Tubo de Pitot en los aviones

Desgraciadamente pospongo el artículo siguiente sobre los agujeros negros para comentar el funcionamiento del tubo de pitot, utilizado para medir la velocidad en los aviones. Tema de actualidad ante el desastre del Airbus A330 de Air France. Referencias Tubo de pitot, velocidad relativa, ecuación de Bernoulli, sustentación avión, Airbus A330.

abcienciade in english: Pitot tubes in airplanes

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.

Veámoslo en ecuaciones. 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 según el siguiente dibujo

tubo de fluido

tubo de fluido

El trabajo W es la fuerza F por la distancia de actuación d, en este caso la fuerza es la presión p por la superficie A y la superficie por la distancia es el volumen V.

trab01

El trabajo es la variación de la energía y en el caso del tubo de fluido, el trabajo se obtiene a partir de la diferencia de presión. Obtenemos pues la siguiente ecuación que relaciona el trabajo de presión con la variación de la energía cinética y la energía potencial.

bern01

bern02

bern03 bern04

Esta es la ecuáción de Bernoulli

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.

 

esquema del flujo del aire en un ala

esquema del flujo del aire en un ala

bern05

Puesto que la velocidad bajo el ala  (v2) es menor que sobre el ala ( v1 ), 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.

El Airbus A330 volaba a una altura de unos 11000 metros, al límite de su máxima altitud. A esa altura 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 del avión no 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 i 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.

esquema del funcionamiento de un medidor de pitot

esquema del funcionamiento de un medidor de pitot

pitot02

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.

Otro problema a estas alturas de crucero es la baja temperatura y las malas condiciones meteorológicas. En condiciones normales no hay ningún problema en volar a 11000 metros mientras el aire tenga un comportamiento suave. En caso de tormenta el margen de maniobra de la nave es más restringido. Y en el Pacifico, justamente cerca del ecuador donde se unen los vientos del norte con los de sur las tormentas son mas fuertes, por eso todos los aviones transoceánicos disponen de un radar meteorológico en el morro del avión, para detectar tormentas y sortearlas.

Se dice que el avión no volaba al a velocidad adecuada porque los tubos de pitot se helaron y dieron una señal incorrecta de la velocidad del avión respecto el aire, al interpretar erróneamente la presión dinámica. Recuerden que si la velocidad es baja se pierde sustentación y el avión entra en perdida (se cae) y si la velocidad es demasiado alta aparece el problema de la resistencia estructural (se rompe).

Parece ser que el modelo de tubo de pitot de la marca Thales  PN C16195BA eran defectuosos y se tenían que cambiar por los nuevos PN C16195A o los de la marca competidora Goodrich. Los nuevos tubos de pitot llegaron tres días antes del siniestro.

Si la tripulación y los sistemas de seguridad creían que volaban a una velocidad diferente de la real, junto con una tormenta fuerte y las limitaciones de seguridad impuestas por la altura…

Pero hasta que no se encuentren las cajas negras y se realice una investigación todo son especulaciones. Yo solamente he intentado aclarar los principios básicos de la mecánica de fluidos que sostiene a un avión y cómo funcionan los tubos de pitot. La realidad es mucho más compleja.

Otros posts relacionados: “Qué es el Coffin Corner?”,  “Que son los flaps?”

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Acerca de Carles Paul

Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Barcelona, Máster en Física y Matemática Aplicada por la Universidad Politècnica de Cataluña y Máster en Historia de la Ciéncia por la Universidad Autónoma de Barcelona. Profesor titulado de la Universidad Politècnica de Mataró, Investigador del CERpIE y Eurostars Technical Expert.
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23 respuestas a Tubo de Pitot en los aviones

  1. mariano dijo:

    Carles ,muy interesante tu información sobre el Tubo de Pitot utilizado en multiples usos y de tan prácticas aplicaciones.
    Muchos lo utilizamos y ni sabíamos de esas formulas matemáticas.
    Del accidente ya diran los técnicos que lo investigan a su debido tiempo.
    Muchas gracias por tanta comprensible ciencia.
    Saludos mariano

  2. Carles Paul dijo:

    Grácias por tu comentario,

    y como bien dices no hay que hacer especulaciones, una cosa es la ciencia y otra muy diferente la gran labor de ingenieria que hay en un avión moderno. Confiemos en la investigación de los técnicos, que seguramente llevara algunos años. No existen las respuestas inmediatas, desgraciadamente los medios de comunicación quieren dar respuestas aprovechando la actualidad de la noticia.

    Recuerdos

  3. Jordi dijo:

    Hola Carles,

    jo no acabo de veure clar això d’aconseguir una major velocitat augmentant l’àrea (el recorregut, a la part superior).

    O potser ho entenc bé i no me’n adono:

    Jo entenc que a l’ala li arriben dues línies de flux, una per baix que romandrà a la mateixa velocitat al no canviar la seva secció (A1v1=ct) i la línia de dalt on al variar la seva secció sí que augmenta la seva velocitat.

    El què no acabo de veure clar és que en aquest cas pugui aplicar l’equació de continuïtat, l’he aplicat diverses vegades en els típics problemes de tubs però no sé si aquí és vàlida.

    Apa, ja diràs i gràcies!

  4. Carles Paul dijo:

    Apreciat Jordi,

    Es pot aplicar l’equació de continuïtat si ens trobem en les següents situacions: fluid incompressible i velocitat inferior a la del so en el aire.

    L’ala d’un avio que no sobrepassa mach1 i no es troba sotmesa a turbulències extremes, esta dins d’aquestes situacions. Per tant tenim que el flux d’aire que passa per l’ala es incompressible, això vol dir que tot l’aire que entra per la part esquerra de l’ala surt per la dreta, segons el dibuix que poso en el post.

    Com que la part superior del ala es més gran que la part inferior les línies de flux que passen per sobre l’ala es troben més properes que les que passen per sota l’ala.

    Aquí hi pot haver un dubte respecte el que dic, una cosa es l’àrea de l’ala i l’altre l’àrea del tub de corrent sobre l’ala. Vegem-ho, la superfície superior del ala es més gran ja que te una concavitat que no te la part inferior (sempre seguin l’aproximació científica per entendre-ho, el disseny de l’ala es una mica més complicat). Dit d’una altre manera, les molècules d’aire es troben més apretades en la part superior del ala que en la part inferior. Com indico una mica en el dibuix.

    Des de el punt de vista dels tubs de corrent direm que el tub de flux d’aire a la part superior té un area inferior a la del tub de flux d’aire que circula per la part inferior de l’ala.

    Aplicant l’equació de continuïtat A1v1 = A2v2 obtenim que si la relació d’àrees dels tubs es diferent també ho es la relació de velocitats. Seguint el disseny de fer una concavitat a la part superior del ala aconseguim que la velocitat del aire sigui mes gran en la part superior del ala que en la part inferior.

    I amb això obtenim una diferencia de pressió aplicant l’equació de Bernoulli, si la velocitat augmenta la pressió disminueix.

    Salutacions

  5. Jordi dijo:

    Tot entès Carles! :)

  6. Jordi dijo:

    Hola Carles,

    he estat barrinant arran de la sustentació perquè tot i que tu raones que al haver-hi més recorregut a la part superior de l’ala i per tant més velocitat, i per l’efecte Venturi menys pressió jo no acabava de veure clar perquè a dalt hi ha més velocitat.

    De fet l’equació de continuïtat em sembla encaixada amb calçador en aquest tema, és per això que avui m’he llegit aquest article: http://home.comcast.net/~clipper-108/AVIONES.PDF on explica perquè és incorrecte raonar la força de sustentació amb l’equació de Bernoulli i la diferència de recorregut de l’aire, el motiu és que s’ha demostrat que el principi de trànsit en temps equivalent (és a dir, que l’aire es bifurca per dalt i per baix i arriba junt a la punta) és fals, ho veuràs molt clar amb uns diagrames de corrents que hi ha a l’article.

    No m’allargo més, només recomanar-te l’article perquè penso que, com jo, també estàs equivocat al entendre la sustentació de l’avió amb l’efecte Bernoulli i demès.

    Res més, a cuidar-se i ja diràs el què :D

  7. Carles Paul dijo:

    Hola Jordi, el comentari que fas es molt comú, per això vaig posar aquest paragraf

    “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.”

    Evidentment no pretenguis que el diseny de les ales dels avions i el comportament d’un avió sigui tant simple com he dit. Es una aproximació per entendre la física elemental que interve.

    Quina resposta es la bona doncs?. La solució es molt simple, l’explicació utilitzant Bernouilli o Newton son equivalents. Els autors del pdf son molt intransigents al dir que l’explicació popular per Bernoulli es erronia i s’ha de fer per Newton. Aixo ho diuen perque despres l’explicació amb forçes es mes entenedora. Repeteixo les dos son la mateixa explicació desde punts de vista diferents. T’ho explico.

    Justament per evitar aquest problema dedueixo l’equació de Bernoulli a partir del principi de conservació de l’energia. Com saps, aquest principi surt de les equacións de Newton, de manera que les deduccions extretes dels principis energetics son equivalents als extrets dels principis dinàmics de les forces.

    Es la manera que tenim d’entendre el comportament de la naturalessa, ho fem mitjançant les forces i aplicant les equacions de Newton o utilitzant els principis de conservació de l’energia i de la quantitat de moviment quant no sabem exactament les forces que intervenen.

    Per tant, explicar la sustentació del ala per Bernoulli es utilitzant els principis de l’energia i fer-ho per Newton es utilizant les forçes. Pots provar-ho tu mateix quan vas en cotxe i treus el braç per la finestra amb la ma oberta, si la inclines una mica veuras com notes l’empenta que et tira la ma i el braç cap amunt. Evidentment l’explicació de forçes utilitzant la acció i reacció es molt més simple, però es el mateix que utilitzar el flux d’aire a través de la part de dalt i de baix de la ma.

    El que pasa es que aquesta explicació sencilla no te en compte la viscositat del aire, fer-ho seria complicar-ho molt i ara si que el model de forces de Newton dona millor solució.

    No ho tinc fet, jo també ho explico utilitzant Newton i el principi de la conservació de la quantitat de moviment. Aire impulsat cap avall, empenta del ala cap amunt, aixi de sencill, pero et torno a repetir, es equivalent a Bernoulli.

    Records i bones vacances.

  8. Jordi dijo:

    Gràcies per l’explicació Carles, i especialment per això que dius que l’explicació amb Bernoulli no té en compte la viscositat de l’aire i per això els resultats finals divergeixen una mica.

    Apa, res més i bon dia!

  9. Andie dijo:

    Estimado Charles:
    Hola. Quería agradecerte por compartir de una manera tan elaborada y al mismo tiempo clara esta información. Me es de gran ayuda porque estoy haciendo un curso de TCP y no entendía muy bien el funcionamiento del tubo pitot.
    Muchísimas gracias.

    Andie

  10. Iván dijo:

    Por una obstrucción en la sonda pitot, provocada por insectos, un avión repleto de ciudadanos alemanes se cayó al mar en 1996, poco después de despegar del aeropuerto Gregorio Luperón, de Puerto Plata, República Dominicana.

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  13. jr dijo:

    mas que un comentario me gustaria saber como funcionan los siguientes sistemas su respuesta me es de mucha ayuda les agradesco mucho por su ayuda_ estos son los temas:proteccion contra incendios en motores,sistema de control de combustible,sistema de induccion,sistema de enfriamiento,sistema de escape… espero su respuesta si pueden enviarme a ste correo.. aeronautico_jr@hotmail.com gracias..

  14. lucia dijo:

    honestamente no creo q el accidente sea a causa de el congelamiento del tubo pitot, los aviones cuentan con un sistema de deshielo aprovechando los gases de escape de los motores por las altas temperaturas a las que son expulsados, sin embargo como dices, hay que esperar haber que dicen los peritos, aunque por experiencia propia la mayoria de los accidentes aereos son causados por distracciones humanas, o salto de procedimientos incluso por los mismos pilotos en prevuelo cuando hacen su walkaround, o durante el vuelo llegan a cometer muchas imprudencias

  15. Guillermo Costecho dijo:

    Lucia,no confundas los TUBOS PITOT con LAS PROBETAS SENSORAS DE GASES DE ESCAPE.

  16. Guillermo Costecho dijo:

    Los Tubos Pitot son de Deshielo ELECTRICO,no neumatico.,besos a ti.

  17. Guillermo Costecho dijo:

    h

  18. David dijo:

    Gracias por la explicación de los tubos de Pitot. La transcripción de la caja negra muestra que fue un error humano: http://www.popularmechanics.com/technology/aviation/crashes/what-really-happened-aboard-air-france-447-6611877

  19. Ezequiel dijo:

    Perras resuelvan esto!
    Un piloto tiene que llevar a su avión hacia el oeste a través de un viento de 80 km/h dirigido hacia el sur. La rapidez del avión respecto del aire es de 320 km/h. ¿Cuál es la rapidez del avión respecto del suelo?

  20. Anónimo dijo:

    No entendi nada de nada osea no me sirvio :p

  21. David dijo:

    Buen intento. Haz tus deberes!

  22. Rubén dijo:

    Nunca entendí lo de que volar más alto sea más barato. Si hay que subir hay que gastar combustible y si subes tan alto también tienes que ir más rápido, así que otra vez necesitas más combustible. Un menor rozamiento justifica que puedas ir más rápido consumiendo menos, pero si necesitas ese plus de velocidad para mantener la sustentación… ¿No vuelve a aparecer el mismo rozamiento para la misma sustentación?

  23. Carles Paul dijo:

    Hola Ruben, para entenderlo hay que tener en cuenta que el rozamiento no es proporcional a la velocidad sino al cuadrado de la velocidad y a velocidades muy altas incluso al cubo. Esto significa que a velocidades elevadas el rozamiento aumenta muchiiiisimo…es lo que le ocurría al Transbordador Columbia al entrar en la atmósfera, se calentó enormemente y estalló por daños en la cobertura de aislamiento térmico.

    Al subir va más despacio y cuando llega a la velocidad de crucero a unos 8000-10000 metros la poca resistencia evita el calentamiento excesivo y vibraciones estructurales.

    Es lo que explico mas o menos en este post: http://abcienciade.wordpress.com/2009/07/02/%C2%BFque-es-el-coffin-corner/

    Saludos

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