El suministro de agua
a la población
Parte II: El uso del ariete hidráulico
Por
Luis Bérriz Pérez*
Crónicas de un círculo de interés sobre el desarrollo energético sostenible (XIV)
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Era el tercer sábado de octubre. La semana antepasada habíamos empezado el tema del suministro de agua a la población y aprendimos el principio del funcionamiento y uso del sifón. Hoy tocaba también un tema interesante: el principio del funcionamiento y uso del ariete hidráulico.
Quisimos incluir el ariete hidráulico entre los métodos de suministro de agua a la población, por las posibilidades que tiene su uso principalmente en lugares montañosos alejados de la red eléctrica, en donde haya ríos, arroyos o manantiales. Un ariete hidráulico puede aumentar considerablemente la ca-lidad de vida de una familia campesina o un pequeño poblado, donde en estos momentos tienen que trasladar el agua en tanques sobre rastras con tracción animal u otra forma igualmente incómoda.
Como de costumbre, días antes habíamos preparado varias pancartas y otros materiales que nos ayudarían durante el encuentro con los muchachos del círculo. A las diez de la mañana ya estábamos todos bajo nuestro álamo, listos para empezar.
—¡Buenos días! —les dije— ¡Buenos días! —contestaron a coro.
Ese sábado hubo una buena asistencia. Estaban todos, o casi todos, pues faltaba Miguelito que me pidió permiso para llegar un poco tarde, pues tenía que ir a buscar a su abuelo Paco que se había quedado a dormir en casa de su otro hijo, en Lawton.
El día estaba nublado, pero con nubes altas y blancas y parecía que no iba a llover. La temperatura bastante agradable, de unos 28 grados centígrados con algunas brisas del nordeste. De todas maneras, estábamos debajo de nuestro álamo y si saliera el sol, nos defenderíamos.
Después del saludo me viré hacia la pancarta y señalando al título les dije:
—Hoy queremos tratar sobre el ariete hidráulico, pues es un artefacto muy interesante, útil y en el que se pueden apreciar en la práctica diversos conocimientos que hemos adquirido con relación a la energía.
—Vean —continué diciendo— aquí traigo un martillo, un clavo y un pedazo de tabla. Y ustedes se preguntarán: ¿qué tendrán que ver esos elementos con el bombeo de agua? Lo van a entender enseguida. ¿Se acuerdan cuando tratamos el tema de la energía, específicamente de la energía mecánica, de la energía cinética que dependía del movimiento y de la masa, y de la energía potencial que dependía de la diferencia de altura y también de la masa? ¿Se acuerdan que les dije que todo cuerpo es capaz de realizar un trabajo en dependencia de la energía que tenga? Si no tiene energía no puede realizar ningún trabajo, pero si tiene mucha energía puede realizar mucho trabajo.
—Por eso hay que comer mucho y bien, como dice mi abuela —hizo el comentario Yusbán.
—Bien —continué— ¡Tomen este clavo y traten de meterlo en esta tabla, empujándolo!
Le entregué el clavo y la tabla a Ernesto y les dije:
—¡Hagan la prueba y vayan pasándolo!
Como es natural, nadie podía encajar el clavo y agregué:
—Ahora tomen este martillo y utilícenlo.
Le di el martillo a Marianita, quien tenía el clavo y la tabla en ese momento, y todos fueron probando que con un suave martillazo el clavo se iba metiendo fácilmente en la madera.
—Bien. Ustedes han podido experimentar qué fácil es meter un clavo en una tabla gracias al «golpe del martillo» —y continué—:
¡Analicen el fenómeno! El martillo llega a la cabeza del clavo con determinada velocidad, es decir, tiene energía cinética. Con el golpe se detiene completamente y entrega esa energía realizando un trabajo: introduciendo el clavo en la tabla. Con cada martillazo, penetra un poco el clavo. El trabajo realizado por cada martillazo es igual a la fuerza que hace falta para introducir el clavo en la tabla. Vamos a ver ahora qué tiene que ver este experimento del martillo con nuestro ariete hidráulico.
Pasé a otra pancarta y les dije:
—Vamos a ver primero de dónde proviene la palabra ariete. ¡Fíjense aquí!
En ese momento se acercaban Miguelito, el abuelo Paco y con ellos Andrés, el padre de Camila, que cada vez que venía a La Habana y coincidía con un encuentro se incorporaba, pues decía que todo lo que aprendía aquí lo repetía después en su casa en La Maya.
—Buenos días. Permiso para incorporarnos —dijo el abuelo Paco y le contesté:
—Buenos días. Llegaron a tiempo. Ahora estamos todos y con sobrecumplimiento en la asistencia. Estabámos hablando sobre el ariete hidráulico y precisamente en este momento iba a explicar el significado de la palabra ariete. ¡Pónganse cómodos!
Me dirigí de nuevo a la figura de la pancarta y continué:
—El ariete fue un arma que se usó en la antigüedad para romper las puertas o las paredes de las murallas, fortificaciones o castillos. En su forma más sencilla, un ariete es tan solo un tronco grande y pesado, cargado por varias personas e impulsado con fuerza contra un obstáculo. Mientras la masa del tronco sea mayor y se impulse con mayor velocidad, más efectivo será, pues tendrá más energía cinética al dar el golpe, podrá realizar mayor trabajo, o sea, en este caso, destruir la puerta o la muralla.
—Hice una breve pausa y proseguí—. Pero se usaron arietes más complejos, montados sobre ruedas y protegidos con cubiertas contra las flechas y el aceite hirviente que les podían tirar desde arriba.
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—Lo que tenía el poder destructor era el golpe del ariete contra el muro o puerta, pues en décimas de segundo convertía la energía cinética del pesado tronco en un efecto destructor.
—Eso lo hemos visto en las películas —dijo Yamila, y se oyeron varios comentarios en voz baja.
—¡Vamos a seguir, que todavía nos queda mucho! —y proseguí—:
Fíjense que el principio del martillo es el mismo que el del ariete. Observen: una determinada masa se pone en movimiento, o sea, se le aporta una gran cantidad de energía cinética y de un golpe se paraliza, es decir, entrega toda la energía cinética que se convierte en trabajo; en el caso del martillo clavando un clavo, y en el caso de un ariete, destruyendo una puerta o un muro.
Se oyen murmullos y agregué:
—Ahora deben prestar mucha atención, pues vamos a aprender otro concepto: el de potencia. Definamos la potencia como la capacidad que tiene un cuerpo o materia de entregar energía en un tiempo determinado. Mientras más energía entregue en menos tiempo, la potencia será mayor.
La potencia se puede representar por esta sencilla fórmula —señalé con el dedo a una fórmula que estaba en una pancarta y continué—:
Según pueden ver, si la energía aumenta, la potencia aumenta y si el tiempo disminuye, la potencia aumenta también.
Potencia = Energía / tiempo
—Pero fíjense bien que si el tiempo de entrega se hace muy pequeño, la potencia se hace muy grande aunque la energía siga siendo la misma. Este es el caso de un martillazo y el de un golpe de ariete, que entregan determinada energía en un tiempo muy corto, en décimas o centésimas de segundo. En el golpe, o sea, en la entrega de mucha energía en tan poco tiempo, está su «poder» constructivo en el caso del martillo, o destructivo en el caso del ariete —y puse énfasis en la palabra «poder».
—¡Un golpe de Stevenson era mortal! —dijo Miguelito.
—¡Efectivamente!, un golpe de Stevenson tiene el mismo efecto que un golpe de ariete. Lo mismo puede pasar con el agua.
—Imagínense una tubería por donde fluya agua a una velocidad de varios metros por segundo que abastece a una población. Esa tubería puede tener un diámetro de este tamaño —abrí los brazos hasta una distancia de más o menos un metro y continué—:
imagínense ahora que una válvula cierra de golpe la tubería. ¿Qué pasaría? Pues la energía cinética del agua es tan grande, y el tiempo en que se entrega es tan pequeño, que su poder destructivo sería enorme, tanto que podría llegar a reventar la tubería. Este es el llamado «golpe de ariete», y es el causante de la mayoría de las averías que se producen en tuberías e instalaciones hidráulicas. Por eso, cuando se construye un acueducto o cualquier instalación hidráulica, hay que tener mucho cuidado y tomar todas las medidas para que eso no suceda.
—Pero este principio del golpe de ariete se puede utilizar también para bien, y es el principio del ariete hidráulico, un método muy efectivo de bombear agua. Ahora podemos llegar a la definición siguiente:
Un ariete hidráulico es una bomba de agua que utiliza para su funcionamiento el principio del golpe de ariete, o sea, no necesita energía eléctrica, sino solo hidráulica.
En ese momento oí un murmullo y todos miraban para detrás de mí. Me viré y vi que llegaban Rosa y Adela, que traían la merienda. Ese día traían galleticas con una pasta que yo les había preparado con mayonesa, moringa en polvo y ajo. Además, refresco de piña. Una merienda de lujo. Paramos 10 minutos. En ese tiempo aproveché para hablar con Paco y Andrés; este último me dijo que iba a hacer un ariete hidráulico en su finquita, pues tenía un arroyo que podía utilizar. Como es natural, le dije que podía contar con todo nuestro apoyo.
—¡Seguimos! —les dije en voz alta—. ¡Tenemos que continuar pues todavía nos queda bastante! Vamos a ver las ventajas de un ariete hidráulico. Vean esta pancarta —y leyendo en voz alta continué—:
—Las ventajas de un ariete son:
• Funciona con energía hidráulica y no necesita electricidad, o sea, puede funcionar en ríos, manantiales y arroyos donde no llegue la electricidad.
• Su funcionamiento es muy simple y requiere poco mantenimiento.
• Su fabricación es muy sencilla y puede ser construido por uno mismo con materiales de fácil adquisición.
• Puede elevar agua a más de 100 metros de altura, lo que es muy conveniente en zonas montañosas.
—Ahora presten especial atención. Veremos cómo funciona un ariete hidráulico, ¡fíjense bien en este esquema! —señalé para la parte de arriba de una pancarta, e indicando la tubería de abastecimiento continué—: Por este conducto el agua va tomando velocidad, o sea, aumenta su energía cinética hasta que llega a un valor que empuja y cierra esta válvula A. Miré a todos para ver si estaban atendiendo. Parecía que sí, y continué:
—En ese momento se produce el golpe de ariete y ese poder, que sería destructivo, abre la válvula B y envía hacia la cámara de aire un poco de agua. Inmediatamente, como el agua se detiene, se vuelve a abrir la válvula A y a la vez se cierra la válvula B, pero como se elevó la presión en la cámara de aire, sube también un poco de agua hacia el tanque de almacenamiento aquí arriba, hasta que las presiones se compensen. Tan pronto se abre la válvula A y se cierra la B, el ciclo se vuelve a repetir.
Volví a mirarlos a todos. Estaban callados y pensando. Esperé unos segundos y les dije:
—Vamos a ver de nuevo, despacio. El agua coge velocidad hasta que empuja la válvula A. Como se cierra muy rápido, da un golpe de ariete, abre la válvula B y pasa un poco de agua a la cámara de aire. Como el agua se detiene, se vuelve abrir la válvula A y se cierra la B, y así se repite el ciclo. Como con cada golpe pasa un poco de agua a la cámara de aire, aumenta la presión y sube el agua que contiene hasta ese tanque elevado.
—Es bueno recalcar que aunque el agua penetra dentro de la cámara de aire por golpes, el ciclo es muy rápido, suele durar menos de un segundo, es decir, pueden haber de uno a dos golpes por segundo, y como la cámara de aire funciona como amortiguador de la presión, el chorro en el tanque elevado de almacenamiento puede ser continuo.
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—En el caso de este esquema —continué mientras señalaba hacia la válvula A—, esta válvula tiene su eje en posición vertical y se abre por gravedad.
—¡Fíjense! ¡Vamos a repetir! La válvula A se cierra por la velocidad del agua y en ese momento se produce el golpe de ariete y se abre la válvula B; el agua debajo de la válvula A pasa al estado de reposo y por lo tanto se vuelve a abrir por su propio peso. A la vez, se cierra la válvula B. Todo esto sucede en un segundo o menos.
Con cara de duda Marianita levantó la mano: —Pero si algo entra en la tubería puede trancar las válvulas y parar el ariete.
—¡Muy bien! Esto es solo un esquema. Aquí a la entrada tiene que haber un filtro. Es muy importante tu observación. Otra cosa. Esta válvula A puede estar al final del tubo con su eje horizontal y abrirse con un muelle. En todo caso, tanto el peso como el muelle se deben regular de forma tal que funcione el ariete. Es muy importante regular también el recorrido de la válvula; mientras el recorrido es mayor, bombea más agua por cada golpe, pero da menos golpes por minuto. Hay una cantidad óptima de golpes por minuto para que se bombee la mayor cantidad de agua, pero depende de cada ariete en particular, del caudal y de la altura de bombeo.
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Ariete hidráulico tradicional. Foto de la Exposición
del Centro Integrado de Tecnologías del Agua. |
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—El caudal podemos medirlo en litros por minuto, y su valor es fundamental para conocer el trabajo del ariete. El caudal depende de la cantidad de agua y de la altura de la fuente con relación al ariete. Un ariete puede trabajar con un desnivel pequeño, de unos 200 milímetros, o sea, esta altura —señalé con la mano, poniendo el pulgar hacia abajo y el índice hacia arriba y continué—:
Pero mientras más desnivel, mejor, de esa forma puede ser más pequeño el ariete y por lo tanto más económico para bombear determinada cantidad de agua a la misma altura. ¡Con un desnivel de un metro se puede bombear agua a más de 100 metros!
Oí murmullos y dijo Andrés: —El arroyo de mi finca está a unos 30 metros de la casa, así que no tendré problemas.
—Después vamos a hacer un pequeño cálculo de tu ariete —y continué—:
El agua puede proceder de un embalse, un río, un arroyo o un manantial, pero en todo caso debe ser conducida al ariete por una tubería lo suficientemente fuerte para aguantar el golpe de ariete sin que se reviente. Preferiblemente, debe usarse hierro galvanizado. El diámetro depende del caudal. Pueden verlo en esta tabla —y proseguí—: Fíjense que para caudales de más de 1000 litros por minuto necesitamos tuberías de más de 8 pulgadas, o sea, mayores de 200 milímetros, mientras que para pequeños caudales de 25 o 30 litros por minuto, podemos utilizar tuberías de una pulgada o pulgada y cuarto.
—Antes de comenzar los cálculos de un ejemplo, vamos a hacer un repaso para ver si han comprendido. ¡A ver, Camila! ¿Para qué sirve esta válvula? —y le señalé la válvula A del esquema. Camila se levantó, y muy despacio dijo:
—Cuando el agua se impulsa empuja la válvula A cerrándola, lo que provoca el golpe de ariete. Con este golpe aumenta la presión en la tubería, por lo que se abre la válvula B, lo que hace que disminuya de nuevo la presión, y como el agua está ahora en reposo, se vuelve a abrir la válvula A, por lo que el agua empieza de nuevo a impulsarse, hasta que se repite el ciclo.
—¡Muy bien! —exclamé. Se veía satisfecha, pero más satisfecho se veía Andrés, su padre, que con orgullo sonreía. Miré para todos y dirigiéndome a Raulito le pregunté—: A ver, Raúl, ¿para qué sirve esta válvula B? Raulito se levantó y respondió:
—Ya Camila dijo que cuando se cierra la válvula A, aumenta la presión en la tubería y se abre la válvula B; al abrirse la válvula, pasa un poco de agua hacia la cámara de aire y disminuye el volumen que ocupa el aire, por lo que aumenta la presión en la cámara. Al aumentar la presión empuja el agua hacia arriba por esa tubería y la eleva hacia el tanque aquí arriba. Como aumenta la presión en la cámara de aire y disminuye en la tubería de impulso, se vuelve a cerrar la válvula B hasta que se repite el ciclo. Es bueno aclarar que si esta válvula no existiera, o se mantuviera cerrada, el golpe de ariete pudiera reventar la tubería.
Tabla 1. Diámetro recomendado en función del caudal de agua disponible

—¡Excelente! —exclamé, y ahora el que estaba satisfecho era yo, pues comprobaba que los muchachos entendieron el funcionamiento del ariete y se cumplía el principal objetivo del encuentro. Miré el reloj y todavía teníamos 20 minutos, por lo que proseguí.
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Diferentes tipos de ariete hidráulico. Foto de la Exposición
del Centro Integrado de Tecnologías del Agua. |
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—Vamos ahora a definir lo que es la eficiencia de un ariete hidráulico. ¡Pongan atención! Podemos decir que la eficiencia de un ariete hidráulico está dada por la relación entre la energía del agua bombeada al tanque elevado, llamada también energía útil, y la energía del agua utilizada para que funcione el ariete. Esto pudiera expresarse por esta sencilla fórmula:
Eficiencia = (Caudal elevado x altura de elevación) / (Caudal de alimentación x desnivel de trabajo)
Hice una pausa y continué: —Para terminar, podemos calcular la cantidad de agua bombeada, mediante la formulita siguiente:
Caudal elevado = (Eficiencia x caudal de alimentación x desnivel de trabajo) / Altura de elevación
…donde el caudal elevado y el de alimentación se pueden dar en litros por minuto, y las alturas en metros. La eficiencia de un ariete suele oscilar entre los valores de 0,6 y 0,7. Ahora, por último, vamos a pasar a un ejemplo con los datos que nos va a dar Andrés… ¡A ver, Andrés! Ven para acá y dinos las características de tu arroyo.
Andrés se acerca y dice: —Bueno, el arroyo tiene un buen caudal, pero yo ya le tiré una tubería para coger agua con mayor facilidad cerca de mi casa, y lleno un recipiente de 20 litros en menos de 20 segundos, o sea, que el caudal puede ser de unos 60 litros por minuto. El desnivel desde la toma de agua hasta el punto donde lleno el recipiente puede ser de unos tres metros, aunque la tubería tiene unos 30 metros de largo. La tubería es de pulgada y media, y de hierro galvanizado que es la que tenía. Según lo que he aprendido aquí, creo que me va a servir para el ariete. Para lo que yo quiero, me conformo con tener tres mil litros de agua diarios.
—¿A qué altura con relación al punto donde tomas el agua está tu casa? —le pregunté y contestó—: Mi casa está a unos 25 metros de altura con relación a donde cojo el agua, pero hay un terreno un poco más elevado donde quiero regar, por eso, el tanque de agua lo voy a poner a 30 metros aproximadamente.
—¡Correcto! Ya podemos calcular cuánta agua puedes tener y qué ariete construir o poner —y continué—: los datos son los siguientes:
El caudal de alimentación es de 60 litros por minuto.
El desnivel de trabajo es de 3 metros.
La altura de elevación es de 30 metros.
—Vamos a considerar una eficiencia de 0,66. Entonces, el caudal elevado será de:
Caudal elevado = (0,66 x 60 x 3) / 30 = 4 litros por minuto
—O sea, 240 litros por hora y 5760 litros al día, que es más de lo que necesitas —concluí.
Los miré a todos. Parecían satisfechos y yo también, pues había sido útil el encuentro. Recogimos, nos despedimos hasta la próxima y nos fuimos. Eran las doce del día.
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