Modelos reducidos

La frase "cuanto más grande, mejor" es algo muy recurrente, pero no siempre tiene por qué ser cierta. En el mundo de la ingeniería, si estamos hablando de aerogeneradores esta frase se cumple, pero en el diseño de componentes informáticos no. En el campo de la ingeniería civil están los raros... A veces nos da por hacerlo todo en un tamaño tan pequeño que cuesta de conceptualizar (p.ej. hormigones con fibras, elementos estructurales de milímetros...), y en otras tan a lo bestia (p.ej. mega-presas, mega-viaductos, mega-puertos...) que incluso es necesario hacerlo en pequeño. Aquí es donde entran los modelos reducidos.

Modelo reducido de la rápida de Alfages, en el Canal de Zaidín (fuente: Flumen)

Los modelos reducidos son modelos a escala de un elemento, y suelen ser una estrategia habitual previa a la construcción de una gran obra. Tienen por objetivo estudiar el comportamiento hidráulico del flujo y de la estructura diseñada, analizando en detalle la interacción fluido-estructura así como los fenómenos hidráulicos que se producen. Son una herramienta para validar el diseño,  probar diferentes alternativas con el fin de mejorarlo. Y aunque son relativamente caros, en comparación con el coste total de la obra, suele representar un porcentaje ínfimo.

Modelo reducido de una presa escalonada (fuente: Flumen)

La principal cuestión a tener en cuenta en el diseño, construcción, evaluación y análisis de variables en este tipo de elementos es el modelo de semejanza a utilizar:

• Semejanza de Froude. Fuerza predominante, la gravedad
• Semejanza de Reynolds. Fuerza predominante, la viscosidad
• Semejanza de Mach. Fuerza predominante, la compresibilidad
• Semejanza de Weber. Fuerza predominante, la tensión superficial

En hidráulica en lámina libre se utiliza habitualmente la semejanza de Froude. Básicamente se asume que el número de Froude del modelo reducido es igual al del modelo a escala real, de lo que se desprende que:

• Relación de velocidades es proporcional a la escala elevado a 1/2
• Relación de caudales es proporcional a la escala elevado a 5/2
• Relación de fuerzas es proporcional a la escala elevado a 3
• Relación de fuerzas es proporcional a la escala elevado a 7/2

Modelo a escala real (u obra ejecutada) de la rápida de Alfages (fuente: Flumen)

Aunque poco a poco los modelos numéricos van ganando terreno a los modelos reducidos, todavía son necesarios para infinidad de problemáticas. No tenemos que olvidar que los modelos numéricos no son la verdad absoluta, en muchos casos es necesario calibrarlos y validarlos, por lo que requieren datos experimentales. ¿Y de dónde vienen esos datos? Pues del propio modelo reducido...

Estudio numérico-experimental de estabilidad de vehículos (fuente: Martínez-Gomariz)