SlideShare una empresa de Scribd logo
Física en las Ciencias Forestales
                1.4 Estabilidad del Suelo
                                         Teoría


                              Dr. Willy H. Gerber

                       Instituto de Física,
               Universidad Austral, Valdivia, Chile

                                      02.09.2009




W. Gerber     Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   1 / 55
Estabilidad del Suelo

        Existen dos aspectos claves en lo que es la estabilidad del
        suelo:

            ▶   La Erosión
            ▶   Los Corrimiento de tierra




W. Gerber                Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   2 / 55
La Erosión

        La Erosión puede remover parte de las componentes del Suelo
        reduciendo la Superficie sobre la que se basa el desarrollo
        vegetal. Por ello veremos:

            ▶   Corriente en la Porosidad
            ▶   Mecanismo de Levitación
            ▶   Perfil de Velocidad en Poros
            ▶   Sustentación de Plaquitas
            ▶   Condición de Lavado




W. Gerber               Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   3 / 55
Corriente en la Porosidad I

                                                 La Porosidad permite el
                                                 desplazamiento de Agua creando
                                                 corrientes en el Suelo.
                                                 Dichas corrientes puede arrastra
                                                 consigo las plaquitas de las que
                                                 esta compuesta la Arcilla. Esto
            Flujo por el Suelo                   tanto por su menor masa como
                                                 por su forma mas aerodinámica.
                                                 La remosion de las plaquitas es
                                                 grave ya que reduce en forma
                                                 sustancial la cantidad de
                                                 Superficie que contiene el Suelo
                                                 con lo que se afecta en forma
            Suelo erosionado                     directa la capacidad del Suelo de
             (zonas claras)                      soportar Vida.
W. Gerber             Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   4 / 55
Corriente en la Porosidad II

                                                 El transporte de materiales como
                                                 la Arcilla dependen de la Velocidad
                                                 del Fluido. Esta depende a su vez
                                                 del gradiente de Presión y del nivel
                                                 de compactacion del material. Por
                                                 ello el empobrecimiento del Suelo
                                                 es una función de las
                                                 características de este y de las
                                                 condiciones bajo las cuales fluye
                                                 el Agua por la porosidad existente.
                                                 Para comprender como levitan las
                                                 plaquitas debemos estudiar la
            Flujo por distinta
                                                 corriente que se da en su entorno.
               porosidad

W. Gerber             Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   5 / 55
Mecanismo de Levitación I
                                                   Como vimos en 1.2, la corriente
                                                   en la porosidad es laminar por lo
                                                   que podemos representarlas como
                                                   Laminas en su entorno. Es
                                                   importante hacer notar que en la
                                                   parte superior de la Plaquita se
                                                   tiende a formar un canal algo mas
                                                   estrecho que en la parte inferior.
                                                   Por la ecuación de continuidad
                                                   que vimos en 1.2

            Perfil de un Cuerpo en la                                   JV = S = cte                   (1)
                    corriente
                                                   vemos que al enangostarse la
                                                   velocidad del fluido aumenta.

W. Gerber               Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   6 / 55
Mecanismo de Levitación II
                                                Esto lleva según la Ecuación de
                                                Bernoulli
                                                                     2
                                                                         + g h + p = cte           (2)
                                                                 2
                                                donde
                                                          Densidad del Liquido [M/L3 ]
                                                          Velocidad del Liquido [L/T]
                                                   g      Aceleración gravitacional [L/T 2 ]
                                                   h      Profundidad [L]
                                                   p      Presión [M/LT 2 ]
                                                a una diferencia de Presión entre
            Daniel Bernoulli                    ambas corrientes. La derivación
             (1700-1782)                        de la Ecuación se encuentra en el
                                                Anexo.
W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   7 / 55
Mecanismo de Levitación III
                                                  Si suponemos un alto de la lamina
                                                  inferior de d1 y de la superior d2
                                                  tendremos que en un largo L las
                                                  velocidades de la corriente inferior
                                                    1 y superior 2 satisfacen por la
                                                  Ecuación de Continuidad

                                                                      d1 L    1   = d2 L        2            (3)

                                                  Por ello, la diferencia de
                                                  Velocidades generara, según la
                 Diferencia de                    ecuación de Bernoulli, una
            Velocidades que genera                diferencia de Presión
             diferencia de Presión                                                          2           2
                                                                                            1           2
                                                        Δp = p2 − p1 =                          −            (4)
                                                                                        2           2
W. Gerber              Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría           02.09.2009   8 / 55
Mecanismo de Levitación IV
                                                  Con ello actuara sobre la Plaquita
                                                  la Fuerza

                                                                      F = ΔpS                     (5)

                                                  que, si supera su Peso mg, puede
                                                  ser arrastrada por la corriente.
                                                  Con ello la Condición de
                                                  Sustentación seria

                                                                     ΔpS > mg                     (6)

                                                 Para calcular la diferencia de
                                                 Presión, y determinar si la Plaquita
          Sedimentos arrastrados                 puede flotar, debemos estudiar la
             por la Corriente                    diferencia de Velocidad que se
W. Gerber
                                                 puede dar.
                      Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009   9 / 55
Mecanismo de Levitación V
                                                   Nota:
                                                   Es frecuente escuchar como se
                                                   describe la forma de volar de
                                                   Aviones empleando la idea de que
                                                   existe una diferencia de presione
                                                   entre la parte superior e inferior de
                                                   las alas. Esto es solo en parte
                                                   correcto pues en el caso de
             Ala de un Avión: por                  aviones se crean turbulencias y la
            turbulencias no aplica                 Ecuación de Bernoulli no es
                   Bernoulli                       valida.




W. Gerber               Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   10 / 55
Perfil de Velocidad en Poros I
                                                  En el Capitulo 1.2 se estudio el
                                                  flujo por Poros tal como lo planteo
                                                  Jean Louis Poiseuille llegando a la
                                                  Ecuación de flujo

                                                                                     R4 Δp
                                                                     JV = −                            (7)
                                                                                    8 ΔL

                                                  donde
                                                     JV        Flujo [L3 /T]
                                                     Δp        Variación de Presión [M/LT 2 ]
                                                     ΔL        Largo del Capilar [L]
            Jean Louis Poiseuille                    R         Radio del Capilar [L]
                (1799-1869)                                    Viscosidad del Liquido [M/LT]


W. Gerber              Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   11 / 55
Perfil de Velocidad en Poros II
                                                    En el Anexo del Capitulo 1.2 se
                                                    derivo la Ecuación que describe el
                                                    Perfil de Velocidad en función del
                                                    Radio r en el torrente
                                                                                                  r2
                                                                   (r) =        max      1−                   (8)
                                                                                                  R2

                                                    donde
                                                                                 R2 Δp   2JV
                                                                  max    =−            =                      (9)
                                                                                 4 ΔL     R2

                                                    En otras Palabras, el flujo tiene un
            Perfil de Velocidad en el                máximo de su Velocidad en el
                    Capilar                         Centro del Caudal y llega a estar
                                                    en Reposo en el Borde.
W. Gerber                Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría        02.09.2009   12 / 55
Sustentación de Plaquitas I
                                                  Si deseamos calcular la diferencia
                                                  de Presión entre la parte superior
                                                  e inferior de la Plaquita, tendremos
                                                  que evaluar (4) dentro del Perfil de
                                                  Velocidades (8). Si consideramos
                                                  que la Plaquita tiene la Altura h
                                                  tendremos en un Radio r que la
                                                  Diferencia de Presión sera

                                                           Δp =           ( (r)2 − (r + h)2 )
                                                                      2
                                                  Con el Perfil de la Velocidad (8) se
                                                  obtiene
            Gradiente de Velocidad
             por efecto del Perfil                                           2
                                                                            max       2rh  h2
                                                            Δp =                          − 2
                                                                           2          R2   R
W. Gerber              Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   13 / 55
Sustentación de Plaquitas II
                                             Si se supone que las Plaquitas son
                                             mucho mas delgadas de lo que es
                                             el Capilar (h ≪ R) el segundo
                                             termino de ecuación anterior se
                                             puede despreciar frente al primero
                                             y la diferencia de Presión es

                                                                                2     rh
                                                                 Δp =           max             (10)
                                                                                      R2
                                             que es máximo en el Borde de
                                             Capilar y nulo en el centro del
                                             Caudal. Por otro lado, la Masa de
                                             una Plaquita de canto l, altura h y
                                             Densidad s es
                                                                                    2
                                                                     m=         s hl            (11)
W. Gerber         Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   14 / 55
Sustentación de Plaquitas III
                                             Si reemplazamos en Ecuación
                                             para el limite (6) la Variación de
                                             Presión por (10), la Masa de la
                                             Plaquita por(11) y la Superficie S
                                             por aquella de la Plaquita l2 , se
                                             obtiene la condición de
                                             Sustentación
                                                                               2        r
                                                                  sg   <     w max               (12)
                                                                                       R2
                                             o reemplazando la Velocidad
                                             máxima de (9)

                                                                             rR2 Δp2
                                                                sg <       w 2 2                 (13)
                                                                            4    ΔL2

W. Gerber         Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría    02.09.2009   15 / 55
Condición de Lavado I
                                                    La Condición (13) nos indica bajo
                                                    que Situación el Suelo puede
                                                    perder su contenido de Plaquitas.
                                                    Al depender la Condición de la
                                                    Posición r en el Caudal, la
                                                    Sustentación puede existir en un
                                                    rango mientras que en otro no. En
                                                    particular se tendrá que para r
                                                    grandes puede existir
                                                    Sustentación mientras que no se
                                                    da cercano al eje del Capilar. Por
            Radio critico que separa                ello existe un radio critico que se
             la Zona con de la sin                  obtiene despejando (13) en r
                   levitación
                                                                             42 2 g        sΔL2
                                                                    rc =                               (14)
                                                                              R2          w Δp
                                                                                              2
W. Gerber                Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   16 / 55
Condición de Lavado II


                                                 Para Radios inferiores a este
                                                 Valor, la Sustentación no es
                                                 suficiente, lo que significa que no
                                                 encontraremos Plaquitas en la
                                                 mitad del Caudal. Sin embargo
                                                 para Radios superiores al Valor
                                                 critico, la Sustentación es
                                                 suficiente, lo que significa que las
                                                 Plaquitas se desplazaran por el
                                                 borde/fondo del Capilar. Esto
                                                 también significa que si no se
                                                 cumple la condición para ningún
                                                 Radio r no existirá transporte.
            Zona con sedimentos
W. Gerber             Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   17 / 55
Condición de Lavado III

                                             Si evaluamos la Condición (13)
                                             para el Radio del Capilar (r = R)
                                             podemos despejar en Δp/ΔL con
                                             lo que se obtiene el limite del
                                             gradiente de Presión sobre el cual
                                             comenzara a removerse las
                                             Plaquitas:

                                                          Δp                          sg
                                                                       =4                3
                                                                                                  (15)
                                                          ΔL       c                  wR

                                             Si el gradiente de Presión es
                                             inferior a este Valor critico no
                                             existirá remosion de Plaquitas.


W. Gerber         Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría     02.09.2009   18 / 55
Corrimiento de Tierra

        Otro problema que se puede dar es que Taludes de Suelo se
        corran. Para comprender los mecanismos asociados veremos:

            ▶   La Inestabilidad del Suelo
            ▶   El mecanismo de Deslizamiento
            ▶   El Talud
            ▶   La Masa del Talud
            ▶   Fuerzas Gravitacionales
            ▶   Fuerzas Hidrostaticas del Zocalo
            ▶   Fuerzas Hidrostaticas del Plano
            ▶   Condición de Inestabilidad



W. Gerber                  Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   19 / 55
La Inestabilidad del Suelo


                                             Existen distintos tipos de
                                             corrimientos según sea el
                                             mecanismo asociado:
                                                  ▶   Deslizamientos - movimiento
                                                      de masas compactas relativas
                                                      a una zona estable
                                                  ▶   Flujo de arcilla y Licuefacción
                                                      (flujo de limo + sismo)-
                                                      comportamiento tipo fluido de
                                                      zonas saturadas con Agua.




W. Gerber         Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   20 / 55
El Mecanismo de Deslizamiento I
                                                 Si un Cuerpo se encuentra sobre
                                                 una Superficie y lo tratamos de
                 FN                              jalar con una Fuerza de Tracción
                                                 FT se opondrá el roce

                                                                         FR = FN                    (16)
            FT                  FR               que es proporcional a la Fuerza
                                                 normal. Solo si la Fuerza de
                                                 Tracción supera la Fuerza de Roce

                                                                    FT > FR = FN                    (17)

                                                 el Cuerpo se pondrá en
                                                 Movimiento.

W. Gerber             Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   21 / 55
El Mecanismo de Deslizamiento II
                                            Si consideramos la misma
                                            situación en el Plano inclinado, el
                                            Peso del Cuerpo mg genera tanto
                                            la Fuerza Normal como la de
                                            Tracción. Si calculamos la
                m                           proyección del Peso mg en la
                                            Dirección paralela al Plano de
                                            deslizamiento se tiene que la
                                            Fuerza de Tracción es
                mg
                                                                 FT = mg sin                   (18)

                                            y en la dirección perpendicular la
                                            Fuerza Normal

                                                                FN = mg cos                    (19)
W. Gerber        Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   22 / 55
El Mecanismo de Deslizamiento III
                                                 La condición de que la Fuerza de
                                                 Tracción sea mayor a la de Roce
                                                 lleva a la ecuación

                                                                mg sin > mg cos
             mg cos       mg sin
                                                 o
                                                                     sin >            cos
                 mg
                                                 Esta Ecuación se puede emplear
                                                 para medir el Coeficiente de Roce
                                                 ya que en el Angulo en que se
                                                 comienza a deslizar se tendrá que

                                                                              = tan                 (20)


W. Gerber             Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   23 / 55
El Talud I


                                      L               En primera aproximación un
                                                      Talud se vuelve inestable en
                                                      bloque es decir una sección
                                                      completa de un largo L se
                                          S           desliza. Por ello lo podemos
                                                      describir como un sistema
                                                      bi-dimensional, es decir se
                                                      trabaja con Fuerzas por Largo
                                                      L.




W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   24 / 55
El Talud II
                                                         Consideremos una sección de:

                h cot                     z                  ▶    Altura h,
                                                             ▶    Profundidad del Agua z,
                                                             ▶    Declive           y
            h                                                ▶    Angulo de plano de
                                                                  deslizamiento de
                                 d tan
                                                         Para calcular la Masa del Talud
                        d                                debemos calcular el Área de
                                                         este.




W. Gerber               Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   25 / 55
La Masa del Talud I


                h cot                      z
                                                         El Área se calcula restando del
                                                         rectángulo de base d y altura h
            h
                                                         los triángulos rojo (altura h y
                                                         base h cot ) y el triangulo
                                   d tan                 verde (altura d tan y base d).

                          d




W. Gerber               Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   26 / 55
La Masa del Talud II

        El Área del Rectángulo es simplemente

                                                     hd

        El Área del Triangulo superior es igual a
                                                1 2
                                                  h cot
                                                2
        y del Triangulo inferior
                                                1 2
                                                  d tan
                                                2
        Con lo que el Área total del Talud es
                                    1                          1
                            S = hd − h2 cot                   − d2 tan                              (21)
                                    2                          2

W. Gerber             Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   27 / 55
La Masa del Talud III

        Para obtener el Área del Triangulo que esta saturado basta
        reemplazar h por h − z con lo que se obtiene
                                  1                                        1
                   S′ = (h − z)d − (h − z)2 cot                           − d2 tan                  (22)
                                  2                                        2
        Con ello la Masa, si f es la Porosidad,                       s   es la Densidad del
        Solido y w la del Agua, es
                                                                            ′
                                M=         s LS(1 −       f) +       w LS       f                   (23)

        Con ello se puede definir una Masa por Largo
                                      M                                             ′
                             Λ≡         =         s S(1    − f) +         wS            f           (24)
                                      L


W. Gerber             Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   28 / 55
Fuerzas Gravitacionales
                                            Una de las principales Fuerzas
                                            que actúa sobre el Talud es la
                                            Fuerza Gravitacional.

                                                                     F = ΛLg                   (25)

                   F∥                       Al igual que en el Plano inclinado
                                            esta genera una Fuerza de
                             F⊥             Tracción igual a

                                                                F∥ = ΛLg sin                   (26)

                                            donde ΛL es la Masa. La Fuerza
                                            Normal es en forma análoga

                                                               F⊥ = ΛLg cos                    (27)

W. Gerber        Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   29 / 55
Fuerzas Hidrostatica del Zócalo I
                                             El Agua que esta hasta la Altura z′
                                             genera Presión Hidrostatica que
                                             en la base del Zócalo llega a w gz′ .
                                             Si se considera una Presión media
                                             sobre la Superficie z′ L en que
                             Fh1 ∥           actúa la Presión hidrostatica se
                                             tendrá una Fuerza horizontal igual
                                             a
                  Fh1 ⊥
                                                      1
                                                          w g(h    − z − d tan )2 L             (28)
                                                      2
                                             Si se descompone la Fuerza en la
                                             Contribución a la Tracción
                                                           1
                                              Fh1 ∥ =           w g(h    − z − d tan )2 L cos
                                                           2
W. Gerber         Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría
                                                                                                (29)
                                                                                           02.09.2009   30 / 55
Fuerzas Hidrostatica del Zocal II
                                             La Contribución Normal es en este
                                             caso
                                                               1
                                             Fh1 ⊥ = −              w g(h−z−d tan          )2 L sin
                             Fh1 ∥                             2
                                                                           (30)
                                             donde el signo negativo nos
                   Fh1 ⊥                     señala que reduce la componente
                                             Normal de la Fuerza Gravitacional.
                                             En ese sentido las Fuerzas en el
                                             Zócalo aceleran el deslizamiento
                                             pues aumentan la Fuerza de
                                             Tracción y reducen la Fuerza
                                             Normal con lo que reducen el
                                             Roce.


W. Gerber         Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   31 / 55
Fuerzas Hidrostatica del Plano I
                                             En el Plano de deslizamiento la
                                             Presión Hidrostatica reduce la
                                             Fuerza Normal y aminora el roce.
                                             El plano mismo tiene un área de
                                             Ld/ cos y la Presión varia de
                                              w g(h − z − d tan ) en la parte
                Fh2 ⊥                        superior hasta w g(h − z) en la
                                             Parte inferior. Por ello la Fuerza
                                             media en el Plano de
                                             Deslizamiento sera de
                                                                       1
                                                        wg      h − z − d tan                   (31)
                                                                       2




W. Gerber         Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   32 / 55
Fuerzas Hidrostatica del Plano II

                                             Con ello tenemos una segunda
                                             Fuerza Hidrostatica
                                                                                1                 Ld
                                             Fh2 ⊥ = −           wg      h − z − d tan
                                                                                2                cos
                Fh2 ⊥                                                                           (32)
                                             donde nuevamente el signo
                                             negativo nos indica que esta
                                             fuerza reduce la Fuerza normal y
                                             con ello el roce.




W. Gerber         Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   33 / 55
Condición de Inestabilidad

        Si se suman todas las contribuciones a la Fuerza de Tracción y
        Fuerzas Normales se obtiene la Ecuación que describe la
        Inestabilidad

                           F∥ + Fh1 ∥ > (F⊥ + Fh1 ⊥ + Fh2 ⊥ )                                         (33)

        o con las expresiones de las fuerzas
                                1                    2
                        Λ sin +    w (h − z − d tan ) cos >
                                2
                   1                                       1                                          d
            Λ cos − w (h − z − d tan )2 sin − w h − z − d tan
                   2                                       2                                        cos
                                                                                                     (34)
        Esta es una Ecuación análoga al caso simple del Plano
        inclinado con una masa que se comienza a deslizar al alcanzar
        un Angulo. En este caso el Quiebre y deslizamiento se dará
        por aquel y d que existan tal que se cumpla la Ecuación.
W. Gerber               Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   34 / 55
Aplicaciones

            ▶   Ecuación de Bernoulli
            ▶   Perfil de Flujo
            ▶   Presion en el Caudal
            ▶   Valores Criticos
            ▶   Plano Inclinado
            ▶   Superficies
            ▶   Fuerza Gravitacional
            ▶   Fuerzas Hidrostaticas
            ▶   Condiciones de Inestabilidad




W. Gerber                Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   35 / 55
Ecuación de Bernoulli I

        Para aplicar la Ecuación de Bernoulli se debe determinar la
        Constante. Esta tiene un valor fijo en cada Sistema. Para el
        caso en que en un sector no tenemos desplazamiento ( = 0) y
        solo existe la Presión atmosférica p0 = 105 Pa la constante sera

                                       rho     2
                                                   + p = cte = 0 + p0
                                         2
        Con ello podemos calcular para cualquier punto la Presión si
        conocemos la Velocidad o viceversa. Si por ejemplo la
        Velocidad fuera = 5, 2 m/s y la Densidad = 1, 27 kg/m3 la
        Presión seria:
                        2          1
            p = p0 −     = 105 Pa − 1,27 kg/m3 (5,2 m/s)2 = 9, 99 × 104 Pa
                       2           2

W. Gerber                   Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   36 / 55
Ecuación de Bernoulli II

        En otras palabras la diferencia de Presión con Zonas en que no
        existe Velocidad es de
                                                        2
                                p0 − p =                    = 17,17 Pa
                                                    2
        El mismo Concepto lo emplean constructores de Aviones para
        medir la Velocidad en vuelo. Se mide la Presión, compara con
        la Presión en el ambiente (información meteorológica) y se
        calcula la Velocidad. A modo de ejemplo, si el instrumento
        registra una caída de la Presión de Δp = 2,3 × 104 Pa la
        velocidad del Avión seria

                                2Δp
                      =                  = 190,3 m/s = 685,1 km/hr


W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   37 / 55
Perfil de Flujo I

        Si un Capilar de Radio R = 200 m de Largo ΔL = 10 cm el que
        esta expuesto a una diferencia de Presión de Δp = 10+4 fluye
        Agua de Viscosidad = 8,9 × 10−4 el flujo sera de

                                         R4 Δp
                             JV =              = 7,05 × 10−8
                                        8 ΔL

        La Velocidad máxima en el Centro del Capilar sera de
                                              2JV
                               vm ax =            = 1,124 m3 /s
                                               R2




W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   38 / 55
Presión en el Caudal

        Si la Densidad del Agua es de w = 1 g/cm3 y una Plaquita de
        Arcilla tiene una Altura de h = 10−6 y esta en el Borde del
        Capilar antes descrito, estará expuesta a una diferencia de
        Presión de
                                           h
                             Δp = w v2 max   = 6,31 Pa
                                           R
        Si el ancho y largo de la Plaquita es de l = 20 m la Fuerza que
        genera esta Presión es de
                                F = Δpl2 = 4,0 × 10−6 N
        Si su Densidad es de s = 2,8 g/cm3 y la Aceleración
        Gravitacional es g = 9,8 m/s2 el peso sera
                           Fg =            2
                                       s hl g    = 1,098 × 10−11 N
        que es menor a la Fuerza de Sustentación generada por la
        Corriente.
W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   39 / 55
Valores Críticos

        Para el torrente descrito el Radio critico es de
                         42 2 g s ΔL2
                 rc =                 = 8,69 × 10−7 m = 0,869 m
                          R2 w Δp2

        lo que significa que existirá levitación para todas las Plaquitas
        que se encuentren en Radios entre este valor y el Radio del
        Capilar. Por otro lado el gradiente de Presión critico es

                            Δp                       sg
                               =4                      3
                                                            = 6593,2 Pa/m
                            ΔL                      wR

        o sea con un Gradiente menor a este valor no existirá
        transporte.



W. Gerber               Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   40 / 55
Plano Inclinado

        Si en un Plano inclinado un Objeto se comienza a deslizar al
        alcanzar una pendiente de = 32∘ el Coeficiente de Roce sera
        de
                                 = tan( ) = 0,625
        Si el cuerpo tiene la Masa m = 120 g la Fuerza de Tracción sera
        igual a
                             FT = mg sin( ) = 0,623 N
        mientras que la Fuerza Normal sera de

                               FN = mg cos( ) = 0,997 N




W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   41 / 55
Superficies

        En un Talud de Altura h = 30 m y declive = 27∘ se comienza a
        formar un Plano de Deslizamiento con un Angulo = 12∘ y un
        Zócalo a una Distancia d = 70 m del Pie de la Masa de Suelo.
        El Área del Talud es de
                           1                        1
                   S = hd − h2 cot                 − d2 tan = 696,1 m2
                           2                        2

        Si el Agua se encuentra a una Profundidad de z = 2 m el Área
        de la Zona Saturada es de
                             1                                  1
              S′ = (h − z)d − (h − z)2 cot                     − d2 tan = 669,9 m
                             2                                  2




W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   42 / 55
Fuerza Gravitacional

        Si la Porosidad es de f = 0,3, la Densidad del Solido
                     3                                   3
         s = 2,8 g/cm , la Densidad del Agua w = 1 g/cm y el Ancho
        del Talud L = 10 m, la Masa sera
                                                             ′
                   M=       s LS(1 −       f) +       w LS       f = 1,57 × 107 kg
        y la Masa por Largo
                     M
                 Λ≡      = s S(1 − f ) + w S′ f = 1,57 × 106 kg/m
                      L
        La Fuerza de Tracción por Largo generada por la Gravitación
        es de
                        F∥
                           = Λg sin = 3,19 × 10+6 N/m
                         L
        mientras que la Fuerza Normal por Largo del mismo Origen
                        F⊥
                           = Λg cos = 1,50 × 10+7 N/m
                         L
W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   43 / 55
Fuerzas Hidrostatica

        La Fuerza de Tracción por Largo generada por el Agua en el
        Zócalo es de
              Fh1 ∥   1
                    =     w g(h     − z − d tan )2 cos = 8,25 × 10+5 N/m
               L      2
        mientras que la Fuerza Normal por Largo del mismo Origen es
            Fh1 ⊥    1
                  =−        w g(h   − z − d tan )2 sin = −1,75 × 10+5 N/m
             L       2
        La Fuerza Normal por Largo debido a la Presión en el Plano de
        Deslizamiento es
            Fh2 ⊥                     1                          d
                  =−   wg      h − z − d tan                             = −1,44 × 10+7 N/m
             L                        2                        cos


W. Gerber              Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   44 / 55
Condición de Inestabilidad

        La Suma de las Fuerzas que generan Tracción por Largo es de
                      FT   F∥ Fh1 ∥
                         =   +      = 4,01 × 10+6 N/m
                      L    L   L
        mientras que las Fuerzas Normales por Largo son
                  TN   F⊥ Fh1 ⊥ Fh2 ⊥
                     =    +    +      = 4,08 × 10+5 N/m
                   L    L   L    L
        Como el Talud se vuelve inestable con

                                             FT > FN

        resulta que el Coeficiente de Roce necesario para evitar el
        Deslizamiento debe ser

                                                   ≥ 9,8

W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   45 / 55
Anexos


            ▶   Ecuación de Bernoulli
            ▶   Unidades
            ▶   Conversiones
            ▶   Bibliografia
            ▶   Contacto




W. Gerber                  Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   46 / 55
Ecuación de Bernoulli I

        A continuación se deriva la Ecuación de Bernoulli para el caso
        que se desprecian efectos Viscosidad, Compresibilidad y
        Temperatura.
        Si se considera una Sección de ancho dx, Sección S y
        Densidad su Masa sera

                                               m = Sdx                                              (35)

        Si la Velocidad del flujo es
                                                         dx
                                                    =                                               (36)
                                                         dt
        la Ecuación de Movimiento de la Masa sera
                                         d        d
                                     m      = Sdx    =F                                             (37)
                                         dt       dt
W. Gerber             Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   47 / 55
Ecuación de Bernoulli II

        Con F la Fuerza originada por la diferencia de Presión dp a lo
        largo del ancho dx
                                             dp
                                   F = −Sdp = −Sdx              (38)
                                             dx
        Introduciendo esta Ecuación en la Ecuación de Movimiento se
        obtiene
                                   d      dp
                                       =−                       (39)
                                    dt    dx
        Dado que
                        d    d dx      d      d    2
                           =         =     =                    (40)
                        dt    dx dt    dx     dx 2
        La Ecuación de Movimiento se puede reescribir como
                                      d            2
                                                       +p        =0                                (41)
                                      dx          2
W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   48 / 55
Ecuación de Bernoulli III

        o
                                               2
                                     + p = cte                      (42)
                                   2
        Si se descompone la total Presión en una componente
        hidroestatica gh y la Presión externa p0 se obtiene la ley de
        Bernoulli:
                                        2
                                 + gh + p0 = cte                 (43)
                              2
        Empleando un Argumento de Conservación de Energía se
        logra demostrar que esta Ecuación es también valida para
        fluidos compresibles.




W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   49 / 55
Unidades

            Simbolo   Tipo                 Ejemplos
            L         Largo                m, cm, mm, m
            T         Tiempo               s, min, hrs
            M         Masa                 kg
            %         Porcentaje           −


            Simbolo   Tipo                           Ejemplos
            L2        Área, Superficie                m2 , cm2
            L3        Volumen                        m3 , cm3
            M/L3      Densidad                       kg/m3 , g/cm3




W. Gerber               Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   50 / 55
Conversiones I

            1 m    = 10−6 m         1 nm            = 10−9 m                  1 nm3             = 10−9 m3
            1 mm   = 10−3 m         1 nm2           = 10−18 m2                1 m3              = 10−18 m
            1 cm   = 10−2 m         1 m             = 10−12 m                 1 mm3             = 10−9 m3
            1m     = 10+2 cm        1 mm2           = 10−6 m2                 1 cm3             = 10−6 m3
            1m     = 10+3 mm        1 cm2           = 10−4 m2                 1 m3              = 10+6 cm3
            1m     = 10+6 m         1 m2            = 10+4 cm2                1 m3              = 10+9 mm3
            1m     = 10+9 nm        1 m2            = 10+6 mm2                1 m3              = 10+18 m3
                                    1 m2            = 10+12 m2                1 m3              = 10+27 nm3
                                    1 m2            = 10+18 nm2               1lt               = 10−3 m3
                                    1ha             = 10+4 m2                 1m3               = 10+3 lt
                                    1m2             = 10−4 ha




W. Gerber              Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría       02.09.2009   51 / 55
Conversiones II

            1 g/cm3   = 10+3 kg/m3
            1 kg/m3   = 10−3 g/cm3




W. Gerber               Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   52 / 55
Bibliografia I

        Textos recomendados. En caso de links a Google Books se
        trata de un acceso gratuito a una versión incompleta del libro.
        Adicionalmente se indican libros disponibles en la Biblioteca
        UACH y/o en la Interna
            T. Miyazaki, Water Flow in Soils, Taylor Francis, 2006,
            INSB-13: 978-0-8247-5325-2 Soil Properties for plant
            growth, A. Hewitt, Landcare Research Science Series No.
            26, Manaaki Whenua Press, 2004
                                                ´
            → Código Biblioteca Interna 631.432-dc22
            Soil Physics, T.J. Marshall, J.W. Holmes, C.W. Rose,
            Cambridge University Press, May 1996, ISBN-13:
            978-0-5214-5766-8
            → Leer en Google Books

W. Gerber             Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   53 / 55
Bibliografia II

            Principles of Soil Physics, R. Lal, M.K. Shukla, Taylor
            Francis, Inc., May 2004, ISBN-13: 978-0-8247-5324-5
            → Leer en Google Books
            Soil Physics Companion, A.W. Warrick (Editor), CRC
            Press, December 2001, ISBN-13: 978-0-8493-0837-6
            → Leer en Google Books
            → Código Biblioteca Interna 631.4-3dc21
            Soil Physics, R. Horton, W.A. Jury, Wiley, John Sons, Inc.,
            March 2004, ISBN-13: 978-0-4710-5965-3
            → Leer en Google Books




W. Gerber            Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   54 / 55
Contacto


                                  Dr. Willy H. Gerber
                                  wgerber@gphysics.net

                                  Instituto de Física
                                  Universidad Austral de Chile
                                  Campus Isla Teja
                                  Valdivia, Chile
                                  +(56) 63 221125



                             Set del Curso:
             http://www.gphysics.net/physics-in-forestry-uach


W. Gerber          Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría   02.09.2009   55 / 55

Más contenido relacionado

Más de Willy H. Gerber

UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 2 Translacion Teoria
UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 2 Translacion TeoriaUACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 2 Translacion Teoria
UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 2 Translacion Teoria
Willy H. Gerber
 
UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 1 Modelando Teoria
UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 1 Modelando TeoriaUACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 1 Modelando Teoria
UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 1 Modelando Teoria
Willy H. Gerber
 
UACH Física en la Odontologia 3 3 Resonancia Magnética Nuclear
UACH Física en la Odontologia 3 3 Resonancia Magnética NuclearUACH Física en la Odontologia 3 3 Resonancia Magnética Nuclear
UACH Física en la Odontologia 3 3 Resonancia Magnética Nuclear
Willy H. Gerber
 
UACH Física en la Odontologia 2 6 Propiedades De Ceramicas Y Composits
UACH Física en la Odontologia 2 6 Propiedades De Ceramicas Y CompositsUACH Física en la Odontologia 2 6 Propiedades De Ceramicas Y Composits
UACH Física en la Odontologia 2 6 Propiedades De Ceramicas Y Composits
Willy H. Gerber
 
UACH Física en la Odontologia 3 2 Ultrasonido
UACH Física en la Odontologia 3 2 UltrasonidoUACH Física en la Odontologia 3 2 Ultrasonido
UACH Física en la Odontologia 3 2 Ultrasonido
Willy H. Gerber
 
UFRO Master Fisica Medica 5 5 Visualizadores
UFRO Master Fisica Medica 5 5 VisualizadoresUFRO Master Fisica Medica 5 5 Visualizadores
UFRO Master Fisica Medica 5 5 Visualizadores
Willy H. Gerber
 
UFRO Master Fisica Medica 5 4 Compilado Y Ejecucion
UFRO Master Fisica Medica 5 4 Compilado Y EjecucionUFRO Master Fisica Medica 5 4 Compilado Y Ejecucion
UFRO Master Fisica Medica 5 4 Compilado Y Ejecucion
Willy H. Gerber
 
UFRO Master Fisica Medica 5 3 Geant4
UFRO Master Fisica Medica 5 3 Geant4UFRO Master Fisica Medica 5 3 Geant4
UFRO Master Fisica Medica 5 3 Geant4
Willy H. Gerber
 
UFRO Master Fisica Medica 5 2 Programando C
UFRO Master Fisica Medica 5 2 Programando CUFRO Master Fisica Medica 5 2 Programando C
UFRO Master Fisica Medica 5 2 Programando C
Willy H. Gerber
 
UFRO Master Fisica Medica 5 1 Conceptos
UFRO Master Fisica Medica 5 1 ConceptosUFRO Master Fisica Medica 5 1 Conceptos
UFRO Master Fisica Medica 5 1 Conceptos
Willy H. Gerber
 
UACH Fisica en la Odontologia 2 5 Propiedades de Aleaciones
UACH Fisica en la Odontologia 2 5 Propiedades de AleacionesUACH Fisica en la Odontologia 2 5 Propiedades de Aleaciones
UACH Fisica en la Odontologia 2 5 Propiedades de Aleaciones
Willy H. Gerber
 
UFRO Fisica En La Medicina 2009
UFRO Fisica En La Medicina 2009UFRO Fisica En La Medicina 2009
UFRO Fisica En La Medicina 2009
Willy H. Gerber
 
UACH Bachillerato Lab 13 Efecto Magnus
UACH Bachillerato Lab 13 Efecto MagnusUACH Bachillerato Lab 13 Efecto Magnus
UACH Bachillerato Lab 13 Efecto Magnus
Willy H. Gerber
 
UACH Bachillerato Lab 12 Termodinamica
UACH Bachillerato Lab 12 TermodinamicaUACH Bachillerato Lab 12 Termodinamica
UACH Bachillerato Lab 12 Termodinamica
Willy H. Gerber
 
UFRO Master Fisica Medica 4 1 Introduccion
UFRO Master Fisica Medica 4 1 IntroduccionUFRO Master Fisica Medica 4 1 Introduccion
UFRO Master Fisica Medica 4 1 Introduccion
Willy H. Gerber
 
UFRO Master Fisica Medica 4 2 Modelos
UFRO Master Fisica Medica 4 2 ModelosUFRO Master Fisica Medica 4 2 Modelos
UFRO Master Fisica Medica 4 2 Modelos
Willy H. Gerber
 
UACH Bachillerato Lab 11 Hidrodinamica
UACH Bachillerato Lab 11 HidrodinamicaUACH Bachillerato Lab 11 Hidrodinamica
UACH Bachillerato Lab 11 Hidrodinamica
Willy H. Gerber
 
Fisica Aplicada
Fisica AplicadaFisica Aplicada
Fisica Aplicada
Willy H. Gerber
 
UACH Bachillerato Lab 10; Hidrostatica
UACH Bachillerato Lab 10; HidrostaticaUACH Bachillerato Lab 10; Hidrostatica
UACH Bachillerato Lab 10; Hidrostatica
Willy H. Gerber
 
UACH Bachillerato, Lab 8: Rotación y Conservación de Energia
UACH Bachillerato, Lab 8: Rotación y Conservación de EnergiaUACH Bachillerato, Lab 8: Rotación y Conservación de Energia
UACH Bachillerato, Lab 8: Rotación y Conservación de Energia
Willy H. Gerber
 

Más de Willy H. Gerber (20)

UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 2 Translacion Teoria
UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 2 Translacion TeoriaUACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 2 Translacion Teoria
UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 2 Translacion Teoria
 
UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 1 Modelando Teoria
UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 1 Modelando TeoriaUACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 1 Modelando Teoria
UACH Fisica En La Terapia Ocupacional 1 1 Modelando Teoria
 
UACH Física en la Odontologia 3 3 Resonancia Magnética Nuclear
UACH Física en la Odontologia 3 3 Resonancia Magnética NuclearUACH Física en la Odontologia 3 3 Resonancia Magnética Nuclear
UACH Física en la Odontologia 3 3 Resonancia Magnética Nuclear
 
UACH Física en la Odontologia 2 6 Propiedades De Ceramicas Y Composits
UACH Física en la Odontologia 2 6 Propiedades De Ceramicas Y CompositsUACH Física en la Odontologia 2 6 Propiedades De Ceramicas Y Composits
UACH Física en la Odontologia 2 6 Propiedades De Ceramicas Y Composits
 
UACH Física en la Odontologia 3 2 Ultrasonido
UACH Física en la Odontologia 3 2 UltrasonidoUACH Física en la Odontologia 3 2 Ultrasonido
UACH Física en la Odontologia 3 2 Ultrasonido
 
UFRO Master Fisica Medica 5 5 Visualizadores
UFRO Master Fisica Medica 5 5 VisualizadoresUFRO Master Fisica Medica 5 5 Visualizadores
UFRO Master Fisica Medica 5 5 Visualizadores
 
UFRO Master Fisica Medica 5 4 Compilado Y Ejecucion
UFRO Master Fisica Medica 5 4 Compilado Y EjecucionUFRO Master Fisica Medica 5 4 Compilado Y Ejecucion
UFRO Master Fisica Medica 5 4 Compilado Y Ejecucion
 
UFRO Master Fisica Medica 5 3 Geant4
UFRO Master Fisica Medica 5 3 Geant4UFRO Master Fisica Medica 5 3 Geant4
UFRO Master Fisica Medica 5 3 Geant4
 
UFRO Master Fisica Medica 5 2 Programando C
UFRO Master Fisica Medica 5 2 Programando CUFRO Master Fisica Medica 5 2 Programando C
UFRO Master Fisica Medica 5 2 Programando C
 
UFRO Master Fisica Medica 5 1 Conceptos
UFRO Master Fisica Medica 5 1 ConceptosUFRO Master Fisica Medica 5 1 Conceptos
UFRO Master Fisica Medica 5 1 Conceptos
 
UACH Fisica en la Odontologia 2 5 Propiedades de Aleaciones
UACH Fisica en la Odontologia 2 5 Propiedades de AleacionesUACH Fisica en la Odontologia 2 5 Propiedades de Aleaciones
UACH Fisica en la Odontologia 2 5 Propiedades de Aleaciones
 
UFRO Fisica En La Medicina 2009
UFRO Fisica En La Medicina 2009UFRO Fisica En La Medicina 2009
UFRO Fisica En La Medicina 2009
 
UACH Bachillerato Lab 13 Efecto Magnus
UACH Bachillerato Lab 13 Efecto MagnusUACH Bachillerato Lab 13 Efecto Magnus
UACH Bachillerato Lab 13 Efecto Magnus
 
UACH Bachillerato Lab 12 Termodinamica
UACH Bachillerato Lab 12 TermodinamicaUACH Bachillerato Lab 12 Termodinamica
UACH Bachillerato Lab 12 Termodinamica
 
UFRO Master Fisica Medica 4 1 Introduccion
UFRO Master Fisica Medica 4 1 IntroduccionUFRO Master Fisica Medica 4 1 Introduccion
UFRO Master Fisica Medica 4 1 Introduccion
 
UFRO Master Fisica Medica 4 2 Modelos
UFRO Master Fisica Medica 4 2 ModelosUFRO Master Fisica Medica 4 2 Modelos
UFRO Master Fisica Medica 4 2 Modelos
 
UACH Bachillerato Lab 11 Hidrodinamica
UACH Bachillerato Lab 11 HidrodinamicaUACH Bachillerato Lab 11 Hidrodinamica
UACH Bachillerato Lab 11 Hidrodinamica
 
Fisica Aplicada
Fisica AplicadaFisica Aplicada
Fisica Aplicada
 
UACH Bachillerato Lab 10; Hidrostatica
UACH Bachillerato Lab 10; HidrostaticaUACH Bachillerato Lab 10; Hidrostatica
UACH Bachillerato Lab 10; Hidrostatica
 
UACH Bachillerato, Lab 8: Rotación y Conservación de Energia
UACH Bachillerato, Lab 8: Rotación y Conservación de EnergiaUACH Bachillerato, Lab 8: Rotación y Conservación de Energia
UACH Bachillerato, Lab 8: Rotación y Conservación de Energia
 

Último

Camus, Albert - El Extranjero.pdf
Camus, Albert -        El Extranjero.pdfCamus, Albert -        El Extranjero.pdf
Camus, Albert - El Extranjero.pdf
AlexDeLonghi
 
Mi Comunidad En El Sector Monterrey-Poste Blanco
Mi Comunidad En El Sector Monterrey-Poste BlancoMi Comunidad En El Sector Monterrey-Poste Blanco
Mi Comunidad En El Sector Monterrey-Poste Blanco
Ruth Noemí Soto Villegas
 
Clase Prensencial, Actividad 2.pdf.......
Clase Prensencial, Actividad 2.pdf.......Clase Prensencial, Actividad 2.pdf.......
Clase Prensencial, Actividad 2.pdf.......
LuanaJaime1
 
Presentación de proyecto en acuarela moderna verde.pdf
Presentación de proyecto en acuarela moderna verde.pdfPresentación de proyecto en acuarela moderna verde.pdf
Presentación de proyecto en acuarela moderna verde.pdf
LuanaJaime1
 
Manual de procedimiento para gráficos HC
Manual de procedimiento para gráficos HCManual de procedimiento para gráficos HC
Manual de procedimiento para gráficos HC
josseanlo1581
 
POESÍA POR EL DIA DEL PADREEEEEEEEEE.pdf
POESÍA POR EL DIA DEL PADREEEEEEEEEE.pdfPOESÍA POR EL DIA DEL PADREEEEEEEEEE.pdf
POESÍA POR EL DIA DEL PADREEEEEEEEEE.pdf
karlavasquez49
 
DESARROLLO DE LAS RELACIONES CON LOS STAKEHOLDERS.pdf
DESARROLLO DE LAS RELACIONES CON LOS STAKEHOLDERS.pdfDESARROLLO DE LAS RELACIONES CON LOS STAKEHOLDERS.pdf
DESARROLLO DE LAS RELACIONES CON LOS STAKEHOLDERS.pdf
JonathanCovena1
 
Escuela Sabática. El conflicto inminente.pdf
Escuela Sabática. El conflicto inminente.pdfEscuela Sabática. El conflicto inminente.pdf
Escuela Sabática. El conflicto inminente.pdf
Alejandrino Halire Ccahuana
 
La vida de Martin Miguel de Güemes para niños de primaria
La vida de Martin Miguel de Güemes para niños de primariaLa vida de Martin Miguel de Güemes para niños de primaria
La vida de Martin Miguel de Güemes para niños de primaria
EricaCouly1
 
Carnavision: anticipa y aprovecha - hackathon Pasto2024 .pdf
Carnavision: anticipa y aprovecha - hackathon Pasto2024 .pdfCarnavision: anticipa y aprovecha - hackathon Pasto2024 .pdf
Carnavision: anticipa y aprovecha - hackathon Pasto2024 .pdf
EleNoguera
 
tema 7. Los siglos XVI y XVII ( resumen)
tema 7. Los siglos XVI y XVII ( resumen)tema 7. Los siglos XVI y XVII ( resumen)
tema 7. Los siglos XVI y XVII ( resumen)
saradocente
 
FEEDBACK DE LA ESTRUCTURA CURRICULAR- 2024.pdf
FEEDBACK DE LA ESTRUCTURA CURRICULAR- 2024.pdfFEEDBACK DE LA ESTRUCTURA CURRICULAR- 2024.pdf
FEEDBACK DE LA ESTRUCTURA CURRICULAR- 2024.pdf
Jose Luis Jimenez Rodriguez
 
1° T3 Examen Zany de primer grado compl
1° T3 Examen Zany  de primer grado compl1° T3 Examen Zany  de primer grado compl
1° T3 Examen Zany de primer grado compl
ROCIORUIZQUEZADA
 
Presentación de la historia de PowerPoint y sus características más relevantes.
Presentación de la historia de PowerPoint y sus características más relevantes.Presentación de la historia de PowerPoint y sus características más relevantes.
Presentación de la historia de PowerPoint y sus características más relevantes.
genesiscabezas469
 
Liturgia día del Padre del siguiente domingo.pptx
Liturgia día del Padre del siguiente domingo.pptxLiturgia día del Padre del siguiente domingo.pptx
Liturgia día del Padre del siguiente domingo.pptx
YeniferGarcia36
 
Prueba/test conoce tus heridas de la infancia
Prueba/test conoce tus heridas de la infanciaPrueba/test conoce tus heridas de la infancia
Prueba/test conoce tus heridas de la infancia
LudmilaOrtega3
 
Lecciones 11 Esc. Sabática. El conflicto inminente docx
Lecciones 11 Esc. Sabática. El conflicto inminente docxLecciones 11 Esc. Sabática. El conflicto inminente docx
Lecciones 11 Esc. Sabática. El conflicto inminente docx
Alejandrino Halire Ccahuana
 
ACERTIJO DESCIFRANDO CÓDIGO DEL CANDADO DE LA TORRE EIFFEL EN PARÍS. Por JAVI...
ACERTIJO DESCIFRANDO CÓDIGO DEL CANDADO DE LA TORRE EIFFEL EN PARÍS. Por JAVI...ACERTIJO DESCIFRANDO CÓDIGO DEL CANDADO DE LA TORRE EIFFEL EN PARÍS. Por JAVI...
ACERTIJO DESCIFRANDO CÓDIGO DEL CANDADO DE LA TORRE EIFFEL EN PARÍS. Por JAVI...
JAVIER SOLIS NOYOLA
 
MATERIAL ESCOLAR 2024-2025. 4 AÑOS CEIP SAN CRISTOBAL
MATERIAL ESCOLAR 2024-2025. 4 AÑOS CEIP SAN CRISTOBALMATERIAL ESCOLAR 2024-2025. 4 AÑOS CEIP SAN CRISTOBAL
MATERIAL ESCOLAR 2024-2025. 4 AÑOS CEIP SAN CRISTOBAL
Ana Fernandez
 
Estás conmigo Jesús amigo_letra y acordes de guitarra.pdf
Estás conmigo Jesús amigo_letra y acordes de guitarra.pdfEstás conmigo Jesús amigo_letra y acordes de guitarra.pdf
Estás conmigo Jesús amigo_letra y acordes de guitarra.pdf
Ani Ann
 

Último (20)

Camus, Albert - El Extranjero.pdf
Camus, Albert -        El Extranjero.pdfCamus, Albert -        El Extranjero.pdf
Camus, Albert - El Extranjero.pdf
 
Mi Comunidad En El Sector Monterrey-Poste Blanco
Mi Comunidad En El Sector Monterrey-Poste BlancoMi Comunidad En El Sector Monterrey-Poste Blanco
Mi Comunidad En El Sector Monterrey-Poste Blanco
 
Clase Prensencial, Actividad 2.pdf.......
Clase Prensencial, Actividad 2.pdf.......Clase Prensencial, Actividad 2.pdf.......
Clase Prensencial, Actividad 2.pdf.......
 
Presentación de proyecto en acuarela moderna verde.pdf
Presentación de proyecto en acuarela moderna verde.pdfPresentación de proyecto en acuarela moderna verde.pdf
Presentación de proyecto en acuarela moderna verde.pdf
 
Manual de procedimiento para gráficos HC
Manual de procedimiento para gráficos HCManual de procedimiento para gráficos HC
Manual de procedimiento para gráficos HC
 
POESÍA POR EL DIA DEL PADREEEEEEEEEE.pdf
POESÍA POR EL DIA DEL PADREEEEEEEEEE.pdfPOESÍA POR EL DIA DEL PADREEEEEEEEEE.pdf
POESÍA POR EL DIA DEL PADREEEEEEEEEE.pdf
 
DESARROLLO DE LAS RELACIONES CON LOS STAKEHOLDERS.pdf
DESARROLLO DE LAS RELACIONES CON LOS STAKEHOLDERS.pdfDESARROLLO DE LAS RELACIONES CON LOS STAKEHOLDERS.pdf
DESARROLLO DE LAS RELACIONES CON LOS STAKEHOLDERS.pdf
 
Escuela Sabática. El conflicto inminente.pdf
Escuela Sabática. El conflicto inminente.pdfEscuela Sabática. El conflicto inminente.pdf
Escuela Sabática. El conflicto inminente.pdf
 
La vida de Martin Miguel de Güemes para niños de primaria
La vida de Martin Miguel de Güemes para niños de primariaLa vida de Martin Miguel de Güemes para niños de primaria
La vida de Martin Miguel de Güemes para niños de primaria
 
Carnavision: anticipa y aprovecha - hackathon Pasto2024 .pdf
Carnavision: anticipa y aprovecha - hackathon Pasto2024 .pdfCarnavision: anticipa y aprovecha - hackathon Pasto2024 .pdf
Carnavision: anticipa y aprovecha - hackathon Pasto2024 .pdf
 
tema 7. Los siglos XVI y XVII ( resumen)
tema 7. Los siglos XVI y XVII ( resumen)tema 7. Los siglos XVI y XVII ( resumen)
tema 7. Los siglos XVI y XVII ( resumen)
 
FEEDBACK DE LA ESTRUCTURA CURRICULAR- 2024.pdf
FEEDBACK DE LA ESTRUCTURA CURRICULAR- 2024.pdfFEEDBACK DE LA ESTRUCTURA CURRICULAR- 2024.pdf
FEEDBACK DE LA ESTRUCTURA CURRICULAR- 2024.pdf
 
1° T3 Examen Zany de primer grado compl
1° T3 Examen Zany  de primer grado compl1° T3 Examen Zany  de primer grado compl
1° T3 Examen Zany de primer grado compl
 
Presentación de la historia de PowerPoint y sus características más relevantes.
Presentación de la historia de PowerPoint y sus características más relevantes.Presentación de la historia de PowerPoint y sus características más relevantes.
Presentación de la historia de PowerPoint y sus características más relevantes.
 
Liturgia día del Padre del siguiente domingo.pptx
Liturgia día del Padre del siguiente domingo.pptxLiturgia día del Padre del siguiente domingo.pptx
Liturgia día del Padre del siguiente domingo.pptx
 
Prueba/test conoce tus heridas de la infancia
Prueba/test conoce tus heridas de la infanciaPrueba/test conoce tus heridas de la infancia
Prueba/test conoce tus heridas de la infancia
 
Lecciones 11 Esc. Sabática. El conflicto inminente docx
Lecciones 11 Esc. Sabática. El conflicto inminente docxLecciones 11 Esc. Sabática. El conflicto inminente docx
Lecciones 11 Esc. Sabática. El conflicto inminente docx
 
ACERTIJO DESCIFRANDO CÓDIGO DEL CANDADO DE LA TORRE EIFFEL EN PARÍS. Por JAVI...
ACERTIJO DESCIFRANDO CÓDIGO DEL CANDADO DE LA TORRE EIFFEL EN PARÍS. Por JAVI...ACERTIJO DESCIFRANDO CÓDIGO DEL CANDADO DE LA TORRE EIFFEL EN PARÍS. Por JAVI...
ACERTIJO DESCIFRANDO CÓDIGO DEL CANDADO DE LA TORRE EIFFEL EN PARÍS. Por JAVI...
 
MATERIAL ESCOLAR 2024-2025. 4 AÑOS CEIP SAN CRISTOBAL
MATERIAL ESCOLAR 2024-2025. 4 AÑOS CEIP SAN CRISTOBALMATERIAL ESCOLAR 2024-2025. 4 AÑOS CEIP SAN CRISTOBAL
MATERIAL ESCOLAR 2024-2025. 4 AÑOS CEIP SAN CRISTOBAL
 
Estás conmigo Jesús amigo_letra y acordes de guitarra.pdf
Estás conmigo Jesús amigo_letra y acordes de guitarra.pdfEstás conmigo Jesús amigo_letra y acordes de guitarra.pdf
Estás conmigo Jesús amigo_letra y acordes de guitarra.pdf
 

UACH Fisica En Las Ciencias Forestales 1 4 Estabilidad Del Suelo

  • 1. Física en las Ciencias Forestales 1.4 Estabilidad del Suelo Teoría Dr. Willy H. Gerber Instituto de Física, Universidad Austral, Valdivia, Chile 02.09.2009 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 1 / 55
  • 2. Estabilidad del Suelo Existen dos aspectos claves en lo que es la estabilidad del suelo: ▶ La Erosión ▶ Los Corrimiento de tierra W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 2 / 55
  • 3. La Erosión La Erosión puede remover parte de las componentes del Suelo reduciendo la Superficie sobre la que se basa el desarrollo vegetal. Por ello veremos: ▶ Corriente en la Porosidad ▶ Mecanismo de Levitación ▶ Perfil de Velocidad en Poros ▶ Sustentación de Plaquitas ▶ Condición de Lavado W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 3 / 55
  • 4. Corriente en la Porosidad I La Porosidad permite el desplazamiento de Agua creando corrientes en el Suelo. Dichas corrientes puede arrastra consigo las plaquitas de las que esta compuesta la Arcilla. Esto Flujo por el Suelo tanto por su menor masa como por su forma mas aerodinámica. La remosion de las plaquitas es grave ya que reduce en forma sustancial la cantidad de Superficie que contiene el Suelo con lo que se afecta en forma Suelo erosionado directa la capacidad del Suelo de (zonas claras) soportar Vida. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 4 / 55
  • 5. Corriente en la Porosidad II El transporte de materiales como la Arcilla dependen de la Velocidad del Fluido. Esta depende a su vez del gradiente de Presión y del nivel de compactacion del material. Por ello el empobrecimiento del Suelo es una función de las características de este y de las condiciones bajo las cuales fluye el Agua por la porosidad existente. Para comprender como levitan las plaquitas debemos estudiar la Flujo por distinta corriente que se da en su entorno. porosidad W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 5 / 55
  • 6. Mecanismo de Levitación I Como vimos en 1.2, la corriente en la porosidad es laminar por lo que podemos representarlas como Laminas en su entorno. Es importante hacer notar que en la parte superior de la Plaquita se tiende a formar un canal algo mas estrecho que en la parte inferior. Por la ecuación de continuidad que vimos en 1.2 Perfil de un Cuerpo en la JV = S = cte (1) corriente vemos que al enangostarse la velocidad del fluido aumenta. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 6 / 55
  • 7. Mecanismo de Levitación II Esto lleva según la Ecuación de Bernoulli 2 + g h + p = cte (2) 2 donde Densidad del Liquido [M/L3 ] Velocidad del Liquido [L/T] g Aceleración gravitacional [L/T 2 ] h Profundidad [L] p Presión [M/LT 2 ] a una diferencia de Presión entre Daniel Bernoulli ambas corrientes. La derivación (1700-1782) de la Ecuación se encuentra en el Anexo. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 7 / 55
  • 8. Mecanismo de Levitación III Si suponemos un alto de la lamina inferior de d1 y de la superior d2 tendremos que en un largo L las velocidades de la corriente inferior 1 y superior 2 satisfacen por la Ecuación de Continuidad d1 L 1 = d2 L 2 (3) Por ello, la diferencia de Velocidades generara, según la Diferencia de ecuación de Bernoulli, una Velocidades que genera diferencia de Presión diferencia de Presión 2 2 1 2 Δp = p2 − p1 = − (4) 2 2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 8 / 55
  • 9. Mecanismo de Levitación IV Con ello actuara sobre la Plaquita la Fuerza F = ΔpS (5) que, si supera su Peso mg, puede ser arrastrada por la corriente. Con ello la Condición de Sustentación seria ΔpS > mg (6) Para calcular la diferencia de Presión, y determinar si la Plaquita Sedimentos arrastrados puede flotar, debemos estudiar la por la Corriente diferencia de Velocidad que se W. Gerber puede dar. Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 9 / 55
  • 10. Mecanismo de Levitación V Nota: Es frecuente escuchar como se describe la forma de volar de Aviones empleando la idea de que existe una diferencia de presione entre la parte superior e inferior de las alas. Esto es solo en parte correcto pues en el caso de Ala de un Avión: por aviones se crean turbulencias y la turbulencias no aplica Ecuación de Bernoulli no es Bernoulli valida. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 10 / 55
  • 11. Perfil de Velocidad en Poros I En el Capitulo 1.2 se estudio el flujo por Poros tal como lo planteo Jean Louis Poiseuille llegando a la Ecuación de flujo R4 Δp JV = − (7) 8 ΔL donde JV Flujo [L3 /T] Δp Variación de Presión [M/LT 2 ] ΔL Largo del Capilar [L] Jean Louis Poiseuille R Radio del Capilar [L] (1799-1869) Viscosidad del Liquido [M/LT] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 11 / 55
  • 12. Perfil de Velocidad en Poros II En el Anexo del Capitulo 1.2 se derivo la Ecuación que describe el Perfil de Velocidad en función del Radio r en el torrente r2 (r) = max 1− (8) R2 donde R2 Δp 2JV max =− = (9) 4 ΔL R2 En otras Palabras, el flujo tiene un Perfil de Velocidad en el máximo de su Velocidad en el Capilar Centro del Caudal y llega a estar en Reposo en el Borde. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 12 / 55
  • 13. Sustentación de Plaquitas I Si deseamos calcular la diferencia de Presión entre la parte superior e inferior de la Plaquita, tendremos que evaluar (4) dentro del Perfil de Velocidades (8). Si consideramos que la Plaquita tiene la Altura h tendremos en un Radio r que la Diferencia de Presión sera Δp = ( (r)2 − (r + h)2 ) 2 Con el Perfil de la Velocidad (8) se obtiene Gradiente de Velocidad por efecto del Perfil 2 max 2rh h2 Δp = − 2 2 R2 R W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 13 / 55
  • 14. Sustentación de Plaquitas II Si se supone que las Plaquitas son mucho mas delgadas de lo que es el Capilar (h ≪ R) el segundo termino de ecuación anterior se puede despreciar frente al primero y la diferencia de Presión es 2 rh Δp = max (10) R2 que es máximo en el Borde de Capilar y nulo en el centro del Caudal. Por otro lado, la Masa de una Plaquita de canto l, altura h y Densidad s es 2 m= s hl (11) W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 14 / 55
  • 15. Sustentación de Plaquitas III Si reemplazamos en Ecuación para el limite (6) la Variación de Presión por (10), la Masa de la Plaquita por(11) y la Superficie S por aquella de la Plaquita l2 , se obtiene la condición de Sustentación 2 r sg < w max (12) R2 o reemplazando la Velocidad máxima de (9) rR2 Δp2 sg < w 2 2 (13) 4 ΔL2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 15 / 55
  • 16. Condición de Lavado I La Condición (13) nos indica bajo que Situación el Suelo puede perder su contenido de Plaquitas. Al depender la Condición de la Posición r en el Caudal, la Sustentación puede existir en un rango mientras que en otro no. En particular se tendrá que para r grandes puede existir Sustentación mientras que no se da cercano al eje del Capilar. Por Radio critico que separa ello existe un radio critico que se la Zona con de la sin obtiene despejando (13) en r levitación 42 2 g sΔL2 rc = (14) R2 w Δp 2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 16 / 55
  • 17. Condición de Lavado II Para Radios inferiores a este Valor, la Sustentación no es suficiente, lo que significa que no encontraremos Plaquitas en la mitad del Caudal. Sin embargo para Radios superiores al Valor critico, la Sustentación es suficiente, lo que significa que las Plaquitas se desplazaran por el borde/fondo del Capilar. Esto también significa que si no se cumple la condición para ningún Radio r no existirá transporte. Zona con sedimentos W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 17 / 55
  • 18. Condición de Lavado III Si evaluamos la Condición (13) para el Radio del Capilar (r = R) podemos despejar en Δp/ΔL con lo que se obtiene el limite del gradiente de Presión sobre el cual comenzara a removerse las Plaquitas: Δp sg =4 3 (15) ΔL c wR Si el gradiente de Presión es inferior a este Valor critico no existirá remosion de Plaquitas. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 18 / 55
  • 19. Corrimiento de Tierra Otro problema que se puede dar es que Taludes de Suelo se corran. Para comprender los mecanismos asociados veremos: ▶ La Inestabilidad del Suelo ▶ El mecanismo de Deslizamiento ▶ El Talud ▶ La Masa del Talud ▶ Fuerzas Gravitacionales ▶ Fuerzas Hidrostaticas del Zocalo ▶ Fuerzas Hidrostaticas del Plano ▶ Condición de Inestabilidad W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 19 / 55
  • 20. La Inestabilidad del Suelo Existen distintos tipos de corrimientos según sea el mecanismo asociado: ▶ Deslizamientos - movimiento de masas compactas relativas a una zona estable ▶ Flujo de arcilla y Licuefacción (flujo de limo + sismo)- comportamiento tipo fluido de zonas saturadas con Agua. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 20 / 55
  • 21. El Mecanismo de Deslizamiento I Si un Cuerpo se encuentra sobre una Superficie y lo tratamos de FN jalar con una Fuerza de Tracción FT se opondrá el roce FR = FN (16) FT FR que es proporcional a la Fuerza normal. Solo si la Fuerza de Tracción supera la Fuerza de Roce FT > FR = FN (17) el Cuerpo se pondrá en Movimiento. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 21 / 55
  • 22. El Mecanismo de Deslizamiento II Si consideramos la misma situación en el Plano inclinado, el Peso del Cuerpo mg genera tanto la Fuerza Normal como la de Tracción. Si calculamos la m proyección del Peso mg en la Dirección paralela al Plano de deslizamiento se tiene que la Fuerza de Tracción es mg FT = mg sin (18) y en la dirección perpendicular la Fuerza Normal FN = mg cos (19) W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 22 / 55
  • 23. El Mecanismo de Deslizamiento III La condición de que la Fuerza de Tracción sea mayor a la de Roce lleva a la ecuación mg sin > mg cos mg cos mg sin o sin > cos mg Esta Ecuación se puede emplear para medir el Coeficiente de Roce ya que en el Angulo en que se comienza a deslizar se tendrá que = tan (20) W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 23 / 55
  • 24. El Talud I L En primera aproximación un Talud se vuelve inestable en bloque es decir una sección completa de un largo L se S desliza. Por ello lo podemos describir como un sistema bi-dimensional, es decir se trabaja con Fuerzas por Largo L. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 24 / 55
  • 25. El Talud II Consideremos una sección de: h cot z ▶ Altura h, ▶ Profundidad del Agua z, ▶ Declive y h ▶ Angulo de plano de deslizamiento de d tan Para calcular la Masa del Talud d debemos calcular el Área de este. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 25 / 55
  • 26. La Masa del Talud I h cot z El Área se calcula restando del rectángulo de base d y altura h h los triángulos rojo (altura h y base h cot ) y el triangulo d tan verde (altura d tan y base d). d W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 26 / 55
  • 27. La Masa del Talud II El Área del Rectángulo es simplemente hd El Área del Triangulo superior es igual a 1 2 h cot 2 y del Triangulo inferior 1 2 d tan 2 Con lo que el Área total del Talud es 1 1 S = hd − h2 cot − d2 tan (21) 2 2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 27 / 55
  • 28. La Masa del Talud III Para obtener el Área del Triangulo que esta saturado basta reemplazar h por h − z con lo que se obtiene 1 1 S′ = (h − z)d − (h − z)2 cot − d2 tan (22) 2 2 Con ello la Masa, si f es la Porosidad, s es la Densidad del Solido y w la del Agua, es ′ M= s LS(1 − f) + w LS f (23) Con ello se puede definir una Masa por Largo M ′ Λ≡ = s S(1 − f) + wS f (24) L W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 28 / 55
  • 29. Fuerzas Gravitacionales Una de las principales Fuerzas que actúa sobre el Talud es la Fuerza Gravitacional. F = ΛLg (25) F∥ Al igual que en el Plano inclinado esta genera una Fuerza de F⊥ Tracción igual a F∥ = ΛLg sin (26) donde ΛL es la Masa. La Fuerza Normal es en forma análoga F⊥ = ΛLg cos (27) W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 29 / 55
  • 30. Fuerzas Hidrostatica del Zócalo I El Agua que esta hasta la Altura z′ genera Presión Hidrostatica que en la base del Zócalo llega a w gz′ . Si se considera una Presión media sobre la Superficie z′ L en que Fh1 ∥ actúa la Presión hidrostatica se tendrá una Fuerza horizontal igual a Fh1 ⊥ 1 w g(h − z − d tan )2 L (28) 2 Si se descompone la Fuerza en la Contribución a la Tracción 1 Fh1 ∥ = w g(h − z − d tan )2 L cos 2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría (29) 02.09.2009 30 / 55
  • 31. Fuerzas Hidrostatica del Zocal II La Contribución Normal es en este caso 1 Fh1 ⊥ = − w g(h−z−d tan )2 L sin Fh1 ∥ 2 (30) donde el signo negativo nos Fh1 ⊥ señala que reduce la componente Normal de la Fuerza Gravitacional. En ese sentido las Fuerzas en el Zócalo aceleran el deslizamiento pues aumentan la Fuerza de Tracción y reducen la Fuerza Normal con lo que reducen el Roce. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 31 / 55
  • 32. Fuerzas Hidrostatica del Plano I En el Plano de deslizamiento la Presión Hidrostatica reduce la Fuerza Normal y aminora el roce. El plano mismo tiene un área de Ld/ cos y la Presión varia de w g(h − z − d tan ) en la parte Fh2 ⊥ superior hasta w g(h − z) en la Parte inferior. Por ello la Fuerza media en el Plano de Deslizamiento sera de 1 wg h − z − d tan (31) 2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 32 / 55
  • 33. Fuerzas Hidrostatica del Plano II Con ello tenemos una segunda Fuerza Hidrostatica 1 Ld Fh2 ⊥ = − wg h − z − d tan 2 cos Fh2 ⊥ (32) donde nuevamente el signo negativo nos indica que esta fuerza reduce la Fuerza normal y con ello el roce. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 33 / 55
  • 34. Condición de Inestabilidad Si se suman todas las contribuciones a la Fuerza de Tracción y Fuerzas Normales se obtiene la Ecuación que describe la Inestabilidad F∥ + Fh1 ∥ > (F⊥ + Fh1 ⊥ + Fh2 ⊥ ) (33) o con las expresiones de las fuerzas 1 2 Λ sin + w (h − z − d tan ) cos > 2 1 1 d Λ cos − w (h − z − d tan )2 sin − w h − z − d tan 2 2 cos (34) Esta es una Ecuación análoga al caso simple del Plano inclinado con una masa que se comienza a deslizar al alcanzar un Angulo. En este caso el Quiebre y deslizamiento se dará por aquel y d que existan tal que se cumpla la Ecuación. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 34 / 55
  • 35. Aplicaciones ▶ Ecuación de Bernoulli ▶ Perfil de Flujo ▶ Presion en el Caudal ▶ Valores Criticos ▶ Plano Inclinado ▶ Superficies ▶ Fuerza Gravitacional ▶ Fuerzas Hidrostaticas ▶ Condiciones de Inestabilidad W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 35 / 55
  • 36. Ecuación de Bernoulli I Para aplicar la Ecuación de Bernoulli se debe determinar la Constante. Esta tiene un valor fijo en cada Sistema. Para el caso en que en un sector no tenemos desplazamiento ( = 0) y solo existe la Presión atmosférica p0 = 105 Pa la constante sera rho 2 + p = cte = 0 + p0 2 Con ello podemos calcular para cualquier punto la Presión si conocemos la Velocidad o viceversa. Si por ejemplo la Velocidad fuera = 5, 2 m/s y la Densidad = 1, 27 kg/m3 la Presión seria: 2 1 p = p0 − = 105 Pa − 1,27 kg/m3 (5,2 m/s)2 = 9, 99 × 104 Pa 2 2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 36 / 55
  • 37. Ecuación de Bernoulli II En otras palabras la diferencia de Presión con Zonas en que no existe Velocidad es de 2 p0 − p = = 17,17 Pa 2 El mismo Concepto lo emplean constructores de Aviones para medir la Velocidad en vuelo. Se mide la Presión, compara con la Presión en el ambiente (información meteorológica) y se calcula la Velocidad. A modo de ejemplo, si el instrumento registra una caída de la Presión de Δp = 2,3 × 104 Pa la velocidad del Avión seria 2Δp = = 190,3 m/s = 685,1 km/hr W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 37 / 55
  • 38. Perfil de Flujo I Si un Capilar de Radio R = 200 m de Largo ΔL = 10 cm el que esta expuesto a una diferencia de Presión de Δp = 10+4 fluye Agua de Viscosidad = 8,9 × 10−4 el flujo sera de R4 Δp JV = = 7,05 × 10−8 8 ΔL La Velocidad máxima en el Centro del Capilar sera de 2JV vm ax = = 1,124 m3 /s R2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 38 / 55
  • 39. Presión en el Caudal Si la Densidad del Agua es de w = 1 g/cm3 y una Plaquita de Arcilla tiene una Altura de h = 10−6 y esta en el Borde del Capilar antes descrito, estará expuesta a una diferencia de Presión de h Δp = w v2 max = 6,31 Pa R Si el ancho y largo de la Plaquita es de l = 20 m la Fuerza que genera esta Presión es de F = Δpl2 = 4,0 × 10−6 N Si su Densidad es de s = 2,8 g/cm3 y la Aceleración Gravitacional es g = 9,8 m/s2 el peso sera Fg = 2 s hl g = 1,098 × 10−11 N que es menor a la Fuerza de Sustentación generada por la Corriente. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 39 / 55
  • 40. Valores Críticos Para el torrente descrito el Radio critico es de 42 2 g s ΔL2 rc = = 8,69 × 10−7 m = 0,869 m R2 w Δp2 lo que significa que existirá levitación para todas las Plaquitas que se encuentren en Radios entre este valor y el Radio del Capilar. Por otro lado el gradiente de Presión critico es Δp sg =4 3 = 6593,2 Pa/m ΔL wR o sea con un Gradiente menor a este valor no existirá transporte. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 40 / 55
  • 41. Plano Inclinado Si en un Plano inclinado un Objeto se comienza a deslizar al alcanzar una pendiente de = 32∘ el Coeficiente de Roce sera de = tan( ) = 0,625 Si el cuerpo tiene la Masa m = 120 g la Fuerza de Tracción sera igual a FT = mg sin( ) = 0,623 N mientras que la Fuerza Normal sera de FN = mg cos( ) = 0,997 N W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 41 / 55
  • 42. Superficies En un Talud de Altura h = 30 m y declive = 27∘ se comienza a formar un Plano de Deslizamiento con un Angulo = 12∘ y un Zócalo a una Distancia d = 70 m del Pie de la Masa de Suelo. El Área del Talud es de 1 1 S = hd − h2 cot − d2 tan = 696,1 m2 2 2 Si el Agua se encuentra a una Profundidad de z = 2 m el Área de la Zona Saturada es de 1 1 S′ = (h − z)d − (h − z)2 cot − d2 tan = 669,9 m 2 2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 42 / 55
  • 43. Fuerza Gravitacional Si la Porosidad es de f = 0,3, la Densidad del Solido 3 3 s = 2,8 g/cm , la Densidad del Agua w = 1 g/cm y el Ancho del Talud L = 10 m, la Masa sera ′ M= s LS(1 − f) + w LS f = 1,57 × 107 kg y la Masa por Largo M Λ≡ = s S(1 − f ) + w S′ f = 1,57 × 106 kg/m L La Fuerza de Tracción por Largo generada por la Gravitación es de F∥ = Λg sin = 3,19 × 10+6 N/m L mientras que la Fuerza Normal por Largo del mismo Origen F⊥ = Λg cos = 1,50 × 10+7 N/m L W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 43 / 55
  • 44. Fuerzas Hidrostatica La Fuerza de Tracción por Largo generada por el Agua en el Zócalo es de Fh1 ∥ 1 = w g(h − z − d tan )2 cos = 8,25 × 10+5 N/m L 2 mientras que la Fuerza Normal por Largo del mismo Origen es Fh1 ⊥ 1 =− w g(h − z − d tan )2 sin = −1,75 × 10+5 N/m L 2 La Fuerza Normal por Largo debido a la Presión en el Plano de Deslizamiento es Fh2 ⊥ 1 d =− wg h − z − d tan = −1,44 × 10+7 N/m L 2 cos W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 44 / 55
  • 45. Condición de Inestabilidad La Suma de las Fuerzas que generan Tracción por Largo es de FT F∥ Fh1 ∥ = + = 4,01 × 10+6 N/m L L L mientras que las Fuerzas Normales por Largo son TN F⊥ Fh1 ⊥ Fh2 ⊥ = + + = 4,08 × 10+5 N/m L L L L Como el Talud se vuelve inestable con FT > FN resulta que el Coeficiente de Roce necesario para evitar el Deslizamiento debe ser ≥ 9,8 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 45 / 55
  • 46. Anexos ▶ Ecuación de Bernoulli ▶ Unidades ▶ Conversiones ▶ Bibliografia ▶ Contacto W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 46 / 55
  • 47. Ecuación de Bernoulli I A continuación se deriva la Ecuación de Bernoulli para el caso que se desprecian efectos Viscosidad, Compresibilidad y Temperatura. Si se considera una Sección de ancho dx, Sección S y Densidad su Masa sera m = Sdx (35) Si la Velocidad del flujo es dx = (36) dt la Ecuación de Movimiento de la Masa sera d d m = Sdx =F (37) dt dt W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 47 / 55
  • 48. Ecuación de Bernoulli II Con F la Fuerza originada por la diferencia de Presión dp a lo largo del ancho dx dp F = −Sdp = −Sdx (38) dx Introduciendo esta Ecuación en la Ecuación de Movimiento se obtiene d dp =− (39) dt dx Dado que d d dx d d 2 = = = (40) dt dx dt dx dx 2 La Ecuación de Movimiento se puede reescribir como d 2 +p =0 (41) dx 2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 48 / 55
  • 49. Ecuación de Bernoulli III o 2 + p = cte (42) 2 Si se descompone la total Presión en una componente hidroestatica gh y la Presión externa p0 se obtiene la ley de Bernoulli: 2 + gh + p0 = cte (43) 2 Empleando un Argumento de Conservación de Energía se logra demostrar que esta Ecuación es también valida para fluidos compresibles. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 49 / 55
  • 50. Unidades Simbolo Tipo Ejemplos L Largo m, cm, mm, m T Tiempo s, min, hrs M Masa kg % Porcentaje − Simbolo Tipo Ejemplos L2 Área, Superficie m2 , cm2 L3 Volumen m3 , cm3 M/L3 Densidad kg/m3 , g/cm3 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 50 / 55
  • 51. Conversiones I 1 m = 10−6 m 1 nm = 10−9 m 1 nm3 = 10−9 m3 1 mm = 10−3 m 1 nm2 = 10−18 m2 1 m3 = 10−18 m 1 cm = 10−2 m 1 m = 10−12 m 1 mm3 = 10−9 m3 1m = 10+2 cm 1 mm2 = 10−6 m2 1 cm3 = 10−6 m3 1m = 10+3 mm 1 cm2 = 10−4 m2 1 m3 = 10+6 cm3 1m = 10+6 m 1 m2 = 10+4 cm2 1 m3 = 10+9 mm3 1m = 10+9 nm 1 m2 = 10+6 mm2 1 m3 = 10+18 m3 1 m2 = 10+12 m2 1 m3 = 10+27 nm3 1 m2 = 10+18 nm2 1lt = 10−3 m3 1ha = 10+4 m2 1m3 = 10+3 lt 1m2 = 10−4 ha W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 51 / 55
  • 52. Conversiones II 1 g/cm3 = 10+3 kg/m3 1 kg/m3 = 10−3 g/cm3 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 52 / 55
  • 53. Bibliografia I Textos recomendados. En caso de links a Google Books se trata de un acceso gratuito a una versión incompleta del libro. Adicionalmente se indican libros disponibles en la Biblioteca UACH y/o en la Interna T. Miyazaki, Water Flow in Soils, Taylor Francis, 2006, INSB-13: 978-0-8247-5325-2 Soil Properties for plant growth, A. Hewitt, Landcare Research Science Series No. 26, Manaaki Whenua Press, 2004 ´ → Código Biblioteca Interna 631.432-dc22 Soil Physics, T.J. Marshall, J.W. Holmes, C.W. Rose, Cambridge University Press, May 1996, ISBN-13: 978-0-5214-5766-8 → Leer en Google Books W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 53 / 55
  • 54. Bibliografia II Principles of Soil Physics, R. Lal, M.K. Shukla, Taylor Francis, Inc., May 2004, ISBN-13: 978-0-8247-5324-5 → Leer en Google Books Soil Physics Companion, A.W. Warrick (Editor), CRC Press, December 2001, ISBN-13: 978-0-8493-0837-6 → Leer en Google Books → Código Biblioteca Interna 631.4-3dc21 Soil Physics, R. Horton, W.A. Jury, Wiley, John Sons, Inc., March 2004, ISBN-13: 978-0-4710-5965-3 → Leer en Google Books W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 54 / 55
  • 55. Contacto Dr. Willy H. Gerber wgerber@gphysics.net Instituto de Física Universidad Austral de Chile Campus Isla Teja Valdivia, Chile +(56) 63 221125 Set del Curso: http://www.gphysics.net/physics-in-forestry-uach W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.4 Estabilidad del Suelo - Teoría 02.09.2009 55 / 55