Settore Scientifico Disciplinare di Appartenenza
ICAR/01 Idraulica
Numero di Crediti Formativi Universitari
12
Obiettivi formativi
Il corso tratta tematiche fondamentali nell’ambito della Classe di Laurea in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio e Ingegneria Civile, di cui è attività formativa indispensabile e caratterizzante. L'insegnamento dell'Idraulica fornisce agli allievi ingegneri le nozioni basilari della Meccanica dei Fluidi e gli strumenti di Idraulica Applicata. Il programma è suddiviso in quattro parti. Nella prima parte il corso si propone di illustrare i principi fondamentali della meccanica dei fluidi e di dedurre le leggi che ne governano il moto. Nella seconda parte vengono proposte le applicazioni tipiche del moto uniforme nelle condotte, i fenomeni localizzati, il moto vario nelle condotte. Nella terza parte, il corso ha lo scopo di fornire le nozioni del moto uniforme, del moto permanente e della propagazione delle piccole perturbazioni nei canali a pelo libero.
Nella quarta parte, il corso ha lo scopo di fornire i fondamenti della modellistica fisica idraulica. Si trattano i principi dell’analisi dimensionale, della definizione delle similitudini geometrica, cinematica e dinamica.
Inoltre, agli studenti vengono fornite le competenze necessarie per la comprensione della dinamica dei fluidi attraverso formative attività di laboratorio.
Programma sintetico
Idraulica di Base
- Proprietà fisiche dei fluidi. Equilibrio dei fluidi in quiete.
- Spinta su superfici piane e su superfici curve. Equazione indefinita e globale dell’equilibrio statico.
- Cinematica dei campi fluidi. Equazione indefinita e globale di continuità.
- Dinamica dei fluidi perfetti e newtoniani. Moti turbolenti. Equazione indefinita e globale dell’equilibrio dinamico. Spinte dinamiche.
Idraulica Applicata delle Condotte
- Misure di velocità e di portata.
- Moto uniforme nei tubi cilindrici e problemi di lunghe condotte.
- Perdite di carico continue e localizzate.
- Moto vario nelle condotte.
Idraulica Applicata dei Canali
- Energia specifica rispetto al fondo del canale.
- Moto uniforme nei canali a superficie libera.
- Scala di deflusso e progetto dei canali.
- Moto permanente nei canali. Moto vario e propagazione delle piccole perturbazioni.
Propedeuticità
Si veda il regolamento didattico relativo al proprio anno di immatricolazione.
Eventuali obblighi di frequenza per laboratori
Le attività di laboratorio sono obbligatorie, in quanto di ausilio alla parte teorica del corso.
Articolazione in differenti tipologie didattiche
Il corso prevede lezioni teoriche, esercitazioni, seminari, esercitazioni di laboratorio e una visita tecnica di una grande opera idraulica, per un totale di 12 CFU, ossia 120 ore di didattica.
Modalità specifiche dell’esame
Per sostenere l'esame è obbligatoria l'iscrizione sul portale
Esse 3 del Poliba.
L’esame di Idraulica si compone di:
1. una verifica scritta per ciascuno dei seguenti argomenti: a) idrostatica, b) spinte dinamiche e c) progetto e verifica di reti di condotte e moto nei canali;
2. una prova orale sulla parte teorica;
3. esercitazioni di laboratorio (queste ultime sono tenute solo durante il corso nel Laboratorio di Idraulica del dipartimento).
Durante il corso sono previsti tre esoneri (sempre sugli argomenti di a) idrostatica, b) spinte dinamiche e c) progetto di reti di condotte e canali), superando i quali all’esame lo studente sostiene solo la prova orale sulla parte teorica della materia. Nel caso di mancato superamento di uno o più esoneri tenuti durante il corso (per insufficienza o per assenza), la relativa verifica scritta si sostiene nello stesso giorno dell’orale o alcuni giorni prima, secondo gli appelli ufficiali indicati nella bacheca del sito del docente. Tale verifica scritta sarà limitata ai soli argomenti per i quali non si è sostenuto o non si è superato il relativo esonero in corso d’anno. Gli esoneri hanno validità solo per gli appelli immediatamente successivi alla chiusura del corso, ossia gli appelli di giugno e luglio.
Chi ha sostenuto gli scritti potrà sostenere l'esame orale solo il giorno previsto per esso nel medesimo appello del mese.
Per le esercitazioni di laboratorio, il giorno dell’esame gli studenti possono portare una relazione scritta sull'attività svolta.
Programma dettagliato del corso di Idraulica e testi consigliati per lo studio e per la consultazione
Caratteristiche distintive dei solidi, liquidi e gas. Sforzi nei fluidi. Dimostrazione del teorema del tetraedro di Cauchy. Caratteristiche fisiche dei fluidi: densità e peso specifico.
Corollario del teorema del tetraedro di Cauchy; caso idrostatico: principio di Pascal. Comprimibilità. Coefficiente di comprimibilità volumetrico. Comprimibilità dei liquidi. Comprimibilità degli aeriformi. Numero indice di Mach. Introduzione alla tensione superficiale: definizione; casi pratici. Linea di contatto con presenza di un solido: fluidi che bagnano e non bagnano la parete. Dimostrazione della legge di Laplace.
Dimostrazione della legge di Jurin-Borelli: caso dei liquidi che bagnano e non bagnano la parete. Viscosità dinamica e cinematica. Dimostrazione della Legge di Netwon.
Fluidi non newtoniani. Fluidi con comportamento indipendente dal tempo (Bingham, dilatanti e pseudoplastici). Fluidi con comportamento dipendente dal tempo (tixotropici e reopectici). Fluidi elastoviscosi.
Idrostatica: equazione indefinita dell'idrostatica (con dimostrazione); caso del campo gravitazionale.
Equazione globale dell’equilibrio statico (con dimostrazione). Legge di Stevino (con dimostrazione). Concetto di pressioni assolute e relative. Pressioni relative negative. Andamento delle pressioni su un piano. Tracciamento delle pressioni relative e assolute. Dimostrazione del calcolo della spinta su piastre piane. Dimostrazione delle coordinate del centro di spinta e delle sue proprietà rispetto al baricentro. Calcolo del centro di spinta per il caso di una piastra piana a forma rettangolare.
Dimostrazione del principio di funzionamento del manometro semplice a mercurio. Dimostrazione del manometro differenziale con liquido manometrico di densità maggiore di quelli dei serbatoi.
Spinte su piastre curve. Generalità. Caso delle piastre curve con linea di contorno giacente su un piano. Casi di una superficie concava o convessa verso il liquido.
Fluidi a piccolo peso specifico. Dimostrazione della formula di Mariotte.
Cinematica dei fluidi. Regimi di movimento: laminare, di transizione e turbolento. Esperienza di Reynolds. Numero indice di Reynolds. Punto di vista euleriano e lagrangiano. Regola di derivazione euleriana. Elementi caratteristici del moto: traiettorie; linee di corrente e linee di fumo.
Tipi di movimento: uniforme in senso forte e debole, permanente, vario. Concetto di moto uniforme esteso ai moti turbolenti. Dimostrazione dell'equazione indefinita di continuità per fluidi comprimibili. Caso dei fluidi incomprimibili.
Equazione globale di continuità. Caso di un fluido incomprimibile.
Dinamica dei fluidi. Prima equazione cardinale indefinita dell'equilibrio dinamico dei fluidi perfetti (equazione di Eulero).
Dimostrazione del teorema di Bernoulli. Significato geometrico ed energetico del teorema di Bernoulli.
Foronomia: efflusso da luce a battente posta sul fondo di un serbatoio; efflusso da una paratoia in un canale; efflusso di una vena libera in atmosfera da parete verticale. Stramazzo rettangolare (con dimostrazione).
Venturimetro e altri misuratori di portata deprimogeni. Taratura di un venturimetro. Tubo di Pitot.
Equazione globale dell'equilibrio dinamico e sue applicazioni. Dimostrazione dell’azione di trascinamento di una corrente. Tensione tangenziale di parete. Raggio idraulico.
Spinte su piastre fisse o in moto. Spinte su piastre con deviazione del flusso secondo un angolo generico. Spinte su piastra inclinata di un angolo generico rispetto al getto.
Estensione del teorema di Bernoulli al caso dei fluidi reali. Perdite di carico localizzate e continue. Perdite di carico per imbocco e per sbocco. Cadente piezometrica: significato geometrico ed energetico.
Distinzione tra i diversi regimi di moto al fine della progettazione dei condotti.
Legge di Darcy-Weisbach. Indice di resistenza. Condotte idraulicamente lisce e scabre: substrato limite viscoso. Indice di resistenza per moto laminare, turbolento di transizione per condotto liscio, turbolento di transizione per condotto scabro e assolutamente turbolento. Abaco di Moody. Moto turbolento di transizione e assolutamente turbolento. Numero indice di Reynolds di attrito.
Equazione di Coolebrok-White. Legge di Darcy, formula di Bazin, Kutter, Gauckler-Strickler e Manning.
Condotte commerciali. Condotte in serie e in parallelo. Reti aperte di condotte. Metodo di economia del Marzolo.
Progetto di una condotta con un impianto di sollevamento. Formula di economia di Bresse. Potenza di una pompa.
Portata uniformemente distribuita: portata fittizia; andamento della linea piezometrica.
Moto vario nelle condotte in pressione. Fasi del colpo d’ariete nel caso di chiusura brusca. Periodicità del fenomeno nel caso di fluido perfetto. Sovrappressione del colpo d’ariete (con dimostrazione) e celerità del colpo d'ariete (con dimostrazione). Celerità del colpo d'ariete nel caso di cedevolezza dell’involucro (con dimostrazione). Chiusura lenta e brusca: formula di Michaud (con dimostrazione). Esercizi sulle condotte con scabrezza nuova e vecchia, perdita di carico localizzata per presenza di una saracinesca. Moto in un tubo ad U. Oscillazioni di massa (con dimostrazione).
Tracciati altimetrici delle condotte: caso della condotta che interseca la linea piezometrica relativa (con e senza sfiato); caso della condotta che interseca la linea piezometrica assoluta (con e senza sfiato); caso delle condotte che intersecano la linea dei carichi idrostatici relativi; caso della condotta che interseca la linea dei carichi idrostatici assoluti.
Posizione di una pompa. Pompa sovrabattente e sottobattente. Esercizi sul posizionamento delle pompe.
Reti chiuse: caratteristiche e tipologie. Esercizi sui problemi di verifica delle condotte (condotta con un particolare tracciato altimetrico). Dimostrazione del metodo di Cross. Esercizio sul metodo di Cross. Progetto di una rete chiusa e sua verifica con il metodo di Cross.
Canali. Linea piezometrica e dell’energia nei canali. Energia specifica rispetto al fondo; diagramma dell’energia in funzione del tirante idrico; diagramma dell'altezza del tirante idrico in funzione della portata per unità di larghezza; raggio idraulico: caso di una sezione rettangolare larga; alvei a debole e forte pendenza. Formula di Chézy. Scala di deflusso dei canali. Moto uniforme nei canali. Problemi di progetto nei canali. Criterio di economia. Equazione dei profili di moto permanente (con dimostrazione). Profilo D1, D2 e D3 di alveo a debole pendenza ed F1, F2 e F3 di alveo a forte pendenza.
Risalto idraulico. Dimostrazione dell'equazione delle altezze coniugate di un risalto idraulico. Analisi del profilo della corrente in alveo a debole pendenza all'uscita da una paratoia. Energia dissipata dal risalto idraulico (con dimostrazione). Tracciamento dei profili di moto permanente: casi delle pile di un ponte, della soglia di fondo e del cambiamento di pendenza di un alveo.
Carattere cinematico delle correnti. Dimostrazione della celerità delle piccole perturbazioni nei canali. Perturbazioni nelle correnti veloci e lente. Correnti a monte e a valle di una causa di perturbazione. Metodo alle differenze finite per il tracciamento dei profili di moto permanente.
Parte esercitativa del corso. Esercizi sulle spinte idrostatiche su superfici piane e curve. Esercizi sul teorema di Bernoulli e sulle spinte dinamiche. Esercizi di progetto dei condotti con le varie formulazioni. Esercizi sulle reti aperte e sulle reti chiuse. Esercizi sugli impianti di sollevamento. Esercizi sulla verifica delle condotte. Problemi di progetto e verifica dei canali. Esercizi sui profili di moto permanente. Profili di moto permanente nei canali.
Esercitazione di laboratorio: taratura di un venturimetro e taratura di uno stramazzo.
Testo del corso
M. Mossa, A.F. Petrillo, Idraulica, ISBN 978-88-08-18072-8, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 2013.
Testi per la consultazione
D. Citrini, G. Noseda, Idraulica, Ed. CEA, Milano.
G. Alfonsi, E. Orsi, Problemi di idraulica e meccanica dei fluidi, Ed. CEA, Milano.
A. Ghetti, Idraulica, Edizioni Libreria Cortina, Padova, 1981 (2a edizione).
E. Marchi, A. Rubatta, Meccanica dei Fluidi: principi ed applicazioni idrauliche, UTET, Torino, 1981.
F.M. White, Fluid Mechanics, McGraw-Hill, 4a edizione, 1999.
Y.A. Çengel, J.M. Cimbala, Meccanica dei Fluidi, McGraw-Hill, 2011 (2a edizione).
Per seguire il corso è necessario iscriversi compilando il modulo che si apre cliccando sulla voce sottostante "Desidero iscrivermi" (la prenotazione agli esami, invece, si effettua dalla pagina web Poliba Esse Tre).
LIC - Laboratorio di Ingegneria Costiera
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