Água de superficie: Engenharia hidráulica

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A engenharia hidráulica é o ramo da engenharia civil que se ocupa do fluxo e do transporte de fluidos, especialmente de águas e esgotos. A sua atividade também se relaciona intimamente com a da engenharia sanitária e com a da engenharia do ambiente.

Este ramo da engenharia civil é responsável pela realização de projetos como os de sistemas de esgotos, de redes de abastecimento de água, de sistemas de irrigação, de sistemas de drenagem, de obras portuárias, de barragens e de hidrovias. A engenharia hidráulica aplica os princípios da mecânica dos fluídos aos problemas ligados à recolha, armazenamento, controlo, transporte, regulação, medição e uso das águas. Uma característica destes sistemas é a do uso extensivo da gravidade como força motriz para provocar a movimentação dos fluídos. A engenharia hidráulica também se preocupa com as correntes de água, com o transporte de sedimentos através dos cursos de água, e com a interação da água com os seus limites aluviais.

 

História

Os primeiros projetos de engenharia hidráulica foram desenvolvidos há milhares de anos na roma antiga e destinavam-se à irrigação dos campos agrícolas. Desde então, têm sido constantes as obras para o controlo e abastecimento de água para a produção de alimentos. As primeiras máquinas hidráulicas - das quais a primeira foi o relógio de água - apareceram no início do segundo milénio a.C.. Outros exemplos de sistemas que faziam uso da gravidade para fazer mover a água eram o sistema Qanat na antiga Pérsia e o semelhante sistema Turpan na antiga China, bem como os canais de irrigação no Peru.

Na China antiga, a engenharia hidráulica estava altamente desenvolvida, sendo construídos enormes canais com diques e barragens para canalizar a água para irrigação, e eclusas que permitiam o atravessamento de navios. De entre os projetistas destes canais, notabilizou-se Sunshu Ao, considerado o primeiro engenheiro hidráulico chinês. A Ximen Bao - outro importante engenheiro hidráulico chinês - foi creditado o início da prática da irrigação em larga escala através de canais, durante o Período dos Reinos Combatentes (481 a.C. a 221 a.C.). Ainda hoje, os engenheiros hidráulicos são alvo de uma grande respeito na China, um exemplo sendo o seu atual presidente, Hu Jintao que foi um antigo engenheiro hidráulico.

No século VI a.C., foi construído o Tunel de Eupalinos pelo engenheiro grego Eupalinos de Mégara, um enorme feito tanto de engenharia civil como de engenharia hidráulica. Em termos de engenharia civil, o aspeto notável foi o fato do túnel ter sido escavado a partir de ambas as estremidades, o que obrigou a um trabalho de grande precisão de modo a permitir que os dois troços do túnel se encontrassem um com o outro e de modo a garantir um pendente suficiente para a água fluir.

A engenharia hidráulica tornou-se altamente desenvolvida no Império Romano, onde foi especialmente aplicada à construção e à manutenção de aquedutos para o fornecimento de água e a drenagem de esgotos urbanos. Além de proverem as necessidades dos cidadãos em termos de água, os engenheiros romanos usaram meios hidráulicos de mineração, para a prospeção e extração de depósitos aluviais de ouro e de outros minérios como o estanho e o chumbo.

Posteriores avanços na engenharia hidráulica ocorreram no mundo islâmico, entre os séculos VIII e XVI, no período que é conhecido como a "Idade de de Ouro do Islão". De particular importância era o sistema tecnológico de gestão da água, fulcral para a Revolução Agrícola Árabe e um precussor da moderna tecnologia. Os vários componentes deste sistema foram desenvolvidos em diferentes regiões da Europa, Ásia e África, dentro e fora do mundo islâmico. Contudo, foi nas regiões islâmicas medievais que o sistema de gestão da água foi montadoe e padronizado, sendo subsequentemente difundido para o resto do mundo. Sob o domínio unificado do Califado islâmico, diferentes tecnologias hidráulicas regionais foram montadas num sistema tecnológico de gestão da água que viria a ter um impacto global. Nos vários componentes de várias origens regionais deste sistema incluiam-se canais, barragens, o sistema Qanat persa, aparelhos de elevação de água como a nora, o shaduf e a bomba de parafuso do Egito, o moinho de vento do Afeganistão, saqiya da Espanha muçulmana, a bomba recíproca do Iraque e o sistema hidráulico com engrenagens da Síria.

 

O engenheiro hidráulico

O engenheiro hidráulico ou de recursos hídricos planeja e orienta o uso da água de bacias hidrográficas, elaborando Planos Diretores de Bacias Hidrógráficas. Ele também desenvolve planos de redes de água e de esgotos, irrigação e drenagem, além de projetar canais, portos, molhes, diques, quebra-mares, píers e barragens. O profissional também pode acompanhar a exploração de lençóis subterrâneos e o tratamento de águas contaminadas.

A organização, a iniciativa e o interesse por questões sociais, ambientais e ecológicas são alguns traços de personalidade que ajudam o profissional a ter sucesso no mercado de trabalho.

O engenheiro hídráulico ou de recursos hídricos pode atuar em laboratórios de hidráulica ou em empresas de consultoria voltadas à estudos hidrológicos, projetos de obras fluviais ou marítimas, criação de sistemas de irrigação, drenagem, saneamento, bombeamento e desenvolvimento de canais, portos e barragens, projeto de grandes ou pequenas centrais hidrelétricas (PCH). Pode ainda desenvolver projetos de investigação e remediação de solos e águas subterrâneas contaminadas.

 

Engenharia hidráulica no Brasil

O Brasil desde Maurício de Nassau possuiu ou produziu respeitados engenheiros sanitaristas e hidráulicos, tais como Saturnino de Brito, Saturnino de Brito Filho, Hildebrando Góis, Lucas Nogueira Garcez, Pedro Parigot de Sousa, José Martiniano de Azevedo Neto, Flavio Lyra, Díocles Rondon, Marco Siciliano, Jorge Rios, André Balança ,Theóphilo Benedicto Ottoni Netto etc.

No Brasil, o exercício da profissão exige inscrição no Conselho Regional de Engenharia, Arquitetura e Agronomia (CREA).




A energia hidráulica ou energia hídrica é a energia obtida a partir da energia potencial de uma massa de água. A forma na qual ela se manifesta na natureza é nos fluxos de água, como rios e lagos e pode ser aproveitada por meio de um desnível ou queda d'água. Pode ser convertida na forma de energia mecânica (rotação de um eixo) através de turbinas hidráulicas ou moinhos de água. As turbinas por sua vez podem ser usadas como acionamento de um equipamento industrial, como um compressor, ou de um gerador elétrico, com a finalidade de prover energia elétrica para uma rede de energia.

A potência hidráulica máxima que pode ser obtida através de um desnível pode ser calculada pelo produto:

 P = \rho Q H g

Em unidades do sistema internacional de unidades (SI)

  • Potência(P): Watt(W)
  • Queda(H): m
  • Densidade(ρ): kg/m^3
  • Vazão volumétrica(Q): m^3/s
  • Aceleração da gravidade(g):m/s^2

É necessário que haja um fluxo de água para que a energia seja gerada de forma contínua no tempo, por isto embora se possa usar qualquer reservatório de água, como um lago, deve haver um suprimento de água ao lago, caso contrário haverá redução do nível e com o tempo a diminuição da potência gerada (ver equação acima). As represas (barragens) são nada mais que lagos artificiais, construídos num rio, permitindo a geração contínua.

As represas podem ser importantes pois caso a água fosse coletada diretamente de um rio, na medida em que houvesse uma redução da vazão do rio, como em uma época de estiagem, haveria redução da potência gerada. Assim com a formação de um lago (reservatório da barragem), nas épocas de estiagem pode-se usar a água armazenada, e se este for suficientemente grande poderá atender a um período de estiagem de vários meses ou mesmo plurianual.

No Brasil, devido a sua enorme quantidade de rios, a maior parte da energia elétrica disponível é proveniente de grandes usinas hidrelétricas. A energia primária de uma hidrelétrica é a energia potencial gravitacional da água contida numa represa elevada. Antes de se tornar energia elétrica, a energia primária deve ser convertida em energia cinética de rotação. O dispositivo que realiza essa transformação é a turbina. Ela consiste basicamente em uma roda dotada de pás, que é posta em rápida rotação ao receber a massa de água. O último elemento dessa cadeia de transformações é o gerador, que converte o movimento rotatório da turbina em energia .

Um rio não é percorrido pela mesma quantidade de água durante o ano inteiro. Em uma estação chuvosa, é claro, a quantidade de água aumenta. Para aproveitar ao máximo as possibilidades de fornecimento de energia de um rio, deve-se regularizar-se a sua vazão, a fim de que a usina possa funcionar continuamente com toda a potência instalada.

A vazão de água é regularizada pela construção de lagos artificiais. Uma represa, construída de material muito resistente - pedra, terra, freqüentemente cimento armado - , fecha o vale pelo qual corre o rio. As águas param e formam o lago artificial. Dele pode-se tirar água quando o rio está baixo ou mesmo seco, obtendo-se assim uma vazão constante.

A construção de represas quase sempre constitui uma grande empreitada da engenharia civil. Os paredões, de tamanho gigante, devem resistir às extraordinárias forças exercidas pelas águas que ela deve conter. Às vezes, têm que suportar ainda a pressão das paredes rochosas da montanha em que se apóiam.

Para diminuir o efeito das dilatações e contrações devidas às mudanças de temperatura, a construção é feita em diversos blocos, separados por juntas de dilatação. Quando a represa está concluída, em sua massa são colocados termômetros capazes de transmitir a medida da temperatura a distância; eles registram as diferenças de temperatura que se possam verificar entre um ponto e outro do paredão e indicam se há perigo de ocorrerem tensões que provoquem fendas.

A potência

A energia que pode ser fornecida por unidade de tempo chama-se potência, e é medida em watt (W). Como as potências fornecidas pelas usinas hidrelétricas são muito grandes, sempre expressas em milhares de watts, utiliza-se para sua medida um múltiplo dessa unidade, o quilowatt (kW), que equivale a 1.000 W.

A potência de uma fonte de energia elétrica pode ser calculada multiplicando-se a tensão em volts que ela é capaz de fornecer pela corrente em ampères que distribui. Dessa maneira, uma fonte capaz de distribuir 1.000 A com uma tensão de 10.000 V possui uma potência de 10 milhões de watts, ou 10.000 kW.

Uma linha de transmissão, portanto, é capaz de transportar a mesma potência de duas maneiras: com voltagem elevada e corrente de baixa intensidade, ou com voltagem baixa e alta corrente.

Quando a energia elétrica atravessa um condutor, transforma-se parcialmente em calor. Essa perda é tanto maior quanto mais elevada for a intensidade da corrente transportada e maior for a resistência do fio condutor. Assim, seria conveniente efetuar a transmissão da energia elétrica por meio de fios muito grossos, que apresentam menos resistência. Porém, não se pode aumentar excessivamente o diâmetro do condutor, pois isso traria graves problemas de construção e transporte, além de encarecer muito a instalação. Assim, prefere-se usar altos valores de tensão, que vão de 150.000 até 400.000 V.

A energia elétrica produzida nas centrais não é dotada de tensão tão alta. Nos geradores, originalmente, essa energia tem uma tensão de cerca de 10.000 V. Valores mais altos são inadequadas, porque os geradores deveriam ser construídos com dimensões enormes. Além disso, os geradores possuem partes em movimento e não é possível aumentar arbitrariamente suas dimensões.

A energia elétrica é, pois, produzida a uma tensão relativamente baixa, que em seguida é elevada, para fins de transporte. Ao chegar às vizinhanças dos locais de utilização, a tensão é rebaixada. Essas elevações e abaixamentos são feitos por meio de transformadores. Potência = ρ.g..Q.H Energia = Potência x Tempo

O gerador

O gerador é um dispositivo que funciona com base nas leis da indução eletromagnética. Em sua forma mais simples, consiste numa espira em forma de um círculo. Ela fica imersa num campo magnético e roda em torno de um eixo perpendicular às linhas dessa área.

Quando fazemos a espira girar com movimento regular, o fluxo magnético que atravessa sua superfície varia continuamente. Surge assim, na espira, uma corrente induzida periódica. A cada meia volta da espira o sentido da corrente se inverte, por isso ela recebe o nome de corrente alternada.

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