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Cálculo de golpe de ariete — Fórmulas de Joukowsky y Michaud

Qué datos necesitas y para qué problemas sirve cada situación →

Golpe de ariete por el cierre de una válvula o por la parada de un bombeo: la calculadora obtiene la celeridad de la onda, el tiempo crítico y la sobrepresión (Joukowsky o Michaud) y, con el nivel estático y el perfil, las envolventes de presión a lo largo de la conducción.

Datos de la conducción

Situación
ZsVálvulaDepósitoL

Aducción alimentada desde un depósito, con la válvula al final. La onda nace en la válvula al cerrarla y se refleja en el depósito.

Unidades
Conducción
Régimen antes de la maniobra

Del depósito, donde se refleja la onda, a la válvula o a las bombas.

Diámetro interior de la tubería.

Espesor de la pared de la tubería.

Del material de la tubería; elige un material o escríbelo. Para PVC y PEAD, el de corta duración.

Velocidad media del agua antes de la maniobra.

Maniobra

Duración efectiva del cierre. 0 = cierre instantáneo.

Línea estática y perfil (opcional)

Con el nivel estático y las cotas del eje se obtienen las envolventes de presión máxima y mínima a lo largo de la conducción, y se comprueban frente a la presión de vapor y, si se da, a la PN.

Cota de la lámina de agua del depósito más alto: el de cabecera (válvula) o el de llegada (bombeo). Es la línea estática a la que se suma y se resta la sobrepresión.

Opcional (con el perfil): se comprueba que la presión máxima no la supere.

PuntoProgresiva (m)Cota del eje (m)Quitar
Inicio (depósito)0
Final (válvula)L

Resultados

Introduce los datos y pulsa «Calcular».

Agua (ρ = 1000 kg/m³, K = 2,1 GPa). Fórmulas clásicas, sin fricción en el transitorio ni elementos de protección.

Memoria de cálculo (PDF)

Memoria de cálculo con datos de entrada, hipótesis, desarrollo de fórmulas, verificaciones y conclusiones, lista para adjuntar a su proyecto. Usa los datos de la calculadora de arriba. Todos los datos son opcionales.

Datos del proyecto

Aparece en la cabecera del documento. Si lo dejas vacío, se usa el autor.

Origen de los datos

De dónde sale cada dato: perfil longitudinal, catálogo del fabricante, ficha de la válvula… Si lo dejas vacío, el documento indica «Dato del Autor».

Criterios de verificación

Límite de depresión para la separación de columna: presión de vapor del agua, en presión relativa. Vacío = −10 mca. La verificación no se hace y la memoria indica que no se aplica (criterio del Autor).

Mira una memoria de ejemplo →

El golpe de ariete es la sobrepresión que aparece en una conducción a presión cuando se cierra una válvula o se detiene una bomba: el agua frenada comprime el fluido y dilata la tubería, y una onda de presión recorre la conducción a la celeridad a.

Cómo funciona

Cómo usar la calculadora

  1. Elige la situación: cierre de una válvula o parada de un bombeo.
  2. Indica la longitud, el diámetro interior y el espesor de pared; elige el material (o escribe su módulo E) y da la velocidad o el caudal de régimen.
  3. Da el tiempo de cierre de la válvula o, en el bombeo, la altura manométrica: si no conoces el tiempo de parada, sale de la fórmula de Mendiluce.
  4. Para las presiones a lo largo de la conducción, da el nivel estático y las cotas del eje (inicio, final y hasta dos puntos intermedios) y, si quieres, la PN.
  5. Pulsa «Calcular»: verás la celeridad, el tiempo crítico, la rama aplicada, la sobrepresión y las envolventes.

Método: celeridad, tiempo crítico, Joukowsky, Michaud y Mendiluce

Celeridad de la onda (Korteweg)

a = √(K/ρ) / √(1 + K·D/(E·e))

Depende del agua (K = 2,1 GPa, ρ = 1000 kg/m³) y de la elasticidad de la tubería (D, e, E). En tuberías rígidas, como el acero, ronda los 1000–1300 m/s; en plásticas, como el PEAD, unos 200–400 m/s.

Tiempo crítico

tc = 2L / a

Es lo que tarda la onda en ir hasta el depósito y volver. Si la maniobra dura menos, la sobrepresión es la máxima posible, la de un cierre instantáneo.

Joukowsky y Michaud

T ≤ tc: ΔH = a·v0/g

T > tc: ΔH = 2·L·v0/(g·T)

No son métodos alternativos: son las dos ramas del método clásico, y la calculadora elige la que corresponde. Coinciden cuando el tiempo de maniobra es igual al tiempo crítico.

Tiempo de parada de un bombeo (Mendiluce)

T = C + K·L·v0 / (g·Hm)

C depende de la pendiente hidráulica Hm/L: vale 1 hasta el 15 % y baja a 0 hacia el 40 %. K depende de la longitud: 2 en impulsiones cortas, hasta 1 en las de más de 1 500 m. Con pendientes por encima del 50 % la parada es muy rápida y se aplica Joukowsky.

Línea estática y envolventes

La línea estática es la cota del agua en el depósito más alto. La sobrepresión ΔH se suma y se resta a ella: es máxima en la válvula o en las bombas y nula en el depósito. Si la conducción es corta frente a a·T/2, la envolvente es un triángulo; si es larga, un trapecio, con la sobrepresión plena en el tramo más alejado del depósito. La presión en cada punto es la cota de la envolvente menos la del eje: la máxima se compara con la PN; la mínima, con la presión de vapor (unos −10 mca).

Módulos de elasticidad típicos

Valores orientativos de corta duración, los que valen para transitorios (Wylie y Streeter, 1993; Chaudhry, 2014). Para tu proyecto, usa el del fabricante.

MaterialE (GPa)
Acero206
Fundición dúctil170
Concreto armado30
PRFV20
PVC3
PEAD (PE100)1

Preguntas frecuentes

¿Por qué la sobrepresión no depende del tiempo de cierre si es menor que el tiempo crítico?

Porque la onda reflejada en el depósito aún no ha vuelto a la válvula cuando el cierre termina: la válvula «ve» un cierre instantáneo y la sobrepresión es la de Joukowsky.

¿Cómo se calcula la parada de una bomba?

Con el tiempo de parada de Mendiluce, que depende de la longitud, la velocidad y la altura manométrica, o con el que hayas medido. Para impulsiones con calderín o chimenea hace falta un análisis del transitorio completo.

¿Qué pasa si la presión mínima baja de la presión de vapor?

El agua puede vaporizarse y la columna separarse; al volver a juntarse se producen sobrepresiones mayores que las del modelo clásico. La calculadora te avisa cuando ocurre.

¿Qué módulo de elasticidad uso para PVC o PEAD?

El de corta duración, que es el que corresponde a fenómenos rápidos como el golpe de ariete; el de larga duración es menor y se usa para cargas sostenidas.

Referencias