Analogías entre la electricidad y la hidráulica en Ingeniería Civil

in StemSocial2 months ago

En el mundo de la Ingeniería Civil los conceptos asociados a la electricidad no están por fuera, es necesario poseer ciertos conocimientos mínimos sobre el tema a la hora de interactuar con un proyecto de instalaciones para edificios, ya que esto incluye también a las instalaciones eléctricas. Aunque en esto intervienen otras personas especializadas en la electricidad, generalmente es el Ingeniero Civil el que debe estar presente para verificar que la obra civil cumple con los requisitos mínimos de calidad y funcionalidad en todas sus instalaciones, para su uso final.

Tech. Sgt. regina young, Public domain, via Wikimedia Commons

Ya que el tema de los conceptos básicos de electricidad es tocado de manera muy puntual y rápida en el estudio de Ingeniería Civil, puede ser un poco difícil asimilarlos, ya que no es lo que usualmente se estudia. Por ello, una analogía con otra forma de energía si conocida por los ingenieros civiles (la hidráulica) puede ser muy útil.

Aquí podemos establecer cierto vínculo entre ambas ramas de la ingeniería (civil y eléctrica), ya que se trabaja con el estudio de la energía expresada en dos estados diferentes: la electricidad y la hidráulica (incluso también la energía en el análisis estructural). Si bien la energía eléctrica suele ser mucho más compleja de estudiar, en cuanto a conceptos base hay similitudes notables.

Ya podemos encontrar bastante contenido en la Web referente a esta misma analogía, pero en esta publicación pienso explicar esto con mis propias palabras, de acuerdo a lo que he asimilado de los conceptos básicos de la electricidad: intensidad de corriente, voltaje y resistencia.

Intensidad de corriente

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La electricidad como la conocemos, suele pasar a través de cables o circuitos. En la naturaleza, la podemos ver en relámpagos. Es decir, cada vez que se pone en acción la electricidad estamos en presencia de un flujo o corriente (así como el agua fluyendo en una tubería o la corriente de un río). Este concepto es muy similar al de caudal (volumen de agua que pasa por unidad de tiempo).

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La intensidad de corriente es la "cantidad de electricidad" que pasa por un cable en una unidad de tiempo. Es simplemente una medida de que tantos electrones circulan. Podemos medir la corriente en Amperes, esta unidad no es más que la medida de cuantos Coulombs pasan por segundo. Además 1 Coulomb equivale a 6.25x1018 electrones.

Analogia hidráulica electricidad.png

En pocas palabras, la intensidad de corriente es la medida de cuantos electrones pasan por segundo, los cuales son obviamente millones, similar a cuantas moléculas de agua pasan por segundo en una sección de tubería, equivalente a Litros, metros cúbicos, etc.

Voltaje

Este concepto es quizás un poco más difícil de asimilar que la intensidad de corriente. Afortunadamente, en la hidráulica contamos con una analogía que nos sirve muy bien. El concepto más común que solemos encontrar para el voltaje es el de "diferencia de potencial" entre dos puntos, así como otras definiciones.

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Sin embargo, este concepto no es tan fácil de asimilar para alguien que lo escucha por primera vez, de hecho, es más fácil entender al voltaje cómo la causa del movimiento de los electrones, y la corriente como la medida de cuantos electrones pasan. Las baterías poseen cierto voltaje o energía potencial la cual se libera al conectarla a un circuito.

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La analogía con la hidráulica es la siguiente: imaginemos un tanque lleno de agua, del cual sale una tubería cerrada mediante una válvula.

Diferencia potencial hidráulica voltaje.gif

Inicialmente el agua está en reposo, por lo que no existe flujo (corriente). Pero la energía potencial está allí, solo que la energía total es la misma para todos los puntos del sistema. De igual manera, los electrones siempre están presentes en el material conductor, pero es el voltaje el que los pone en movimiento.

Al abrir la válvula, empieza a existir flujo dentro de la tubería, ya que se genera una diferencia de energía total entre la salida de la tubería y la superficie de agua en el tanque. La energía potencial hidráulica en la superficie del tanque (altura "Z" o cota) es mayor a la que existe en la salida de la tubería (menor cota), ya que el agua tiende a bajar por gravedad. El flujo se da porque existe una diferencia de potencial o de energía total "H" o "ΔH" entre dos puntos.

De manera equivalente, el voltaje o diferencia de potencial es lo que genera el movimiento de electrones, al existir diferentes voltajes entre dos puntos. La corriente es el efecto del voltaje. El voltaje está relacionado con la energía necesaria para mover los electrones. Por ello, una forma de expresar sus unidades es Joules/Coulombs.

Voltaje energía hidáulica.png

En el ejemplo hidráulico dado, el movimiento se produce por la pérdida de energía potencial en el extremo de la tubería que se genera al abrir la válvula. En un circuito eléctrico, este desequilibrio puede darse al contrario, agregando energía mediante una pila, haciendo que el flujo de corriente se de desde la pila (mayor voltaje) hasta el otro extremo del circuito.

Kvr.lohith, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Resistencia

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Este concepto en la electricidad es muy similar al existente en la hidráulica. Una resistencia es algo que impide parcial o totalmente el flujo o corriente. En una tubería de agua, una curva o un obstáculo en el camino genera pérdida de energía en el flujo. Un accesorio común en tuberías sanitarias es la reducción de diámetro, el cual genera pérdidas de energía en el flujo.

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Es también conocido en hidráulica que una tubería de menor diámetro conduce a mayores pérdidas. De igual manera, un material conductor brinda mayor resistencia al flujo de electrones a medida que su sección transversal es más pequeña. La longitud de la tubería o del material conductor tienen un efecto inverso al de la sección transversal, tal como lo señalan las siguientes fórmulas:

analogia resistencia ohm perdidas hidraulica.png

El material de una tubería determina que tan rugosas son sus paredes, el factor de fricción "f" mide que tanto esto hace perder energía al flujo. De igual manera, la resistividad eléctrica de un material "ρ" indica que tan conductor es un material. Un metal tendrá menor resistividad que un plástico.

Dentro de artefactos eléctricos suelen utilizarse resistencias para reducir el voltaje en los circuitos, ya que ciertos componentes electrónicos trabajan con voltajes específicos, y una mayor cantidad de voltaje puede quemarlos. Por ello, la resistencias entran en juego, reduciendo el voltaje que llega a ellos.

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Dentro de una resistencia en un dispositivo electrónico, se encuentra un arreglo de materiales menos conductores o reducción del diámetro del circuito, de manera que la corriente que llega se vea obstaculizada parcialmente, reduciendo la energía o voltaje que lleva. Esto es similar en sistemas de tuberías, donde un accesorio como una válvula se utiliza para regular la energía del sistema, ya que un exceso de energía se traduce en una alta presión que puede dañar ya sea las instalaciones sanitarias o la misma tubería.

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Conclusiones

La interdisciplinariedad es importante en la ingeniería, y conocer algunos conceptos básicos son importantes para el entendimiento entre todas sus ramas. Es interesante la analogía que se puede hacer entre dos formas de energía distintas: la eléctrica y la hidráulica.

Referencias

¿Qué es la corriente eléctrica? Mipodo.com

Tensión (electricidad). Wikipedia

Voltio. Unidad de medida. Wikipedia

Resistencia Eléctrica. FisicaLab.com

Como funciona una resistencia eléctrica ⚡ que es una resistencia eléctrica. Eduardo Piñones. YouTube


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Saludos amigo @acont. Sin duda es importante hacer analogías para interpretar y comprender mejor los conceptos, esto nos permite representar un pensamiento o experiencia respecto a un objeto a través de una comparación de distintas dinámicas, como en este caso la comparación entre la electricidad y la hidráulica, como esta última es tu área, los conceptos del otro campo son mejor interpretados cuando se habla en tu idioma por así decirlo. Es una gran estrategia para trasmitirles nuevos conceptos a los estudiantes.

Es una buena forma de entender un concepto nuevo, a través de una estructura de conocimiento que ya se posee. Saludos y gracias por tu visita @emiliomoron

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