Wirgilio

Durante gli studi di ingegneria aerospaziale, ho incontrato questo simpatico strumento che è il tubo di Pitot.
La sua funzione, che è ampiamente descritta su Wikipedia, è quella di misurare la velocità di un fluido.

Il tubo di Pitot è costituito da un tubo, di una generica lunghezza, disposto parallelamente alla direzione del fluido (in particolare, al vettore velocità). Un’estremità del tubo è aperta, per permettere l’ingresso del fluido, mentre l’altra estremità è collegata ad un manometro. I manometri che si possono utilizzare sono i più disparati, quello che ho utilizzato io sfrutta la Legge di Stevino.

Com’è possibile vedere nell’immagine qui sopra, il manometro e il tubo di Pitot non sono altro che un semplice tubo pieno d’acqua, collegati ad una scala millimetrata che permette di misurare il dislivello della colonna d’acqua. In condizioni iniziali, il livello dell’acqua segnato è 13.8 mm.
(Attenzione: la scala millimetrata posta accanto al manometro serve per misurare le variazioni di quota dell’acqua, non l’altezza assoluta. È questo infatti il dato necessario per calcolare la pressione.)

Ho colorato l’acqua con dell’inchiostro nero, in modo da poter visualizzarne meglio il dislivello all’interno nel tubo. L’inchiostro non ha la stessa densità dell’acqua, ma data la natura qualitativa di questo esperimento, la variazione di densità dovuta alla sua presenza è del tutto trascurabile.

Il tubo di Pitot si trova in genere sugli aerei e misura la velocità dell’aereo rispetto all’aria. Data la difficoltà nel testare il tubo di Pitot in condizioni di moto rispetto al fluido, il modo più semplice per verificarne il funzionamento è quello di mettere in moto l’aria rispetto allo strumento, tenendo quindi fermo il tubo. Ciò che conta è infatti il moto relativo tra il fluido e il corpo.

L’oggetto che ho utilizzato per mettere in moto l’aria è un semplice phon.
Indirizzando infatti il getto del phon parallelamente al tubo, è possibile misurare la velocità dell’aria che esce da questo.

Come è possibile vedere dalle immagini, la colonna d’acqua nel tubo subisce una variazione di quota di circa 1.9 cm.
Per la Legge di Stevino, la pressione legata a questa variazione di quota è:

L’aria che entra all’interno del tubo, alla velocità incognita V, genera una pressione dinamica che è:

Questa pressione va a bilanciare la pressione statica che abbiamo trovato con la Legge di Stevino, quindi:

Dall’espressione della pressione dinamica, ormai nota, è possibile ricavare la velocità del fluido:

La velocità dell’aria che esce dal mio phon è di circa 17.4 m/s (o anche 62.6 km/h). Come valore della densità dell’aria ho utilizzato quello della tabella disponbile su Wikipedia, alla gelida temperatura del mio garage di 15°C.

È importante notare che la densità utilizzata nella Legge di Stevino è la densità dell’acqua, mentre la densità utilizzata nell’espressione della pressione dinamica è la densità dell’aria.

Volendo approfondire un po’ l’argomento, bisogna tenere presente il fatto che il tubo di Pitot non misura soltanto la pressione dinamica, ma misura la pressione totale, che per il Teorema di Bernoulli è:

Per conoscere quindi la pressione dinamica, occorrerebbe conoscere anche la pressione statica attorno al tubo, che viene misurata utilizzando una seconda presa d’aria sul collo del tubo e va sottratta alla pressione totale. Però, nelle condizioni in cui ho effettuato l’esperimento, il manometro utilizzato è soggetto alla stessa pressione statica a cui è soggetto il tubo di Pitot, che è la pressione atmosferica. Quindi il valore misurato tramite il dislivello della colonna d’acqua è già la pressione dinamica.

Com’è infatti possibile vedere da questa immagine, la pressione totale misurata tramite la presa d’aria b, viene confrontata con la pressione statica misurata dalle due prese d’aria a. Il dislivello h misurerà precisamente la pressione dinamica.