Los secretos del ariete hidráulico
Frente a los castillos medievales recurría la soldadesca de infantería con una viga larga y pesada, que reforzaban en un extremo con una pieza labrada de hierro o bronce, comúnmente en forma de cabeza de carnero. ¡Ariete a la vista!, vociferaban los defensores desde los recintos amurallados. Los asaltantes arremetían con ímpetu contra las puertas o baluartes vulnerables para inferir una brecha hacia los aposentos de la fortificación.
El servil y estratégico ariete podía decidir el color de la bandera que ondearía en el mástil cardinal de la fortaleza asediada.

Con los siglos las catapultas y los arietes cedieron su linaje a la pólvora y el cañón.
El imperio actual recurre a los misiles desde un bunker informatizado. Pareciera que el vocablo ariete caería en el saco de las palabras referentes sólo a las contiendas del Medioevo.

Venturas y desventuras del ariete hidráulico
El ariete hidráulico irrumpe en la historia al principio de la era de los grandes inventos y alcanzó la adultez paralelamente a las máquinas de vapor y el motor de combustión interna (Fig. 17).

Fig.17. Ariete hidráulico tradicional.

En una cervecería del condado inglés de Cheshire, John Whitehurst fermentó su ingenio para construir un aparato con un principio de funcionamiento novedoso: accionaba manualmente un grifo en una tubería conectada a un tanque de abasto, en un nivel superior, para provocar el fenómeno físico conocido como golpe de ariete, que permitía elevar el líquido a un tanque de almacenamiento colocado a una altura mayor (Fig. 18).
Un niño se ocupaba de accionar el artefacto, que funcionó desde 1772 hasta 1800.

Fig. 18. Esquema de funcionamiento
del ariete ideado por John Whitehurst.

La sagacidad humana añadió elementos al invento cervecero, y seis años antes de que Joseph Montgolfier junto a su hermano Étienne inventara el globo aerostático, concibió un ariete automático, en principio similar a los de hoy, aunque entonces lo denominó le belier hydraulique (Fig. 19). La novedad, reconocida en 1776, libró a los infantes (y adultos) de la servidumbre humana como fuerza motriz. Después de la muerte del ilustre francés otros se ocuparon de añadir bondades al equipo e investigaron los secretos de su aparente magia.

Fig. 19. Esquema del ariete hidráulico ideado por Joseph Michael
Montgolfier, construido con el mismo principio de funcionamiento
de los equipos actuales.

Los adeptos a la invención concibieron diseños que combinaron el ariete con un sifón o una bomba de succión, lo utilizaron como compresor de aire, lo acoplaron con una válvula de impulso operada mecánicamente, lo adaptaron a un motor o un pozo artesiano, lo revistieron de concreto reforzado o lo adaptaron para utilizar la energía de las mareas.
Las innovaciones nos legaron un aparato que durante más de un siglo figuró entre las máquinas hidráulicas más apreciadas y experimentadas.

La tentación por lo desconocido provocó que algunos formularan hipótesis sobre la aparente simplicidad de los procesos que ocurren en el fluir del agua a través del ariete: Eytelwein (1805), d’Aubuisson (1840) y Morin (1863) aportaron deducciones empíricas
que aún persisten en trabajos de referencia ingenieril, aunque Walker Fyfe (1922), quien realizó muchas instalaciones en Inglaterra, declaró la inutilidad de sus fórmulas.

Los partidarios de las formulaciones teóricas se empeñaron en determinar el índice del cambio de la velocidad variable de la columna de agua durante cada período en el ciclo de trabajo del equipo, para finalmente intentar predecir el volumen de agua que pudiera bombearse mediante los modelos concretos.

La asunción del método exclusivamente teórico regatea con la quimera: las variables del proceso desbordan las exigencias de las fórmulas matemáticas si no se recurre al instrumental del experimento. Habría que incluir el comportamiento de las pérdidas de carga por fricción o turbulencia, la longitud del recorrido de la válvula de impulso, el peso que actúa sobre la válvula de impulso, la resiliencia debida a la elasticidad del agua y el material de la tubería de impulso, y la duración del período durante el cual la válvula de impulso cierra, entre otros elementos.

La fusión de la teoría y la práctica deberían aportar las claves cognitivas: desde Harza (1908), con el diseño de un equipo experimental accionado por un motor externo para determinar el caudal inestable durante el período de aceleración; O’Brien y Gosline (1933), quienes aportaron una primera explicación satisfactoria para el funcionamiento del ariete; Lansford y Dugan (1941), que obtuvieron informaciones atendibles; Krol (1952), quien formuló conceptos útiles; o el modelo de Iversen (1975); hasta recientes indagaciones como las realizadas por Schiller y Kahangire en la Universidad de Ottawa, el belga Jan Haemhouts (1989-1998) e investigadores cubanos desde la década del noventa del pasado siglo.

El ariete hidráulico, en su versión convencional, es un equipo pesado, voluminoso y relativamente costoso en comparación con otros, como la combinación de una bomba centrífuga con un motor eléctrico o un motor de combustión interna. Además, su utilización queda limitada a condiciones específicas: disponer de un caudal de agua constante y un desnivel suficiente para lograr la potencia deseada.

La potencia en sí tiene sus límites en el ariete hidráulico convencional, por elementos constructivos, como los diámetros mayores del tubo de impulso y por consiguiente de la válvula de impulso. Estas limitaciones fueron superadas a partir de la concepción y diseño del ariete hidráulico multipulsor (Fig. 20).

Fig. 20. Prototipos de arietes hidráulicos
multipulsores exhibidos en el Centro Integrado
de Tecnologías del Agua (CITA).

En la industria moderna disminuyó el uso del ariete hidráulico convencional, hasta casi desaparecer en el contexto tecnológico contemporáneo.
Lo que más se recuerda de la era victoriosa de los arietes convencionales es el escaso mantenimiento que requerían y su larga vida útil, lo que hubiera permitido satisfacer ciertos mercados por varias décadas (en Ameya, Nicaragua, se encuentra un ariete funcionando desde 1884).

Este argumento tampoco favorece el desarrollo de esta tecnología en el mundo mercantilista, donde el buen negocio consiste fundamentalmente en seguir vendiendo, aunque sea sobre la base de la manipulación de las necesidades reales del cliente.
El concepto convencional del ariete hidráulico se mantuvo en la memoria de los planificadores y diseñadores como una de esas cosas simpáticas del pasado, y su aplicación quedó restringida a casos particulares.

Venturas y aventuras del ariete hidráulico multipulsor
La fecha de adopción del ariete hidráulico en Cuba se pierde entre los documentos y la memoria de algunos campesinos, que aún esperan por una indagación más acuciosa.
Modelos construidos e instalados en el siglo XIX todavía resisten la prueba del tiempo y con un mínimo mantenimiento pudieran reiniciar su rítmico accionar. Muchos recuerdan el equipo que abastecía de agua a más de setecientas cabezas de ganado mayor en Canapú, Birán, en el municipio holguinero de Cueto, hace más de ochenta años.

En la penúltima década del pasado siglo algunos investigadores y técnicos construyeron arietes hidráulicos convencionales en la Empresa de Minihidroeléctricas de Mayarí, la Fábrica de Válvulas de Guantánamo y el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, entre otras entidades.

El malogrado ingeniero belga Jan Haemhouts inició en Nicaragua, después de peregrinar por Haití y otras coordenadas, un empeñoso proceso de superación de las principales limitaciones del concepto convencional del ariete y adecuó esta tecnología a los requerimientos modernos de un proceso industrial.

Su primer paso consistió en confirmar en la práctica el contenido de la memoria descriptiva de su patente referida al ariete hidráulico multipulsor. En Cuba redescubrió el aliento hacia la plenitud creadora, primero con colegas entusiastas de la Asociación Nacional de Agricultores Pequeños (ANAP), en 1990, y luego en Camagüey, en el CITA, donde logró el salto, cualitativo y cuantitativo, que añoraba.

En el CITA crecía un proyecto singular, debajo de tres grandes mangos, a los que se añadieron una palma y una ceiba en 1995, el mismo día en que Martí había ofrecido su sangre generosa, cien años antes.

Las prédicas de Jan y la nueva saeta que asumió el Estado cubano en relación con las fuentes nacionales de energía (incluidas las renovables), permitieron sacar al ariete hidráulico del letargo impuesto por la política, la industria y el mercado contemporáneos, que exaltan las prestaciones del motor de combustión interna, el motor eléctrico y otros artefactos afines. Con un sentido holístico, desde una sinergia provechosa, el ariete reanudó su peregrinar por la perseverancia de un equipo multidisciplinario de especialistas y técnicos del CITA, integrado por Leopoldo Gallardo, Pedro Luis Pérez, Fernando Puente, Juan Manuel Piñero, Nilo Sosa y Amado Cepero, entre otros.

¿Qué es el ariete hidráulico? La bomba de golpe de ariete o ariete hidráulico es un motor hidráulico que utiliza la energía de una cantidad de líquido (comúnmente agua) situada a una altura mayor (el desnivel de un río, presa, acequia u otro depósito o caudal), con el objetivo de elevar una porción de esa cantidad de líquido hasta una altura mayor que la inicial, mediante el empleo del fenómeno físico conocido como golpe de ariete.   El equipo bombea un flujo continuo y funciona ininterrumpidamente sin necesidad de otra fuente de energía. El ariete hidráulico también puede compararse con un transformador eléctrico, ya que éste recibe una tensión baja (en voltios) con una corriente eléctrica relativamente alta (en amperios) y obtiene un régimen de mayor tensión y menor amperaje, y en el caso del ariete ocurre un proceso similar a nivel hidráulico: recibe un gran caudal (Q + q) con una baja carga (H) y obtiene un régimen de mayor presión (h) con un menor caudal (q).

Principio de funcionamiento El agua procedente de una fuente de alimentación (1) desciende por gravedad por la tubería de alimentación o impulso (2) bajo la acción del desnivel en relación con el ariete hidráulico (H), con un caudal determinado (Q + q), y se derrama al exterior del cuerpo o caja de válvulas (3) del ariete en una cantidad (Q) hasta adquirir una velocidad suficiente para que la presión dinámica cierre la válvula de impulso o ímpetu (4).   El cierre brusco de esta válvula produce el efecto conocido como golpe de ariete, lo cual origina una sobrepresión en la tubería de alimentación que provoca la apertura de la válvula de retención (5), que permite el paso del agua hacia el interior de la cámara de aire (6), provoca la compresión del aire existente y cierta cantidad de agua (q) asciende por la tubería de bombeo o descarga (7). En ese instante se produce una ligera succión en el cuerpo o caja de válvulas que provoca una disminución de la presión, la apertura de la válvula de impulso y el cierre de la válvula de retención. De esta forma se crean las condiciones para que el proceso se convierta en cíclico, con el consiguiente ascenso de una columna estable de agua hacia el tanque elevado (8), mediante la tubería de bombeo.

Desde el artefacto de Whitehurst y la inventiva de Montgolfier, el ariete hidráulico experimentó cambios constructivos notables, pero ninguno tan trascendental como el nuevo concepto multipulsor, porque superaba las limitaciones relacionadas con los grandes volúmenes y pesos del equipo, y su potencia relativamente baja; o sea, el factor determinante no radicaba en el potencial de energía hidráulica disponible en una situación determinada, sino en la propia capacidad de admisión del flujo hidráulico en el aparato.
La esencia del nuevo método consiste en la sustitución de la única válvula de impulso de los arietes convencionales por un conjunto adecuado de válvulas en posiciones óptimas, en dependencia de determinadas condiciones de producción e instalación para aprovechar mejor los caudales disponibles y aumentar la potencia y los rendimientos. Esto permite una baja relación entre la velocidad máxima del agua en el sistema y la velocidad del agua al momento del cierre de las válvulas, con un mínimo de contraimpulso para su abertura automática, lo que permite aún más reducir el largo y el diámetro del tubo de impulso. También aporta la ventaja de aminorar la necesidad de amortiguación en la magnitud de inyección de agua en la cámara de aire, por lo que puede reducirse su volumen.

Por último, aparece la posibilidad de utilizar un solo tubo de impulso con una gran cantidad de unidades multipulsoras, lo que permite aumentar la potencia con unidades livianas estandarizadas y producidas en serie a bajo costo, mientras que con los arietes convencionales se necesita diseñar un aparato en función de un diámetro dado, de gran volumen y peso, y por consiguiente de un alto costo.

Durante más de una década, en el CITA se han diseñado, investigado e instalado disímiles modelos. En las cercanías del poblado camagüeyano de Minas se experimentó la versión más avanzada hasta entonces del ariete hidráulico multipulsor, con un tubo de impulso de catorce pulgadas, equipado con ciento cuarenta y cuatro válvulas de impulso y una carga de entrada de menos de treinta centímetros.

La construcción del banco de pruebas para arietes hidráulicos en la presa Jimaguayú, a diecisiete kilómetros de Vertientes, en Camagüey, potenció las investigaciones que se realizan en el CITA, con diámetros de entrada de dos pulgadas en adelante. En el propio centro camagüeyano se conformó un banco de pruebas de miniprototipos, con posibilidad de evaluar cargas de entrada de 0,5 a 3 m de altura y flujos de derrame que oscilan entre 0 y 10 L/s. Paralelo a estas indagaciones teórico-experimentales se asume la realización de protocolos de investigación asistidos por computadoras para el diseño y el cálculo de las uniones en los arietes hidráulicos y en su instalación.

En los albores del siglo XXI
Cuba reacomoda su economía y en particular su desarrollo energético, con un enfoque sostenible. En ese escenario el uso de los arietes hidráulicos (junto a otras tecnologías que utilizan las fuentes renovables de energía) puede y debe acercar el agua a los cubanos que aún no disponen del servicio de acueducto, allí donde un simple salto de agua en un río, presa o acequia permitan la instalación de estos equipos.

El abastecimiento de agua a la ganadería y el riego a pequeñas parcelas se presentan como actividades que potencialmente pueden satisfacerse con el accionar de los arietes hidráulicos, con una probada eficiencia y rentabilidad (Tabla 3).

El ahorro de combustibles fósiles que implica el uso de los arietes hidráulicos y el insignificante costo de su mantenimiento le confieren a esta tecnología una competitividad singular a la hora de decidir la solución del bombeo de agua en zonas rurales y de difícil acceso.

Con el concurso de los especialistas del CITA y el movimiento del Fórum de Ciencia y Técnica, en Cuba se impulsa un proyecto de instalaciones de arietes hidráulicos, que ya cuenta con ciento ocho nuevos equipos instalados: sesenta en Holguín, veinticinco en Granma, trece en Santiago de Cuba, cuatro en Guantánamo, tres en Cienfuegos, dos en Camagüey y uno en Villa Clara, sin incluir más de treinta arietes convencionales reportados.

El ariete hidráulico no revela aún todos sus secretos a los teóricos: mientras, los campesinos cubanos redescubren la magia de su bondad. En la nueva centuria, cuando el petróleo y el átomo conquistan inusitadas disparidades y abismos, renace con brío el artefacto que llaman carnero en el Oriente cubano, quizá como reminiscencia trópica de las figuras zoomorfas que se incrustaban en los extremos de los arietes medievales, dispuestos a golpear contra los portones de las atalayas y castillos. Ahora los arietes hidráulicos arremeten, con sus rítmicos y útiles golpes, contra la cultura energética del petrodólar: hacia la cultura solar.

Publicado en Energía y tú, Nos. 19 y 25, jul.-sep., 2002 y ene.-mar., 2004.
* Escritor y periodista. Director de la Editorial CUBASOLAR. Autor de los libros Matrimonio solar y Hacia la cultura solar.
tel.: (537) 2059949.
e-mail: amonte@cubaenergia.cu

** Ingeniero Agrónomo. Director del Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA).
tel.: (5332) 261471.
e-mail: rhcita@esicm.cu