Sistema Pitot-estática
2010-04-30
Si uno mira de cerca un avión, descubre que está lleno de tubitos y otras protuberancias. Cada uno de estos bultos es un dispositivo que cumple una función. Hoy vamos a ver uno de ellos: el sistema de Pitot-estática (que forma parte del sistema de datos de aire). Este sistema sirve para medir la rapidez relativa al viento con la que se mueve un cuerpo (o la rapidez con la que incide el viento sobre un cuerpo). Veamos cómo funciona.
El sistema de Pitot-estática es una combinación de dos sondas distintas. Cada una de estas sondas mide la presión en unas condiciones características; de estas medidas de presión, gracias al Principio de Bernoulli, puede deducirse la rapidez. Una sonda es un tubo de Pitot, mientras que la otra es una sonda de presión estática.
Un humilde tubo de Pitot en el techo de un túnel de viento.
Tubo de Pitot
El tubo de Pitot es un aparato que se usa para medir la presión de remanso de una corriente fluida. La presión de remanso es la presión que alcanza una partícula fluida cuando es frenada suavemente (sin disipación), es decir, al remansar la corriente. El principio de Bernoulli establece cuál es esta presión de remanso. En efecto, si la corriente sin perturbar tiene una densidad ρ∞, una celeridad v∞ y está a una presión p∞ y, además, podemos considerar que el fluido es incompresible, tenemos el siguiente resultado para la presión de remanso pt:
pt = p∞ + ρ∞ (v∞)2 ⁄ 2
El tubo de Pitot no es más que un tubo alineado con la corriente con una embocadura en su extremo de barlovento pero cerrado en el otro extremo. En el interior del tubo hay un sensor de presión. La corriente pasa de estar en movimiento fuera del tubo hasta detenerse en el interior del tubo (se comprueba que la corriente está remansada en el interior del tubo porque si no lo estuviera, entraría más y más fluido hasta hacer que las paredes reventaran). El tubo de Pitot se usa normalmente en fluidos como el aire y el agua en unas condiciones para las que puede remansar la corriente sin disipación, así que la presión que mide el sensor es la de remanso. Si hubiera disipación, la ecuación de Bernoulli no se aplicaría y la presión sería menor que la de remanso.
La figura negra es un tubo de Pitot visto de perfil. La
corriente viene desde la izquierda de la imagen. Las flechas
representan el campo de velocidades del viento. La línea roja
representa representa la rapidez de la corriente en el eje del tubo
aguas arriba de la embocadura y en la superficie del tubo aguas
abajo de la embocadura; toca la parte inferior de la imagen en el
punto de remanso y asciende conforme lo hace la rapidez. ¡El incauto
lector avispado notará que este tubo en concreto no está muy bien
diseñado!
Toma de presión estática
La expresión «presión estática» puede resultar engañosa: no se refiere a la presión de la corriente al detenerla (ésa es la presión de remanso), sino a la propia presión que hay en cada punto. La toma de presión estática (o «toma de estática») mide la presión p∞ de la corriente sin perturbar. Esta toma se manifiesta como un agujerito practicado en una pared y comunicado con un sensor de presión. La toma de estática está diseñada de modo que ve la corriente sin perturbar; para lograr esto ha de estar en una pared alejada de la influencia de obstáculos y alineada con la corriente sin perturbar.
Todo junto: cómo se calcula la rapidez aerodinámica
El tubo de Pitot mide la presión de remanso pt y la toma de estática mide la presión estática p∞ de la corriente sin perturbar. Si la corriente puede considerarse incompresible, el principio de Bernoulli nos da una expresión muy sencilla para la rapidez relativa v∞ del viento sobre el tubo o del tubo sobre el viento:
v∞ = √(2 (pt − p∞) ⁄ ρ∞)
Además de la celeridad y su razón frente a la rapidez del sonido (es decir, el número de Mach), el sistema de Pitot-estática tiene más usos. La medida de presión estática permite estimar la altitud (indicada en el altímetro barométrico) y su variación temporal (indicada en el variómetro).
Tubo de Prandtl
El tubo de Prandtl es una sonda que integra en un tubo de Pitot la toma de estática. El tubo ha de ser bastante esbelto y la toma de estática debe estar situada en la parte posterior, donde la corriente ha «olvidado» la presencia de obstáculos.
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