jueves, 7 de enero de 2010

El tubo de Pitot

El tubo de pitot se utiliza como instrumento de medida de la velocidad de los aviones respecto el aire. Hay que tener en cuenta que es justamente la velocidad relativa entre el avión y el aire (IAS, Indicated Air Speed) que se conoce como la velocidad del aire indicada, es la que mantiene al avión en vuelo, no la velocidad respecto el suelo (GS ground speed). El GPS da la velocidad del avión respecto el suelo y mediante el tubo de pitot se obtiene la velocidad respecto el aire.

La velocidad del avión respecto el aire depende de la velocidad del avión respecto el suelo y de la velocidad del aire. Si el avión se mueve con viento de cara se tiene que sumar la velocidad del avión con la velocidad del aire, de esta manera parece que el avión se mueve más rápido. Y efectivamente se mueve más rápido respecto el aire, pero más lento respecto el suelo. ¿Cómo puede ser?, son cosas de la velocidad relativa, imagínense que salen a pasear un día de mucho viento, si les viene el viento de cara, notaran más el viento y avanzaran más despacio. En cambio si el viento les empuja, notaran menos el viento y avanzaran más rápido. Lo mismo les ocurre a los aviones con viento de cara la velocidad respecto el suelo es menor y con viento de cola es mayor.

La velocidad del suelo nos indica cuanto tiempo durara el vuelo y la velocidad relativa al aire da la sustentación del ala, que es lo que mantiene al avión volando. Hay que tener en cuenta además que la presión disminuye con la altura, puesto que la cantidad de aire es menor a medida que aumenta la altura de la atmosfera.

La ecuación que modela el comportamiento de los cuerpos en un fluido es la ecuación de Bernoulli. Se obtiene aplicando la conservación de la energía cinética y potencial a un tubo de corriente de flujo.

Aplicando la ecuación de Bernoulli al ala de un avión podemos despreciar el término de la variación de la energía potencial ya que podemos suponer que la altura es la misma. El ala se diseña de manera que el aire que recubre el ala circule a mayor velocidad por encima del ala que por debajo. Esto se consigue diseñando la superficie superior de mayor área que la inferior, con esto la distancia que tiene que recorrer el aire superior es mayor que el inferior, puesto que no pueden quedar vacios, las moléculas en la parte superior del ala van a mayor velocidad que la moléculas de aire en la parte inferior del ala.

Puesto que la velocidad bajo el ala es menor que sobre el ala , la presión bajo el ala es mayor que sobre el ala, de manera que el ala se mantiene flotando, esta es la fuerza de sustentación del avión. Otra manera de entender cómo se mantiene un avión flotando en el aire es a partir de las leyes de Newton. Al moverse el avión, el aire choca contra el ala ligeramente inclinada, empuja el aire hacia abajo y por la tercera ley de Newton (acción-reacción) el ala se impulsa hacia arriba.

Si el aire no puede fluir uniformemente por el ala, se producen turbulencias que reducen la sustentación y el ala entra en perdida, es decir el avión cae.

Un avion volando en el límite de su máxima altitud, se encuentra con que el aire es mucho menos denso, hay menos moléculas de aire y en consecuencia la sustentación del avión es mucho más crítica con la velocidad puesto que pasan menos moléculas a través de las alas. El avión tiene que moverse a mayor velocidad para generar la sustentación necesaria para mantener la nave a esta altitud.

Hay que ir con cuidado puesto, que la resistencia estructural de las alas de un avión normal de pasajeros, non soporta velocidades superiores al sonido ( mach 1), unos 340 m/s o 1225 km/h, es lo que se conoce como barrera del sonido, al nivel del mar. Con la altura esta velocidad disminuye, también como consecuencia de que hay menos moléculas y la temperatura es menor. A la altura de 11000 metros la velocidad del sonido es de 295 m/s o 1062 km/h.

Fíjense que al aumentar la altura se necesita mayor velocidad para conseguir la sustentación del ala pero no se puede sobrepasar la velocidad del sonido a esta altura. Hay que vigilar pues la velocidad a la que se mueve el avión respecto el aire. ¿Por qué se vuela a estas alturas?, hay diferentes motivos pero creo que el principal es el económico, como el aire es menos denso, la resistencia al avance es menor y se gasta menos combustible.

El tubo de pitot sirve pues para conocer a qué velocidad el avión choca contra el aire. Su funcionamiento se basa también en la ecuación de Bernoulli y llevan incorporados sistemas de calefacción para evitar que se hielen y se obstruya la toma dinámica.

El tubo de pitot mide la velocidad a partir de la diferencia de presión entre el punto 1 y el punto 2. Por un extremo entra el aire impulsado por la velocidad del avión en el punto 1 y la presión en 2 es la presión atmosférica exterior que se mide a través de la toma estática, situada en un lateral de la nave. Ambas presiones coinciden en una cámara donde se mide la diferencia de presión, se le denomina presión dinámica.