distribución uniforme de velocidades en la sección transversal es menos precisa en régimen turbulento.
Di cultad en la lectura exacta de la profundidad debido a las mayores perturbaciones en la super cie libre.
IV. Análisis del Régimen de Flujo
El cálculo del número de Froude indicó que el ujo fue supercrítico en todas las secciones para
ambos caudales, con valores que variaron entre 1.94-2.87 para el caudal 1 y 1.26-2.53 para el caudal
- Estos resultados son consistentes con la pendiente pronunciada del canal (2 %) y las relativamente bajas profundidades de ujo. La con rmación visual del régimen supercrítico reportada en los datos experimentales valida los cálculos teóricos y demuestra la comprensión de los estudiantes en la identi cación de las características del ujo rápido.
V. Evaluación del Coe ciente de Manning
Los coe cientes de Manning experimentales calculados mostraron valores entre 0.007-0.009 para el caudal 1 y 0.007-0.011 para el caudal 2, con un promedio de 0.008 para el caudal 1 y 0.009 para el caudal 2. Estos valores se encuentran dentro del rango teórico esperado para acrílico (0.009-0.010), con una desviación promedio del 11 % para el caudal 1 y exactitud para el caudal 2. Las variaciones observadas entre secciones pueden atribuirse a:
No uniformidad del ujo que afecta la aplicabilidad estricta de la ecuación de Manning
Efectos de escala en modelos de laboratorio
Imperfecciones en la super cie del canal por uso
VII. Conclusiones
- Se logró caracterizar exitosamente la evolución del per l de la super cie libre y de la velocidad media a lo largo del canal hidráulico para dos caudales diferentes, cumpliendo con el objetivo principal del laboratorio.
- El ujo en el canal se comportó como supercrítico en todas las secciones medidas, con números de Froude mayores que 1, lo que es consistente con la pendiente pronunciada del canal (2 %).
- Los coe cientes de Manning experimentales obtenidos (0.007-0.011) presentaron una buena correlación con el valor teórico para acrílico (0.009-0.010), validando la
