10.1: Introducción al Movimiento de Sedimentos por Flujos de Agua

Un simple experimento de canal sobre el movimiento de sedimentos por una corriente unidireccional de agua en un canal sirve para introducir el material en este capítulo. Colocar una capa de sedimento en el canal, nivelarlo para tener una superficie plana y establecer un flujo uniforme a cierta profundidad y velocidad. Poco a poco, en pasos, aumentar la fuerza del flujo más allá de la condición para el movimiento incipiente. La magnitud de la fuerza de flujo relativa a lo que se requiere para el movimiento incipiente del sedimento del lecho se llama convencionalmente la intensidad del flujo, y generalmente se toma como la relación\(\tau_{\text{o}}/\tau_{\text{o}c}\) (o, lo que es lo mismo,\(u_{*}/u_{*c}\)), donde el subíndice\(c\) denota el umbral (” condición crítica”).

Al principio las partículas se mueven como carga de lecho, saltando, rodando y/o deslizando. El movimiento de las partículas no es continuo ni uniforme sobre el lecho: breves ráfagas o pulsos de movimiento afectan a grupos de partículas localmente, y aparentemente al azar, en el lecho. Las partículas se mueven una distancia corta, se detienen y luego se mueven de nuevo. Incluso cuando se están moviendo, generalmente no se mueven tan rápido como el fluido cerca de la superficie del lecho.

A medida que el flujo se vuelve más fuerte, algunas de las partículas que se mueven cerca del lecho se elevan hacia arriba por remolinos turbulentos que se mueven hacia arriba y viajan por distancias más o menos largas aguas abajo como carga suspendida. Cuanto más fuerte sea el flujo y/o más fino sea el sedimento, mayor es la concentración de sedimento suspendido, mayor puede viajar en el flujo, y más tiempo se mueve aguas abajo antes de regresar al lecho. Por supuesto, las partículas no están realmente suspendidas en la forma en que un cuadro es suspendido en la pared por un clavo; se están asentando continuamente a través del fluido circundante, y eventualmente regresan a la cama. Sin embargo, si el sedimento es fino y el flujo es fuerte, es probable que las partículas viajen por toda la longitud del canal.

Si introduce una pequeña cantidad de sedimento muy fino del tamaño de arcilla en el flujo, encontrarías que también viaja en suspensión, pero la diferencia esencial entre esta parte de la carga suspendida y la parte más gruesa que observaste antes es que incluso si agregas grandes cantidades de ella al flujo, no lo haría estar representado en la cama. El sedimento fino de este tipo se llama carga de lavado. Las partículas extremadamente finas, en el rango de tamaño de pequeñas fracciones de un micrómetro, pueden mantenerse en suspensión efectivamente permanente, debido a que su masa es tan pequeña que pueden moverse por los bombardeos aleatorios de las moléculas que constituyen el propio fluido. Estos movimientos aleatorios son una manifestación del movimiento browniano.

Para intensidades de flujo no muy por encima del umbral, es bastante fácil observar los movimientos de partículas en la carga de la cama, siempre que tenga agua clara, buena iluminación y ojos agudos (la visión en cámara lenta de primer plano sería de gran ayuda), pero a medida que aumenta la intensidad del flujo, la concentración de partículas en movimiento como aumenta la carga del lecho, y se hace difícil o imposible observar los movimientos de las partículas individuales. Desafortunadamente, nadie parece haber ideado todavía una buena manera de ver la densa capa de partículas móviles de carga de lecho a altas intensidades de flujo para estudiar sus características. Este importante aspecto del transporte de sedimentos sigue siendo polémico e inadecuadamente estudiado.

Para obtener una apreciación de un modo bastante diferente de movimiento de sedimentos, es necesario recurrir a un túnel de viento. No es difícil construir uno: todo lo que necesitas hacer es construir un conducto rectangular que descansa en el piso, que conduce desde una entrada acampanada en el extremo a favor del viento hasta una gran cámara vacía en el extremo a favor del viento, con un extractor en el costado de la cámara para crear un viento a través del conducto. Una rejilla justo a favor del viento del ventilador le permite ajustar la velocidad del viento. Especialmente cuando la relación de densidad de sedimentos a densidad de fluidos es muy grande, como ocurre con la arena de cuarzo en un túnel de viento, las partículas de sedimento son atrapadas impulsivamente por el flujo en ángulos de despegue medio a empinado y se mueven aguas abajo en largas trayectorias arqueadas poco afectadas por la turbulencia del fluido para hacer impacto con la cama en ángulos bajos. Este característico modo de movimiento, conocido como saltación, es especialmente importante en el transporte de arena por el viento. Su manifestación en el transporte de partículas que no son mucho más densas que el fluido transportador, sin embargo, es mucho menos llamativa o distintiva.