Los tubos Prandtl-Pitot en la F1

Todos hemos visto alguna vez cómo los equipos de F1 incorporan en la parte superior del morro de los coches lo que parece ser una antena de transmisión de datos o de comunicación que sobresale de la superficie a modo de “chimenea”. También puede habernos llamado la atención el hecho de que los monoplazas durante los tests invernales salen frecuentemente a pista con parrillas de sensores en la parte media y trasera del mismo (sobre todo detrás de las ruedas delanteras, en los pontones o en el difusor trasero), tal y como puede apreciarse en las siguientes imágenes:

Tubos Prandtl-Pitot (sondas kiel en el caso de las parrillas) en diferentes partes del monoplaza (fuente: Sutton Images)

Ninguno tiene a estas altura duda de que estos sensores han sido concebidos con fines aerodinámicos, pero ¿acaso sabemos exactamente para qué sirven o qué principio físico hay detrás de ellos?

Pues bien, empecemos… Estos dispositivos, que apuntan en la dirección en la que se mueve el coche, reciben el nombre de tubos de Pitot en honor a su inventor: el ingeniero y físico francés Henri Pitot. No están presentes únicamente en la categoría reina del automovilismo, sino que son empleados también en aviación. En el caso de aeronaves suelen estar montados en el borde de ataque o debajo del ala, aunque en ciertos aviones están situados en el morro o en el estabilizador vertical. Esta localización no está seleccionada al azar, ya que está pensada para ponerles a salvo de perturbaciones o turbulencias causadas por el movimiento del aeroplano en el aire.

Tubo de Pitot situado debajo del ala de una avioneta.

La función de este artilugio es medir la velocidad de un punto dado una corriente de flujo, y fue usado por primera vez en 1732 en el río Sena por su inventor. Su principio, como podemos ver a continuación, es francamente sencillo: se basa en medidas de presión para obtener el valor de la velocidad del fluido.

Imaginemos un campo fluido con velocidad uniforme teniendo en cuenta que se trata de un fluido ideal (son despreciables los efectos de la viscosidad y de la conductividad térmica) y que no hay pérdidas energéticas. Si introducimos un cuerpo (en nuestro caso el tubo de Pitot) que perturbe el campo, será posible calcular el valor de la velocidad incidente sobre el mismo a partir de la medida de la presión en el punto P, como muestra la figura:

Representación de un campo fluido perturbado por un objeto en reposo.

La ecuación que modela el comportamiento de este cuerpo es la Ecuación de Bernoulli, la cual se obtiene al aplicar una serie de restricciones a la ecuación de conservación de la cantidad de movimiento.

Ecuación de Bernoulli

Como el punto P es un punto de remanso, la presión en el mismo será máxima y la velocidad relativa del fluido respecto de P, nula. Además, midiendo la presión en otro punto del fluido sin perturbar que se encuentre a la misma cota y que no se vea influenciado por la velocidad (P_∞), conseguimos anular la influencia de la energía potencial. De este modo, averiguar cuál es la velocidad del fluido queda reducido a:

Ecuación simplificada para el cálculo de la velocidad de un fluido mediante el empleo de un tubo de Pitot.

En resumen, podemos medir la velocidad relativa aire-coche por medio de la presión estática (P_∞) y la presión total o absoluta (Pp).

presión total = presión estática + presión dinámica

Sin embargo, como recordaréis, el instrumento de medición presente en los monoplazas de F1 no toma exclusivamente el nombre de su inventor. Esto se debe a que el tubo de Pitot original quedaba limitado a líquidos y exigía medir de forma independiente la presión en un punto sin perturbar, por lo que en 1800 el físico alemán Ludwing Prandtl incorporó en un mismo instrumento ambas medidas de presión gracias a la ayuda de un manómetro diferencial.

Actualmente, tanto los equipos de F1 como los aviones no emplean un sistema de medida de presión hidráulico, si no que recurren a transductores de presión. Estos elementos electrónicos convierten la presión en una señal eléctrica mediante la deformación de los extensómetros que están unidos al diafragma del mismo, cuyo funcionamiento físico omitiremos.

Esquema Tubo de Prandtl-Pitot.

Un hecho importante y que no se ha mencionado anteriormente es que Bernoulli debe aplicarse en conductos cerrados y con fluidos incompresibles, algo que, obviamente, el aire no cumple. Sin embargo, considerando una velocidad del sonido a nivel del mar y a 20 ºC es de 343 m/s y una velocidad del monoplaza de 350 km/h, obtenemos un número de Mach inferior a 0.3, lo cual nos conduce a que el aire (en este caso particular) se comporta como un fluido incompresible. Por tanto, esto nos indica que en el caso de los aviones habrá que corregir la ecuación para el cálculo de la velocidad.

Ahora bien, una vez que hemos entendido el funcionamiento de este sencillo pero extremadamente importante instrumento, intentaremos responder a la pregunta de por qué están presentes en los F1…

Como se ha comprobado anteriormente, el tubo de Prandtl-Pitot ayuda a medir la velocidad relativa coche-aire, es decir, no mide la velocidad del coche tomando como sistema de referencia el asfalto. Dicho de otro modo, si el coche y el aire viajan a una velocidad de 300 km/h y 100 km/h respectivamente en sentidos contrarios, obtendremos una velocidad por Pitot de 400 km/h. En caso contrario, si viajaran en el mismo sentido, la velocidad sería de 200 km/h.

Lo mismo ocurre con los aviones: la velocidad respecto del suelo nos indica cuánto tiempo durará el vuelo y la velocidad relativa al aire muestra la sustentación del ala, que es la fuerza que mantiene al avión volando y que es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad relativa avión-aire. He aquí pues el fin de este dispositivo en los aviones: ser capaz de controlar la fuerza de sustentación (lift) y así evitar que el avión entre en pérdidas (stall), pues recordemos que a velocidades bajas a penas se genera sustentación y a velocidades altas pueden surgir fallos estructurales.

En los F1 se emplea para saber cuánto aire hay disponible para generar carga y así poder variar los ángulos de ataque de los alerones. Además, cuando se emplean varios tubos en parrillas se obtienen datos sobre las perturbaciones causadas por elementos aerodinámicos del monoplaza o sobre cómo circula el aire a su alrededor, ya que para cada punto en el que esté situado el sensor se obtiene una velocidad diferente. De esta manera se puede estudiar a fondo por ejemplo, un difusor, y comparar los datos en pista con los del túnel de viento y los obtenidos mediante simulación numérica (CFD).

Ferrari F 14 T con tubos Pitot encima de la toma de aire del motor (fuente: Scuderia Ferrari)

Sin embargo, la utilización de este excelente aparato no queda únicamente limitado a fines relacionados con la aerodinámica “externa”, sino que ofrece datos necesarios para gestionar la alimentación del motor. Como sabemos, no es lo mismo que el aire entre por la admisión a una presión u otra, ya que esto significa tener más o menos oxígeno disponible para la combustión. Debido a que actualmente la ECU está controlando constantemente la apertura y el cierre de válvulas, necesita conocer en todo momento la presión dinámica en la toma “airbox”, lo que le ayuda a optimizar la mezcla gasolina-aire de la mejor manera posible.

En definitiva, los sensores Pitot son empleados tanto para conocer la velocidad del aire antes de entrar en contacto con los alerones, como para estudiar el comportamiento aerodinámico de ciertas piezas. Además son usados con el fin de controlar el caudal de aire que entra por la admisión.