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Las resistencias en un sistema hidráulico no solo influyen en la pérdida de presión, sino también en el consumo energético. Cuando el fluido circula, las pérdidas por fricción aumentan con la longitud de la tubería, el caudal y la rugosidad interna. En tanto, las resistencias locales dependen del tipo y número de accesorios utilizados. Para minimizar su impacto, se recomienda optimizar el diseño del sistema, reduciendo curvas innecesarias y eligiendo adecuadamente los diámetros. También se pueden emplear materiales más lisos para disminuir la fricción. Una buena planificación ayuda a prolongar la vida útil de los equipos y reducir costos operativos.

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Resistencias Locales y por Rozamiento en Sistemas Hidráulicos

En sistemas hidráulicos, las resistencias a lo largo del flujo se dividen en dos tipos principales: resistencias por rozamiento y resistencias locales. Ambas representan pérdidas de energía que deben ser consideradas para un diseño eficiente.

1. Resistencias por Rozamiento (Distribuidas): Son causadas por la fricción del fluido con las paredes internas de la tubería en todo su recorrido. Se calculan usando la ecuación de Darcy-Weisbach:

f: coeficiente de fricción (según Reynolds y rugosidad)

L: longitud de la tubería

D: diámetro de la tubería

v: velocidad del flujo

g: aceleración de la gravedad

Estas pérdidas aumentan con la longitud y velocidad del flujo.

2. Resistencias Locales (Singulares): Ocurren en puntos específicos del sistema, como válvulas, codos, tees, cambios de sección, entradas o salidas. Se calculan con:

K: coeficiente de pérdida local (depende del accesorio)

v: velocidad del fluido

Son importantes en redes con múltiples componentes, donde generan turbulencias y reducciones abruptas de presión.

Importancia:

Permiten dimensionar adecuadamente bombas y tuberías.

Afectan la presión disponible y el caudal.

Ignorarlas puede provocar ineficiencia o fallos del sistema.

Conclusión: Un buen diseño hidráulico debe considerar tanto las pérdidas por rozamiento como las locales, integrándolas en los cálculos para garantizar un funcionamiento eficiente y seguro.

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Análisis de las resistencias por rozamiento y resistencias locales

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Análisis de las resistencias por rozamiento y resistencias locales

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Resistencias por rozamiento

Las resistencias por rozamiento son aquellas que se originan por la fricción entre el fluido en movimiento y las paredes internas de una tubería. Esta fricción genera una pérdida continua de energía a lo largo del recorrido del fluido, y está directamente relacionada con la viscosidad del fluido, la velocidad del flujo, el tipo de régimen (laminar o turbulento), la rugosidad de la tubería y su longitud.

Estas pérdidas son fundamentales en el análisis hidráulico, ya que determinan cuánta presión se pierde durante el transporte del fluido, lo cual afecta el rendimiento del sistema, la selección de bombas y el dimensionamiento de tuberías.

Resistencias locales

Las resistencias locales o pérdidas menores son pérdidas de energía que ocurren en puntos donde el flujo experimenta una perturbación repentina: como cambios de dirección, variaciones de área, válvulas, codos, reducciones o entradas bruscas. Aunque no dependen de la longitud del sistema, su efecto puede ser considerable, sobre todo en sistemas con múltiples accesorios o con velocidades elevadas.

Estas pérdidas son producto de la generación de turbulencias locales, separaciones del flujo y formación de vórtices. Aunque cada una puede parecer insignificante, la suma puede representar una gran parte de la pérdida total del sistema.

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Resistencias locales, por rozamiento, y la influencia de la viscosidad en sistemas hidráulicos.

Resistencia en Fluidos:

Entendiendo las Fuerzas que Se Oponen al Flujo En el ámbito de la mecánica de fluidos, la resistencia al movimiento es un fenómeno fundamental que se manifiesta de dos formas distintas, las resistencias locales y las resistencias por rozamiento. El conocimiento de estas fuerzas es especialmente relevante para el diseño y la optimización de cualquier sistema que implique el flujo de líquidos o de gases.

Resistencias Locales: Impedimentos del Paso del Flujo Las resistencias locales tienen su origen a partir de cambios abruptos de forma de la geometría del conducto o de la presencia de elementos que distorsionan en gran medida el flujo. Por ejemplo, elementos de uso común como Válvulas, Codos, Entradas y salidas de tuberías. Tales elementos originan pérdida de presión y alteran la trayectoria del fluido generando turbulencias y remolinos en el mismo. La magnitud de tales resistencias queda expresada mediante coeficientes de pérdida local del tipo de forma y de configuración del obstáculo. Es decir, un codo de 90 grados no originará la misma resistencia que la de un codo de 45 grados, ni una válvula de paso completamente abierta la misma que la de una válvula de paso completamente abierta.

Resistencias por Rozamiento:

El Rozamiento Constante del Fluido

En el otro sentido, vamos a hablar de las resistencias por rozamiento o pérdidas por fricción, que están directamente relacionadas con la interacción viscosa del fluido con las superficies sólidas del conducto o debido a la fricción interna del fluido por la viscosidad del mismo. Este rozamiento, mediante el desarrollo de esfuerzos cortantes en la capa límite, que es una delgada zona adyacente a la pared donde la velocidad del fluido en la capa final varía desde la velocidad del flujo libre hasta cero en la superficie, va a conllevar una pérdida de presión a lo largo del conducto (Modón, A. (s.f.)).

La magnitud de estas resistencias depende de la viscosidad del fluido (“cuanto más viscoso mayor fricción”) de la rugosidad de la superficie del conducto; una superficie rugosa va a generar más rozamiento que una lisa o de una forma de flujo, que se verifica casi siempre como laminar o turbulento dependiendo del número de Reynolds. El flujo laminar hace que las capas de fluidos se deslicen de forma continua una sobre otra. El flujo turbulento provoca un deslizamiento desordenado y con ello un aumento de las pérdidas de rozamiento considerable.

El papel primordial de la Viscosidad:

La viscosidad influye en la magnitud de las dos formas de resistencia. Siendo la oposición que ofrece un fluido al movimiento (la fricción interna del fluido), la viscosidad es la expresión de la oposición del movimiento relativo de las partículas del fluido entre sí y con las superficies sólidas. Pensemos en fluidos de alta viscosidad, como la miel o la melaza; actualmente en ellos la resistencia por rozamiento es mucho mayor, lo que se traduce en grandes pérdidas de presión y, como consecuencia, en un flujo más lento. Más allá de la resistencia por rozamiento, la viscosidad también participa en la evolución de la capa límite y en la importante transición del flujo laminar al flujo turbulento, que influirá directamente en el coeficiente de resistencia y en las pérdidas locales. La ley de viscosidad de Newton hace entender esta importante relación ya que establece que el esfuerzo cortante en un fluido es proporcinal al gradiente de velocidades y a la viscosidad dinámica. Esto pone de manifiesto la relación existente entre viscosidad y fuerza de resistencia viscosa (Modón, A. (s.f.)).

FasterCapital. (2024). Resistencia en fluidos: comprensión de la viscosidad y fricción. Recuperado de https://fastercapital.com/es/contenido/Resistencia-en-fluidos--comprension-de-la-viscosidad-y-friccion.html

Modón, A. (s.f.). Teoría de mecánica de los fluidos. Facultad de Ingeniería, UNCuyo. Recuperado de https://ingenieria.uncuyo.edu.ar/catedras/apuntes-teoricos-de-mecanica-de-los-fluidos-rev9-doc-prot.pdf

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Padlet

Las resistencias que se oponen al flujo de un fluido dentro de una tubería o canal se dividen principalmente en dos tipos:
Resistencias por fricción o rozamiento
Resistencias locales

Estas pérdidas de energía afectan el diseño de sistemas hidráulicos, como redes de agua potable, sistemas de refrigeración, e instalaciones industriales.

RESISTENCIAS LOCALES

Son pérdidas de carga adicionales que ocurren en puntos específicos:

1.-Válvulas
2.-Codos

3.-Entradas o salidas de tuberías
4.-Cambios de sección

Referencies

Çengel & Cimbala, Mecánica de Fluidos Fundamentos y Aplicaciones, McGraw-Hill.

Munson, Young & Okiishi, Fundamentals of Fluid Mechanics.

Artículo en Scopus: Ju & Jiang (2024). Wake transitions and hydrodynamic forces, J. Fluid Mech.

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Análisis de las resistencias por rozamiento y resistencias locales en sistemas hidráulicos

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Análisis de las resistencias por rozamiento y resistencias locales en sistemas hidráulicos

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Ocurre a lo largo de las tuberías debido al contacto continuo del fluido con las paredes. Se determina usando fórmulas como la de Darcy-Weisbach o Hazen-Williams, y depende de factores como:

El diámetro y longitud de la tubería,

La rugosidad del material,

Y la velocidad del flujo.

A mayor longitud o mayor rugosidad, mayor pérdida de energía por rozamiento. Estas pérdidas se traducen en una disminución de presión a lo largo del trayecto.

🔹 Resistencias locales (o singulares):
Son causadas por elementos puntuales en el sistema como:

Codos,

Válvulas,

Tés,

Reducciones o ampliaciones de diámetro,

Entradas o salidas de flujo.

Estas generan pérdidas de carga localizadas por turbulencia o cambio repentino de dirección del flujo. Se determinan usando coeficientes de pérdida (K) que se multiplican por el término {v^2}/{2g}(energía cinética).

🔧 ¿Cómo inciden en el sistema?
Ambas resistencias provocan una pérdida de energía en el fluido. Esto significa que, para mantener un caudal constante, se necesita más presión o energía de bombeo. Un mal diseño que no considere estas pérdidas puede generar ineficiencias, cavitación o incluso fallos en el sistema.

💡 Conclusión
Conocer y calcular correctamente las resistencias por rozamiento y locales permite dimensionar de forma adecuada las tuberías, bombas y válvulas. También es clave para la eficiencia energética en sistemas hidráulicos y para evitar problemas en su operación.

📚 Referencias:

Cengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2014). Mecánica de fluidos: Fundamentos y aplicaciones (3.ª ed.). McGraw-Hill Education.

Mott, R. L. (2006). Applied Fluid Mechanics (6th ed.). Pearson Education.

Fox, R. W., McDonald, A. T., & Pritchard, P. J. (2011). Introducción a la mecánica de fluidos (7.ª ed.). McGraw-Hill.

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En los sistemas hidráulicos, las pérdidas de energía se clasifican en resistencias por rozamiento y resistencias locales. Las primeras se deben al contacto del fluido con las paredes internas de las tuberías y dependen de factores como la longitud, el diámetro, la velocidad del flujo y la rugosidad del material. Se calculan con la ecuación de Darcy-Weisbach y su efecto se incrementa en sistemas largos o con flujo turbulento. Por otro lado, las resistencias locales ocurren en puntos específicos del sistema donde hay cambios de dirección, sección o elementos como válvulas, codos y tés. Estas pérdidas se calculan con una fórmula que depende de un coeficiente K, determinado experimentalmente para cada tipo de accesorio.

Ambos tipos de pérdidas influyen directamente en el rendimiento de un sistema hidráulico, afectando el caudal, la presión y la eficiencia energética. Si no se consideran correctamente, pueden generar problemas operativos como cavitación, caídas de presión o sobredimensionamiento de bombas. Por tanto, una adecuada estimación de las pérdidas por fricción y locales es esencial para diseñar sistemas confiables, eficientes y duraderos.

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Definiciones

Resistencias por rozamiento: pérdidas de energía que se producen por la fricción entre el fluido y las paredes internas de una tubería o canal a lo largo de todo su recorrido.

Resistencias locales: pérdidas de energía que ocurren en puntos específicos del sistema debido a cambios bruscos en la dirección, velocidad o sección del flujo, etc.

Semejanzas

Ambas representan pérdidas de energía en sistemas de conducción de fluidos

Su magnitud depende de la velocidad del flujo

Se expresan como una fracción de la energía cinética del fluido

Diferencias:

Locales:

En lugares específicos

Se da por cambios bruscos en la dirección

Factores adimensionales

Su ejemplo principal esta en los codos de una tubería

Rozamiento:

Fricción entre el fluido y la pared

Distribuida a lo largo de la tubería

Se evidencian mas en tubería recta o canal largo

Teniendo en cuenta estas dos tipos de resistencia, se tiene que observar que gracias a estas se puede reducir la velocidad con la que viaja el fluido. Por ello, es importante verificar para que tenemos que usar la tubería y el tipo de fluido que pasará por ella.

Fuentes: Elaboración propia

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Pérdidas por fricción primarias y secundarias en tuberías: Pérdidas primarias: Se producen cuando el fluido se pone en contacto con la superficie de la tubería. Esto provoca que se rocen unas capas con otras (flujo laminado) o de partículas de fluidos entre sí (flujo turbulento). Estas pérdidas se realizan solo en tramos de tuberías horizontal y de diámetro constante.

Pérdidas secundarias: Se producen en transiciones de la tubería (estrechamiento o expansión) y en toda clase de accesorios (válvulas, codos). En el cálculo de las pérdidas de carga en tuberías son importantes dos factores: * Que la tubería sea lisa o rugosa. * Que el fluido sea laminar o turbulento.

Donde:

= Perdidas secundarias

PÉRDIDAS POR FRICCIÓN PRIMARIA

Antes que nada, las pérdidas por fricción primaria se presentan porque al estar el fluido en movimiento habrá una resistencia que se opone a dicho movimiento, convirtiéndose parte de la energía del sistema en energía térmica, que se disipa a través de las paredes de la tubería por la que circula el fluido. Las válvulas y accesorios se encargan de controlar la dirección o el flujo volumétrico del fluido generando turbulencia local en el fluido, esto ocasiona una pérdida de energía que se transforma en calor. Estas últimas, las pérdidas son consideradas pérdidas menores ya que en un sistema grande las pérdidas por fricción en las tuberías son mayores en comparación a la de las válvulas y accesorios.

Las pérdidas y ganancias de energía en un sistema, por lo que, se contabilizan en términos de energía por unidad de peso del fluido que circula por él. Esto también, se conoce como carga (h):

hL= Pérdidas de energía del sistema por la fricción en las tuberías o perdidas menores por válvula u otros accesorios.

La fórmula de Darcy-Weisbach, es la fórmula básica para el cálculo de las pérdidas de carga en tuberías y conductos:

La ecuación de Darcy es válida tanto para flujo laminar como para flujo turbulento de cualquier líquido en una tubería. Siendo f el factor de fricción el cual varía dependiendo que tipo de régimen se obtenga en dicha tubería.

FLUJO LAMINAR O TURBULENTO

RÉGIMEN LAMINAR

Para régimen laminar ( Re < 2300), donde Re es el Numero de Reynolds, el factor de fricción se calcula como:

En régimen laminar, el factor de fricción es independiente de la rugosidad relativa y depende únicamente del número de Reynolds.

El número de Reynolds (Re) es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. Por lo que, su valor indica si el flujo sigue un modelo laminar o turbulento.

Así como, el número de Reynolds se define como la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas presentes en un fluido. Éste relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos. Dicho número o combinación adimensional aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande).

Para un fluido que circula por el interior de una tubería circular recta, el número de Reynolds viene dado por:

o equivalentemente por:

Mientras que para un fluido que circula por el interior de una tubería cuya sección recta no es circular, el número de Reynolds viene dado por:

o equivalentemente por:

Donde:

ρ: densidad del fluido

V s: Velocidad característica del fluido

D: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema

D H: Diámetro Hidráulico de la tubería

D H: 4 · (área/perímetro)

µ: Viscosidad dinámica del fluido

v: Viscosidad cinemática del fluido (m2/s)

v= µ/ρ

El número de Reynolds permite predecir el carácter turbulento o laminar en ciertos casos.

En conductos o tuberías (en otros sistemas, varía el Reynolds límite):

Si el número de Reynolds es menor a 2300, el flujo será laminar y, si es mayor de 4000, el flujo será turbulento. El mecanismo y muchas de las razones por las cuales un flujo es laminar o turbulento es todavía hoy objeto de especulación.

RÉGIMEN TURBULENTO

Para régimen turbulento ( Re > 4000) el factor de fricción se calcula en función del tipo de régimen.

RÉGIMEN TURBULENTO LISO

Para régimen turbulento liso, se utiliza la 1ª ecuación de Karmann-Prandtl:

En régimen turbulento liso, el factor de fricción es independiente de la rugosidad relativa y depende únicamente del número de Reynolds.

RÉGIMEN TURBULENTO INTERMEDIO

Para régimen turbulento intermedio se utiliza la ecuación de Colebrook simplificada:

En régimen turbulento intermedio, el factor de fricción depende de la rugosidad relativa y del número de Reynolds.

RÉGIMEN TURBULENTO RUGOSO

Para régimen turbulento rugoso se utiliza la 2ª ecuación de Karmann-Prandtl:

En régimen turbulento rugoso, el factor de fricción depende solamente de la rugosidad relativa.

Otra ecuación que se puede emplear en régimen turbulento rugoso, es la de Swamee y Jain.

Alternativamente a lo anterior, el coeficiente de fricción puede determinarse de forma gráfica mediante el Diafragma de Moody. Bien entrando con el número de Reynolds (régimen laminar) o bien con el número de Reynolds y la rugosidad relativa (régimen turbulento)

El diagrama de Moody es la representación gráfica en escala doblemente logarítmica del factor de fricción en función del número de Reynolds y la rugosidad relativa de una tubería, diagrama hecho por Lewis Ferry Moody.

En la ecuación de Darcy-Weisbach aparece el término λ que representa el factor de fricción de Darcy, conocido también como coeficiente de fricción. El cálculo de este coeficiente no es inmediato y no existe una única fórmula para calcularlo en todas las situaciones posibles.

Se pueden distinguir dos situaciones diferentes, el caso en que el flujo sea laminar y el caso en que el flujo sea turbulento. En el caso de flujo laminar se usa una de las expresiones de la ecuación de Poiseuille; en el caso de flujo turbulento se puede usar la ecuación de Colebrook-White además de algunas otras cómo ecuación de Barr, ecuación de Miller, ecuación de Haaland.

En el caso de flujo laminar el factor de fricción depende únicamente del número de Reynolds. Para flujo turbulento, el factor de fricción depende tanto del número de Reynolds como de la rugosidad relativa de la tubería, por eso en este caso se representa mediante una familia de curvas, una para cada valor del parámetro k/D, donde k es el valor de la rugosidad absoluta, es decir la longitud (habitualmente en milímetros) de la rugosidad directamente medible en la tubería.

En la siguiente imagen se puede observar el aspecto del diagrama de Moody.

Ecuación de Colebrook-White:

k/D = rugosidad relativa total

Re = Número de Reynolds

λ = factor de fricción

D = diámetro interno de la cañería

Ecuación de Barr:

k/D = rugosidad relativa

Re = Número de Reynolds

λ = factor de fricción

Ecuación de Haaland:

k/D = rugosidad relativa

Re = Número de Reynolds

λ = factor de fricción

Una vez conocido el coeficiente de fricción se puede calcular la pérdida de carga en una tubería debida a la fricción mediante la ecuación de Darcy Weisbach:

PÉRDIDAS POR FRICCIÓN SECUNDARIA

Las pérdidas de carga localizadas o pérdidas secundarias son pérdidas de carga debidas a elementos singulares de la tubería tales como codos, estrechamientos, válvulas, etc.

Las pérdidas localizadas se expresan como una fracción o un múltiplo de la llamada "altura de velocidad" de la forma:

Donde:

h v= Perdida de carga localizada

C = Velocidad media del agua, antes o después del punto singular, conforme el caso;

K = Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular

En ocasiones la constante de pérdida de la singularidad, K, se determina a partir del producto del coeficiente de fricción: fT, en flujo completamente turbulento por la relación de longitud equivalente: Le/D; dos factores adimensionales. Primero, fT, se determina por alguna de las ecuaciones del factor de fricción (Colebrook, Swamee y Jain, etc), simplificadas para flujo muy turbulento, es decir cuando el Reynolds del flujo es muy alto. El segundo, Le/D, corresponde a una relación adimensional propia del elemento o singularidad. Este valor se puede encontrar en diferentes tablas. La ecuación para la K, es:

Ejemplo de Tabla de coeficiente K:

Ejemplo de Tabla de Perdidas por fricción en tubería:

Ejemplo de tabla de pérdidas por fricción en accesorios:

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Pérdidas por fricción primarias y secundarias en tuberías: Pérdidas primarias: Se producen cuando el fluido se pone en contacto con la superficie de la tubería. Esto provoca que se rocen unas capas con otras (flujo laminado) o de partículas de fluidos entre sí (flujo turbulento).

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En los sistemas hidráulicos el transporte de fluido depende de varios factores, entre ellos las perdidas producidas producto del material empleado y también de los accesorios que este implementa para llegar a un lugar en específico. En el caso del material, las perdidas son causadas debido al rozamiento del fluido con el material y su magnitud depende del coeficiente de fricción, el largo, velocidad de flujo y el área de la tuberia. Dichas perdidas por fricción van a ser cruciales para realizar el respectivo diseño eficiente de bombas hidráulicas y también de asegurar un material de tuberías que minimice dichas perdidas.

En el caso de los accesorios empleados como codos, valvulas, tees, etc, son los que figuran como principales causantes, debido a que estos provocan cambios bruscos en la dirección o sección del flujo, es decir, que crean turbulencias, y de igual manera se calculan con un coeficiente local. El impacto es considerable en muchas conexiones y trayectos con una longitud corta, y el cálculo de estas es fundamental para aclarar las pérdidas total de carga.

En los sistemas hidráulicos el transporte de fluido depende de varios factores, entre ellos las perdidas producidas producto del material empleado y también de los accesorios que este implementa para llegar a un lugar en específico. En el caso del material, las perdidas son causadas debido al rozamiento del fluido con el material y su magnitud depende del coeficiente de fricción, el largo, velocidad de flujo y el área de la tuberia. Dichas perdidas por fricción van a ser cruciales para realizar el respectivo diseño eficiente de bombas hidráulicas y también de asegurar un material de tuberías que minimice dichas perdidas.

En el caso de los accesorios empleados como codos, válvulas, tees, etc, son los que figuran como principales causantes, debido a que estos provocan cambios bruscos en la dirección o sección del flujo, es decir, que crean turbulencias, y de igual manera se calculan con un coeficiente local. El impacto es considerable en muchas conexiones y trayectos con una longitud corta, y el cálculo de estas es fundamental para aclarar las pérdidas total de carga.

En el campo práctico el ingeniero debe considerar ambas perdidas para garantizar un diseño hidráulico eficiente, de calidad y seguro.

Referencia:

https://es.slideshare.net/slideshow/perdidas-por-friccion-y-locales/49266638

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Las resistencias en sistemas hidráulicos representan las pérdidas de energía que el fluido sufre al desplazarse. Las resistencias por rozamiento ocurren a lo largo de las tuberías debido al contacto del fluido con las paredes internas, y dependen de la longitud, el diámetro, la velocidad y la rugosidad de la tubería. Por otro lado, las resistencias locales se producen en accesorios como codos, válvulas y uniones, donde el flujo cambia de dirección o sección, generando pérdidas concentradas. Ambas resistencias afectan la presión y el caudal del sistema hidráulico, por lo que es fundamental considerarlas para optimizar el diseño y la eficiencia energética de equipos como bombas, motores hidráulicos y sistemas automotrices.