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Física en las Ciencias Forestales
                   1.2 Suelo Saturado
                                        Teoría


                            Dr. Willy H. Gerber

                       Instituto de Física,
               Universidad Austral, Valdivia, Chile

                                    16.08.2009




W. Gerber       Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría   16.08.2009   1 / 59
Suelo y Agua

        Como vimos en la Introducción del Capitulo anterior, el Agua
        en el Suelo es clave para la Vida. Por ello nos interesa ver que
        sucede cuando:

            ▶   el Agua penetración el Suelo
            ▶   el Suelo esta Saturado con Agua
            ▶   el Suelo NO esta Saturado con Agua

        En este capitulo nos concentraremos en los dos primeros
        Puntos. El ultimo se vera en el próximo Capitulo.




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Penetración de Agua en el Suelo
                                          Si se vierte Agua en una probeta
                                          con Suelo, se observa que:
                                              ▶   El Agua penetra la muestra
                                                  llenando los Poros en la parte
                                                  inferior.
                                              ▶   El Gas es expulsado
                                                  generando pequeñas
                                                  Burbujas.
                                              ▶   Mientras más compacto el
                                                  Material, más se demora el
                                                  Agua en alcanzar los Poros.




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Suelo Saturado y No-Saturado
                                          Después de que el Agua termina
                                          de fluir, podemos observar que se
                                          han formado dos Zonas:
                                              ▶   una superior, en que el Agua
                                                  se encuentra en la Superficie
                                                  de los Granos y solo en parte
                                                  llena la Porosidad existente.
                                              ▶   otra inferior, en que toda la
                                                  Porosidad se ha llenado de
                                                  Agua.
                                          Suelo con Porosidad llena de
                                          Agua se denomina Suelo
                                          Saturado. El restante Suelo se
                                          denomina Suelo No Saturado.

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La Presión Hidrostatica

        En el Suelo Saturado, la Columna de Agua tiene un Peso que
        genera Presión. En detalle debemos estudiar:

            ▶   La Columna de Agua
            ▶   El Peso de la Columna
            ▶   La Presión del Agua
            ▶   La independencia de la Forma
            ▶   La Presión Atmosférica
            ▶   Diferencia de Presión




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La Columna de Agua
                                         La Masa de una Columna de Agua
                                         se puede calcular del Área S, su
                                         Altura h y Densidad w mediante:

                                                                m = Sh         w        (1)

                                         donde
                                           m        Masa de la Columna [M]
                                           h        Altura de la Columna [L]
                                           S        Sección de la Columna [L2 ]
                                             w      Densidad del Agua [M/L3 ]




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El Peso de la Columna
                                          La Fuerza que ejerce la Columna
                                          del Agua es igual a la Masa m
                                          multiplicado por la Aceleración
                                          Gravitacional g:

                                                           F = mg =             w Shg        (2)

                                          donde
                                            m        Masa de la Columna [M]
                                            g        Aceleración Gravitacional [L/T 2 ]
                                            h        Altura de la Columna [L]
                                            S        Sección de la Columna [L2 ]
                                              w      Densidad del Agua [M/L3 ]



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La Presión de Agua
                                              La Fuerza que ejerce la Columna
                                              de Agua (2) es proporcional a la
                                              Sección de la Columna, por lo que
                                              tiene sentido definir una Magnitud
                                              del tipo Fuerza por Área:

                                                              F   Sh w g
                                                      p=        =        =              w gh        (3)
                                                              S     S

                                              donde
                                                p        Presión [M/LT 2 ]
                                                F        Fuerza [ML/T 2 ]
        La Presión se mide en                   g        Aceleración Gravitacional [L/T 2 ]
        Pascal (Pa = N/m2                       h        Altura de la Columna [L]
        [M/LT 2 ])                              S        Sección de la Columna [L2 ]
                                                  w      Densidad del Agua [M/L3 ]
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La independencia de la Forma

                                          Es importante comprender que la
                                          Presión solo depende de la
                                          Profundidad sin ser necesario que
                                          exista una Columna directamente
                                          encima del Punto en que se mide
                                          la Presión. Esto se debe a que
                                          cualquier diferencia de Presión a
                                          una misma Profundidad llevara a
                                          un Flujo hasta que la Presión sea
                                          pareja.




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La Presión Atmosférica
                                          La Presión Atmosférica se Suma a
                                          la Presión generada por la
                                          Columna de Agua. Por ello la
                                          Presión total es:

                                                             p = p0 +           w gh          (4)

                                          donde
                                           p   Presión [M/LT 2 ]
                                           p0 Presión Atmosférica [L/T 2 ]
                                           h   Altura de la Columna [L]
                                           g   Aceleración Gravitacional [L/T 2 ]
                                             w Densidad del Agua [M/L3 ]




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Diferencia de Presión I
                                           La Presión en la primera Columna
                                           es igual a

                                                             p1 = p0 +           w gh1

                                           mientras que en la segunda

                                                             p2 = p0 +           w gh2

                                           La diferencia de Presión es por
                                           consiguiente

                                                 Δp ≡ p2 − p1 =                  w g(h2   − h1 )

                                           y con
                                                               Δh = h2 − h1

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Diferencia de Presión II
                                           se obtiene

                                                               Δp =          w gΔh          (5)

                                           donde
                                             Δp        Diferencia de Presión [M/LT2 ]
                                             Δh        Diferencia de
                                                       Altura de la Columna [L]
                                             g         Aceleración Gravitacional [L/T 2 ]
                                                 w     Densidad del Agua [M/L3 ]
                                           Nota, cuando hay una diferencia
                                           de Presión, y por ambos lados
                                           existe una Presión atmosférica,
                                           esta no depende de la Presión
                                           atmosférica.
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El Desplazamiento del Agua

        La diferencia de Presión que calculamos en los Puntos
        anteriores es la que origina el Movimiento del Agua dentro del
        Solido. Por ello estudiaremos:

            ▶   La Conservación de Cantidad
            ▶   Ecuación de Continuidad
            ▶   Flujo Laminar
            ▶   Flujo Turbulento
            ▶   El Numero de Reynold
            ▶   Ley de Hagen-Poiseuille
            ▶   Flujo por un Poro
            ▶   Flujo por el Suelo


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La Conservación de Cantidad
                                          Si se asume que el Agua es
                                          incompresible (no se deja
                                          comprimir) el Volumen sera
                                          siempre el mismo. En tal caso
                                          existe una Conservación del
                                          Volumen, es decir el Volumen total
                                          se mantendrá constante. No se
                                          creara ni destruira.
                                          Esto significa que el Volumen de
                                          Agua que entra en un Canal debe
                                          ser igual al Volumen que sale por
                                          el otro extremo, independiente de
                                          la variación en la Sección que
                                          tenga este.

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Aplicación al Suelo

                                           En el Caso del Suelo, esto
                                           significa que la Cantidad de Agua
                                           que ingrese en el Suelo Saturado,
                                           debe ser igual al Volumen de
                                           abandona la Muestra. En el caso
                                           del Suelo la variación de la
                                           Sección correspondería a
                                           variaciones en la Porosidad a lo
                                           largo del camino que recorre el
                                           Agua.




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Flujo de Volumen
                                          El Flujo se calcula de la Sección
                                          del Canal y de la Velocidad con
                                          que se mueve el liquido:

                                                                       ΔV
                                                            JV =          =S               (6)
                                                                       Δt

                                          donde
                                           JV   Flujo de Volumen [L3 /T]
                                           ΔV Volumen que pasa por una
                                                Sección en Δt [L3 ]
                                           Δt   Tiempo [T]
                                           S    Sección por la que pasa
                                                la Corriente [L2 ]
                                                Velocidad de la Corriente [L/T]

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Densidad de Flujo de Volumen

                                          Si se divide el Flujo por el Área de
                                          la Sección, se obtiene la Densidad
                                          de Flujo, que corresponde a la
                                          Velocidad media de la Corriente:

                                                                        JV
                                                               jV =        =               (7)
                                                                         S

                                          donde
                                            JV       Flujo de Volumen [L3 /T]
                                            jV       Densidad de Flujo
                                                     de Volumen [L/T]
                                            S        Sección por la que pasa
                                                     la Corriente [L2 ]
                                                     Velocidad de
                                                     la Corriente [L/T]
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Ecuación de Continuidad I
                                          Si el Liquido es incompresible, el
                                          Volumen se conserva, lo que
                                          significa que el Flujo es una
                                          Constante:

                                                              JV = S = cte                 (8)

                                          donde
                                            JV       Densidad de Flujo de
                                                     Volumen [L3 /T]
                                            S        Sección por la que pasa
                                                     la Corriente [L2 ]
                                                     Velocidad de
                                                     la Corriente [L/T]


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Ecuación de Continuidad II
                                           En otras palabras, mientras no
                                           existan perdidas de liquido en un
                                           Canal, el Flujo en dos Secciones 1
                                           y 2 del Canal serán iguales:

                                                    JV1 = JV2 o S1            1   = S2   2          (9)

                                           donde
                                             JV1 , JV2        Flujo en 1 y 2 [L3 /T]
                                             S1 , S2          Sección en 1 y 2 [L2 ]
                                              1, 2            Velocidad en 1 y 2 [L/T]




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El Numero de Reynold
                                              Se puede definir un números
                                              a-dimensional que caracteriza el
                                              tipo de Flujo que se Observara.
                                              Uno de estos numero es el
                                              denominado Numero de
                                              Reynolds:

                                                                        2 /R            R
                                                         Re =                  =                 (10)
                                                                        /R2

                                              donde
                                               Re Numero de Reynold [−]
                                                   Densidad [M/L3 ]
            Osborne Reynolds
                                                   Viscosidad [M/LT]
              (1842 − 1912)
                                               R   Dimensión [L]
                                                   Velocidad [L/T]
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Flujo Laminar
        Cuando el Numero de Reynold es menor que 20∗ (Re < 20), la
        corriente es estable. No solo muestra un patrón parejo,
        cualquier perturbación es amortiguada desapareciendo
        finalmente.




        Si uno deja escurrir en este tipo de Corriente en varios Lugares
        una tinta de marcaje, las Lineas van formando Laminas. Por
        este motivo se le denomina una Corriente Laminar.
        ∗:caso de un Cuerpo esférico en una Corriente (el limite
        depende de la geometría)
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Flujo Turbulento

        Cuando el Numero de Reynold es mayor que 2000∗ (Re > 2000)
        la corriente es turbulenta. Si llegara a fluir en forma laminar,
        cualquier perturbación la hará volverse turbulenta.




        Si uno deja escurrir en este tipo de Corriente en varios Lugares
        una tinta de marcaje, las Lineas se mezclan y hacen difusas.
        ∗:caso de un Cuerpo esférico en una Corriente (el limite
        depende de la geometría)


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Flujo laminar en un Canal
                                           Si se considera un flujo a través
                                           de un Tubo de Radio R, Largo

                                                               ΔL = x2 − x1

                                           con un gradiente de Presión

                                                               Δp = p2 − p1 ,

                                           lo que genera un flujo que en
                                           según el Números de Reynold es
                                           laminar.




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Ley de Hagen-Poiseuille
                                                 Para el caso Laminar, se puede
                                                 mostrar (ver Anexo 2), que el flujo
                                                 de un Liquido o Gas en un Tubo
                                                 obedece la Ley de
                                                 Hagen-Poiseuille:

                                                                                  R4 Δp
                                                                   JV = −                       (11)
                                                                                 8 w ΔL

                                                 donde
                                                   JV        Flujo de Volumen [L3 /T]
            Jean Louis Poiseuille                    w       Viscosidad [M/LT]
                (1799-1869)                        R         Radio del Canal [L]
                                                   Δp        Gradiente de Presión [M/LT 2 ]
                                                   ΔL        Largo del Canal [L]
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Significado del Signo
                                              El Signo de la Ecuación
                                              Hagen-Poiseuille nos indica en
                                              que dirección fluye la Corriente. Si

                                                          x2 > x1 o sea Δx > 0,
            p1
                                              el Flujo sera positivo (en la
                                              dirección de valores de x
                                              crecientes) si
            p2
                                                          p1 > p2 o sea Δp < 0.

                                              En otras palabras, la Corriente es
                 x1             x2
                                              siempre de el Sector de mayor
                                              Presión al de menor Presión.

W. Gerber             Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría   16.08.2009   25 / 59
Poros en el Suelo
                                                       El Suelo esta compuesto
                                                       por múltiples Poros. En una
                                                       Superficie S existen N Poros
                                                       de una Superficie de R2 . Si
                                                       la porosidad es de f el
                                                       Numero sera:

                                                                                     fS
                                                                         N=                     (12)
                                                                                      R2

                                                       donde
                                                         N      Numero de Poros [−]
                                                         f      Fracción de Porosidad [−]
                                                         S      Sección del la Muestra [L2 ]
                                                         R      Radio del Poro [L]

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Flujo por varios Poros
                                           Para calcular el flujo total
                                           debemos sumar el Flujo por cada
                                           uno de los Poros:

                                                                  JVt = NJV

                                           Empleando el flujo por poro (11) y
                                           el numero de Poros (15) se
                                           obtiene:
                                                                         R4 Δp fS
                                                         JVt = −
                                                                        8 ΔL R2
                                           o sea
                                                                        fSR2 Δp
                                                                =−
                                                                         8 ΔL

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Ecuación del Flujo por el Suelo
                                           Con ello el Flujo por el Suelo esta
                                           descrito por

                                                                           fSR2 Δp
                                                             JVt = −                      (13)
                                                                           8 w ΔL

                                           donde
                                             JVt       Flujo de Volumen [L3 /T]
                                               w       Viscosidad [M/LT]
                                             R         Radio del Poro [L]
                                             S         Sección del Canal [L2 ]
                                             f         Porosidad del Material [−]
                                             Δp        Gradiente de Presión [M/LT 2 ]
                                             ΔL        Largo del Canal [L]

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Flujo por Capas

        Una vez hemos descrito como se desplaza el Agua por un
        Medio homogéneo, podemos estudiar como fluye si hay capas
        de distintos Materiales. Para ello veremos:
            ▶   Conductividad Hidráulica
            ▶   Permeabilidad del Suelo
            ▶   Resistencia Hidráulica
            ▶   Analogía Eléctrica
            ▶   Ley de Darcy
            ▶   Capas en Paralelo
            ▶   Resistencia en Paralelo
            ▶   Capas en Serie
            ▶   Resistencia en Serie

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Interpretación del Flujo
                                            Si consideramos una Muestra de
                                            Suelo entre dos Columnas con un
                                            desnivel

                                                                Δh = h2 − h1

                                            con lo que se genera según (5)
                                            una diferencia de Presión

                                                                Δp =          w gΔh

                                            la ecuación de Flujo (13) se
                                            transforma en
                                                                     fSR2     wg      Δh
                                                       JVt = −                                  (14)
                                                                        8             ΔL

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Conductividad Hidráulica
                                           La Ecuación (14) contiene un
                                           elemento que es propio del tipo de
                                           Suelo y su Geometría:

                                                                         fR2         wg
                                                               Ks =                            (15)
                                                                          8          w


                                           donde
                                             Ks       Conductividad Hidráulica [L/T]
                                             R        Radio del Poro [L]
                                             f        Porosidad del Material [−]
                                               w      Viscosidad [M/LT]
                                                 w    Densidad [M/L3 ]
                                             g        Aceleración Gravitacional [M/T 2 ]

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Permeabilidad del Suelo
                                          La Conductividad Hidráulica a su
                                          vez se puede separar en un factor
                                          propio del Material que se
                                          denomina Permeabilidad
                                          Hidráulica:

                                                                           fR2
                                                                   ki =                  (16)
                                                                            8

                                          donde
                                            ki      Permeabilidad [L2 ]
                                            R       Radio del Poro [L]
                                            f       Porosidad del Material [−]



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Resistencia Hidráulica
                                           El Inverso de la Conductividad es
                                           la Resistencia:

                                                                            ΔL
                                                                   Rs =                   (17)
                                                                            Ks S

                                           donde
                                             Rs        Resistencia Hidráulica [T/L2 ]
                                             ΔL        Largo del Suelo [L]
                                             Ks        Conductividad Hidráulica [L/T]
                                             S         Sección del Suelo [L2 ]




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Analogía Eléctrica
                                           Si se reescribe la Ecuación (14)
                                           con la Definición de la Resistencia
                                           (17) se obtiene
                                                                               Δh
                                                                 JVt = −
                                                                               Rs
                                           o despejando Δh

                                                                 Δh = Rs JVt

                                           que es similar a la Ecuación de
                                           Ohm en que Δh juega el rol del
                                           Potencial.



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Ley de Darcy


                                                                                     Δh
                                                              JVt = −Ks S                      (18)
                                                                                     ΔL
                                           donde
                                             JVt       Flujo de Volumen [L3 /T]
                                             Δh        Altura de la Columna [L]
                                             ΔL        Largo del Suelo [L]
                                             Ks        Conductividad Hidráulica [L/T]
            Henry Darcy                      S         Sección del Suelo [L2 ]
            (1803-1858)




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Capas en Paralelo
                                          Siguiendo la Analogía Eléctrica, se
                                          calcula la Resistencia total de un
                                          Sistema de Resistencia en
                                          paralelo. Todas estas Resistencias
                                          están expuestas a la misma
                                          diferencia de Presión Δp. En cada
                                          Resistencia Rsi se tiene un Flujo
                                          igual a:
                                                               Δp
                                                      JVi = −
                                                               R si
                                          El Flujo total es igual a la Suma de
                                          los Flujos parciales:
                                                                                    Δp      Δp
                                            JVt =            JVi = −                     ≡−
                                                         i                    i
                                                                                    R si    R st

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Resistencia en Paralelo
                                           con lo que se puede definir una
                                           Resistencia Total:

                                                                 1                1
                                                                     =                       (19)
                                                                R st         i
                                                                                 R si

                                           donde
                                             R st     Resistencia Total [T/L]
                                             R si     Resistencia i-esima [T/L]




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Capas en Serie
                                          Siguiendo la Analogía Eléctrica se
                                          calcula la Resistencia total de un
                                          Sistema de Resistencia en Serie.
                                          Todas estas Resistencias están
                                          expuestas a la misma diferencia
                                          de Presión Δp. En todas las
                                          Resistencias Rsi existe el mismo
                                          Flujo:
                                                              Δpi
                                                      JVt = −
                                                              R si
                                          La Presión total es igual a la Suma
                                          de las Presiones parciales:

                                          Δp =              Δpi = −                 Rsi JVt ≡ −Rst JVt
                                                        i                     i

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Resistencia en Serie

                                           con lo que se puede definir una
                                           Resistencia Total:

                                                                R st =         i R si        (20)

                                           donde
                                             R st     Resistencia Total [T/L]
                                             R si     Resistencia i-esima [T/L]




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Aplicaciones

        A continuación se discuten algunas Aplicaciones de la Teoría
        aquí presentada. En particular se calcula:

            ▶   Presión
            ▶   Numero de Reynold
            ▶   Flujo por un Poro
            ▶   Flujo por el Suelo
            ▶   Flujo por Capas
            ▶   Flujo por Capas Paralelas
            ▶   Flujo por Capas en Serie




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Presión

        Si encontramos Agua subterránea en una Profundidad de 0,8 m
        bajo el Suelo, Cual es la Presión del Agua a una Profundidad
        de 2,2 m bajo el Suelo?
        La Columna de Agua tiene una altura de

                             h = 2,2 m − 0,8 m = 1,4 m

        Si la Presión Atmosférica es de 1 atm o sea p0 = 105 Pa, la
        Densidad del Agua es w = 1,0 g/cm3 y la Aceleración
        Gravitacional g = 9,8 m/s2 se obtiene con la Ecuación (2) la
        Presión buscada:

                        p = p0 +          w gh    = 1,137 × 10+5 Pa



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Flujo por un Poro

        En un Capilar de Arena el Radio típico es de R = 0,2 mm,
        Densidad = 1 g/cm3 , Viscosidad 8,90 × 10−4 Pa s y la
        Velocidad de = 0,1 mm/s. Que tipo de Corriente podemos
        esperar?
                                              r
                               Re =               = 2,25 × 10−2

        Al ser Re < 20 concluimos que el flujo es laminar.




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Flujo por un Poro I

        Si deseamos drenar un Suelo Saturado evacuando Agua a
        h = 1 m de profundidad, esta sera impulsada por una diferencia
        de Presión según se calcula con (5):
                           Δp =         w gΔh      = 9,8 × 10+3 Pa
        en donde se asumio que la densidad del Agua era
          = 1,0 g/cm3 y la Aceleración Gravitacional igual a
        g = 9,8 m/s2 .
        Si el Radio de la Porosidad es de R = 20 m, el Canal de
        Evacuacion tiene un largo de Δl = 0,2 m y la viscosidad es de
          = 8,90 × 10−4 Pa s, el Flujo sera según (11)
                       R4 Δp     3,1415(20 m)4 −9,8 × 10+3 Pa
             JV = −          =−
                      8 w ΔL    88,90 × 10−4 Pa s  0,2 m
                                   = 3,46 × 10−12 m3 /s
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Flujo por un Poro II

        Este numero parece chico, sin embargo si se calcula la
        Densidad del Flujo se obtiene

                      JV    3,46 × 10−8 m3 /s
               jV =       =                   = 0,275 × 10−3 m/s
                       R2   3,1415(200 m)2

        que corresponde a 1 m cada 6 minutos.




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Flujo por el Suelo

        En el caso del Flujo por el Suelo se requiere de calcular el
        numero de Poros. Si consideramos una Superficie de
        (10 cm × 10 cm o sea S = 0,01 m2 ) y una Porosidad de f = 0,4 el
        numero de Poros de Dimensionas según el Ejercicio anterior
        seria de:
                             fS       0,40,01 m2
                     N=          =               = 3,18 × 10+6
                              R2   3,1415(20 m)2

        Con el Flujo calculado en el Ejercicio anterior se obtiene así un
        Flujo total por la Sección considerada de:

            JVt = NJV = 3,18 × 10+6 3,46 × 10−12 m3 /s = 1,1 × 10−5 m3 /s

        lo que equivale que fluye un litro cada 2,88 años.

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Flujo por Capas I

        Cuando se trabaja con Capas se deben calcular las
        Resistencias Hidráulicas de cada una. Para ello a su vez se
        deben calcular las Conductividades Hidráulicas. Estas
        dependen por un lado de las Propiedades del Agua (por
        ejemplo Densidad = 1,0 g/cm3 , Viscosidad
          = 8,90 × 10−4 Pa s) y de la Aceleración Gravitacional
        (g = 9,8 m/s2 ) y por el otro lado de la Porosidad y Radio de los
        Capilares.
        Se suponen dos muestras de Suelo de Sección 10 × 10 cm2 ,
        20 cm de Largo con Porosidad f1 = 0,4 y f2 = 0,3, y Radios de
        Capilares de R1 = 20 m y R2 = 10 m. En ese caso la
        Conductividad Hidráulica con
                      wg       1,0 g/cm3 9,8 m/s2
                  =        =                      = 1,1 × 10+7 1/ms
                       w        8,90 × 10−4 Pa s
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Flujo por Capas II

        sera
                                            2
                                        f1 R1
                            K s1 =            = 2,20 × 10−4 m/s
                                          8
        y
                                  f2 R2
                                      2
                            K s2 =        = 4,13 × 10−5 m/s
                                    8
        que nos da una idea de la Velocidad con que se mueve el Agua
        por las Muestras. Con estas expresiones la Resistencia
        Hidráulica es:
                   ΔL                 0,2 cm
            R s1 =        =                          = 9,08 × 10+4 s/m2
                   K s1 S   2,20 × 10−4 m/s100 cm2
        y
                     ΔL               0,2 cm
            R s2 =          =                        = 4,84 × 10+5 s/m2
                     K s2 S   4,13 × 10−5 m/s100 cm2
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Flujo por Capas Paralelas

        Si las Muestras descritas en el Ejercicio anterior se conectan
        en forma paralela, el Agua tendera a pasar por aquel Elemento
        que muestre menor resistencia. Si la diferencia de Altura que
        genera la Presión fuese h = 1 m las corrientes serán:
                       Δh            −1 m
             JV1 = −        =−                  = 1,10 × 10−5 m3 /s
                       R s1    9,08 × 10+4 s/m2
        y
                       Δh            −1 m
             JV2 = −        =−                  = 2,06 × 10−6 m3 /s
                       R s2    4,84 × 10+5 s/m2
        La Resistencia total se calcula según (9):
                                     1
                       Rt =                 = 7,65 × 10+4 s/m2
                                 1      1
                                     +
                                R s1   R s2

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Flujo por Capas en Serie

        Si las Muestras descritas en el Ejercicio anterior se conectan
        en forma serial, el Agua tendera a pasar por ambos Elemento.
        La Resistencia total se calcula según (11):

                         Rt = Rs1 + Rs2 = 5,75 × 10+5 s/m2

        Con esta Resistencia el Flujo total sera:
                         Δh               −1 m
            JV = −               =−                  = 1,74 × 10−6 m3 /s
                     R s1 + R s2    5,75 × 10+6 s/m2
        La caída de Presión en cada Muestra es:

                       Δp1 =       w gΔh1       =      w gRs1 JV     = 1547,4 m

        y
                       Δp2 =       w gΔh2       =      w gRs2 JV     = 8252,6 m
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Anexos


            ▶   Desarrollo Ecuación Hagen-Poiseuille
            ▶   Unidades
            ▶   Conversiones
            ▶   Bibliografia
            ▶   Contacto




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Ecuacion de Naviar Stokes

        Los fluidos pueden ser descritos por la ecuación de Navier
        Stokes
                        ∂⃗        ⃗          ⃗
                           + (⃗ ⋅ ∇)⃗ = −∇p + ∇2 ⃗
                        ∂t
        En el caso estático
                                               ∂⃗
                                                  =0
                                               ∂t
        y laminar
                                                    ⃗
                                              ∣(⃗ ⋅ ∇)⃗ ∣
                                  Re =              2⃗ ∣
                                                          ≪0
                                                ∣∇
        se tiene que
                                      ⃗
                                     −∇p + ∇2 ⃗ = 0



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Ecuación del Perfil

        En coordenadas cilíndricas esta ecuación
                                      1 ∂             ∂ z          1 ∂p
                                                  r            =
                                      r ∂r            ∂r             ∂z
        la solución general es
                                               r2 ∂p
                                   z (r) =           + c1 ln r + c2
                                               4 ∂z
        Con la condición de borde en el Origen

                                       z (0)   = finito → c1 = 0
        y aquella en el Borde del Canal
                                         R2 ∂p                   R2 ∂p
                   z (R)   =0→                 + c2 = 0 → c2 = −
                                         4 ∂z                    4 ∂z
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Solución

        Solución caso poro:

                                                      1 ∂p 2
                                  z (r)   =−              (R − r2 )
                                                     4 ∂z

        Flujo total
                                                 R
                             1 ∂p                                                 R4 ∂p
                      Q=−         2                  rdr(R2 − r2 ) = −
                            4 ∂z             0                                   8 ∂z

        Si la presión desciende en Δp a lo largo ΔL del poro

                             ∂p   Δp       R4 Δp
                                =    →Q=−
                             ∂z   ΔL      8 ΔL



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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




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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




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Conversiones II

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




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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

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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




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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


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UACH Fisica En Las Ciencias Forestales 1 2 Saturacion

  • 1. Física en las Ciencias Forestales 1.2 Suelo Saturado Teoría Dr. Willy H. Gerber Instituto de Física, Universidad Austral, Valdivia, Chile 16.08.2009 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 1 / 59
  • 2. Suelo y Agua Como vimos en la Introducción del Capitulo anterior, el Agua en el Suelo es clave para la Vida. Por ello nos interesa ver que sucede cuando: ▶ el Agua penetración el Suelo ▶ el Suelo esta Saturado con Agua ▶ el Suelo NO esta Saturado con Agua En este capitulo nos concentraremos en los dos primeros Puntos. El ultimo se vera en el próximo Capitulo. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 2 / 59
  • 3. Penetración de Agua en el Suelo Si se vierte Agua en una probeta con Suelo, se observa que: ▶ El Agua penetra la muestra llenando los Poros en la parte inferior. ▶ El Gas es expulsado generando pequeñas Burbujas. ▶ Mientras más compacto el Material, más se demora el Agua en alcanzar los Poros. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 3 / 59
  • 4. Suelo Saturado y No-Saturado Después de que el Agua termina de fluir, podemos observar que se han formado dos Zonas: ▶ una superior, en que el Agua se encuentra en la Superficie de los Granos y solo en parte llena la Porosidad existente. ▶ otra inferior, en que toda la Porosidad se ha llenado de Agua. Suelo con Porosidad llena de Agua se denomina Suelo Saturado. El restante Suelo se denomina Suelo No Saturado. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 4 / 59
  • 5. La Presión Hidrostatica En el Suelo Saturado, la Columna de Agua tiene un Peso que genera Presión. En detalle debemos estudiar: ▶ La Columna de Agua ▶ El Peso de la Columna ▶ La Presión del Agua ▶ La independencia de la Forma ▶ La Presión Atmosférica ▶ Diferencia de Presión W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 5 / 59
  • 6. La Columna de Agua La Masa de una Columna de Agua se puede calcular del Área S, su Altura h y Densidad w mediante: m = Sh w (1) donde m Masa de la Columna [M] h Altura de la Columna [L] S Sección de la Columna [L2 ] w Densidad del Agua [M/L3 ] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 6 / 59
  • 7. El Peso de la Columna La Fuerza que ejerce la Columna del Agua es igual a la Masa m multiplicado por la Aceleración Gravitacional g: F = mg = w Shg (2) donde m Masa de la Columna [M] g Aceleración Gravitacional [L/T 2 ] h Altura de la Columna [L] S Sección de la Columna [L2 ] w Densidad del Agua [M/L3 ] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 7 / 59
  • 8. La Presión de Agua La Fuerza que ejerce la Columna de Agua (2) es proporcional a la Sección de la Columna, por lo que tiene sentido definir una Magnitud del tipo Fuerza por Área: F Sh w g p= = = w gh (3) S S donde p Presión [M/LT 2 ] F Fuerza [ML/T 2 ] La Presión se mide en g Aceleración Gravitacional [L/T 2 ] Pascal (Pa = N/m2 h Altura de la Columna [L] [M/LT 2 ]) S Sección de la Columna [L2 ] w Densidad del Agua [M/L3 ] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 8 / 59
  • 9. La independencia de la Forma Es importante comprender que la Presión solo depende de la Profundidad sin ser necesario que exista una Columna directamente encima del Punto en que se mide la Presión. Esto se debe a que cualquier diferencia de Presión a una misma Profundidad llevara a un Flujo hasta que la Presión sea pareja. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 9 / 59
  • 10. La Presión Atmosférica La Presión Atmosférica se Suma a la Presión generada por la Columna de Agua. Por ello la Presión total es: p = p0 + w gh (4) donde p Presión [M/LT 2 ] p0 Presión Atmosférica [L/T 2 ] h Altura de la Columna [L] g Aceleración Gravitacional [L/T 2 ] w Densidad del Agua [M/L3 ] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 10 / 59
  • 11. Diferencia de Presión I La Presión en la primera Columna es igual a p1 = p0 + w gh1 mientras que en la segunda p2 = p0 + w gh2 La diferencia de Presión es por consiguiente Δp ≡ p2 − p1 = w g(h2 − h1 ) y con Δh = h2 − h1 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 11 / 59
  • 12. Diferencia de Presión II se obtiene Δp = w gΔh (5) donde Δp Diferencia de Presión [M/LT2 ] Δh Diferencia de Altura de la Columna [L] g Aceleración Gravitacional [L/T 2 ] w Densidad del Agua [M/L3 ] Nota, cuando hay una diferencia de Presión, y por ambos lados existe una Presión atmosférica, esta no depende de la Presión atmosférica. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 12 / 59
  • 13. El Desplazamiento del Agua La diferencia de Presión que calculamos en los Puntos anteriores es la que origina el Movimiento del Agua dentro del Solido. Por ello estudiaremos: ▶ La Conservación de Cantidad ▶ Ecuación de Continuidad ▶ Flujo Laminar ▶ Flujo Turbulento ▶ El Numero de Reynold ▶ Ley de Hagen-Poiseuille ▶ Flujo por un Poro ▶ Flujo por el Suelo W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 13 / 59
  • 14. La Conservación de Cantidad Si se asume que el Agua es incompresible (no se deja comprimir) el Volumen sera siempre el mismo. En tal caso existe una Conservación del Volumen, es decir el Volumen total se mantendrá constante. No se creara ni destruira. Esto significa que el Volumen de Agua que entra en un Canal debe ser igual al Volumen que sale por el otro extremo, independiente de la variación en la Sección que tenga este. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 14 / 59
  • 15. Aplicación al Suelo En el Caso del Suelo, esto significa que la Cantidad de Agua que ingrese en el Suelo Saturado, debe ser igual al Volumen de abandona la Muestra. En el caso del Suelo la variación de la Sección correspondería a variaciones en la Porosidad a lo largo del camino que recorre el Agua. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 15 / 59
  • 16. Flujo de Volumen El Flujo se calcula de la Sección del Canal y de la Velocidad con que se mueve el liquido: ΔV JV = =S (6) Δt donde JV Flujo de Volumen [L3 /T] ΔV Volumen que pasa por una Sección en Δt [L3 ] Δt Tiempo [T] S Sección por la que pasa la Corriente [L2 ] Velocidad de la Corriente [L/T] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 16 / 59
  • 17. Densidad de Flujo de Volumen Si se divide el Flujo por el Área de la Sección, se obtiene la Densidad de Flujo, que corresponde a la Velocidad media de la Corriente: JV jV = = (7) S donde JV Flujo de Volumen [L3 /T] jV Densidad de Flujo de Volumen [L/T] S Sección por la que pasa la Corriente [L2 ] Velocidad de la Corriente [L/T] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 17 / 59
  • 18. Ecuación de Continuidad I Si el Liquido es incompresible, el Volumen se conserva, lo que significa que el Flujo es una Constante: JV = S = cte (8) donde JV Densidad de Flujo de Volumen [L3 /T] S Sección por la que pasa la Corriente [L2 ] Velocidad de la Corriente [L/T] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 18 / 59
  • 19. Ecuación de Continuidad II En otras palabras, mientras no existan perdidas de liquido en un Canal, el Flujo en dos Secciones 1 y 2 del Canal serán iguales: JV1 = JV2 o S1 1 = S2 2 (9) donde JV1 , JV2 Flujo en 1 y 2 [L3 /T] S1 , S2 Sección en 1 y 2 [L2 ] 1, 2 Velocidad en 1 y 2 [L/T] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 19 / 59
  • 20. El Numero de Reynold Se puede definir un números a-dimensional que caracteriza el tipo de Flujo que se Observara. Uno de estos numero es el denominado Numero de Reynolds: 2 /R R Re = = (10) /R2 donde Re Numero de Reynold [−] Densidad [M/L3 ] Osborne Reynolds Viscosidad [M/LT] (1842 − 1912) R Dimensión [L] Velocidad [L/T] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 20 / 59
  • 21. Flujo Laminar Cuando el Numero de Reynold es menor que 20∗ (Re < 20), la corriente es estable. No solo muestra un patrón parejo, cualquier perturbación es amortiguada desapareciendo finalmente. Si uno deja escurrir en este tipo de Corriente en varios Lugares una tinta de marcaje, las Lineas van formando Laminas. Por este motivo se le denomina una Corriente Laminar. ∗:caso de un Cuerpo esférico en una Corriente (el limite depende de la geometría) W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 21 / 59
  • 22. Flujo Turbulento Cuando el Numero de Reynold es mayor que 2000∗ (Re > 2000) la corriente es turbulenta. Si llegara a fluir en forma laminar, cualquier perturbación la hará volverse turbulenta. Si uno deja escurrir en este tipo de Corriente en varios Lugares una tinta de marcaje, las Lineas se mezclan y hacen difusas. ∗:caso de un Cuerpo esférico en una Corriente (el limite depende de la geometría) W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 22 / 59
  • 23. Flujo laminar en un Canal Si se considera un flujo a través de un Tubo de Radio R, Largo ΔL = x2 − x1 con un gradiente de Presión Δp = p2 − p1 , lo que genera un flujo que en según el Números de Reynold es laminar. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 23 / 59
  • 24. Ley de Hagen-Poiseuille Para el caso Laminar, se puede mostrar (ver Anexo 2), que el flujo de un Liquido o Gas en un Tubo obedece la Ley de Hagen-Poiseuille: R4 Δp JV = − (11) 8 w ΔL donde JV Flujo de Volumen [L3 /T] Jean Louis Poiseuille w Viscosidad [M/LT] (1799-1869) R Radio del Canal [L] Δp Gradiente de Presión [M/LT 2 ] ΔL Largo del Canal [L] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 24 / 59
  • 25. Significado del Signo El Signo de la Ecuación Hagen-Poiseuille nos indica en que dirección fluye la Corriente. Si x2 > x1 o sea Δx > 0, p1 el Flujo sera positivo (en la dirección de valores de x crecientes) si p2 p1 > p2 o sea Δp < 0. En otras palabras, la Corriente es x1 x2 siempre de el Sector de mayor Presión al de menor Presión. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 25 / 59
  • 26. Poros en el Suelo El Suelo esta compuesto por múltiples Poros. En una Superficie S existen N Poros de una Superficie de R2 . Si la porosidad es de f el Numero sera: fS N= (12) R2 donde N Numero de Poros [−] f Fracción de Porosidad [−] S Sección del la Muestra [L2 ] R Radio del Poro [L] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 26 / 59
  • 27. Flujo por varios Poros Para calcular el flujo total debemos sumar el Flujo por cada uno de los Poros: JVt = NJV Empleando el flujo por poro (11) y el numero de Poros (15) se obtiene: R4 Δp fS JVt = − 8 ΔL R2 o sea fSR2 Δp =− 8 ΔL W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 27 / 59
  • 28. Ecuación del Flujo por el Suelo Con ello el Flujo por el Suelo esta descrito por fSR2 Δp JVt = − (13) 8 w ΔL donde JVt Flujo de Volumen [L3 /T] w Viscosidad [M/LT] R Radio del Poro [L] S Sección del Canal [L2 ] f Porosidad del Material [−] Δp Gradiente de Presión [M/LT 2 ] ΔL Largo del Canal [L] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 28 / 59
  • 29. Flujo por Capas Una vez hemos descrito como se desplaza el Agua por un Medio homogéneo, podemos estudiar como fluye si hay capas de distintos Materiales. Para ello veremos: ▶ Conductividad Hidráulica ▶ Permeabilidad del Suelo ▶ Resistencia Hidráulica ▶ Analogía Eléctrica ▶ Ley de Darcy ▶ Capas en Paralelo ▶ Resistencia en Paralelo ▶ Capas en Serie ▶ Resistencia en Serie W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 29 / 59
  • 30. Interpretación del Flujo Si consideramos una Muestra de Suelo entre dos Columnas con un desnivel Δh = h2 − h1 con lo que se genera según (5) una diferencia de Presión Δp = w gΔh la ecuación de Flujo (13) se transforma en fSR2 wg Δh JVt = − (14) 8 ΔL W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 30 / 59
  • 31. Conductividad Hidráulica La Ecuación (14) contiene un elemento que es propio del tipo de Suelo y su Geometría: fR2 wg Ks = (15) 8 w donde Ks Conductividad Hidráulica [L/T] R Radio del Poro [L] f Porosidad del Material [−] w Viscosidad [M/LT] w Densidad [M/L3 ] g Aceleración Gravitacional [M/T 2 ] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 31 / 59
  • 32. Permeabilidad del Suelo La Conductividad Hidráulica a su vez se puede separar en un factor propio del Material que se denomina Permeabilidad Hidráulica: fR2 ki = (16) 8 donde ki Permeabilidad [L2 ] R Radio del Poro [L] f Porosidad del Material [−] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 32 / 59
  • 33. Resistencia Hidráulica El Inverso de la Conductividad es la Resistencia: ΔL Rs = (17) Ks S donde Rs Resistencia Hidráulica [T/L2 ] ΔL Largo del Suelo [L] Ks Conductividad Hidráulica [L/T] S Sección del Suelo [L2 ] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 33 / 59
  • 34. Analogía Eléctrica Si se reescribe la Ecuación (14) con la Definición de la Resistencia (17) se obtiene Δh JVt = − Rs o despejando Δh Δh = Rs JVt que es similar a la Ecuación de Ohm en que Δh juega el rol del Potencial. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 34 / 59
  • 35. Ley de Darcy Δh JVt = −Ks S (18) ΔL donde JVt Flujo de Volumen [L3 /T] Δh Altura de la Columna [L] ΔL Largo del Suelo [L] Ks Conductividad Hidráulica [L/T] Henry Darcy S Sección del Suelo [L2 ] (1803-1858) W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 35 / 59
  • 36. Capas en Paralelo Siguiendo la Analogía Eléctrica, se calcula la Resistencia total de un Sistema de Resistencia en paralelo. Todas estas Resistencias están expuestas a la misma diferencia de Presión Δp. En cada Resistencia Rsi se tiene un Flujo igual a: Δp JVi = − R si El Flujo total es igual a la Suma de los Flujos parciales: Δp Δp JVt = JVi = − ≡− i i R si R st W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 36 / 59
  • 37. Resistencia en Paralelo con lo que se puede definir una Resistencia Total: 1 1 = (19) R st i R si donde R st Resistencia Total [T/L] R si Resistencia i-esima [T/L] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 37 / 59
  • 38. Capas en Serie Siguiendo la Analogía Eléctrica se calcula la Resistencia total de un Sistema de Resistencia en Serie. Todas estas Resistencias están expuestas a la misma diferencia de Presión Δp. En todas las Resistencias Rsi existe el mismo Flujo: Δpi JVt = − R si La Presión total es igual a la Suma de las Presiones parciales: Δp = Δpi = − Rsi JVt ≡ −Rst JVt i i W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 38 / 59
  • 39. Resistencia en Serie con lo que se puede definir una Resistencia Total: R st = i R si (20) donde R st Resistencia Total [T/L] R si Resistencia i-esima [T/L] W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 39 / 59
  • 40. Aplicaciones A continuación se discuten algunas Aplicaciones de la Teoría aquí presentada. En particular se calcula: ▶ Presión ▶ Numero de Reynold ▶ Flujo por un Poro ▶ Flujo por el Suelo ▶ Flujo por Capas ▶ Flujo por Capas Paralelas ▶ Flujo por Capas en Serie W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 40 / 59
  • 41. Presión Si encontramos Agua subterránea en una Profundidad de 0,8 m bajo el Suelo, Cual es la Presión del Agua a una Profundidad de 2,2 m bajo el Suelo? La Columna de Agua tiene una altura de h = 2,2 m − 0,8 m = 1,4 m Si la Presión Atmosférica es de 1 atm o sea p0 = 105 Pa, la Densidad del Agua es w = 1,0 g/cm3 y la Aceleración Gravitacional g = 9,8 m/s2 se obtiene con la Ecuación (2) la Presión buscada: p = p0 + w gh = 1,137 × 10+5 Pa W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 41 / 59
  • 42. Flujo por un Poro En un Capilar de Arena el Radio típico es de R = 0,2 mm, Densidad = 1 g/cm3 , Viscosidad 8,90 × 10−4 Pa s y la Velocidad de = 0,1 mm/s. Que tipo de Corriente podemos esperar? r Re = = 2,25 × 10−2 Al ser Re < 20 concluimos que el flujo es laminar. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 42 / 59
  • 43. Flujo por un Poro I Si deseamos drenar un Suelo Saturado evacuando Agua a h = 1 m de profundidad, esta sera impulsada por una diferencia de Presión según se calcula con (5): Δp = w gΔh = 9,8 × 10+3 Pa en donde se asumio que la densidad del Agua era = 1,0 g/cm3 y la Aceleración Gravitacional igual a g = 9,8 m/s2 . Si el Radio de la Porosidad es de R = 20 m, el Canal de Evacuacion tiene un largo de Δl = 0,2 m y la viscosidad es de = 8,90 × 10−4 Pa s, el Flujo sera según (11) R4 Δp 3,1415(20 m)4 −9,8 × 10+3 Pa JV = − =− 8 w ΔL 88,90 × 10−4 Pa s 0,2 m = 3,46 × 10−12 m3 /s W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 43 / 59
  • 44. Flujo por un Poro II Este numero parece chico, sin embargo si se calcula la Densidad del Flujo se obtiene JV 3,46 × 10−8 m3 /s jV = = = 0,275 × 10−3 m/s R2 3,1415(200 m)2 que corresponde a 1 m cada 6 minutos. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 44 / 59
  • 45. Flujo por el Suelo En el caso del Flujo por el Suelo se requiere de calcular el numero de Poros. Si consideramos una Superficie de (10 cm × 10 cm o sea S = 0,01 m2 ) y una Porosidad de f = 0,4 el numero de Poros de Dimensionas según el Ejercicio anterior seria de: fS 0,40,01 m2 N= = = 3,18 × 10+6 R2 3,1415(20 m)2 Con el Flujo calculado en el Ejercicio anterior se obtiene así un Flujo total por la Sección considerada de: JVt = NJV = 3,18 × 10+6 3,46 × 10−12 m3 /s = 1,1 × 10−5 m3 /s lo que equivale que fluye un litro cada 2,88 años. W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 45 / 59
  • 46. Flujo por Capas I Cuando se trabaja con Capas se deben calcular las Resistencias Hidráulicas de cada una. Para ello a su vez se deben calcular las Conductividades Hidráulicas. Estas dependen por un lado de las Propiedades del Agua (por ejemplo Densidad = 1,0 g/cm3 , Viscosidad = 8,90 × 10−4 Pa s) y de la Aceleración Gravitacional (g = 9,8 m/s2 ) y por el otro lado de la Porosidad y Radio de los Capilares. Se suponen dos muestras de Suelo de Sección 10 × 10 cm2 , 20 cm de Largo con Porosidad f1 = 0,4 y f2 = 0,3, y Radios de Capilares de R1 = 20 m y R2 = 10 m. En ese caso la Conductividad Hidráulica con wg 1,0 g/cm3 9,8 m/s2 = = = 1,1 × 10+7 1/ms w 8,90 × 10−4 Pa s W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 46 / 59
  • 47. Flujo por Capas II sera 2 f1 R1 K s1 = = 2,20 × 10−4 m/s 8 y f2 R2 2 K s2 = = 4,13 × 10−5 m/s 8 que nos da una idea de la Velocidad con que se mueve el Agua por las Muestras. Con estas expresiones la Resistencia Hidráulica es: ΔL 0,2 cm R s1 = = = 9,08 × 10+4 s/m2 K s1 S 2,20 × 10−4 m/s100 cm2 y ΔL 0,2 cm R s2 = = = 4,84 × 10+5 s/m2 K s2 S 4,13 × 10−5 m/s100 cm2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 47 / 59
  • 48. Flujo por Capas Paralelas Si las Muestras descritas en el Ejercicio anterior se conectan en forma paralela, el Agua tendera a pasar por aquel Elemento que muestre menor resistencia. Si la diferencia de Altura que genera la Presión fuese h = 1 m las corrientes serán: Δh −1 m JV1 = − =− = 1,10 × 10−5 m3 /s R s1 9,08 × 10+4 s/m2 y Δh −1 m JV2 = − =− = 2,06 × 10−6 m3 /s R s2 4,84 × 10+5 s/m2 La Resistencia total se calcula según (9): 1 Rt = = 7,65 × 10+4 s/m2 1 1 + R s1 R s2 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 48 / 59
  • 49. Flujo por Capas en Serie Si las Muestras descritas en el Ejercicio anterior se conectan en forma serial, el Agua tendera a pasar por ambos Elemento. La Resistencia total se calcula según (11): Rt = Rs1 + Rs2 = 5,75 × 10+5 s/m2 Con esta Resistencia el Flujo total sera: Δh −1 m JV = − =− = 1,74 × 10−6 m3 /s R s1 + R s2 5,75 × 10+6 s/m2 La caída de Presión en cada Muestra es: Δp1 = w gΔh1 = w gRs1 JV = 1547,4 m y Δp2 = w gΔh2 = w gRs2 JV = 8252,6 m W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 49 / 59
  • 50. Anexos ▶ Desarrollo Ecuación Hagen-Poiseuille ▶ Unidades ▶ Conversiones ▶ Bibliografia ▶ Contacto W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 50 / 59
  • 51. Ecuacion de Naviar Stokes Los fluidos pueden ser descritos por la ecuación de Navier Stokes ∂⃗ ⃗ ⃗ + (⃗ ⋅ ∇)⃗ = −∇p + ∇2 ⃗ ∂t En el caso estático ∂⃗ =0 ∂t y laminar ⃗ ∣(⃗ ⋅ ∇)⃗ ∣ Re = 2⃗ ∣ ≪0 ∣∇ se tiene que ⃗ −∇p + ∇2 ⃗ = 0 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 51 / 59
  • 52. Ecuación del Perfil En coordenadas cilíndricas esta ecuación 1 ∂ ∂ z 1 ∂p r = r ∂r ∂r ∂z la solución general es r2 ∂p z (r) = + c1 ln r + c2 4 ∂z Con la condición de borde en el Origen z (0) = finito → c1 = 0 y aquella en el Borde del Canal R2 ∂p R2 ∂p z (R) =0→ + c2 = 0 → c2 = − 4 ∂z 4 ∂z W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 52 / 59
  • 53. Solución Solución caso poro: 1 ∂p 2 z (r) =− (R − r2 ) 4 ∂z Flujo total R 1 ∂p R4 ∂p Q=− 2 rdr(R2 − r2 ) = − 4 ∂z 0 8 ∂z Si la presión desciende en Δp a lo largo ΔL del poro ∂p Δp R4 Δp = →Q=− ∂z ΔL 8 ΔL W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 53 / 59
  • 54. 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 - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 54 / 59
  • 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 - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 55 / 59
  • 56. Conversiones II 1 g/cm3 = 10+3 kg/m3 1 kg/m3 = 10−3 g/cm3 W. Gerber Física en las Ciencias Forestales - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 56 / 59
  • 57. 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 - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 57 / 59
  • 58. 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 - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 58 / 59
  • 59. 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 - 1.2 Suelo Saturado - Teoría 16.08.2009 59 / 59