Tubo de Pitot

Um tubo de Pitot (ou simplesmente Pitot ) é um dos elementos de um sistema de medição de velocidade de fluidos . Seu nome deve-se ao físico francês Henri Pitot que, em 1732, propôs um dispositivo para medir a água corrente e a velocidade do barco.

Na aeronáutica , um Pitot mede a pressão total dentro do circuito de pressão estática e total e permite determinar a velocidade relativa da aeronave em relação ao seu ambiente.

Princípio físico da invenção de Henri Pitot

O funcionamento do tubo de Pitot simples, numa corrente de água, é facilmente compreendido se considerarmos que uma partícula fluida dotada de uma determinada velocidade tem, por causa desta velocidade, um momentum que lhe permite subir a uma determinada altura . Da mesma forma, qualquer um que atira uma pedra verticalmente sabe que aquela pedra subirá tanto mais alto quanto maior for a velocidade do cano fornecida.

Desde Galileu e sua pesquisa sobre a queda dos corpos , sabemos que com uma velocidade inicial vertical , a pedra sobe para: $V$

{\ displaystyle h = {\ frac {V ^ {2}} {2g}}}

(isso negligenciando o arrasto aerodinâmico da pedra).

Acontece o mesmo para uma partícula de água dotada de uma velocidade quase horizontal, desde que possa mudar gradativamente a direção de sua trajetória sem muita dissipação de energia (apresentando-lhe uma espécie de trampolim). $V$

Então, quando você mergulha a mão na corrente de uma torrente (como na animação ao lado), você pode ver que a água sobe até uma certa altura.

Saber se a altura atingida dessa forma pela água é de fato igual a poderia constituir um bom exercício de física do ensino médio (podemos esperar certas perdas de energia na água por atrito viscoso). ${\ displaystyle h = {\ frac {V ^ {2}} {2g}}}$

Henri Pitot procedeu de forma mais astuta: No primeiro experimento que improvisou com entusiasmo quando lhe surgiu a ideia de sua MÁQUINA DE MEDIR A VELOCIDADE DAS ÁGUAS CORRENTES E A VELOCIDADE DOS NAVIOS, ele substituiu a mão por um simples cachimbo de vidro torto de frente para a corrente e com este arranjo não há mais perda de energia: As partículas de água que sobem no tubo de vidro muito rapidamente têm sua velocidade cancelada (após estabilização da coluna d'água em altura): portanto, não há mais medo de perda de energia por atrito viscoso.

E no caso deste tubo de Pitot, a altura h atingida pela água no tubo é de fato:

{\ displaystyle h = {\ frac {V ^ {2}} {2g}}}

si é a velocidade da corrente voltada para a entrada do tubo e a gravidade da Terra.

V

g

Histórico

O tubo de Pitot deve seu nome ao físico francês Henri Pitot ( 1695 - 1771 ) que foi o primeiro em 1732 a propor uma "máquina para medir a velocidade da água corrente e o rastro de embarcações". Esta máquina é composta, como nossas modernas sondas Pitot-estáticas , de dois tubos: um captando a pressão total no ponto de medição e o outro tendendo a captar a pressão estática no mesmo ponto (ou melhor, em um ponto muito alto ponto). fechar).

No entanto, se o primeiro orifício, colocado de frente para a corrente, capturou o poço de pressão total, o segundo orifício (na extremidade do tubo de vidro não dobrado) capturou "aproximadamente" a pressão estática local. Mais exatamente, capturou-o com muito pouca precisão (devido ao fenômeno da ventilação do lado a jusante do prisma por sua extremidade (ver o artigo Ventilação do lado a jusante do cilindro ).

Se a medição da pressão total é bastante fácil, deve-se reconhecer que a dificuldade dos dispositivos para medir a velocidade de uma corrente líquida ou gasosa em um determinado ponto é, acima de tudo, medir a boa pressão estática existente nesse mesmo ponto. É nesta questão que o tubo de Pitot mais evoluirá nos dois séculos que se seguirão à sua invenção.

Equipado com sua máquina , Henri Pitot, no entanto, realizou algumas medições de velocidade do Sena em Paris e, em vista de seus resultados, pressentiu a existência de uma camada limite ao longo das margens e do fundo dos rios.

Richard W. Johnson descreve essas medições como segue em seu Handbook of Fluid Dynamics: "Em 1732, entre dois pilares de uma ponte sobre o Sena em Paris, [Henri Pitot] usou [seu] instrumento para medir a velocidade da corrente no a apresentação de seus resultados à Academia no final do mesmo ano é de maior importância do que o próprio tubo de Pitot: Teorias contemporâneas, baseadas na experiência de alguns engenheiros italianos, argumentavam que a velocidade da corrente a uma certa profundidade de um rio era proporcional à massa de água que fluía acima do ponto de medição; portanto, a velocidade da corrente aumentava com a profundidade. Pitot provou, graças ao seu instrumento, que na realidade a velocidade da corrente diminuía com a profundidade . "

Richard W. Johnson também coloca a invenção de Henri Pitot em perspectiva histórica da seguinte maneira: "[...] O desenvolvimento do tubo de Pitot em 1732 constitui um avanço substancial na dinâmica de fluidos experimental. No entanto, em 1732, Henri Pitot não poderia tirar proveito da existência da equação de Bernoulli, que não foi obtida por Euler até 20 anos depois. O raciocínio de Pitot quanto à operação de seu tubo era, portanto, puramente intuitivo e sua abordagem (medindo a diferença entre a pressão total no ponto de parada e a pressão estática) tipicamente empírico. Conforme discutido por Anderson (1989), a aplicação da equação de Bernoulli ao tubo de Pitot para derivar das duas pressões medidas a pressão dinâmica (então a velocidade do fluxo) não foi apresentada até 1913 por John Airey da Universidade de Michigan. [...] Levou, portanto, dois séculos para a invenção magistral de Pitot ser incorporada à dinâmica dos fluidos como um ferramenta experimental viável… "

Mais de um século após as primeiras medições de Henri Pitot, o conceito do tubo de Pitot foi adotado e aprimorado pelo engenheiro francês Henry Darcy .

Em 1909, Heinrich Blasius publicou um artigo em alemão no qual relatava seu teste, em uma corrente de água, de uma dezena de dispositivos de captura de dois pontos que já estavam em uso pelo Instituto Experimental de Engenharia Hidráulica e Construção Naval de Berlim. Neste artigo, ele descobriu que muitos desses dispositivos falharam por sua medição inadequada de pressão estática. Além disso, o desejo da primeira Mecânica dos Fluidos era medir '' e '' pressão total '' e '' pressão estática exatamente no mesmo ponto (o que teria tornado possível estabelecer facilmente no túnel de vento a distribuição das velocidades em os corpos). Porém, o tubo que mede a Pressão Total necessariamente modifica o fluxo local pela sua presença, não sendo possível medir a pressão estática no mesmo ponto (e no mesmo instante). Ludwig Prandtl , na mesma época em que Blasius fazia suas medições em Berlim (em 1908), usou com grande sucesso em seu túnel de vento em Göttingen um tubo Pitot estático combinado contra o fluxo pelo efeito de ventoinha de uma cauda. Este tubo Pitot estático combinado que em breve será denominado `` antena Prandtl '' mediu a pressão estática (com erro de ~ 1,5%) em 3 diâmetros do tubo atrás do ponto de parada onde a pressão foi medida.

Na aeronáutica , a antena de Prandtl substituiu o sistema Étévé , que mede a velocidade pelo recuo elástico de uma pequena pá colocada em uma asa (imagem ao lado).
Rapidamente, no entanto, Prandtl alterou a forma original de sua antena substituindo seu nariz de meio corpo Rankine 3D por um nariz hemisférico-cilíndrico mais reproduzível (imagem abaixo).

Em aplicações subsequentes da antena de Prandtl (ou tubo Pitot-estático combinado), aplicações destinadas a medir a velocidade da aeronave, a distância entre o ponto de parada onde a pressão total é obtida e o orifício (ou orifícios) onde a pressão estática é capturado apenas aumentou: a antena foi colocada em uma área onde o fluxo estava livre de qualquer influência da aeronave (por exemplo, suficientemente à frente do nariz da fuselagem ou a pressão de ataque da asa da borda), de modo que a pressão estática do fluxo fosse aproximadamente o mesmo no ponto de parada e no orifício de captura dessa pressão estática.

Na prática atual dos fabricantes de aeronaves (no que diz respeito a aviões comerciais subsônicos), a antena de Prandtl é abandonada em favor de sensores Pitot simples (medindo a pressão total fora da camada limite ), a pressão estática sendo medida por orifícios na parede do fuselagem na mesma abscissa (do nariz da fuselagem) que o orifício de medição do tubo de Pitot único: essas duas medições são feitas em um dos seis locais privilegiados indicados no diagrama abaixo.

Antena Prandtl

Uma antena Prandtl (de) (em homenagem a Ludwig Prandtl ) é um tubo Pitot estático combinado. É constituído por dois tubos coaxiais cujos orifícios, em comunicação com o fluido cuja velocidade queremos medir, estão dispostos de forma particular:

O tubo interno é paralelo ao fluxo do fluido e é aberto em sua extremidade, voltado para o fluxo. A pressão no seu interior é portanto a pressão total , soma da pressão estática e da pressão dinâmica ;
O tubo externo abre perpendicularmente ao fluxo do fluido. A pressão dentro deste tubo, portanto, tende a ser igual à pressão ambiente ou pressão estática do fluxo.

Um manômetro mede a diferença de pressão entre os dois tubos, ou seja, a pressão dinâmica, e portanto permite calcular a velocidade do fluxo do fluido ao redor do tubo. Na aeronáutica, essa velocidade corresponde à do vento relativo ao redor da aeronave, velocidade que é uma das informações essenciais para o piloto que deve sempre manter sua aeronave acima de sua velocidade de estol e abaixo de sua velocidade máxima . Conhecer a velocidade relativa do vento também permite, se for conhecida a velocidade do vento meteorológico na mesma altitude, calcular a velocidade em relação ao solo e o consumo da aeronave.

Cálculo de velocidade

Terminologia

O Pitot captura a pressão total gerada pelo efeito conjunto da pressão atmosférica e a pressão resultante da velocidade do vento no sensor (ou pressão dinâmica ).

A saída estática (combinada ou não com o Pitot) capta a pressão estática que é a pressão atmosférica no sentido usual do termo.

O anemômetro mede a diferença entre essas duas pressões, ou seja, a pressão dinâmica, e a converte na velocidade indicada . Essa velocidade difere da velocidade natural (que aumenta com a altitude) e da velocidade de solo (que é influenciada pelo vento ).

Caso de fluxo incompressível

No caso de um fluxo incompressível (ou seja, em um regime subsônico para um número de Mach menor que 0,3), a velocidade é calculada pela aplicação do teorema de Bernoulli . No ar, é possível desprezar o termo z , que dá uma relação direta entre a velocidade e a pressão dinâmica p t -p s que é medida com um sensor de pressão ou um manômetro simples :

{\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}} \ rho v ^ {2} + p_ {s} = p_ {t} \ Rightarrow {v ^ {2}} = {2 (p_ {t} -p_ { s}) \ over \ rho}}

v = velocidade (em m / s) p s = pressão estática (em Pa ou N / m²) p t = pressão total (em Pa ou N / m²) ρ = densidade do fluido (em kg / m³, 1,293 para o ar ao nível do mar)

Caso de fluxo compressível

No caso de um escoamento compressível (número de Mach maior que 0,3), é necessário utilizar a formulação do teorema de Bernoulli estendido para escoamentos compressíveis. Negligenciando a diferença na altitude z , a seguinte relação é usada para calcular o número de Mach:

${\ frac {p_ {t}} {p_ {s}}} = \ left (1 + {\ frac {\ gamma -1} {2}} M ^ {2} \ right) ^ {{{\ frac { \ gamma} {\ gamma -1}}}}$

M = número de Mach p t = pressão total p s = pressão estática γ = razão das capacidades térmicas do fluido C p / C v .

Na prática, não estamos mais interessados na medição da pressão dinâmica definida como p t - p s ; os sistemas projetados para esta faixa de velocidade medem a pressão estática e total separadamente e comunicam os valores a um computador.

Formulários

Marinho

O tubo de Pitot era um dos sistemas de toras usados nos navios, de acordo com as prescrições de Henri Pitot em suas memórias para a Royal Academy. Geralmente é colocado sob a quilha e é calibrado durante um teste de velocidade. A medição da velocidade de um barco usando uma medição de pressão pode ser rastreada até os experimentos de Charles Grant, Visconde de Vaux (1807), posteriormente aprimorada pelo Reverendo Edward Lyon Berthon (1849), que combina a medição em um único sistema. dinâmico. Este sistema foi abandonado devido a dificuldades em manter os tubos limpos no meio marinho (algas, etc. ).

Aeronáutica

Na aeronáutica, o tubo de Pitot é um dos elementos constituintes do sistema anemobarométrico . Junto com o plug estático, permite que o anemômetro (um manômetro diferencial) meça a velocidade indicada . Pode ser independente ou parte de uma sonda combinada com um plug estático e uma sonda de incidência . Pode haver duas ou três sondas independentes para fornecer redundância.

Os pitots são instalados em vários locais, onde o fluxo de ar não é perturbado, substancialmente paralelo ao fluxo local, de forma a obter no orifício do tubo um coeficiente de pressão próximo a 1, ou seja, velocidade quase zero. Em uma hélice monomotora , ela é colocada sob a superfície inferior da asa para não ser submetida à explosão da hélice. Em uma aeronave bimotora ou a jato, geralmente é anexado ao nariz. Em um planador, geralmente há um pitot na ponta dianteira da fuselagem e outro em uma antena na frente da barbatana.

Sondas combinadas de pitot / estática / incidência, como tomadas de pressão estática ou total, são geralmente colocadas na lateral da fuselagem, onde a pressão local é o mais próximo possível da pressão estática no infinito (pressão atmosférica) em todas as incidências usuais (uma velocidade do ar local próxima à do avião ou novamente um coeficiente de pressão próximo a 0. Essas localizações particulares estão nas seis verticais azuis no diagrama abaixo). A posição 1 é usada ao testar um protótipo (no final de uma antena longa). Para reduzir o efeito de qualquer derrapagem, os soquetes estáticos esquerdo e direito podem ser ligados entre si. A foto da Embraer abaixo mostra um tubo de Pitot na posição 2 (usado com frequência). Observe que o tubo é orientado paralelamente ao fluxo local (portanto, paralelo à fuselagem); também está fora da camada limite . $C_p$

O Pitot é mais frequentemente equipado com aquecimento elétrico para evitar sua obstrução pelo acúmulo de gelo. No solo, é coberto com proteção, principalmente evitando a entrada de insetos.

Curva típica da pressão estática nos flancos de uma fuselagem.
Tubo de Pitot em um Airbus A380 combinada anemometria e sonda de ângulo de ataque (lado do co-piloto )
Tubo de Pitot no nariz de um Embraer ERJ 135

Designs especiais

No caso de aviões de caça, as altas velocidades e os ângulos em que o avião pode se mover significam que formas especiais de tubos foram desenvolvidas, seja com várias aberturas, ou tendo um tubo alargado e um tubo mais fino no centro, este último apenas sendo usado para medir a pressão dinâmica.

Em princípio, os sistemas de tubos de Pitot fornecem uma medição apenas se forem colocados na frente do fluxo. Para os casos em que a velocidade perpendicular ao plano do dispositivo deve ser medida, sondas anemoclinométricas podem ser utilizadas; alguns modelos são baseados em tubo de Pitot, apresentando várias aberturas (5 ou 7). Comparando as pressões de cada tubo, o ângulo e a velocidade do fluxo podem ser determinados.

Tubos de Pitot de todos os formatos

Blasius já notava, em 1909, quando testava tubos de Pitot muito diferentes do Prandtl (tubo de Pitot de Prandtl que viria a constituir o primeiro padrão): “No entanto, para esses modelos de tubos de Pitot [muito diferentes do modelo de Prandtl], o as leis da mecânica dos fluidos significam que sempre há proporcionalidade entre a diferença de pressão nas duas aberturas e a pressão dinâmica real do fluxo [ ] " ${\ displaystyle {\ frac {1} {2}} \ rho _ {\ infty} v _ {\ infty} ^ {2}}$

Em seu texto, entretanto, ele observa que essas leis da mecânica dos fluidos nem sempre são respeitadas, uma vez que, como sabemos agora, o número de Reynolds às vezes intervém para modificar um fluxo radicalmente. Mas Blasius só podia prever a causa dessas mudanças no fluxo, uma vez que o número de Reynolds ainda não havia se estabelecido em seu lugar eminente acima de toda a mecânica dos fluidos (veja a esse respeito o artigo Crise_de_trainée ).

Além disso, em certas faixas do número de Reynolds, pode-se considerar que o fluxo em certos corpos não varia significativamente, ou seja, que a distribuição dos coeficientes de pressão na superfície desses corpos permaneça constante. Se os dois pontos dados, por exemplo, estão constantemente nesta faixa de Reynolds, a diferença também é, ou seja, pode-se escrever . Se nos referirmos à definição do coeficiente de pressão, a saber: ${\ displaystyle C_ {p}}$ ${\ displaystyle C_ {p}}$ ${\ displaystyle C_ {p1} -C_ {p2} = Cste}$

{\ displaystyle C_ {p} = {p-p _ {\ infty} \ over {\ frac {1} {2}} \ rho _ {\ infty} v _ {\ infty} ^ {2}}}

ou :

p

é a pressão estática medida no ponto considerado,

{\ displaystyle p _ {\ infty}}

a pressão estática do fluxo (ou seja, longe de perturbações criadas pelo corpo),

{\ displaystyle v _ {\ infty}}

a velocidade do fluxo para longe do corpo,

{\ displaystyle \ rho _ {\ infty}}

a densidade do fluido.

, podemos transformar a legenda em: ${\ displaystyle C_ {p1} -C_ {p2} = Cste}$

{\ displaystyle p_ {1} -p_ {2} = q \; Cste}

igualdade onde e são as pressões estáticas medidas no corpo no ponto e e ou é a pressão dinâmica do fluxo . Esta última igualdade deve ser transformada em: ${\ displaystyle p_ {1}}$ ${\ displaystyle p_ {2}}$ $1$ ${\ displaystyle 2}$ $q$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {2}} \ rho _ {\ infty} v _ {\ infty} ^ {2}}$

{\ displaystyle q = {p_ {1} -p_ {2} \ sobre Cste}}

Isso significa que, na faixa de Reynolds considerada, conhecendo e (a pressão estática em dois pontos diferentes do corpo) podemos determinar a pressão dinâmica do fluxo e, portanto, a velocidade desse fluxo. Na prática, obviamente, será vantajoso para as pressões e ser tão diferentes quanto possível, para que um manômetro pode facilmente medir sua diferença. Abaixo foram agrupadas várias aplicações do princípio físico demonstrado acima. ${\ displaystyle p_ {1}}$ ${\ displaystyle p_ {2}}$ $q$ ${\ displaystyle v _ {\ infty}}$

${\ displaystyle p_ {1}}$ ${\ displaystyle p_ {2}}$

Pitot-venturi

Historicamente, os dispositivos anemométricos venturi foram os primeiros a usar este princípio (imagem ao lado). Um venturi pode ser considerado como um dispositivo de redução de pressão que cria uma forte diminuição na pressão estática absoluta em seu pescoço. A pressão estática absoluta no gargalo do Venturi é, portanto, menor do que a pressão estática absoluta do fluxo . Consequentemente, se usarmos esta pressão estática absoluta no pescoço em vez da pressão estática absoluta do fluxo para longe do corpo na diferença clássica (que, para o tubo de Pitot dá a pressão dinâmica), subtraímos da pressão total uma quantidade menor para que o resultado seja mais forte. Como essa diferença é medida automaticamente por um manômetro diferencial, este último dispositivo é atacado por uma diferença mais forte, portanto sua sensibilidade pode ser menor. ${\ displaystyle P_ {col}}$ ${\ displaystyle P _ {\ infty}}$ ${\ displaystyle P_ {col}}$ ${\ displaystyle P _ {\ infty}}$ ${\ displaystyle P_ {tot} -P _ {\ infty}}$ ${\ displaystyle P_ {tot} -P _ {\ infty}}$

As medições do túnel de vento mostram que a pressão relativa à garganta pode cair, para um único venturi, até -5 ou -6 vezes a pressão dinâmica do fluxo e -13,6 vezes para um venturi duplo. Na imagem ao lado, o manômetro diferencial está conectado ao orifício que detecta a pressão absoluta no gargalo do venturi e a um orifício de pressão total convencionalmente voltado para a estrada. Este tipo de dispositivo de venturi foi usado em uma época em que medidores de pressão de diafragma de metal não eram sensíveis o suficiente para baixas velocidades (aquelas de planadores e aviões lentos), mas não são mais úteis hoje em dia, especialmente porque o gelo pode modificar significativamente o fluxo interno no venturi. Na França, foi o fabricante Raoul Badin quem produziu esses dispositivos de medição de velocidade, de modo que o termo badin se tornou sinônimo de '' velocidade '' na linguagem aeronáutica. ${\ displaystyle P_ {col} -P _ {\ infty}}$ ${\ displaystyle q = P_ {tot} -P _ {\ infty}}$ ${\ displaystyle P_ {col}}$ ${\ displaystyle P_ {tot}}$

Pitotímetros de cilindro

Para medições de velocidade de fluido em tubos e conduítes, o uso de um tubo Pitot-estático combinado é dificultado pela dificuldade de introdução deste dispositivo nos conduítes e pelo fato de que seus orifícios de coleta de pressão podem facilmente ficar sujos. Para amenizar esses problemas, foram desenvolvidos dispositivos cilíndricos (em consola no duto ou passando completamente por ele), podendo esses cilindros ser facilmente introduzidos e retirados nos dutos através de uma caixa de vedação que garante a vedação. Os referidos cilindros podem ser de secção circular ou quadrada e incluir um, dois ou múltiplos orifícios de recolha (o último caso permitindo a avaliação de uma velocidade média na conduta, imagem ao lado). Todos esses dispositivos são caracterizados por uma constante que permite passar da medição da pressão diferencial lida no manômetro para a velocidade média real do fluido. Várias definições desta constante coexistem, por exemplo, aquela que a considera como o quociente da verdadeira velocidade média do fluido no conduto pela velocidade teórica (onde é a diferença de pressão entre dois furos ou conjunto de furos e a densidade do fluido fluindo no duto). Na prática, a constante assim definida para manômetros de cilindro circular é freqüentemente da ordem de 0,85, mas pode mudar com o tempo, de modo que esses manômetros devem ser calibrados periodicamente. ${\ displaystyle {\ sqrt {\ frac {2 \ Delta P} {\ rho}}}}$ ${\ displaystyle \ Delta P}$ $\ rho$

Algumas empresas oferecem aparelhos com cilindros de seção quadrada apresentados na corrente de acordo com sua diagonal. Uma empresa oferece cilindros de seção em forma de bola de potro cujos orifícios destinados à captura de coeficientes de pressão negativos não estão mais na base, mas nas laterais da seção. ${\ displaystyle C_ {p}}$

Pitotímetros em forma de S (ou bidirecional ou reversível )

Em 1896, Edward S. Cole projetou um pitômetro (sem o pitot t final) que é conhecido como pitômetro de Cole ou pitotmeter reversível ou, alternativamente, tubo de pitot em "S" ou tubo de Pitot de Staubscheibe (Staub significa poeira ). Este dispositivo consiste em dois tubos simétricos, cujos orifícios estão voltados ou voltados para o fluxo. A apresentação deste pitotímetro na corrente pode, em princípio, ser invertida (daí o nome reversível ) mas esta simples inversão dos orifícios frequentemente requer a utilização de uma constante diferente devido a ligeiras assimetrias (que produzem grandes efeitos). Este pitotímetro S é considerado preferível quando os gases estão saturados com produto condensável ou carregados de poeira (devido ao grande diâmetro de seus dois orifícios), mas deve estar alinhado com o fluxo, o que requer o conhecimento da direção desse fluxo. A constante (na velocidade) desses dispositivos, de acordo com suas características geométricas, varia de 0,8 ou 0,9.

Sondas direcionais

Em princípio, a sonda direcional (imagem ao lado) tende a permitir a medição da velocidade de um fluido cuja direção de fluxo não é conhecida. Para este propósito, existem três orifícios de detecção de pressão na face frontal de um cilindro (na mesma seção transversal circular), os dois orifícios extremos sendo colocados simetricamente em um ângulo preciso (próximo a 30 °) do orifício central. A distribuição das pressões em um cilindro infinito traçando um ponto de coeficiente de pressão zero não muito longe deste azimute 30 °, pode-se teoricamente capturar a pressão estática lá longe do corpo . O método de usar esta sonda será, portanto, introduzi-la no fluxo e girá-la em torno de seu eixo até que a pressão nos dois orifícios laterais seja a mesma (essa pressão é então igual à pressão estática do fluxo fora do corpo. ) A diferença entre a pressão recolhida no orifício central (que, em princípio, é a Pressão Total) e a pressão de um dos orifícios laterais dá a Pressão Dinâmica. Na prática, a implementação desse método se mostra difícil. ${\ displaystyle C_ {P}}$ ${\ displaystyle P_ {infty}}$

Sensores de pressão total Kiel

Em 1935, G. Kiel desenvolveu uma sonda de pressão total muito insensível ao seu posicionamento em guinada e inclinação.
Uma característica notável do transdutor Kiel é que ele tem uma precisão de 1% para ângulos de guinada e inclinação de até 40 ° em uma ampla faixa de velocidade. Alguns modelos mais recentes da United Sensors (imagem anexada) aumentam essas qualidades de insensibilidade em ângulos de 64 °.
É importante observar que a sonda Kiel mede apenas a pressão total.

Soluções alternativas

O anemômetro Étévé, um velocímetro de remo testado em 1911 pelo engenheiro francês Albert Étévé em um biplano Maurice Farman , e usado a bordo de aviões militares antes do aparecimento do anemômetro de Raoul Badin . Ele mede a velocidade pelo recuo elástico de uma pequena raquete colocada em uma asa (veja a imagem acima).
Um tubo de "venturi" é usado em vez do tubo de Pitot em aeronaves lentas (planadores antigos, ultraleves ). É um tubo perfurado nas duas extremidades, dotado de uma parte mais estreita (o pescoço) onde o ar é acelerado pelo efeito Venturi . A pressão é, portanto, mais baixa aí do que a pressão estática, sendo a diferença medida, como para o pitot, por um manômetro. Deve ser calibrado, pois a diferença de pressão depende do tamanho do gargalo, do formato do venturi e da viscosidade do ar; pode ser muito maior do que o fornecido por um tubo de Pitot, o que é vantajoso em baixas velocidades, onde a pressão dinâmica é baixa e, portanto, difícil de medir.

Um conceito de sonda anemométrica e de ângulo de ataque patenteada em 2018 pela Polyvionics, uma empresa de aviônicos em Paris, usa uma cavidade sem orifício ou partes móveis e analisa as oscilações autossustentáveis do ar para determinar a velocidade e o impacto da aeronave.

Automotivo

O tubo de Pitot é utilizado no automóvel, nos casos em que a velocidade não pode ser deduzida apenas da rotação dos pneus. Precisão: a comparação das duas medidas (tubo pitot e velocidade de rotação da roda) permite deduzir a evolução dinâmica da trituração dos pneus.

Outras aplicações

O tubo de Pitot pode ser usado como um anemômetro, para aplicação em meteorologia. Na verdade, sua medição é na realidade a do vento relativo . Se o dispositivo for fixo, ele mede a velocidade do vento. O tubo de Pitot também tem a vantagem de ser um sistema muito robusto, com poucas peças mecânicas móveis passíveis de serem danificadas.

O tubo pitot possui dois formatos, um em S e outro em L. Seu uso também pode ser feito na velocidade do efluente gasoso em chaminés industriais, por exemplo.

Erros de medição e mau funcionamento

Tubo de pitot entupido

Quando um tubo de Pitot (medindo a pressão total) é bloqueado, a medição da velocidade do veículo não é mais possível. A consequência imediata de um tubo pitot bloqueado é uma medição errada do aumento da velocidade à medida que a aeronave ganha altitude.

O bloqueio do tubo de Pitot em um avião é mais frequentemente causado por água, gelo ou insetos. Para evitá-lo, os regulamentos da aviação prevêem uma inspeção pré-voo do (s) tubo (s) de Pitot. Além disso, muitos dispositivos de tubo de Pitot são equipados com um sistema de degelo (o último é necessário para aeronaves certificadas para vôo por instrumentos ).

Devido aos muitos casos possíveis de falha, aviões de grande porte costumam ter um sistema redundante de várias sondas pitot, geralmente pelo menos 3. Assim, se uma das sondas começar a dar resultados muito diferentes das outras, pode-se inferir que ela está com defeito e ignora suas indicações. Se fossem apenas 2, não poderíamos saber qual deles está com defeito, pois uma falha pode causar a leitura de uma velocidade maior ou menor conforme o caso. Além disso, algumas aeronaves são equipadas com uma sonda Pitot retrátil adicional, que pode ser usada quando necessário.

Saída de pressão estática bloqueada

Quando a porta de pressão estática é bloqueada, todos os instrumentos baseados no sistema Pitot são afetados: o altímetro permanece em um valor constante, a velocidade vertical permanece zero, a velocidade do dispositivo será errônea, de acordo com um erro inverso ao caso de tubo de Pitot bloqueado: a indicação de velocidade parecerá diminuir quando o avião subir em altitude. Aeronaves nas quais a cabine não é pressurizada geralmente possuem uma sonda estática de emergência que pode ser conectada de dentro da cabine.

Falhas intrínsecas

As sondas Pitot têm falhas inerentes:

Erros de densidade Esses erros afetam as medições de velocidade e altitude. Este erro se deve a variações de pressão na atmosfera que não estão relacionadas à altitude (meteorologia). Erro de compressibilidade Erros de compressibilidade surgem quando a aproximação do fluido incompressível não pode mais ser feita e a fórmula de cálculo da velocidade não se aplica mais. Este erro intrínseco ocorre especialmente em grandes altitudes, onde a velocidade do som é menor que seu valor ao nível do mar. Esses erros tornam-se significativos para altitudes acima de 10.000 pés e para velocidades acima de 200 nós. Nessas condições, o velocímetro informa uma velocidade inferior à velocidade real do dispositivo. Na prática, os testes NACA em um tubo pitot hemisférico-cilíndrico indicam que a medição da pressão estática em orifícios colocados 3 a 7 diâmetros atrás do ponto de parada permanece insensível à velocidade de até Mach. 0,6.
Histerese Erro devido às propriedades da cápsula aneróide contida no instrumento de medição. Este efeito de histerese pode ser causado por uma mudança anormal na inclinação do dispositivo. Este erro é caracterizado por um valor momentaneamente falso na medição da inclinação, depois durante a reversão da histerese, na medição da altitude e na medição da velocidade vertical. Erro de posição Este erro ocorre quando a pressão estática medida pelo tubo é diferente da pressão atmosférica real longe do dispositivo, especialmente quando o fluxo de ar no ponto de medição não é igual à velocidade real do dispositivo. Dispositivo (ver o diagrama acima dando as seis posições onde esta condição é cumprida). Isso pode ser causado por um ou mais fatores: ângulo de ataque, peso da aeronave, aceleração ... e, no caso dos helicópteros, pelo fluxo de ar gerado pelo movimento das pás. O erro de leitura pode ser positivo ou negativo dependendo dos fatores envolvidos. Os erros de posição podem ser um valor fixo (que depende apenas do modelo do dispositivo e, portanto, pode ser calibrado) e os erros variáveis que podem vir de deformações mecânicas alterando localmente o fluxo de ar, ou de situações de voo particular.

Acidentes aéreos devido a um problema no tubo pitot

Se esses tubos estiverem entupidos com gelo, detritos, insetos, uma medição incorreta de velocidade é fornecida aos pilotos e instrumentos de bordo da aeronave. Uma medição de velocidade errônea em tubos de Pitot foi implicada em vários acidentes aéreos :

Voo 6231 Northwest Orient Airlines (en) (dezembro de 1974, esquecendo-se de conectar o sistema de degelo do tubo pitot);
Avião de combate experimental Rockwell-MBB X-31 (19 de janeiro de 1995, ao norte de Edwards Base , Califórnia).
Voo 301 Birgenair (fevereiro de 1996, suspeita de presença de ninhos de insetos nos tubos);
Voo 603 AeroPerú (outubro de 1996, obstrução de tubos devido a erro humano);
Voo 2553 Austral Líneas Aéreas (outubro de 1997, congelamento dos tubos durante uma passagem em uma nuvem);
08 de janeiro de 2004 a 18 h 26 , uma patrulha de dois 2,000 D Mirage cujo código "Condé 336 'fora do campo Nancy-Ochey para uma missão de treinamento na baixa penetração altitude, incluindo um trânsito de alta altitude para se juntar a uma nave-mãe. Durante o trânsito até o tanque de abastecimento, é feita uma descida para um nível inferior por ordem do controle de tráfego aéreo. Durante esta fase, a tripulação de um dos Mirage 2000 Ds notou uma diminuição contínua da velocidade que lhes parecia inconsistente com a posição da alavanca do acelerador. O piloto estabilizou o Mirage a 26.000 pés. A tripulação sentiu imediatamente oscilações no eixo do pitch, que persistiram após desligar o piloto automático. Quando o piloto põe o acelerador no máximo para acelerar, as oscilações são amplificadas e o avião fica incontrolável. A aeronave caiu perto de Gorges du Tarn em uma área desabitada e os dois tripulantes ficaram levemente feridos durante a ejeção. A investigação do BEAD-air concluiu que a indicação de velocidade lida pelo piloto estava errada devido à obstrução de todas as sondas Pitot, devido às operações de gelo e manutenção. O piloto, não tendo tempo para identificar a falha, concluiu que a baixa velocidade exibida era a velocidade real do avião. Sua ação sobre o gás contribuiu então para desestabilizar a aeronave.
Este é um dos casos previstos pela mídia nos dias seguintes ao desastre do vôo 447 da Air France ( 1º de junho de 2009), e confirmado como uma das causas do acidente pelo Bureau de Investigação e análises para a segurança dos franceses aviação civil .
Uma dúzia de incidentes envolvendo Thales- sondas marca ter supostamente afetados Northwest Airlines A330 , o mais recente namoro de23 de junho de 2009.
A empresa Airbus reconheceu nada menos que 36 incidentes de possível obstrução das sondas Pitot por gelo, em aeronaves A330 / A340, entre os 12 de novembro de 2003 e a 7 de agosto de 2009.
Voo 703 da Saratov Airlines (fevereiro de 2018, desconexão do sistema de aquecimento das sondas Pitot de uma aeronave Antonov An-148); 71 vítimas, incluindo 6 membros da tripulação.

Notas e referências

Notas

Neste ponto da história, é possível que Heinrich Blasius, no entanto, tenha antecipado John Airey ao publicar seu texto ÜBER VERSCHIEDENE FORMEN PITOTSCHER RÖHREN (SOBRE OS DIFERENTES MODELOS DE TUBOS DE PITOTÃO) em 20 de outubro de 1909 em ZENTRALBLATT DER BAUVERWALT. Veja sobre este texto de Blasius sua tradução francesa: SOBRE OS DIFERENTES MODELOS DE TUBOS DE PITOT.
O motivo físico é que a medição da altitude é realizada corretamente pela torneira de pressão estática, esta diminuindo com a altitude, enquanto a pressão total medida permanece constante, sendo a torneira de pressão dinâmica bloqueada. A diferença dos dois dá um aumento aparente na pressão dinâmica, resultando em uma velocidade erroneamente maior.
redundância real exigiria técnicas diferentes para cada sonda, o que evitaria que várias sondas fossem bloqueadas simultaneamente pelo congelamento

Referências

A mão não tem o formato de um trampolim, mas as partículas de água deslizam umas sobre as outras de modo que os mais rápidos usam os mais lentos como trampolim.
Henri Pitot , " Descrição de uma máquina para medir a velocidade das águas correntes e o rastro dos navios ", História da Royal Academy of Sciences com as memórias da matemática e da física retiradas dos registos desta Academia ,1732, p. 363-376 ( leia online [PDF] , acessado em 19 de junho de 2009 )
Para Henri Pitot, foi um experimento experimental rápido; em seus experimentos posteriores, ele sempre usará dois tubos, um para a medição da pressão total e outro para a medição (aproximada) da pressão estática.
Pierre Humbert , " The mathematical work of Henri Pitot ", Revue d'histoire des sciences et de suas aplicações , n o 6,1953, p. 322-328 ( leia online [PDF] , acessado em 19 de junho de 2009 )
Parece que muitos biógrafos consideram que Pitot usava apenas o tubo de pressão total, o que está errado.
Henri Pitot explica que para ter certeza de capturar a pressão total correta, basta girar o prisma em torno de seu eixo principal para que a altura da água no tubo dobrado seja a mais alta.
"Quase qualquer tamanho e formato de [sonda Pitot] irá capturar a pressão total perfeitamente, desde que estejam voltados para o vento.", AF Zahm, AIR SPEED AND PRESSURE MEASUREMENT, Physical Rev., Vol 17, 1903, retransmitido por Folsom em REVISÃO DO TUBO PITOT, RG Folsom, Michigan, [1]
Na verdade, há sempre na frente dos corpos se movendo em um fluido pelo menos um ponto (ou mesmo uma linha de pontos, por exemplo, no caso de uma asa sem uma seta). Onde se pode medir um coeficiente de pressão unitário No caso de um corpo 3D simples, este ponto unitário é denominado ponto de parada ou ponto de estagnação . $C_p$
Manual de dinâmica de fluidos, por Richard W. Johnson, [2]
ÜBER VERSCHIEDENE FORMEN PITOTSCHER RÖHREN, por Heinrich BLASIUS, publicado em 20 de outubro de 1909 em Zentralblatt der Bauverwaltung, páginas 549 a 552, [3]
SOBRE OS DIFERENTES MODELOS DE TUBOS DE PITOT, tradução francesa do texto ÜBER VERSCHIEDENE FORMEN PITOTSCHER RÖHREN de Heinrich Blasius [4]
Henry Darcy , " Nota relativa a algumas modificações a serem introduzidas no tubo de Pitot ", Annales des Ponts et Chaussées ,1858, p. 351-359 ( leia online [PDF] , acessado em 31 de julho de 2009 )
Tradução em francês: [5]
Versuchsanstalt für Wasserbau und Schiffbau, Berlim
A distribuição das pressões neste corpo sendo calculável com uma precisão satisfatória ...
(veja esta imagem)
Para que a pressão medida pelas aberturas deste tubo externo seja a do fluxo, essas aberturas devem estar suficientemente atrás do ponto de parada (em 3 ou mais diâmetros).
“ no meio do Vaso, seja sob a viga mestra, ou finalmente mais próximo do seu centro de equilíbrio, dois tubos de metal […]. Esses tubos devem se tocar, suas extremidades inferiores devem penetrar na água abaixo da Embarcação [...]. Seu comprimento será do fundo da Embarcação até cerca de 4 ou 5 pés acima do nível da água do mar [...]. A extremidade inferior de um dos tubos será curvada em ângulos retos, funil [...] e sua abertura será virada na direção da quilha, vis-à-vis a proa [paralela à quilha e em direção à proa] , [...] Isto é [...] assim que o Navio zarpar, [...] a água vai subir no Tubo [curvo] e a altura acima do outro Tubo marcará a velocidade [...] com muito precisão [...] por diferenças muito marcantes nas elevações da água [...] "
(em) C. Tupper Introdução à arquitetura naval , página 209. 2004 ( ISBN 9780750665544 ) lido online
AGARDograph No. 160, AGARD Flight Test Instrumentation Series, Volume 11, on Pressure and Flow Measurement, por W. Wuest https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a090961.pdf
Pelas leis da Mecânica dos Fluidos ele quer dizer que a pressão definida e as forças na superfície dos corpos estão relacionadas ao quadrado da velocidade do fluxo. Foi a primeira coisa que os primeiros mecânicos de fluidos gostaram de ver quando colocaram um novo corpo no túnel de vento.
O pescoço do venturi é sua seção mais estreita.
Um venturi duplo consiste em um pequeno tubo de venturi adequadamente colocado em um tubo de venturi maior.
AIRCRAFT SPEED INSTRUMENTS, K. Hilding BEIJ, NACA Report No. 420, 1941, [6]
Folha de expressões - francaises.fr , ( link )
Tenha cuidado com o fato de que esse coeficiente às vezes é denominado (para "coeficiente de Pitot"), embora não seja o coeficiente de pressão clássico . $C_p$ $C_p$
Medidor de vazão de tubo de Pitot de média VERABAR da VERIS [7]
TUBO DE PITOT INSENSÍVEL AO FLUXO ANGULAR ADEQUADO PARA USO COM EQUIPAMENTO DE TESTE DE PILHA PADRÃO, Mitchell, Blagun, Johnson e Midgett, [8]
INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL SOBRE PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DO TUBO PITOT TIPO S PARA MONITORAMENTO DE EMISSÃO DE GEE [9]
Veja a curva de no cilindro infinito aqui. $C_p$
Por definição, no ponto zero, a pressão estática é a do escoamento para longe do corpo. $C_p$
Raymond Siretta, Gliding , Flammarion ,Abril de 1948, 216 p. ( leia online ) , p. 65 e 66
" Tubo de Pitot ou venturi " , em www.air-souris-set.fr (acessado em 3 de abril de 2020 )
" /// Polyvionics obtém patente para sua sonda anemométrica e de incidência " (acessado em 2 de abril de 2020 )
(en) Instrumentos de voo - Nível 3 - Sistema e instrumentos estáticos de Pitot , fiu.edu
(em) [PDF] Manual do Piloto - Capítulos 6 a 9 "cópia arquivada" (versão 6 de janeiro de 2007 no Arquivo da Internet )
Sylvain Mouillard, "A Air France atrasou-se na substituição das sondas Pitot? », Liberation , 9 de junho de 2009.
"Review of the Pitot tube", RG Folsom, Michigan, https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/handle/2027.42/4929/bac2387.0001.001.pdf?sequence=5&isAllowed=y ]
EFEITOS DOS PARÂMETROS DE PROJETO DO RAIO DE PRESSÃO NA MEDIÇÃO DA PRESSÃO ESTÁTICA PARA JATOS SUBSÔNICOS LIVRES, Por Lloyd N. Krause, NACA TN 2520, 1951, [10]
(em) Aviation-segurança , citando o relatório oficial de investigação (p n o 21, 24 e página do documento PDF): " O box foi precipitada pela reação inadequada da tripulação de voo para velocidade do ar erradas e indicações Mach qui tinha resultado de um bloqueio as cabeças de pitot por gelo atmosférico. Ao contrário dos procedimentos operacionais padrão, a tripulação não ativou os aquecedores da cabeça do pitot. (O estol foi precipitado por uma reação incorreta da tripulação devido a indicações de velocidade errôneas devido aos tubos pitot serem bloqueados pelo gelo. Ao contrário dos procedimentos usuais, a tripulação não ativou os descongeladores. Tubos pitot)
O BEAD-air: atividade de investigação O BEAD-air
BEAD-air: Relatório de investigação pública
Airbus: a investigação enfoca uma falha dos sensores de velocidade , novo AFP datado de 6 de junho de 2009.
Atualização sobre a investigação de voo AF 447 acidente ocorreu em 1 st junho 2009 , BEA ponto de estágio de 17 de Dezembro de 2009.
(in) Airspeed Systems Failed on US Jets , NY Times, 7 de agosto de 2009
EUA: pelo menos uma dezena de incidentes com velocidade em Airbus equipado com sondas Thales por dois meses , AP , 08/08/09
[PDF] Relatório de Progresso n o 2 BEA AF447 acidente , páginas 67-69 e 101-104, 30/11/2009.
" Bater na Rússia: uma caixa preta implicaria nas sondas Pitot ", FIGARO ,13 de fevereiro de 2018( leia online , consultado em 13 de fevereiro de 2018 )
Le Point, revista , " Rússia: acidente de avião pode ser devido ao congelamento das sondas Pitot ", Le Point ,13 de fevereiro de 2018( leia online , consultado em 13 de fevereiro de 2018 )

Apêndices

links externos

(en) tubos de pitot no site da NASA
demonstração de fórmulas de velocidade em regime transônico e supersônico , no site da EPFL.
Um vídeo explicativo sobre o tubo de Pitot
Ficha técnica de uma sonda Pitot no site AIR DATA INC.