Llamamos golpe de ariete al transitorio hidráulico que se produce cuando la velocidad del fluido varía bruscamente.
Dicha variación de velocidad se convierte en una variación de presión que se propaga a lo largo de la conducción a velocidades muy elevadas y pueden producirse para el caso de abastecimientos por gravedad como para el caso de impulsiones mediante bombeo.
Cuando el agua fluye por una tubería y una válvula la detiene abruptamente, el líquido cercano a la válvula se frena de golpe, mientras que el agua que viene detrás sigue avanzando, generando una compresión en la zona próxima al cierre.
Dado que el agua es ligeramente compresible, esta presión se propaga hacia atrás en forma de una onda de compresión, hasta que se anule su velocidad y su energía cinética se transforma en energía de compresión. Cuando el agua se detiene, ha agotado su energía cinética y se inicia la descompresión en el origen de la conducción trasladándose hacia la válvula y por la ley pendular, esta descompresión no se detiene en el valor de equilibrio, sino que la sobrepasa, generando alternancias entre compresión y descompresión.
Este proceso cíclico produce variaciones ondulatorias de presión en la tubería, fenómeno conocido como golpe de ariete, en el cual el agua se comporta como un resorte, transformando repetidamente su energía cinética en energía de compresión y viceversa.
En una impulsión, la parada brusca de motores produce el mismo fenómeno pero al contrario, es decir, se inicia una depresión aguas arriba de la bomba, que se traslada hacia el final para transformarse en compresión que retrocede a la bomba.
La velocidad de propagación de dichas variaciones de presión es la denominada celeridad de la onda y depende básicamente del coeficiente de elasticidad de la tubería, es decir, del material de la misma.
Los efectos del golpe de ariete incluyen el desgaste y la posible rotura de la tubería y otros componentes del sistema. Esto no solo genera un alto costo económico, sino que, en el caso del agua potable, puede provocar contaminación, representando un riesgo para la salud humana.
Hay que destacar la relación que puede existir entre la depresión y la cavitación, sobre todo en conducciones muy planas donde el riesgo de cavitación es máximo, por cuanto una depresión de cierta entidad somete fácilmente al fluido a una presión igual a su tensión de vapor. Se ha de recordar, que la cavitación consiste en una evaporación súbita del líquido a temperaturas muy inferiores a la del punto de ebullición del mismo, en condiciones normales de presión. Su explicación reside en la tensión de vapor. Un líquido se evapora cuando su tensión de vapor iguala a la presión exterior que sobre el líquido actúa.
Una primera posibilidad para evitar los efectos de las oscilaciones de presión originados por los transitorios es diseñar las tuberías a instalar y todos sus accesorios con una resistencia mecánica tal que sean capaces de soportar las presiones y depresiones extremas. Esta vía de actuación conduce muchas veces a instalaciones con una resistencia mecánica sobredimensionada, con el incremento innecesario de costo de implantación.
Un diseño adecuado requerirá el cálculo cuidadoso del efecto del transitorio, teniendo en cuenta cómo se genera y cuáles son los sistemas de protección que se vayan a instalar para dimensionar los componentes según las oscilaciones reales de presión, evitando cálculos excesivos innecesarios.
Una vía de actuación es el trazado de la conducción que condiciona las presiones extremas que debe soportar el conducto, a la vez que en algunos casos puede ser la causa de que aparezcan fenómenos de cavitación, por ello, a veces puede resultar factible considerar otras rutas alternativas por las que pueda discurrir la tubería, buscando siempre aquella que reporte menor resistencia mecánica de los componentes y/o menores exigencias a los posibles sistemas de protección a instalar.
Otra vía de actuación es controlar el efecto del transitorio intentando disminuir y ralentizar los cambios de velocidad con lo que también disminuimos las oscilaciones de presión actuando directamente sobre el transitorio. En este caso, los volantes de inercia son una buena solución aunque su coste económico y su instalación desaconsejan su utilización.
Como resumen, diremos que para controlar los efectos del transitorio hidráulico tenemos 2 tipos de dispositivos:
Utilizan la presión atmosférica como fuente de energía, tienen limitada su acción a las proximidades de su lugar de actuación y su tiempo de respuesta no es instantáneo.
Almacenan aire comprimido y pueden disminuir las presiones negativas y positivas a valores admisibles y ejercen su acción desde el instante inicial en que comienza el transitorio (tiempo de respuesta instantáneo)
En el caso de las ventosas, tan solo con efectivas para las depresiones ya que introducen aire en la tubería por lo que tienen una capacidad limitada de protección además de no contar con un tiempo de respuesta instantáneo. Las válvulas anticipadoras de onda tan solo actúan sobre las presiones positivas y tan solo son efectivas en conducciones cortas donde exista una diferencia geométrica importante.
En conclusión, los calderines antiariete suponen la mejor protección para el golpe de ariete ya que además de una actuación inmediata, actúan tanto sobre las depresiones (presiones negativas) como sobre las sobrepresiones (presiones positivas).