Taller ACR-P
Aprende el Análisis Causa Raíz

1.- Introducción

La necesidad de transporte de fluidos de un lugar a otro ha llevado al ser humano a idear sistemas que le permitan lograr este objetivo. Un hombre transportando dos cubos de agua puede ejercer la función de un sistema de transporte de fluidos, solo que puede resultar limitado en el caudal que se puede transportar cuando se requiere mover grandes cantidades de fluidos.

En la antigüedad esa necesidad y la inexistencia de medios eficientes para transportar grandes caudales de agua motivaron a las principales civilizaciones a desarrollar su potencial en torno a grandes ríos que les proveían agua y medios de comunicación.

Ejemplos de ello son el antiguo Egipto en las márgenes del Nilo, Mesopotamia en torno a los ríos Éufrates y Tigris, los semitas alrededor del río Jordán, los indianos entorno a los ríos Indo y Ganges, etc. En la figura N° 1-1 semuestra un dispositivo antiguo usado por los egipcios para captar agua de un río.

Figura N° 1-1.- Dispositivo antiguo para captar agua de un río.
Figura N° 1-1.- Dispositivo antiguo para captar agua de un río.
Fuente: Egypt’s Nile Valley Basin Irrigation, Sandra Postel en www.waterhistory.org/histories/nile

Esta motivación no alcanzó solamente a las civilizaciones del mundo conocido también movió a los principales pueblos del nuevo mundo, como los Aztecas y los Mayas, a prosperar en la proximidad de grandes lagos o a construir grandes cisternas para almacenar y colectar agua de lluvia.

Los primeros esfuerzos para mover agua de forma masiva se enfocaron en los sistemas de irrigación, donde se tomaba agua de los ríos y mediante gravedad y por medio de canales se distribuía agua a los cultivos. El flujo y las variaciones estacionales era controlando con compuestas y diques.

Un dispositivo ampliamente usado, en la antigüedad para llevar agua a los sistemas de irrigación son las llamadas bombas de cadenas. Las bombas de cadenas son dispositivos que poseen una serie de recipientes que pueden ser jarras, cucharones u otros elementos que están unidos mediante cuerdas o cadenas que se sumergen en los pozos o cisternas y mantienen el flujo continuo desde un pozo. Ellas pueden ser accionadas tanto por humanos como por animales, adicionalmente incorporan otros mecanismos auxiliares como pueden ser engranajes, pivotes y pedales para complementar el accionamiento. Estas bombas aparecieron en Egipto, Babilonia y China entre los años 700 y 300 A.C. aunque con diferentes diseños y conceptos la esencia era la misma. 

De hecho, en “La Sagrada Biblia” se hace referencia a lo que parece ser una bomba de cadena asociada a un pozo; Eclesiásticos 12:6 “Antes que la cadena de plata se quiebre, y se rompa el cuenco de oro, y el cántaro se quiebre junto a la fuente, y la rueda sea rota sobre el pozo”.De este párrafo es posible asumir que se refiere a la rueda de un sistema de elevación de agua para el pozo. La figura N° 1-2 muestra el diagrama de uno de los modelos de bomba de cadena usada en China.

Figura N° 1-2.- Diagrama de una bomba de cadena.
Figura N° 1-2.- Diagrama de una bomba de cadena.
Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Tiangong_Kaiwu_Chain_Pumps2.jpg.

En Egipto, en los siglos V y VI de nuestra era, se usaban en bombas de cadenas accionadas por animales que eran capaces de elevar agua desde pozos con 100 metros de profundidad.

En el siglo III A.C, en tiempos de Aristóteles, existían bombas de estructuras primitivas, como lo es el Tornillo de Arquímedes, inventado por Arquímedes de Siracusa. La figura N° 1-3 muestra el diagrama de un Tornillo de Arquímedes.

Figura N° 1-3.- Diagrama del Tornillo de Arquímedes.
Figura N° 1-3.- Diagrama del Tornillo de Arquímedes.
Fuente: Chambers’s Encyclopedia (Philadelphia: J. B. Lippincott Company, 1875), en www.wikipedia.org/wiki/Archimedes’_screw

Los romanos en el siglo IV D.C. usaban los Tornillos de Arquímedes en sus sistemas de suministro de agua, acueductos, sistemas de irrigación y de drenaje. El Tornillo de Arquímedes es una de las más antiguas máquinas que en la actualidad se continúa usando, siguiendo el diseño básico de este inventor.

El Tornillo de Arquímedes es un espiral sobre un eje que es accionado por una manivela y está contenido en un cilindro. Al dar giro a la manivela el movimiento del espiral hace subir el agua de un nivel a otro, en la antigüedad todo el conjunto estaba fabricado con madera.

Cuando Cesar Augusto era emperador en el siglo I D.C. se empleaba un tipo de bomba de émbolo tal como la describe un reconocido arquitecto romano de la época, llamado Vitruvio, en un tratado denominado “La Arquitectura”.

En la Arquitectura, Vitruvio describe una serie de máquinas y métodos constructivos, este libro es uno de los pocos documentos de ingeniería de esta época que sobrevivió y que fue utilizado como base para escribir otros libros sobre la materia, principalmente en la Edad Media.

En Alejandría, Egipto, en la misma época (siglo I, A.C.) se fabricó una bomba de embolo, hecha de bronce, que fue usada principalmente para combatir incendios.

Algunos inventores dejaron evidencias en el siglo XV de la existencia de máquinas o estructuras que aprovechan la fuerza centrífuga para elevar el agua. En una mina portuguesa de cobre del siglo XV fue encontrada una rueda de madera con 10 alabes o paletas, que hasta el presente nadie ha podido determinar o entender cómo funcionaba. Un ingeniero inglés de apellido Newcomen creó, en 1712, una bomba de émbolo para elevar agua desde una mina, la cual era accionada por un cilindro a vapor. La figura N° 1-4 muestra el diagrama de la bomba de Newcomen.

Figura N° 1-4.-Diagrama de la bomba de Newcomen.
Figura N° 1-4.- Diagrama de la bomba de Newcomen.
Fuente: Industrial Revolution – Pictures From The Industrial Revolution, Por Mary Bellis, en www.inventorsabout.com/od/indrevolution/ss/Industrial_Revo

La apariencia y el concepto técnico de la estructura de la bomba Newcomen son similares a un balancín de los utilizados en los pozos de producción de petróleo, pero fabricado en madera.

El sistema funciona de la siguiente forma: como el dispositivo cuenta con una caldera la cual es calentada para generar vapor, el vapor luego es expandido para mover el pistón de un cilindro que está ubicado en uno de los extremos del balancín. El movimiento de este pistón origina el movimiento del otro extremo del balancín, mediante un pivote central, creando un vacío que hace que el agua se desplace del fondo de la mina hacia la superficie, adicionalmente el sistema posee un conjunto de válvulas que cierran y abren permitiendo la acción de bombeo.

En el año 1876, el ingeniero norteamericano Worthington creó una bomba de desplazamiento positivo accionada por vapor, que revoluciono los conceptos de la época. La figura N° 1-5 muestra un diagrama de la bomba ideada por Worthington, en un dibujo de la época en que fue patentada.

Figura N° 1-5.- Diagrama en corte de la bomba de Worthington.
Figura N° 1-5.- Diagrama en corte de la bomba de Worthington.
Fuente: A history of the growth of the steam-engine. By Robert H. Thurston, A. M., C. E., en www.history.rochester.edu/steam/thurston/1878.

En este diseño los émbolos usados para mover el fluido (la bomba) y los émbolos para accionar la bomba (el motor de vapor) estaban en un eje o cigüeñal común. Cuando los cilindros de vapor actúan por la de expansión del vapor, mueven los cilindros de la bomba generando la acción de bombeo.

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