Il corso di Idraulica è un insegnamento caratterizzante per il Corso di Laurea in Ingegneria Civile, fornendo le conoscenze di base della Meccanica dei Fluidi necessarie per lo studio dei fenomeni macroscopici associati alla quiete e al moto dei sistemi materiali allo stato fluido.

Obiettivi del Corso

L'insegnamento dell'Idraulica ha lo scopo di fornire agli allievi ingegneri le nozioni basilari della Meccanica dei Fluidi e gli strumenti di Idraulica Applicata. Al termine del corso, lo studente dovrà conoscere e capire i principi di base che regolano il moto dei liquidi nelle condotte e nei canali a superficie libera, con particolare riferimento ai casi di moto stazionario di una corrente liquida in una condotta in pressione o in un canale, rilevanti ai fini della progettazione di infrastrutture ed impianti idraulici di interesse dell’ingegnere civile. Lo studente acquisirà autonomia di giudizio nell’identificare, formulare e risolvere casi con differente livello di difficoltà, integrando le conoscenze acquisite e formulando giudizi anche sulla base di informazioni limitate o incomplete.

Programma del Corso

Il programma è suddiviso in quattro parti principali:

  1. Fondamenti di Meccanica dei Fluidi:

    Definizione di fluido e sue proprietà. Caratteristiche distintive dei solidi, liquidi e gas. Sforzi nei fluidi. Analisi dimensionale e teorema di Buckingham. Il continuo fluido. Forze agenti su un continuo fluido. Lo stato di tensione in un fluido in quiete. L'equazione di stato. Fenomeni di interfaccia. Lo stato di tensione in un fluido in moto. Derivata materiale e derivata locale, teorema del trasporto. Il principio della conservazione della massa e della quantità di moto in forma globale. Fluidi non newtoniani.

    • Proprietà fisiche dei fluidi.
    • Spinta su superfici piane e su superfici curve.
    • Cinematica dei campi fluidi.
    • Dinamica dei fluidi perfetti e newtoniani.
    • Moti turbolenti.
    • Equazione indefinita e globale dell’equilibrio dinamico.
    • Principi di base della modellistica fisica.
    • Grandezze meccaniche e unità di misura.
    • Stati di aggregazione della materia.
    • I fluidi come sistemi continui.
    • Densità e peso specifico.
    • Dilatabilità e comprimibilità.
    • Viscosità dinamica e cinematica.
    • Fluidi con comportamento indipendente dal tempo (Bingham, dilatanti e pseudoplastici).
    • Fluidi con comportamento dipendente dal tempo (tixotropici e reopectici).
  2. Statica e Dinamica dei Fluidi:

    Stato di tensione in un fluido in quiete, equazioni cardinali della statica, spinte statiche su superfici piane e gobbe. Fluidi in quiete: la statica - La distribuzione di pressione in un fluido incomprimibile e in un fluido barotropico. Valutazione delle spinte esercitate su superfici piane e gobbe. Stato di tensione in un fluido in moto, il tensore delle tensioni.

    • 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.
    • Dimostrazione del principio di funzionamento del manometro semplice a mercurio.
    • Spinte su piastre curve. Generalità.
    • Caso delle piastre curve con linea di contorno giacente su un piano.
    • Fluidi a piccolo peso specifico.
    • 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.
    • 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.
    • Equazione globale di continuità.
    • Dinamica dei fluidi.
    • Dimostrazione 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 un vena libera in atmosfera da parete verticale.
    • Venturimetro e altri misuratori di portata deprimogeni.
    • Taratura di un venturimetro.
    • Equazione globale dell'equilibrio dinamico e sue applicazioni.
    • Dimostrazione dell’azione di trascinamento di una corrente.
    • Tensione tangenziale di parete.
    • Spinte su piastre fisse o in moto.
    • Spinte su piastre con deviazione del flusso secondo un angolo generico.
    • Estensione del teorema di Bernoulli al caso dei fluidi reali.
    • Perdite di carico localizzate e continue.
    • Perdite di carico per imbocco e per sbocco.
    • 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.
    • Equazione di Coolebrok-White.
    • Condotte commerciali.
    • Condotte in serie e in parallelo.
    • Reti aperte di condotte.
    • Progetto di una condotta con un impianto di sollevamento.
    • Formula di economia di Bresse.
    • 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.
    • Posizione di una pompa.
    • Pompa sovrabattente e sottobattente.
    • 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.
    • 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).
    • 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).
    • 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.
  3. Correnti in Pressione:

    Le correnti in pressione - Il calcolo delle resistenze distribuite nelle correnti in pressione in moto stazionario e uniforme. Dissipazioni concentrate di energia nelle correnti in pressione. Progetto e verifica di semplici impianti idraulici. Cenni alle macchine idrauliche.

  4. Correnti a Superficie Libera:

    Le correnti a superficie libera - il calcolo delle resistenze distribuite nelle correnti in moto stazionario ed uniforme, la profondità di moto uniforme. I possibili stati delle correnti a superficie libera, la profondità critica. Le correnti stazionarie e non uniformi, l'equazione dei profili. Fenomeni localizzati: il risalto idraulico, l'imbocco, lo sbocco, i restringimenti di sezione.

  5. Modellistica Fisica Idraulica:

    Sistemi di riferimento fondamentali: modalità di accertamento. Analisi dimensionale applicata alle tensioni tangenziali di parete di un condotto scabro di sezione circolare nelle condizioni di moto turbolento di transizione. Analisi dimensionale delle resistenze al moto di un corpo galleggiante. Similitudine geometrica, cinematica e dinamica nella modellistica fisica. Analisi dimensionale applicata alla modellistica fisica. Interpretazione dei numeri indici di Reynolds e Froude.

Esercitazioni

La parte esercitativa del corso prevede esercizi su:

  • Spinte idrostatiche su superfici piane e curve.
  • Teorema di Bernoulli e spinte dinamiche.
  • Progetto dei condotti con le varie formulazioni.
  • Reti aperte e chiuse.
  • Impianti di sollevamento.
  • Verifica delle condotte.
  • Progetto e verifica dei canali.
  • Profili di moto permanente.

Modalità d'Esame

L’esame prevede il superamento di una prova scritta e una successiva prova orale. Le prove scritte, sia intermedie che finali, vertono su esercizi applicativi relativi alle tematiche affrontate nel semestre, con particolare riferimento agli argomenti sviluppati durante le ore di esercitazione e alle capacità operative dichiarate negli obiettivi formativi.

  • Prova Scritta: Consiste nella soluzione di tre problemi in forma numerica in tre ore di tempo. È consentito consultare testi e manuali e fare uso di fogli di calcolo elettronici (Excel o simili), ma non raccolte di esercizi risolti.
  • Prova Orale: Accessibile dopo aver superato la prova scritta con una votazione minima di 18/30. È incentrata sulla discussione della prova scritta e sulle nozioni teoriche.

Durante il corso, sono previste due prove scritte intermedie, il cui superamento consente di sostenere successivamente soltanto l’orale. 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.

Materiale Didattico Consigliato

  • M. Mossa, A.F. D. Citrini, G. Noseda, Idraulica, Ed. G. Alfonsi.
  • E. Orsi, Problemi di idraulica e meccanica dei fluidi, Ed. A. E. Marchi, A. F.
  • M. Y.A. Çengel, J.M. Cimbala, Meccanica dei Fluidi, McGraw-Hill, 2011 (2a edizione).
  • Gallati M., Sibilla S. . Fondamenti di Idraulica. Carocci editore, Roma.
  • Citrini D., Noseda D.. Idraulica. Prof.
  • Viparelli M. - Lezioni di Idraulica, Ed.
  • Citrini D., Noseda G. Marchi E., Rubatta A.

Docenti

A partire dall’appello di giugno 2020, sosterranno l’esame con il Prof. Balzano anche gli allievi Ingegneri Civili e Ambientali che in passato hanno seguito i corsi del Prof. Querzoli.

Piattaforma Telematica

La piattaforma telematica Microsoft Teams verrà utilizzata per la diffusione di materiale didattico e comunicazioni attinenti il corso e per il ricevimento a distanza, su richiesta dello studente. Tali attività vengono condotte all'interno del gruppo (team) "Corso di Idraulica Prof. A. Balzano".

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