estudio del resalto hidráulico en un canal semicircular

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Estudio del resalto hidráulico en un canal semicircular mediante el uso de un modeloCiencia Unisalle Ciencia Unisalle
5-2007
Estudio del resalto hidráulico en un canal semicircular mediante Estudio del resalto hidráulico en un canal semicircular mediante
el uso de un modelo el uso de un modelo
Carlos Andrés Arias Enciso Universidad de La Salle, Bogotá
Julián Andrés Ávila Navarrete Universidad de La Salle, Bogotá
Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil
Part of the Civil Engineering Commons, and the Hydraulic Engineering Commons
Citación recomendada Citación recomendada Arias Enciso, C. A., & Ávila Navarrete, J. A. (2007). Estudio del resalto hidráulico en un canal semicircular mediante el uso de un modelo. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil/210
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MEDIANTE EL USO DE UN MODELO
CARLOS ANDRÉS ARIAS ENCISO
JULIÁN ANDRÉS ÁVILA NAVARRETE
BOGOTÁ D.C. 2007
MEDIANTE EL USO DE UN MODELO
CARLOS ANDRÉS ARIAS ENCISO JULIÁN ANDRÉS ÁVILA NAVARRETE
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Civil.
Director temático Ing. Luís Efrén Ayala
Asesora metodológica Mag. Rosa Amparo Ruiz Saray
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C. 2007
Nota de aceptación:
_________________________________________
AGRADECIMIENTOS
Al ingeniero LUÍS EFRÉN AYALA, Asesor temático, por los conocimientos
transmitidos durante el desarrollo de este proyecto y por el apoyo que nos brindo.
A MARTA, Laboratorista de la Universidad De La Salle, por su colaboración y
paciencia.
Y por ultimo pero el mas importante a DIOS por iluminarnos y darnos sabiduría
para así poder concluir este proyecto y de llevar nuestras vidas por un buen
camino, para servirle a nuestras familias y además ser un aporte para el desarrollo
nuestro país.
DEDICATORIA
Este proyecto de grado se lo dedico a mis padres Saúl Arias y Dilma Enciso
quienes me brindaron todo su apoyo y comprensión durante toda mi carrera, por
ensañarme a encontrar luchar por mis sueños y metas que me proponga en la
vida. Además del amor que me ha ayudado a superar todas las adversidades que
se me presentaron en este proceso.
También le dedico este proyecto de grado a mi hermana por acompañarme en
esta gran etapa de mi vida. Además a mis abuelos, tíos, primos y amigos que me
han apoyado y me han llenado de buenos consejos en los momentos más difíciles
de este camino.
Por ultimo les dedico este proyecto a Maria Soledad Sánchez y a su madre Martha
Patricia Arias, por que también me brindaron todo su apoyo, comprensión y
colaboración cuando mas la necesitaba.
CARLOS ANDRÉS ARIAS ENCISO
DEDICATORIA
Por su apoyo, amor, esfuerzo y compresión en los momentos más complejos de
mi vida y por ayudarme a ser realidad cada meta trazada, este logro es dedicado
para las personas más valiosa e importantes de mi vida.
Jorge Ávila mi padre y además de esto mi verdadero amigo y Maria Emelina
Navarrete madre y apoyo incondicional en momento difíciles.
A mis hermanos y amigos Derly Ávila y Giovanni Ávila por sus consejos, amor y
por el excelente ejemplo que durante sus vidas me han brindado.
Para concluir este trabajo también es dedicado a Marcela Betancourt Romero por
todo el amor y el gran apoyo en los instantes que necesite de ellos.
JULIAN ANDRÉS AVILA NAVARRETE
CONTENIDO
Pág. INTRODUCCIÓN 1. EL PROBLEMA 20 1.1 LÍNEA 20 1.2 TÍTULO 20 1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 20 1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 21 1.5 JUSTIFICACIÓN 22 1.6 OBJETIVOS 22 1.6.1 Objetivo general 22 1.6.2 Objetivos específicos 22 2. MARCO REFERENCIAL 24 2.1 MARCO TEÓRICO 24 2.1.1 Canal 24 2.1.2 Resalto hidráulico 25 2.1.2.1 Tipos de resalto 26 2.1.2.2 Ecuaciones del resalto 29 2.1.2.3 Características básicas del resalto hidráulico 34 2.1.2.4 Longitud del resalto hidráulico 35 2.1.2.5 El perfil superficial 36 2.1.2.6 Localización del resalto 37 2.1.2.7 El resalto como disipador de energía 38 2.2 MARCO CONCEPTUAL 43 2.2.1 Canales abiertos 43 2.2.2 Geometría de un canal 44 2.2.3 Elementos geométricos de una sección de canal 45 2.2.4 Distribución de velocidades en una sección de canal 47 2.3 MARCO NORMATIVO 48 3. METODOLOGÍA 49 3.1 TIPO DE INVESTIGACIÒN 49 3.2 OBJETO DE ESTUDIO 51 3.3 FORMATOS 51 3.4 VARIABLES 51 3.5 HIPÓTESIS 52 4. TRABAJO INGENIERIL 53 4.1 SALTO HIDRÁULICO EN CANAL SEMICIRCULAR 53
4.1.1 Notación 53 4.1.2 Flujo uniforme 54 4.1.3 Flujo critico 56 4.1.4 Potencia del resalto 60 4.2 CONSTRUCCIÓN DEL CANAL SEMICIRCULAR 60 4.3 METODOLOGÍA PARA LA TOMA DE DATOS 65 4.4 ENSAYOS DE LABORATORIO EN EL CANAL SEMICIRCULAR 66 4.4.1 Calculo del caudal 66 4.4.2 Calculo de la geometría del canal 70 4.4.3 Flujo critico 72 4.4.4 Energía especifica 73 4.4.5 Potencia del resalto hidráulico 75 4.4.6 Curvas de energía especifica para el canal de sección semicircular 79 5. RECURSOS DISPONIBLES 90 5.1 RECURSOS MATERIALES 90 5.2 RECURSOS INSTITUCIONALES 90 5.3 RECURSOS TECNOLÓGICOS 90 5.4 RECURSOS HUMANOS 91 5.5 RECURSOS FINANCIEROS 92 6. CONCLUSIONES 93 7. RECOMENDACIONES 95 BIBLIOGRAFÍA 97 ANEXOS 99
LISTA DE FIGURAS
Pág. Figura 1. Sección efectiva de un canal 25 Figura 2. Resalto hidráulico 26 Figura 3. Resalto ondulante 26 Figura 4. Resalto débil 27 Figura 5. Resalto oscilante 27 Figura 6. Resalto estable 28 Figura 7. Resalto fuerte 28 Figura 8. Diagrama del Resalto 31
LISTA DE GRAFICAS
Pág. Grafica 1. Relación adimensional para la longitud del resalto
hidráulico 36 Grafica 2. Perfiles superficiales adimensionales de resaltos
hidráulicos en canales horizontales 37 Grafica 3. Curva de energía 1 para el canal de sección semicircular 79 Grafica 4. Curva de energía 2 para el canal de sección semicircular 80 Grafica 5. Curva de energía 3 para el canal de sección semicircular 81 Grafica 6. Curva de energía 4 para el canal de sección semicircular 82 Grafica 7. Curva de energía 5 para el canal de sección semicircular 83 Grafica 8. Curva de energía 6 para el canal de sección semicircular 84 Grafica 9. Curva de energía 7 para el canal de sección semicircular 85 Grafica 10. Curva de energía 8 para el canal de sección semicircular 86 Grafica 11. Curva de energía comparativa No 1 88 Grafica 12. Curva de energía comparativa No 2 89
LISTA DE TABLAS
Pág. Tabla 1. Estado del arte 21 Tabla 2. Perfiles superficiales adimensionales de resaltos hidráulicos
en canales horizontales 45 Tabla 3. Normatividad técnica 48 Tabla 4. Identificación de variables 51 Tabla 5. Toma de caudales por el método gravimetrico para el canal
de sección semicircular 68 Tabla 6. Toma de alturas antes y después del resalto hidráulico del
canal de sección semicircular 68 Tabla 7. Cálculos del canal de sección semicircular 76 Tabla 8. Datos para la curva de energía 1, para el canal de sección
semicircular 79 Tabla 9. Datos para la curva de energía 2, para el canal de sección
semicircular 80 Tabla 10. Datos para la curva de energía 3, para el canal de sección
circular 81 Tabla 11. Datos para la curva de energía 4, para el canal de sección
semicircular 82 Tabla 12. Datos para la curva de energía 5, para el canal de sección
semicircular 83 Tabla 13. Datos para la curva de energía 6, para el canal de sección
semicircular 84 Tabla 14. Datos para la curva de energía 7, para el canal de sección
semicircular 85
Tabla 15. Datos para la curva de energía 8, para el canal de sección semicircular 86
Tabla 16. Datos para comparar dos curvas de energía No 1 88 Tabla 17. Datos para comparar dos curvas de energía No 2 89 Tabla 18. Presupuesto de recursos materiales 90 . Tabla 19. Presupuesto de recursos tecnológicos 91 Tabla 20. Presupuesto de recursos humanos 91 Tabla 21. Presupuesto recursos financieros 92
LISTA DE ANEXOS
Pág. Anexo 1. Registro fotográfico 99 Anexo 2. Formatos para la toma de datos del canal de sección
semicircular 105 Anexo 3. Plano en dos y tres dimensiones del canal de sección
semicircular 106
ALTURA: Diferencia entre las profundidades antes y después del resalto.
ANCHO SUPERFICIAL, T: Conocido como el ancho de la sección del canal en la
superficie libre.
ÁREA MOJADA, A: Área de la sección transversal del flujo perpendicular a la
dirección del flujo.
CANAL: Tiene la finalidad de conducir los caudales de captación desde la obra de
toma hasta el lugar de carga o distribución, de acuerdo a la naturaleza del
proyecto y en condiciones que permitan transportar los volúmenes necesarios
para cubrir la demanda.
CANALES ABIERTOS: Conducto por el cual fluye el agua con una superficie
libre. De acuerdo a su origen un canal puede ser natural o artificial.
CANALES ARTIFICIALES: Aquéllos construidos mediante el esfuerzo humano
como son: los canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas,
canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, etc., de igual
forma canales de modelos construidos en el laboratorio con propósitos
experimentales.
CANALES NATURALES: Incluyen todos los recursos de agua existentes de
forma natural en la Tierra, los cuales pueden tener diversos tamaños desde
pequeños arroyuelos hasta ríos grandes. De igual manera son consideradas como
canales abiertos naturales las corrientes subterráneas que transportan agua, las
propiedades hidráulicas de un canal son generalmente irregulares.
COMPUERTA: Es una placa móvil, plana o curva, que al levantarse, forma un
orificio entre su borde inferior y la estructura hidráulica (presa, canal, etc.) sobre la
cual se instala, y se utiliza en la mayoría de los casos para la regulación de
caudales, y como emergencia y cierre para mantenimiento.
FACTOR DE SECCIÓN PARA EL CÁLCULO DEL FLUJO CRÍTICO, Z: Producto
del área mojada y la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica.
FACTOR DE SECCIÓN PARA EL CÁLCULO DEL FLUJO UNIFORME, AR2/3:
Producto del área mojada y el radio hidráulico elevado a la potencia dos tercios.
FLUJO LAMINAR: En el flujo laminar las partículas del fluido solo se mezclan a
escala molecular, de modo que, durante el movimiento, dichas partículas se
desplazan según trayectorias paralelas bajo la acción de la viscosidad.
FLUJO PERMANENTE: El flujo permanente se produce cuando la descarga o
caudal en cualquier sección transversal permanece constante.
FLUJO TURBULENTO: En el flujo turbulento las partículas del fluido se mezclan a
escala molar, de modo que durante el movimiento se produce un intercambio de
cantidad de movimiento entre partículas adyacentes, ocasionando una rápida y
continua agitación y mezcla en el seno del fluido.
FLUJO UNIFORME Y NO UNIFORME: Se llama flujo uniforme aquel en que el
calado, sección transversal y demás elementos del flujo se mantienen
sustancialmente constantes de una sección a otra. Si la pendiente sección
transversal y velocidad cambian de un punto a otro de la conducción, el flujo se
dice no uniforme.
GEOMETRÍA DE UN CANAL: Las secciones de canales naturales, son
generalmente muy irregulares y a menudo varían desde una parábola hasta un
trapecio. Para corrientes sujetas a crecientes frecuentes, el canal puede constar
de una sección principal que conduce los caudales normales y una o mas
secciones laterales para acomodar los caudales de desborde.
NIVEL: Elevación o distancia vertical desde un nivel de referencia hasta la
superficie libre, si el punto mas bajo de la sección de canal se escoge como el
nivel de referencia, el nivel es idéntico a la profundidad de flujo.
PÉRDIDA DE ENERGÍA: También es llamada pérdida de carga, y es la pérdida
de energía que experimentan los líquidos que fluyen en tuberías y canales
abiertos. La energía necesaria para vencer los efectos del rozamiento en el flujo
turbulento es la pérdida de carga. Las pérdidas de energía localizadas en las
turbulencias incluidas por las piezas especiales y los accesorios que se utilizan en
tuberías y canales son también pérdidas de carga.
PERÍMETRO MOJADO, P: Longitud de la línea de intersección de la superficie de
canal mojada y un plano transversal perpendicular a la dirección de flujo.
PROFUNDIDAD DE FLUJO, y: Distancia vertical desde el punto mas bajo de una
sección del canal hasta la superficie libre.
PROFUNDIDAD DE FLUJO DE LA SECCIÓN, d: Profundidad de flujo
perpendicular a la dirección de este, o la altura de la sección del canal que
contiene el agua.
PROFUNDIDAD HIDRÁULICA, D: Relación entre el área mojada y el ancho en la
superficie.
RADIO HIDRÁULICO, R: Relación del área mojada con respecto a su perímetro
mojado.
RESALTO HIDRÁULICO: El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del
agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre
una corriente de agua que fluye a elevada velocidad.
Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar
un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.
INTRODUCCIÓN
En el siguiente proyecto se presenta el estudio del resalto hidráulico en un canal
de sección semicircular a partir de la construcción de un modelo, para este estudio
se realizara la toma de datos experimentales donde se analizaran tres variables
las cuales son el caudal, la pendiente, la abertura de la compuerta que produce el
resalto hidráulico esto con el fin de conocer los parámetros del canal.
Este proyecto se desarrollara en el laboratorio de la facultad de ingeniería civil de
la universidad de la salle. Por otro lado se hará un breve relato de la fase de
construcción del modelo del canal semicircular ya que el laboratorio de hidráulica
de la universidad de la salle no cuenta con un modelo de estas características
para llevar a cabo este estudio, lo cual se convirtió en una motivación para
nosotros y así llegar al desarrollo de este proyecto.
19
El trabajo de investigación desarrollado corresponde al grupo de DESARROLLO
TECNOLÓGICO, INDETEC de la facultad de Ingeniería Civil.
1.2 TÍTULO
Estudio del resalto hidráulico en un canal semicircular mediante el uso de un
modelo
1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Debido a que en la actualidad el resalto hidráulico es una herramienta muy
importante en lo que respecta a la disipación de energía del agua que fluye sobre
presas, vertederos y otras estructuras hidráulicas, y prevenir de esta manera la
socavación aguas debajo de las estructuras en los canales también para
recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una
20
canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigación o
de cualquier estructura para distribución de aguas, se necesito estudiar en una
forma concreta los beneficios que este brinda. Por esta razón se realizo el modelo
de un canal de sección semicircular para observar y estudiar los parámetros sus
limitantes, defectos y cualidades que este tipo de canal de sección semicircular
nos pueda brindar.
Autor Año Institución Título
Olga Lucia Delgado Marín
Universidad Javeriana
Modelación hidráulica del transito de crecientes en canales prismáticos con una intersección utilizando el método de las características
1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Cuáles son las condiciones de funcionamiento y las características básicas que
existen en el resalto hidráulico en una sección semicircular con el uso de un
modelo a escala?
1.5 JUSTIFICACIÓN
Los canales son estructuras que tienen como función el transporte de agua a
superficie libre en los cuales es necesario conocer el comportamiento de este
fluido a través de un canal de sección semicircular, para este caso en particular.
Es por esto que realizo un estudio del resalto hidráulico a través de la construcción
de un modelo de sección semicircular.
1.6 OBJETIVOS
1.6.1 Objetivo general
Estudiar el comportamiento del resalto hidráulico en la sección semicircular y
establecer las limitantes de su funcionamiento.
1.6.2 Objetivos específicos
• Realizar el modelo de un canal de sección semicircular.
• Ejecutar los laboratorios correspondientes al resalto hidráulico con el canal de
sección semicircular.
que existe en el resalto hidráulico en la sección semicircular.
23
2. MARCO REFERENCIAL
2.1 MARCO TEÓRICO
2.1.1 Canal. Estructura que tiene la finalidad de conducir caudales desde la obra
de toma hasta el lugar de carga o distribución, de acuerdo a la naturaleza del
proyecto, con la finalidad transportar los volúmenes necesarios para cubrir la
demanda.
• Sección efectiva de un canal. Un canal puede adoptar diferentes formas
desde irregulares, trapezoidal hasta rectangular (pasando por formas
poligonales, parabólicas, semicirculares, etc.). Los canales en zonas de
montaña se construyen generalmente de formas trapezoidales y rectangulares,
los primeros en suelos con menor estabilidad relativa y los segundos en suelos
con mayor estabilidad relativa o en suelos rocosos. Un canal trapezoidal es
caracterizado por la siguiente relación hidráulica:
)1(2 2 mm h b
−+==β
Donde:
b = Ancho de la solera h = tirante m = inclinación del talud, m = a/h
24
Figura 1. Sección efectiva de un canal1
2.1.2 Resalto hidráulico. Conocido también como salto hidráulico, el cual se
representa en el flujo rápidamente variado, el cual va acompañado por un
aumento súbito del tirante y una perdida de energía bastante considerable
(disipada principalmente como calor), en un tramo relativamente corto. Ocurre en
el paso brusco de régimen supercrítico (rápido) a régimen subcrítico (lento), es
decir, en el resalto hidráulico el tirante, en un corto tramo, cambia de un valor
inferior al crítico a otro superior a este.
Generalmente, el resalto se forma cuando en una corriente rápida existe algún
obstáculo o un cambio brusco de pendiente. Esto sucede al pie de estructuras
hidráulicas tales como vertederos de demasías, rápidas, salidas de compuertas
con descarga por el fondo, etc.
1CANALES [En línea]. < www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/laderas%20andinas/paginas/canales.htm - 109k - >. [Citado en 2006-10-23].
Figura 2. Resalto hidráulico2
2.1.2.1 Tipos de resalto. Los resaltos hidráulicos se clasifican en varias clases
según los estudios del U.S .Bureau of Reclamation estos pueden clasificarse
convenientemente según el número de Froude del flujo entrante.
• Para F1 = 1, el flujo es critico por consiguiente no se forma resalto.
• Resalto ondulante: La superficie del agua muestra ondulaciones para F1 = 1 a
1.7.
26
• Resalto débil: Se desarrolla una serie de remolinos sobre la superficie del
resalto pero la superficie del agua hacia aguas abajo permanece uniforme. La
velocidad a través de la sección es razonablemente uniforme y la perdida de
energía es baja. Para un F1 = 1.7 a 2.5.
Figura 4. Resalto débil4
• Resalto oscilante: existe un chorro oscilante que entra desde el fondo del
resalto hasta la superficie y se devuelve sin ninguna periodicidad. Cada
oscilación produce una onda grande con periodo irregular, muy común en
canales, que pueden viajar a lo largo de varias millas causando daños
ilimitados a bancas en tierra y a enrocados de protección. Para un F1 = 2.5 a
4.5.
27
• Resalto estable: La extremidad de aguas abajo del remolino superficial y el
punto sobre el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurren
prácticamente en la misma sección vertical. La acción y la posición de este
resalto son menos sensibles a la variación en la profundidad de aguas abajo.
El resalto se encuentra bien balanceado y su comportamiento es el mejor. La
disipación de energía varía de 45% a 70%. Para un F1= 4.5 a 9.
Figura 6. Resalto estable6
• Resalto fuerte: El chorro de alta velocidad choca con paquetes de agua
intermitentes que corren hacia abajo a lo largo de la cara frontal del resalto,
generando ondas hacia aguas abajo, y puede prevalecer una superficie
rugosa. La acción del resalto es brusca pero efectiva debido a que la disipación
de energía puede alcanzar un 85%. Para un F1= 9 y mayores.
Figura 7. Resalto fuerte7
28
2.1.2.2 Ecuaciones del resalto. Para el análisis teórico del resalto se recurre al
estudio del balance de las distintas propiedades físicas, energía - trabajo
mecánico, cantidad de movimiento y masa, a través de un volumen de control que
abarca todo el resalto. Este volumen de control queda definido por el fondo del
canal, los laterales, la superficie libre, y dos secciones transversales, la 1-1 al
principio del resalto y la 2-2 al final. Fuera del resalto el flujo exhibe líneas de flujo
aproximadamente paralelas, la distribución de presiones tiende a ser hidrostática,
y el aire incorporado en el resalto abandona el seno de la corriente.
• Ecuación de trabajo energía mecánica. La energía mecánica que ingresa al
volumen de control, menos la que egresa, es igual al incremento de energía
interna (calor).
g Uh
g Uh
• Principio de la cantidad de movimiento. Este principio expresa el equilibrio
de las fuerzas exteriores con la variación del flujo de cantidad de movimiento
en el volumen de control:
( )11221 UUQF ββρ −=∑
Entre las fuerzas actuantes tenemos:
P1 y P2 son las fuerzas de presión ejercidas en forma normal a las secciones
transversales de entrada y salida al volumen de control.
Fô, fuerzas ejercidas en forma tangencial a las superficies paralelas al
escurrimiento (fondo y paredes laterales)
F, fuerza de masa (componente del peso en el sentido del movimiento)
Además, β es el coeficiente de Boussinesq que tiene en cuenta la distribución
velocidades en la sección transversal, supuesto igual a 1,0 por simplicidad.
Las velocidades llevan el signo que corresponde según el sistema de ejes elegido,
y el término βρQU (flujo de cantidad de movimiento) se considera negativo cuando
ingresa y positivo cuando sale del volumen de control.
Como la longitud en que se desarrolla el resalto es corta y se produce sobre un
fondo y paredes laterales prácticamente lisas, las fuerzas tangenciales (Fô)
pueden ser despreciadas. De igual manera, como el fondo es horizontal puede
despreciarse la componente del peso en el sentido del escurrimiento y quedan
como únicas fuerzas actuantes los empujes de presión (P1 y P2).
30
1
2
2
2
AY gA QM g+=
21 MM =
Esto significa que, las dos secciones conjugadas de un resalto hidráulico cumplir
con la condición de tener igual valor de la función momenta. Donde Q y g, son
constantes, y A e Yg son funciones del tirante, por lo tanto la momenta es función
solamente del tirante, o sea, M= M(h).
Aplicando la condición 21 MM = para el caso de un canal rectangular,
22 2
2 2
2 1
1 1


−=


2 *2*411 2
1F+±− =λ
La raíz negativa, o sea λ<0, no tiene significado físico, de modo que el resultado
correcto es,
2 −+= F h h
Esta ecuación significa que la relación de tirantes conjugados del resalto depende
exclusivamente del número de Froude incidente, y se la denomina ecuación de
Bélanger.
33
2.1.2.3 Características básicas del resalto hidráulico. Han sido aprovechadas
para reducir las velocidades de flujo en canales a valores que permitan el
escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los límites permitidos
por los materiales que componen el perímetro mojado. El lugar geométrico en el
que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico. Se han investigado
diferentes formas de colchones hidráulicos con el objeto de lograr una mejor
disipación de energía en una menor longitud. Para el diseño de colchones
hidráulicos se consideran los siguientes aspectos.
• Perdida de energía: Diferencia de las energías especificas antes y
después del resalto.
• Eficiencia: Relación entre la energía especifica antes y después del
resalto, esta eficiencia es una función adimensional que solo depende del
numero de Froude del flujo de aproximación.
( ) ( )2
• Altura: Diferencia entre las profundidades antes y después del resalto.
12jh yy −=
2.1.2.4 Longitud del resalto hidráulico. Un parámetro importante en el diseño
de obras hidráulicas es la longitud del resalto, que definirá la necesidad de
incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y/o aplicar medidas
de protección de la superficie para incrementar su resistencia a las tensiones de
corte.
La longitud del resalto puede definirse como la distancia medida desde la cara
frontal del resalto y1 hasta un punto en la superficie inmediatamente aguas abajo
del remolino y2. Los datos experimentales sobre la longitud del resalto pueden
graficarse mediante el número de Froude F1 contra la relación adimensional L/
(y2-y1), L/y1 o L/y2. La curva resultante de la gráfica F1 versus L/y2 muestra la
regularidad de una parte plana para el rango de los resaltos bien establecidos.
35
Grafica 1. Relación adimensional para la longitud del resalto hidráulico (Bureau of reclamation)8
2.1.2.5 El perfil superficial. Conocer el perfil superficial de un resalto es
indispensable en el diseño del borde libre para los muros laterales del cuenco
disipador donde ocurre el resalto. Además se debe determinar la presión que debe
utilizarse en el diseño estructural, ya que experimentos han demostrado que la
presión vertical en el piso horizontal bajo un resalto hidráulico es casi la misma
que indicara el perfil de la superficie del agua.9
8TIPOS DE RESALTO [En línea]. < apuntes.rincondelvago.com/resalto-hidraulico-como-disipador-de-energia.html - 21k - >. [Citado en 2006-10-23]. 9VEN TE CHOW. Hidráulica de canales abiertos. Bogotá: McGraw Hill, 1994. p. 391.
36
Grafica 2. Perfiles superficiales adimensionales de resaltos hidráulicos en canales horizontales10
2.1.2.6 Localización del resalto. El resalto hidráulico se da en un flujo
supercrítico cuando su profundidad cambia abruptamente a su profundidad
secuente, en pocas palabras el resalto ocurrirá en un canal horizontal rectangular
si la profundidad inicial, la profundidad secuente y el número de Froude de
aproximación satisfacen la siguiente ecuación: 11

37
2.1.2.7 El resalto como disipador de energía. Sirve para disipar el exceso de
energía en un flujo supercrítico. Su logro esta en prevenir la posible erosión aguas
debajo de vertederos de rebose, rápidas y compuertas deslizantes, debido a que
reduce rápidamente la velocidad del flujo sobre un piso protegido hasta un punto
donde el flujo pierde su capacidad de socavar el lecho del canal natural aguas
abajo. El resalto se confina parcial o totalmente en un tramo del canal que se
conoce como cuneco de disipación, cuyo fondo se recubre para resistir la
socavación. El cuenco disipador casi nunca se diseña para confinar toda la
longitud de un resalto hidráulico libre sobre la zona revestida, ya que seria
bastante costoso, por ello se instalan accesorios para controlar el resalto dentro
del cuenco, este control acorta el rango del cual el resalto ocurrirá y por
consiguiente reducir el tamaño y el costo del cuenco disipador. En el diseño de un
cuenco disipador con un resalto hidráulico como disipador de energía se deben
considerar los siguientes aspectos:
• Posición del resalto. Existen tres modelos alternativos que permiten que
un resalto se forme aguas adebajo de una fuente (vertedero de rebose, una
rápida o una compuerta deslizante)
- Caso 1 y´2 = y2. Este caso representa un modelo para el cual la
profundidad de aguas abajo y´2 es igual a la profundidad y2 secuente a y1.
En este caso se satisface la ecuación y el resalto ocurrirá sobre un piso
38
sólido inmediatamente delante de la profundidad y1. Es ideal para
propósitos de protección contra la socavación.
- Caso 2 y´2 < y2. Representa el patrón para el cual la profundidad de
salida y2´ es menor que y2. Esto significa que la profundidad de salida del
caso 1 disminuye y el resalto se desplazará hacia aguas abajo hasta un
punto donde se satisfaga la ecuación. Este caso debe evitarse en el diseño,
debido a que el resalto rechazado fuera de la zona resistente a la
socavación ocurriría en un lecho de cantos rodados sueltos o en un canal
desprotegido ocasionando erosión severa. La solución para el diseño es
utilizar cierto control en fondo del canal, el cual incrementaría la profundidad
de agua y asegurará un resalto dentro de la zona protegida.
- Caso 3 y´2 > y2. Este caso representa un modelo en el cual la profundidad
de salida y´2 es mayor que y2. Esto significa que la profundidad de salida
con respecto al caso 1 se incrementa. El resalto se verá forzado hacia
aguas arriba, y finalmente puede ahogarse en la fuente y convertirse en un
resalto sumergido. Éste es el caso más seguro para el diseño, debido a que
la posición del resalto sumergido puede fijarse con rapidez, sin embargo el
diseño no es eficiente, debido a que se disipará muy poca energía.
• Condiciones a la salida. En la mayor parte de los problemas prácticos, la
profundidad de agua a la salida fluctúa, debido a cambios en el caudal de
39
flujo en el canal. En tales casos, se dispone de una curva de calibración de
la profundidad de salida que muestra la relación entre el nivel de salida y´2
y el caudal Q. De la misma manera puede construirse una curva de
calibración del resalto para mostrar la relación entre la profundidad
secuente y2 y el caudal.
- Clase 1 Representa una condición ideal para la cual las dos curvas de
calibración siempre coinciden. Esto significa que existe el caso 1 en la
posición del resalto y siempre se formará un resalto en el lugar deseado
sobre una zona protegida para todos los caudales. Condiciones de esta
clase rara vez se encuentran en la naturaleza.
- Clase 2 Representa las condiciones para las cuales la curva de calibración
del resalto siempre se encuentra en un nivel mayor que la curva de
calibración de profundidad de salida. Esto significa que siempre existe un
caso 2 (la profundidad de salida es menor que la secuente) y el resalto se
formará en un lugar alejado hacia aguas abajo. Un método efectivo para
asegurar que el resalto ocurra en la zona protegida es utilizar bloques para
crear un cuenco disipador.
- Clase 3 Representa las condiciones para las cuales la curva de calibración
del resalto se encuentra siempre a un nivel menor que la de calibración de
profundidad de salida. Esto significa que siempre ocurre el caso 3 (la
40
profundidad de salida es mayor que la secuente) y el resalto se moverá
hacia aguas arriba y tal vez se ahogará en la fuente y se disipará muy poca
energía. Un método efectivo para asegurar un resalto es construir una zona
de aproximación por encima del nivel del lecho del canal. La pendiente de
la aproximación puede ser tal que las condiciones apropiadas para un
resalto se desarrollen allí para todos los caudales. Otro método es proveer
una caída en el fondo del canal para bajar la profundidad de salida.
- Clase 4 Representa las condiciones para las cuales la curva de calibración
del resalto se encuentra a un nivel mayor que la de calibración de
profundidad de salida para caudales bajos pero a un nivel menor para
caudales altos. Un método efectivo para asegurar un resalto es proveer un
cuenco disipador para formarlo a bajos caudales y combinar el cuenco con
una aproximación inclinada para desarrollarlo a satisfacción de todos los
caudales.
- Clase 5 Representa las condiciones para las cuales la curva de calibración
del resalto se encuentra a un nivel más bajo que la de calibración de
profundidades de salida para caudales bajos pero a un nivel más alto para
caudales altos. Un método efectivo para asegurar el resalto es incrementar
la profundidad de aguas abajo lo suficientemente mediante la construcción
de una piscina de aquietamiento formándolo así para caudales altos.
41
• Recomendaciones según los tipos de resaltos
- Todos los tipos de resalto se encuentran en el diseño de cuencos
disipadores.
- El resalto débil no requiere de bloques o consideraciones especiales. Lo
único que se necesita es dar la longitud apropiada al cuenco, la cual es
relativamente corta.
- El resalto oscilante, encontrado a menudo en el diseño de estructuras de
canales, presas de derivación y obras de descarga es difícil de manejar. En
lo posible deben evitarse los resaltos con número de Froude dentro del
rango 2.5 a 4.5. En muchos casos no puede evitarse el uso de este resalto,
pero en otros casos, alterando la dimensiones puede llevarse al rango
deseable. Los bloques deflectores o accesorios tienen muy poco valor, las
ondas son la principal fuente de dificultad, por consiguiente pueden
utilizarse supresores de onda diseñados para manejarlas.
- No se encuentra una dificultad particular para el resalto estacionario.
Arreglos con deflectores y de bloques son útiles como medios para acortar
la longitud del cuenco disipador.
- A medida que el número de Froude aumenta, el resalto se vuelve más
sensible a la profundidad de salida. Para números de Froude tan bajos
como 8, se recomienda una profundidad de salida mayor que la secuente
para asegurar que el resalto permanecerá en la zona protegida.
42
- Cuando el número de Froude es mayor que 10, un cuenco disipador de
resalto puede no ser lo más económico. En este caso, la diferencia entre
las profundidades, inicial y secuente es alta y, por lo general se requiere un
cuenco muy profundo con muros de retención muy altos. El costo del
cuenco disipador no compensa los resultados obtenidos. Un disipador del
tipo cubeta deflectora dará resultados similares a menor costo.
2.2 MARCO CONCEPTUAL
2.2.1 Canales abiertos. Conducto por el cual fluye el agua con una superficie
libre. De acuerdo a su origen un canal puede ser natural o artificial.
• Canales naturales. Incluyen todos los recursos de agua existentes de forma
natural en la Tierra, los cuales pueden tener diversos tamaños desde
pequeños arroyuelos hasta ríos grandes. De igual manera son consideradas
como canales abiertos naturales las corrientes subterráneas que transportan
agua, las propiedades hidráulicas de un canal son generalmente irregulares.
• Canales artificiales. Aquéllos construidos mediante el esfuerzo humano como
son: los canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas, canales y
canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, etc., de igual forma
canales de modelos construidos en el laboratorio con propósitos
43
experimentales. Las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser
controladas hasta un nivel deseado o para cumplir ciertos requisitos. El canal
artificial por lo general es largo con pendiente suave, construido sobre el suelo,
el cual puede ser no revestido o revestido con concreto, cemento, piedras,
madera o materiales bituminosos.
2.2.2 Geometría de un canal. Las secciones de canales naturales, son
generalmente muy irregulares y a menudo varían desde una parábola hasta un
trapecio. Para corrientes sujetas a crecientes frecuentes, el canal puede constar
de una sección principal que conduce los caudales normales y una o mas
secciones laterales para acomodar los caudales de desborde.
Los canales artificiales generalmente se diseñan confecciones de figuras
geométricas regulares. El trapecio es la forma mas común para canales con
bancas en tierra sin recubrimiento, ya que proveen las pendientes necesarias para
estabilidad. El rectángulo y el triangulo son casos especiales del trapecio, como el
rectángulo tiene lados verticales es utilizado para canales construidos con
materiales estables, como la roca, metal o madera mientras que la sección
triangular es utilizada para pequeñas acequias cunetas a lo largo de carreteras y
trabajos de laboratorio. El círculo es la sección mas común para alcantarillados y
alcantarillas de tamaño pequeño y mediano. La parábola es utilizada como una
aproximación a secciones de canales naturales de tamaños pequeño y mediano.
44
El rectángulo con esquinas redondeadas es una modificación del rectángulo y el
triangulo con fondo redondeado es una aproximación de la parábola; esta es la
forma creada utilizando excavadoras.
Tabla 2. Perfiles superficiales adimensionales de resaltos hidráulicos en canales horizontales12
2.2.3 Elementos geométricos de una sección de canal. Propiedades de una
sección de canal que pueden ser definidos por completo por la geometría de la
sección y la profundidad de flujo.
12VEN TE CHOW. Hidráulica de canales abiertos. Bogotá: McGraw Hill, 1994. p. 21.
45
Para secciones de canal rectangulares y simples, los electos geométricos pueden
expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras
dimensiones de la sección. Para secciones complicadas y secciones de corrientes
naturales, no se puede escribir una ecuación simple para expresar estos
elementos, aunque se pueden preparar curvas que representen la relación entre
estos elementos y la profundidad de flujo para uso en cálculos hidráulicos.
• Profundidad de flujo, y. Distancia vertical desde el punto mas bajo de una
sección del canal hasta la superficie libre.
• Profundidad de flujo de la sección, d. Profundidad de flujo perpendicular a la
dirección de este, o la altura de la sección del canal que contiene el agua.
• Nivel. Elevación o distancia vertical desde un nivel de referencia hasta la
superficie libre, si el punto mas bajo de la sección de canal se escoge como el
nivel de referencia, el nivel es idéntico a la profundidad de flujo.
• Ancho superficial, T. Conocido como el ancho de la sección del canal en la
superficie libre.
• Área mojada, A. Área de la sección transversal del flujo perpendicular a la
dirección del flujo.
46
• Perímetro mojado, P. Longitud de la línea de intersección de la superficie de
canal mojada y un plano transversal perpendicular a la dirección de flujo.
• Radio hidráulico, R. Relación del área mojada con respecto a su perímetro
mojado.
• Profundidad hidráulica, D. Relación entre el área mojada y el ancho en la
superficie.
• Factor de sección para el cálculo del flujo critico, Z. Producto del área
mojada y la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica.
• Factor de sección para el cálculo del flujo uniforme, AR2/3. Producto del
área mojada y el radio hidráulico elevado a la potencia dos tercios.
2.2.4 Distribución de velocidades en una sección de canal. Las velocidades en
un canal no están uniformemente distribuidas debido a la presencia de la
superficie libre y a la fricción a lo largo de las paredes del canal.
La máxima velocidad medida en canales normales, por lo general ocurre por
debajo de la superficie libre a una distancia de 0.05 a 0.25 de la profundidad; entre
47
mas cerca este de las bancas, mas profundo se encuentra este máximo. La
distribución de velocidades en una sección de canal depende de factores, como
una inusual de la sección, rugosidad y presencia de curvas.
2.3 MARCO NORMATIVO
NORMA DESCRIPCIÓN
Decreto 1729 de 2002 Ordenación y manejo de cuencas hidrográficas Ley 41 de 1993 Distritos de riego Decreto 2811 de 1974 De las aguas no marítimas Decreto 182 de 1968 Uso y distribución de las aguas de uso público derivadas
de los Ríos Aracataca, Tucurinca, Fundación, Sevilla, Río Frío y las Quebradas La Tal y Rihueca.
Decreto 703 de 1976 Por el cual se reglamenta el funcionamiento de los comités nacionales y regionales de producción agrícola, pecuaria, de insumos y de recursos naturales renovables.
48
3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN
El tipo de investigación que se ajusta al trabajo de grado es la Investigación –
Experimental. GRAJALES TEVNI presenta la siguiente definición: “El investigador
no solo identifica las características que se estudian sino que las controla, las
altera o manipula con el fin de observar los resultados al tiempo que procura evitar
otros factores que intervengan en la observación”13
El trabajo de grado, consta de 4 fases a desarrollar las cuales son:
FASE 1. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN
A. Búsqueda, organización y clasificación de la información correspondiente al
desarrollo de la investigación.
FASE 2. CONSTRUCCIÓN DEL CANAL DE SECCIÓN SEMICIRCULAR
A. Cotización de los materiales necesarios para el canal de sección
semicircular.
B. Ensamble de los soportes y tanques de recolección de agua para el canal.
13TIPOS DE INVESTIGACIÓN [En línea]. < tgrajales.net/investipos.pdf >. [Citado en 2006-10-23].
49
C. Figurado del acrílico en forma semicircular.
D. Adecuación de las bombas y mangueras para la circulación del agua sobre
el canal.
E. Ubicación de las compuertas de control en el modelo.
FASE 3. PRUEBAS Y ENSAYOS PARA VERIFICAR EL ESTADO DEL MODELO
DE CANAL DE SECCIÓN SEMICIRCULAR.
A. Se realizaron ensayos con diferentes bombas hidráulicas para obtener el
caudal necesario.
B. Readecuación y mejora de los defectos que se presentaron en la
construcción inicial del canal.
C. Adecuación de sistemas de medida ya existentes en el laboratorio al canal
ya modificado.
D. Pruebas de tanteo para determinar la posición de la compuerta que produce
el resalto hidráulico y la compuerta de control del mismo.
FASE 4. PRUEBAS Y ENSAYOS DE LABORATORIO PARA LA
RECOPILACIÓN DE DATOS NUMÉRICOS.
A. Determinación de las variables necesarias para la modelación y obtención
de cálculos (caudal, pendiente y altura de las compuertas).
B. Toma de medidas de las alturas antes, en y después del resalto hidráulico.
C. Toma de medidas de las alturas del resalto variando la pendiente, el caudal
y la altura de las compuertas.
50
3.2 OBJETO DE ESTUDIO
El objeto de la investigación es el estudio del resalto hidráulico en un canal de
sección semicircular, mediante la ejecución y análisis de diferentes pruebas de
laboratorio con el uso de un modelo con sección semicircular ensamblado y
diseñado por los investigadores.
Se realizaron las pruebas correspondientes tomando como base los formatos
diseñados en las guías de laboratorio de hidráulica de la Universidad De La Salle y
los formatos de la facultad de ingeniería de la Universidad De Buenos Aires
(Argentina). Para estas pruebas se le hicieron algunas modificaciones a los
formatos originales.
3.4 VARIABLES
Pendiente Caudal
Caudal Pendiente
51
3.5 HIPÓTESIS
A partir de un modelo físico se realizara el estudio del resalto hidráulico en un
canal de sección semicircular, para analizar las diferentes características,
utilizando las diferentes variables caudal, pendiente y apertura de compuerta.
52
P  t  T  ρ  Q  gr  seg  °C  Kg/m3  m3/seg 
5596,8  1,85  998,65  0,003029  6760,6  1,9175  998,65  0,003530  5864,6  1,8175  998,65  0,003231  6663,5  1,865  998,65  0,003578  6740,3  1,8125  998,65  0,003724  7072,8  1,9975  998,65  0,003546  6972,7  1,69  998,65  0,004131  6639,6  1,85  998,65  0,003594  7499,7  1,88  998,65  0,003995  6108,4  1,5  998,65  0,004078  6158,3  1,26  998,65  0,004894  6650,8  1,705  998,65  0,003906 

0,00326 
0,00362 
0,00391 
3,264 
3,616 
4,293 
3,907 
0,00429 
17
17
17 
17 



3
P  P  t  T  ρ  Q  Q  gr  gr  seg  °C  Kg/m3  m3/seg  Lts/seg 
5596,8  5325,5  1,85  998,65  0,003029  6760,6  7641  1,9175  998,65  0,003530  5864,6  5345,1  1,8175  998,65  0,003231  6663,5  7734,6  1,865  998,65  0,003578  6740,3  7552,6  1,8125  998,65  0,003724  7072,8  8807,3  1,9975  998,65  0,003546  6108,4  8417,6  1,5  998,65  0,004078  6158,3  7865  1,26  998,65  0,004894  6650,8  8819,6  1,705  998,65  0,003906  6972,7  7397,6  1,69  998,65  0,004131  6639,6  8211,4  1,85  998,65  0,003594  7499,7  10736,2  1,88  998,65  0,003995 
6659,9  998,65  0,003059  7454,5  998,65  0,003888  5110  998,65  0,003790  6721,8  998,65  0,002965  7981,6  998,65  0,003223  9531,9  998,65  0,003433  6618,3  998,65  0,004276  5986,1  998,65  0,007310  5483,6  998,65  0,003867  9582  998,65  0,003853  7955,4  998,65  0,002984  6250,5  998,65  0,006878  5158,1  998,65  0,002609  5388,4  998,65  0,002901  6370,1  998,65  0,003254  7047,8  998,65  0,004970  5972,4  998,65  0,005112  4866,5  998,65  0,004471  4342,3  998,65  0,004026  5556,1  998,65  0,004381  6076,1  998,65  0,004139  5747  998,65  0,004796  5485,5  998,65  0,004099 









10
11
12 
17
17
17
17
17
17
17
17
17
17
17
17 
2,921 
4,851 
4,182 
4,372 
3,579 
3,207 
5,151 
4,572 
3,264 
3,616 
4,293 
3,907 
C
6323  998,65  0,004221  5243,7  998,65  0,003596  6558,4  998,65  0,003774  6633,3  998,65  0,003552  5149,6  998,65  0,003484  5454,7  998,65  0,003501  5085,3  998,65  0,003887  5055,3  998,65  0,004776  5226,1  998,65  0,004511  6223,7  998,65  0,003521  5164  998,65  0,003667  4906,1  998,65  0,003694  6688,9  998,65  0,003299 
13
14
15
16 
17
17
17
17 
3,641 
3,624 
4,269 
3,554
Q  Y0 barraY1barraY2 barra  Yc  θ0  θ1  θ2  θc  A0  A1  A2  NF  E0  E1  E2  Emin  ΔE  DE(%)  P  lts/seg  m  m  m  m  m2  m2  m2  m  m  m  m  m  W 
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39 
78,5 
89,3 
86,7 
80,3 
90,1 
91,4 
86,4 
88,4 
72,1 
88,5 
80,2 
89,7 
83,6 
0,0223 
0,0223 
0,0282 
0,0235 
0,0235 
0,0249 
0,0247 
0,0247 
0,0229 
0,0229 
0,0249 
0,0217 
0,0217 
0,834 
0,940 
0,857 
0,857 
0,834 
0,879 
0,879 
0,845 
0,883 
0,883 
0,823 
0,823 
0,845 
3,264 
3,264 
3,616 
3,616 
3,907 
0,0171 
0,0139 
0,0140 
0,0104 
0,0115 
0,0103 
0,0073 
0,0122 
0,0145 
0,0104 
0,0080 
0,0012 
0,0016 
0,0010 
0,0015 
0,0015 
0,0011 
0,0014 
0,0012 
0,0016 
0,0011 
0,0011 
0,0122 
0,0231 
0,0195 
0,0129 
0,0181 
0,0252 
0,0153 
0,0237 
0,0165 
0,0094 
0,0178 
0,0098 
0,0263 
1,33 
1,42 
1,40 
1,50 
1,26 
1,15 
1,40 
1,26 
1,30 
1,13 
0,88 
1,25 
1,11 
0,58 
0,57 
0,65 
0,65 
0,59 
0,63 
0,66 
0,59 
0,60 
0,67 
0,59 
0,66 
1,69 
1,33 
1,68 
1,58 
1,36 
1,54 
0,60 
1,73 
1,45 
1,53 
1,23 
1,76 
1,48 
1,22 
0,063 
0,061 
0,070 
0,053 
0,056 
0,042 
0,061 
0,050 
0,049 
0,039 
0,050 
0,041 
0,025 
0,0104 
0,0137 
0,0108 
0,0112 
0,0127 
0,0140 
0,0111 
0,0135 
0,0116 
0,0144 
0,0116 
0,0112 
0,0140 
0,088 
0,056 
0,086 
0,077 
0,058 
0,073 
0,092 
0,065 
0,072 
0,048 
0,094 
0,068 
0,047 






10 










11 
12 
13 
3,616 
3,616 
3,907 
3,264 
8,20 
14,24 
9,59 
10,57 
3,907 
4,293 
4,293 
3,264 
10,57 
6,81 
11,05 
7,17 
11,80 
8,23 
13,75 
7,88 
13,60 
0,484 
0,262 
0,553 
0,328 
0,764 
0,430 
0,431 
0,301 
0,665 
0,299 
0,681 
0,050 
0,065 
0,056 
0,052 
0,057 
0,054 
0,066 
0,059 
0,057 
0,059 
0,066 
0,064 
0,073 
0,431 
0,232 
0,0011 
0,0016 
0,0077 
0,0037 
0,439 
0,236 
0,381 
0,167 
0,428 
0,210 
0,496 
0,274 
0,698 
0,371 
0,374 
0,242 
0,599 
0,234 
0,608 
0,081 
0,081 
0,085 
0,085 
0,081 
0,081 
0,094 
0,094 
0,070 
0,070 
0,089 
0,089 
0,067 
0,492 
0,283 
0,582 
0,347 
0,704 
0,397 
0,439 
0,307 
0,723 
0,324 
0,715 
0,0248 
0,0433 
0,0254 
0,0460 
0,0186 
0,0269 
0,0213 
0,0350 
0,0209 
0,0317 
0,0191 
0,0370 
0,0211 
12,2 
5,3 
15,2 
7,4 
19,0 
10,5 
29,4 
15,6 
12,0 
7,8 
21,3 
8,3 
23,3
40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80 
89,7 
82,2 
84,5 
91,3 
84,4 
82,2 
87,3 
87,6 
84,6 
78,0 
87,5 
92,6 
87,6 
80,7 
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0,0237 
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0,0259 
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0,0273 
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0,0265 
0,860 
0,860 
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0,900 
0,900 
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0,892 
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0,812 
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1,70 
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0,069 



10 
11 
12 
13 
14 
15 
16 
17 
18 
19 
20 
21 
22 
23 
24 
25 
26 
27 
3,907 
3,907 
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4,293 
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3,264 
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4,293 
4,293 
3,616 
3,907 
3,264 
3,264 
3,616 
6,98 
12,00 
8,90 
14,95 
9,05 
14,07 
9,22 
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9,62 
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10,12 
14,59 
10,89 
11,95 
0,369 
0,820 
0,516 
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0,0178 
11,4 
32,0 
19,0 
13,9 
6,0 
16,9 
11,5 
19,5 
14,9 
30,4 
14,1 
18,8 
9,3 
17,1
81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96 
0,7  0,1  0,07  0,1  0,1  0,02 
16,5 
92,0 
86,1 
82,8 
87,7 
75,1 
25,3 
8,3 
43,6 
16,3 
0,0257 
0,0233 
0,0233 
0,0236 
0,0257 
0,854 
0,854 
0,859 
0,897 
0,897 
0,0015 
1,036 
0,414 
0,488 
0,958 
0,363 
0,0394 
0,0185 
0,0309 
0,0232 
0,0338 
13,2 
0,08 
0,1 
0,12 
0,14

0,02 
0,04 
0,06 
0,08 
CURVA DE ENERGIA a= 1,5 cm Y So= 1% 

0,01 
0,02 
0,03 
0,04 
0,05 
0,06 
0,07 
0,08 

Y
0,43  0,76 
0,022  0,03  0,96  0,276 
0,030  0,04  0,95  0,237 
0,81 
0,04  0,96  0,202  0,30 
0,034  0,05  0,95  0,077  0,11 
0,026 
0,0167 
0,0167 
0,0185 
0,0185 
0,0200 
0,0200 
0,0220 
0,0220 
0,0167 
0,0167 
0,0185 
0,0185 
0,0200 
0,4075 
0,3804 
0,2753 
0,3587 
0,2582 
0,3102 
0,4803 
0,3573 
0,3587 
0,2975 
0,4480 
0,2955 
0,4533 
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0,1107 
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0,1344 
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0,1378 
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0,1309 
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0,1458 
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0,1194 
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0,1432 
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0,0220 
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0,0185 
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0,0200 
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0,0185 
0,3300 
0,4981 
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0,3930 
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0,1313 
0,1313 
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0,1398 
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0,1058 
0,1271 
0,1271 
0,1361 
0,1361 
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0,1181 
0,1313
0,56  0,71 0,027  0,04  0,95  0,350  0,0185 
0,0200 
0,0200 
0,0220 
0,0220 
0,3662 
0,4772 
0,2894 
0,5845 
0,3653 
0,0237 
0,0225 
0,0436 
0,0193 
0,0293 
0,1313 
0,1250 
0,1250 
0,1586 
0,1586
P  t  T  ρ  Q  gr  seg  °C  Kg/m3  m3/seg 
2499,4  1,71  998,65  0,001464  3203,3  1,78  998,65  0,001802  2383,5  1,2  998,65  0,001989 

0,00175  1,752 17 1
Q  Yo  Y1  Y2  So  T  a  A0  A1  A2  NF1  NF2  E0  E1  E2  Emin  Yc  ΔE  DE(%)  P  lts/seg  mm  mm  mm  %  °C  mm  m2  m2  m2  m  m  m  m  m  m  W 
1  1,752  152,5  14,7  95,9  1  17  1,5  0,0107  0,0010  0,0067  4,48  0,27  0,154  0,162  0,099  0,05996  0,04  0,063  38,8  1,1  2  1,752  122  18,8  99  1  17  2  0,0085  0,0013  0,0069  3,10  0,26  0,124  0,109  0,102  0,05996  0,04  0,007  6,3  0,1  4  1,752  152  11,6  94,8  2  17  1,5  0,0106  0,0008  0,0066  6,40  0,27  0,153  0,249  0,098  0,05996  0,04  0,151  60,5  2,6  5  1,752  112,5  16,8  84,9  2  17  2  0,0079  0,0012  0,0059  3,67  0,32  0,115  0,130  0,089  0,05996  0,04  0,041  31,2  0,7  7  1,752  144  12,5  100  3  17  1,5  0,0101  0,0009  0,0070  5,72  0,25  0,146  0,217  0,103  0,05996  0,04  0,114  52,4  2,0  8  1,752  120,9  16,2  98  3  17  2  0,0085  0,0011  0,0069  3,88  0,26  0,123  0,138  0,101  0,05996  0,04  0,037  26,5  0,6  10  1,752  152  11,9  101,9  4  17  1,5  0,0106  0,0008  0,0071  6,16  0,25  0,153  0,237  0,105  0,05996  0,04  0,132  55,8  2,3  11  1,752  113,6  16,1  91  4  17  2  0,0080  0,0011  0,0064  3,91  0,29  0,116  0,139  0,095  0,05996  0,04  0,044  31,9  0,8 
1,3 
1

0,0006  0,0006  0,0006  0,0006  0,0006  0,0006  0,0006  0,0006
Y  E  Y  E  Y  E  Y  E  m  m  m  m  m  m  m  m 
0,068  0,439  0,072  0,492  0,094  0,582  0,092  0,704  0,022  0,082  0,0229  0,085  0,0249  0,081  0,0111  0,094  0,0112  0,431  0,0116  0,484  0,0116  0,553  0,0247  0,764  Y  E 
m  m  0,068  0,439  0,022  0,082  0,0112  0,431 
Y  E  Y  E  Y  E  Y  E  m  m  m  m  m  m  m  m 
0,047  0,236  0,048  0,283  0,073  0,347  0,065  0,397  0,0217  0,082  0,0229  0,085  0,0249  0,081  0,0247  0,094  0,014  0,232  0,0144  0,262  0,0140  0,328  0,0135  0,430 
Y  m 
0,000  0,100  0,200  0,300  0,400  0,500  0,600  0,700  0,800  0,900 
E(m) 
Y(m) 
E (m) 
Y (m)
0,047  0,0217  0,014 
Y  E  Y  E  Y  E  Y  E  m  m  m  m  m  m  m  m 
0,077  0,439  0,088  0,723  0,086  0,715  0,095  0,756  0,0235  0,07  0,0223  0,089  0,0282  0,067  0,0265  0,083  0,0112  0,431  0,0104  0,665  0,0108  0,681  0,0108  0,820 
Y  E  Y  E  Y  E  Y  E  m  m  m  m  m  m  m  m 
0,058  0,307  0,056  0,324  0,066  0,376  0,069  0,476  0,0235  0,07  0,0223  0,089  0,0282  0,067  0,0265  0,083  0,0127  0,301  0,0137  0,299  0,0134  0,369  0,0127  0,516 

0,02 
0,04 
0,06 
E(m) 
Y(m) 
0  0,1  0,2  0,3  0,4  0,5  0,6  0,7  0,8  0,9 
E(m) 
Y(m) 
E (m) 
Y(m)
Y  E  Y  E  Y  E  Y  E  m  m  m  m  m  m  m  m 
0,081  0,514  0,088  0,592  0,093  0,739  0,102  0,730  0,0211  0,085  0,0273  0,064  0,0254  0,078  0,0259  0,086  0,0106  0,514  0,0111  0,545  0,0114  0,582  0,0110  0,791 
CURVA DE ENERGIA 
E(m) 
Y(m) 
Y(m) 
Q1  Q2  Q3  Q4
Y  E  Y  E  Y  E  Y  E  m  m  m  m  m  m  m  m 
0,054  0,244  0,071  0,430  0,052  0,561  0,057  0,366  0,0211  0,085  0,0273  0,064  0,0254  0,078  0,0259  0,086  0,038  0,239  0,0124  0,396  0,0126  0,443  0,0139  0,396 
Y  E  Y  E  Y  E  Y  E  m  m  m  m  m  m  m  m 
0,088  0,666  0,092  0,619  0,095  0,958  0,086  1,036  0,0237  0,069  0,0236  0,080  0,0257  0,077  0,0233  0,105  0,0097  0,654  0,0109  0,569  0,0105  0,753  0,0097  1,124 
0  0  0,1  0,2  0,3  0,4  0,5  0,6  0,7  0,8  0,9 
E(m) 
0  0,1  0,2  0,3  0,4  0,5  0,6 
E(m) 
Y(m) 
Q1  Q2  Q3  Q4
Y  E  Y  E  Y  E  Y  E  m  m  m  m  m  m  m  m 
0,066  0,36  0,053  0,488  0,066  0,363  0,067  0,414  0,0237  0,069  0,0236  0,080  0,0257  0,077  0,0233  0,105  0,012  0,354  0,0119  0,449  0,0146  0,288  0,0133  0,449 
CURVA DE ENERGIA 
E(m) 
Y(m) 
Y(m)  Q1  Q2
CURVA DE ENERGIA COMPARATIVA 
0,5 
PROFUNDIDAD  ENERGIA  m  m 


0,000  0,020  0,040  0,060  0,080  0,100  0,120  0,140  0,160  0,180 
E (m) 
Y (m) 
PROFUNDIDAD  ENERGIA  m  m 


0  0,02  0,04  0,06  0,08  0,1  0,12  0,14 
E (m) 
Y (m) 
0  0,02  0,04  0,06  0,08  0,1  0,12  0,14  0,16  0,18 
E (m) 

0  0,02  0,04  0,06  0,08  0,1  0,12  0,14 
E (m) 
Y (m) 
Y (m)
PROFUNDIDAD  ENERGIA  m  m 


E (m) 
E (m) 
Y (m)

0  0,02  0,04  0,06  0,08  0,1  0,12  0,14  0,16  0,18 
E (m) 
Y (m) 
Y (m)
E (m)
4.1 RESALTO HIDRÁULICO EN CANAL SEMICIRCULAR.
El problema del resalto hidráulico en un conducto de sección circular, ha sido
tratado por Straub en canal horizontal y sin fricción, utilizando formulas
aproximadas, y por Caric en canal inclinado y con fricción, empleando tablas y
graficas. La razón de estas metodologías radica en que las formulas o ecuaciones
correspondientes son difíciles de resolver por métodos analíticos.
4.1.1 Notación.
E = Energía especifica (m)
F = Fuerza especifica (m3)
NF = Número de Froude (1)
P = Perímetro mojado (m)
54
T = Ancho superior (m)
Y = Profundidad del flujo (m)
Yo = Profundidad normal (m)
YC = Profundidad critica (m)
YZ = Profundidad después del salto (m)
Z = Profundidad del centroide del área A (m)
Θ = Ángulo al centro (red)
Subíndice 1 = Referido a la sección antes del salto
Subíndice 2 = Referido a la sección después del salto
4.1.2 Flujo uniforme.
Para el cálculo de la profundidad normal (profundidad antes del salto (Y0 = Y1)) y la
velocidad media del flujo, se usara la fórmula de Manning, dada por:
oS n
5/3
P A R =
=
Estas expresiones sustituidas en la fórmula de Manning, dan como resultado,
para 1 θθ = :
La profundidad normal Yo = Y1, se halla con:



−=
2 Y 1
1 θD (2)
( )
4.1.3 Flujo critico.
La condición general para que en cualquier canal se presente flujo crítico, es:
c
c
( ) g
La profundidad crítica se calcula con:



−=
CD θ (5)
Fuerza especifica: Al suponer que la fuerza componente del peso del agua en la
dirección del flujo contrarresta la fuerza de fricción en el lecho del canal, se puede
considerar que antes y después del salto, la fuerza especifica es igual (F1 = F2).
Su expresión es:
resulta:
θ
sen
sen D ; y al efectuar todas las sustituciones en la ecuación
anterior se obtiene:
En donde θθ sen−=1X
Luego se calcula F1 y se remplaza en la ecuación (6), considerando ahora la
sección 2 (figura 3), en la cual:
4 A
122 13.04 2
y D QF
D D (8)
Ecuación que es valida si el conducto opera a presión aguas abajo del salto
( )º360,y 22 => θD . En caso contrario ( )º360,y 22 << θD , se debe calcular 2θ con
la expresión:
La ecuación (9) se resuelve con incrementos finitos de θ2.
La correspondiente profundidad del flujo después del salto, es:



−=
59
( )
2
El porcentaje de energía disipada en el salto se obtiene:
( ) 1
oo SD n
4.1.4 Potencia del resalto
La potencia que produce el resalto hidráulico se calcula por medio de la siguiente
ecuación.
Donde 381.9 m KN=γ
4.2 CONSTRUCCIÓN DEL CANAL SEMICIRCULAR.
Como primera medida en la construcción del canal se realizaron diferentes
cotizaciones y de acuerdo a ellas se realizaron los primero bosquejos y diseños
del canal.
La construcción del canal circular se inicio con la compra de la lámina de acrílico
donde a su vez se mando a doblar en forma semicircular, el diseño de los
dobleces se establecieron según las características de la lámina, esta poseía unas
dimensiones de 1.2 mts de ancho X 1.8 mts de largo y un espesor de 5 mm. así
que para aprovechar toda la lámina de acrílico se dejo 26 cm. radio en el
semicírculo y dos lados rectos de 20.5 cm. a lado y lado como se muestra en la
fotografía.
61
Fotografía 1. Acrílico.
El tiempo que tardo la fábrica surtiacrílicos en entregar el acrílico fue
aproximadamente de 8 días después de esto se adquirió una lámina de acero
galvanizado de calibre 18 y se doblo en forma tal que fuera el soporte o cama del
acrílico y al mismo tiempo este soporte sirvió para la colocación de los 4 pies del
Canal.
62
Los pies del canal se realizaron con un tubo rectangular metálico de dimensiones
8 cm. X 4 cm. calibre 18 y 6 mts de largo los cuales se cortaron de 1.2 mts y se
soldaron 2 de los pies de tal forma que le dieran movilidad en dirección vertical al
canal y los dos restantes se le ensamblaron a los tubos metálicos de 80 cm.
tornillo sin fin de 50 cm. y una pulgada de diámetro con el fin de simular diferentes
pendientes al canal se tomo como referente el canal rectangular que se encuentra
en el laboratorio hidráulica de la universidad de la salle.
Los pies se reforzaron con tubos galvanizados PVC de una pulgada, con estos
tubos se evitaron movimientos laterales del canal después se aplico anticorrosivo.
Fotografía 3. Tornillos sin fin.
A todas las partes metálicas del canal y seguido a esto se mandaron a construir
dos tanques uno de almacenamiento de agua y el otro para el control de salida de
63
la misma, los tanques se construyeron con lámina de acero de calibre 18 se les
aplico anticorrosivo y luego se ensamblaron el los extremos del canal.
Después de haber ensamblado todo el canal se le aplico pintura azul a las partes
metálicas se le colocaron las mangueras y diferentes accesorios para las
conexiones hidráulicas, se colocaron ángulos de 1 pulgada en la parte superior del
acrílico para evitar deformaciones y ensanchamientos cuando el flujo del agua
pase a través de esta, también se utilizo ángulo de 1/2 pulgada para acomodar los
aparatos de medición ya existentes en el laboratorio como limnimetros,
termómetros también tenían como fin acomodar la compuerta de salida y la
compuerta que produce el resalto hidráulico las compuertas se realizaron en
madera Triplex dándole la misma forma del canal por último se hicieron las
conexiones de las mangueras a las bombas hidráulicas y se empezaron a realizar
los ensayos.
64
La construcción del canal tardo 5 meses ya que sus costos fueron un poco
elevados y el proceso en muchas ocasiones se tuvo que detener. Se utilizaron
diferentes herramientas y materiales los cuales se nombran a continuación:
o HERRAMIENTAS.
• Láminas de acero
• Tubos PVC de pulgada
4.3 METODOLOGÍA PARA LA TOMA DE DATOS.
Para determinar la toma de datos primero se tuvieron que realizar diferentes
pruebas para determinar con certeza que el canal no presentara filtraciones y
perdidas de energía adicionales diferentes a las que se esperaban en las pruebas
finales que se iban a ejecutar. Además estas pruebas iniciales también sirvieron
para encontrar la variación en la altura de las compuertas de control.
Para el estudio del resalto hidráulico se tomaron en cuenta tres variables que
fueron: el caudal (Q), la pendiente (So) y la abertura de la compuerta (a). Después
de determinar estas variables se realizo el diseño de una tabla con la cual se
recolectarían los datos necesarios para el estudio.
Teniendo definidas las variables y la tabla de datos necesaria, se determino que la
mejor forma de ejecutar los laboratorios era determinar cuatro caudales diferentes,
66
y variar la pendiente y la abertura de la compuerta de control. Así las condiciones
hidráulicas eran iguales para cada para cada variable que en su momento se
dejara constante para el estudio.
Para determinar las alturas en las secciones del canal se tomaron tres datos en
cada sección, con los cuales se realizaron promedios para tener un dato mas
acertado de cada altura en las secciones correspondientes.
4.4 ENSAYOS DE LABORATORIO EN EL CANAL SEMICIRCULAR.
En los ensayos de laboratorio se deben tener en cuenta variables como la
pendiente del canal, el caudal y la abertura de las compuertas, al realizar las
pruebas en el canal se deben cambiar las tres variables para así tener una mayor
cantidad de datos y así obtener mejores resultados.
4.4.1 Calculo del caudal.
Para este caso se utilizo la primera muestra de todos los datos, las cuales fueron
tomadas bajo las siguientes condiciones:
%1 17
67
Donde, a es la apertura de la compuerta respecto al fondo del canal.
Calculo del caudal a 17 °C
365.998
≅=
=
=
Este caudal se promedia con otros dos datos del caudal para tener un dato mas
acertado por pendiente y abertura del caudal.
68
Tabla 5. Toma de caudales por el método gravimetrico.
P t t T ρ Q Q gr. seg. seg. °C Kg/m3 m3/seg. Lts/seg.
5325,5 1,85 1,78 998,65 0,003029 7641 1,9175 2,15 998,65 0,003530
5345,1 1,8175 2,09 17
998,65 0,003231 3,264
7734,6 1,865 2,29 998,65 0,003578 7552,6 1,8125 2,04 998,65 0,003724 8807,3 1,9975 2,81
17 998,65 0,003546
8417,6 1,5 2,31 998,65 0,004078 7865 1,26 1,79 998,65 0,004894
8819,6 1,705 2,16 17
998,65 0,003906 4,293
7397,6 1,69 1,66 998,65 0,004131 8211,4 1,85 2,06 998,65 0,003594 10736,2 1,88 3,08
17 998,65 0,003995
3,907
Tabla 6. Toma de alturas antes y después del resalto hidráulico del canal de sección semicircular.
Q Yo Y1 Y2 So T a
Lts/seg. mm mm mm % °C cm. 74 11,4 39 1 17 67 11,3 41 1 171 3,264 64 11 42 1 17
1,5
51 13,7 24 1 17 47 14,4 26 1 17
1
2
74 11,5 48 1 17 69 11,9 51 1 173 3,616 73 11,3 50 1 17
1,5
52 13,7 37 1 17 45 15,5 38 1 17
2
2
98 11,9 50 1 17 92 11 52 1 175 3,907 93 12 49 1 17
1,5
75 12,9 33 1 17 73 15 44 1 17
3
2
93 11 62 1 17 92 11,4 61 1 17
4 7 4,293
69
68 13,7 52 1 17 64 12,9 48 1 17
8 4,293
63 14 50 1 17 2
80 11 53 2 17 77 11,6 55 2 179 3,264 73 11,1 52 2 17
1,5
58 12,4 54 2 17 55 12,5 56 2 17
5
2
90 9,9 66 2 17 88 10,7 66 2 1711 3,616 85 10,5 57 2 17
1,5
60 13,7 63 2 17 52 13,9 58 2 17
6
2
90 10,6 70 2 17 84 10,9 66 2 1713 3,907 85 11 75 2 17
1,5
70 13,9 69 2 17 65 13,4 72 2 17
7
2
98 10,6 55 2 17 96 10 55 2 1715 4,293 90 11,9 52 2 17
1,5
75 12,9 61 2 17 66 12,9 58 2 17
8
2
84 11,6 76 3 17 76 11 79 3 1717 3,264 82 9,1 80 3 17
1,5
65 12,8 48 3 17 50 14,9 47 3 17
9
2
93 11 65 3 17 87 11,2 68 3 1719 3,616 85 11,1 63 3 17
1,5
77 12,4 68 3 17 70 12,9 69 3 17
10
2
94 10,5 75 3 17 89 10,9 69 3 1721 3,907 96 12,9 72 3 17
1,5
57 12,2 46 3 17 49 12,6 44 3 17
11
2
70
101 10,9 62 3 17 97 11,8 65 3 17
60 13,6 59 3 17 57 14 53 3 17
24 4,293 53 14,2 53 3 17
2
97 9 68 4 17 86 9,6 62 4 1725 3,264 82 10,6 66 4 17
1,5
70 12,9 60 4 17 67 11 60 4 17