Carico Idraulico Superficiale: Definizione e Concetti Chiave
Il carico idraulico è una proprietà fondamentale nel campo dell'idrogeologia e della meccanica dei fluidi, essenziale per comprendere il movimento dell'acqua nel sottosuolo e nei sistemi idraulici in generale.
Definizione di Carico Idraulico
Il gradiente di carico idraulico (h) rappresenta la forza motrice che spinge l'acqua a muoversi da un punto all'altro dello spazio. Dimensionalmente, il carico idraulico è una lunghezza.
L'equazione di Bernoulli dimostra che, in determinate condizioni (flusso incomprimibile, non viscoso e in stato stazionario), la somma dei termini di pressione, velocità e altezza geodetica rimane costante lungo una linea di flusso. Questa somma è identificabile con il carico idraulico.
Normalmente, nel moto di filtrazione, l'energia cinetica del fluido è significativamente inferiore ai termini di pressione e altezza geodetica e, pertanto, può essere trascurata. Il carico idraulico risulta così normalmente composto dai termini di pressione (psi) ed altezza geodetica (z).
- psi può essere misurata attraverso un trasduttore di pressione (questo valore può essere negativo, come nel caso della suzione, ma è solitamente positivo per mezzi porosi saturi).
- z può essere misurata relativamente ad un’origine nota (solitamente la cima del foro del pozzo).
Componenti del Carico Idraulico
Il carico idraulico è composto da due componenti principali:
Altezza di Pressione
Si definisce altezza di pressione di un determinato punto P dell’acquifero la pressione dell’acqua nel punto P misurata in metri di colonna d’acqua. Facendo riferimento alla figura 3a, si può immaginare di realizzare un piezometro con tratto filtrante in corrispondenza del punto P. La pressione dell’acqua in P, espressa in metri di colonna d’acqua, equivale al dislivello fra la quota raggiunta dall’acqua all’interno del tubo piezometrico e la quota del punto P.
Altezza Geometrica
L’altezza geometrica di un determinato punto P è la quota del punto P rispetto ad un piano orizzontale preso convenzionalmente a riferimento come quota zero. Anche se da un punto di vista teorico sarebbe possibile scegliere qualunque piano come quota zero, per praticità come riferimento viene usualmente scelta la base dell’acquifero.
Misurazione del Carico Idraulico
Il carico idraulico è una proprietà del fluido direttamente misurabile che può assumere un qualunque valore (a causa del valore arbitrario del termine geodetico z).
Solitamente, in pozzi che captano acquiferi liberi, il livello di acqua nel pozzo è utilizzato come una misura del carico idraulico, assumendo la pressione uguale a quella atmosferica.
Carico Idraulico e Moto di Filtrazione
Se in un acquifero esistono punti a differente carico idraulico, si innesca un moto di filtrazione diretto dal punto a carico idraulico maggiore verso il punto a carico idraulico minore.
Immaginando di disporre di uno strumento analogo a quello riportato in figura 4, posizionando la bacinella di destra alla medesima quota dello sfioratore del tubo di sinistra si uguagliano i carichi idraulici sulle superfici A e B del cilindro di sabbia. Poichè nel sistema non esiste alcuna differenza di carico idraulico, non si innesca alcun moto di filtrazione e l’acqua nel cilindro di sabbia permane in stato di quiete.
Se si immagina di abbassare la bacinella B, si crea una differenza di carico idraulico alle estremità del cilindro. La differenza di carico idraulico innesca un moto di filtrazione, e di conseguenza una parte dell’acqua che si trova nel cilindro di sinistra transita attraverso il terreno e fuoriesce dalla bacinella di destra.
Se si arresta l’alimentazione, in seguito al moto di filtrazione il livello dell’acqua nel cilindro di sinistra inizia lentamente a diminuire e di conseguenza diminuisce il carico idraulico sulla superficie A del cilindro. Nel momento in cui il livello nel cilindro scende fino alla quota del livello della bacinella di destra, si ripristina la condizione di uguaglianza dei carichi idraulici alle estremità del cilindro di sabbia.
Carico Idraulico in Acquiferi
Negli acquiferi le velocità di spostamento dell’acqua sono di norma estremamente basse. In considerazione delle ridotte velocità di filtrazione, il ragionamento sviluppato in precedenza per la condotta a sezione costante può essere applicato anche al caso degli acquiferi. Analogamente al caso di figura 2b, in un acquifero in quiete il valore del carico idraulico è uguale in tutti i punti. Immaginando infatti di ripetere il ragionamento precedente per il punto A di fig.
Nei fluidi reali si osserva sperimentalmente che spostandosi nella direzione del movimento dell’acqua la somma y’+y tende progressivamente a diminuire. Questo fenomeno è dovuto alla viscosità propria di tutti i fluidi reali.
Facendo il ragionamento inverso, se nei punti A e B la somma fra altezza geometrica e altezza di pressione è costante (fig. 2b) significa che non c’è dissipazione di pressione e quindi il fluido è in quiete. Se al contrario (fig. 2a) la somma y’+y non è costante, allora significa che esiste una dissipazione di pressione passando da A a B.
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