Ao contemplar uma aeronave em repouso, é comum notarmos a presença de uma tira vermelha presa à fuselagem contendo os dizeres “Remove before Flight”. Para a Hangar 33, este peculiar elemento serviu inclusive de inspiração para o desenvolvimento de nossas etiquetas, tags e adesivos.
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O que um leigo pode julgar como apenas um detalhe, em meio a tantos outros itens mais imponentes, tem a importante função de alertar que a capa de proteção está encobrindo o tubo de Pitot – um sensor de pressão que possibilita o funcionamento de um dos mais importantes instrumentos de uma aeronave: o velocímetro.
Basicamente, é um tubo instalado paralelamente ao vento relativo, contendo um orifício voltado para o fluxo de ar resultante da velocidade aerodinâmica da aeronave. Esse orifício se comunica com o interior de uma cápsula aneróide, instalada no velocímetro da aeronave. A caixa do instrumento recebe a pressão estática do ar de uma fonte estática, que não é afetada pela variação de velocidade da aeronave.
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Quando a aeronave está estacionária e não há vento relativo, nem real, a pressão que entra pelo orifício do pitot é somente a pressão atmosférica estática. A cápsula permanece então em uma posição neutra e a velocidade indicada é zero. Já quando a aeronave se desloca na massa de ar, o vento relativo causa um aumento na pressão de ar admitida pelo oríficio do tubo de pitot, em relação à pressão estática.
Essa “pressão de impacto”, somada à pressão estática, faz a cápsula expandir. O movimento de expansão da cápsula é transmitido aos ponteiros do velocímetro por hastes e engrenagens, do tipo setor e pinhão, o que faz o ponteiro se movimentar, indicando ao piloto a velocidade da aeronave.
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A equação abaixo explica matematicamente o funcionamento do tubo de pitot:
Então, temos para a velocidade:
Sendo:
Pt: pressão total ou de estagnação;
Ps: pressão estática;
V: velocidade aerodinâmica
p: densidade do ar
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Teoricamente, o processo é muito simples. Porém, na prática… é muito mais complicado.
Para começar, uma aeronave não voa em ambientes de pressão constante – consequentemente, nem de densidade constante do ar. Outro problema reside no fato de que as equações acima só valem para fluidos incompressíveis, e, em aeronaves que voam em alta velocidade, acima de 250 k/t, teremos que considerar os efeitos da compressibilidade decorrentes dessa alta velocidade.
Outros problemas a serem considerados são decorrentes do ponto da aeronave onde são instalados os tubos e os problemas práticos que o mesmo sofre em relação a obstruções por água, gelo, objetos estranhos ou insetos.
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Os tubos de pitot geralmente são instalados sob as asas do avião, ou nas laterais do nariz. Em aeronaves supersônicas, é geralmente instalado em um longo tubo no nariz, para evitar quaisquer interferências provocadas pela passagem da estrutura do avião no fluxo de ar.
A curvatura das asas e do nariz influem na tomada de pressão, pois o ar acelera em uma curvatura, devido ao efeito de Bernoulli, e o engenheiro aeronáutico deve prover uma compensação ou correção para esse efeito para cada instalação específica.
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Quando a aeronave se desloca, o tubo de pitot recebe a pressão dinâmica ou “pressão de impacto” e a pressão estática ao mesmo tempo. A soma de ambas as pressões é denominada pressão total ou pressão de estagnação.
Como a cápsula aneróide do velocímetro recebe em seu interior essa pressão total, e a caixa do instrumento recebe somente a pressão estática, a expansão da cápsula será diretamente proporcional à pressão dinâmica que, por sua vez, é diretamente proporcional à velocidade aerodinâmica da aeronave.
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O velocímetro, então, vai fornecer ao piloto uma informação de velocidade, que é denominada Velocidade Indicada (VI), ou em inglês Indicated Airspeed (IAS). Em tese, a IAS é a velocidade aerodinâmica da aeronave em condições de atmosfera padrão, ao nível do mar. O primeiro problema é a própria instalação do tubo de pitot e do instrumento no painel.
Os tubos estão instalados, geralmente, próximos a áreas curvas da asa e do nariz do avião (causando erros devido ao efeito de Bernoulli) e o velocímetro geralmente está instalado à esquerda do painel do instrumento, fornecendo uma leitura com erro de paralaxe por não estar diretamente à frente dos olhos do piloto. As correções para esses erros são feitas experimentalmente e fornecidas no Manual de Operação da aeronave, sob a forma de Velocidade Calibrada (VC) – ou, em inglês Calibrated Airspeed (CAS).
A velocidade calibrada é, então, a velocidade indicada corrigida para os erros de instalação e posição do instrumento. A diferença entre a velocidade indicada e a velocidade calibrada não é muito grande, sendo geralmente deixada de lado pelos pilotos, que geralmente voam com uma margem de segurança na velocidade suficiente para evitar problemas disso decorrentes.
O outro problema é que uma aeronave praticamente nunca voará em condições de atmosfera padrão ao nível do mar. Com a variação da altitude e da temperatura, ocorrerão grandes variações na velocidade aerodinâmica, em relação à velocidade indicada. Em média, a cada mil pés de altitude, a velocidade aerodinâmica da aeronave aumenta 2% em relação à velocidade calibrada.
As correções para se obter a Velocidade Aerodinâmica Verdadeira (VA), chamada em inglês True Airspeed (TAS), são feitas corrigindo-se a VC para os efeitos da temperatura do ar e para a altitude pressão, utilizando os conhecidos computadores analógicos de voo, ou por meios eletrônicos da própria aeronave. Outros fatores que influem na densidade do ar, como a umidade e a variação de pressão por motivos meteorológicos, são desconsideradas no cálculo, pois não chegam a influir decisivamente no mesmo.
No voo em alta velocidade, os pilotos devem ainda considerar a correção da temperatura indicada em relação à temperatura verdadeira, já que a compressibilidade e o atrito com o ar elevam consideravelmente a temperatura indicada em relação à temperatura real do ar.
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Alguns tubos de pitot incorporam também a tomada de pressão estática, através de um tubo que envolve coaxialmente o tubo da tomada de pressão de estagnação. Os orifícios da tomada estática são colocados na lateral do tubo, para que a velocidade do vento relativo não interfira na medição da pressão.
O maior problema desse tipo de instalação é que uma eventual formação de gelo no pitot pode obstruir tanto a tomada “dinâmica” quanto a estática. Aí, todos os instrumentos que trabalham com pressão, como velocímetro, altímetro e variômetro serão afetados.
Os tubos de pitot são componentes muito simples, sem peças móveis, mas mesmo assim podem sofrer problemas, quase todos relacionados com a sua obstrução. O problema de obstrução por água pode ser resolvido facilmente com a instalação de drenos adequados não só no tubo, mas também na linha.
Os maiores problemas de obstrução são ocasionados pelo gelo, que pode se formar rapidamente, especialmente em formações de nuvens cumuliformes. Para evitar o gelo, os tubos de pitot são geralmente equipados com um sistema de aquecimento, do tipo resistência elétrica.
Entretanto, o aquecimento do tubo também tem um limite de eficiência e pode não ser suficiente para todas as situações de formação de gelo. Condições de gelo tais como a presença, nas nuvens, de água em estado de sobrefusão, podem tornar inúteis os melhores sistemas de aquecimento do tubo.
Outros problemas de obstrução podem ser causados por insetos e “F.O.D.” (Foreign Objects Damage), quando a aeronave está no solo. Para minimizar o problema, é necessário proteger os tubos com uma capa. O uso da capa, no entanto, exige outros cuidados, pois a mesma, obviamente, deve ser removida antes do voo e não pode ser colocada no tubo ainda quente, pois pode se queimar e grudar no mesmo.
A obstrução dos tubos de pitot podem ter efeitos muito mais graves que a simples falta de indicação de velocidade. Os sistemas de automação e de alerta das aeronaves dependem de parâmetros corretos de velocidade para funcionar. Se os parâmetros de velocidade deixam de ter validade, os sistemas eletrônicos de gerenciamento de voo passam a fornecer informações díspares, e o piloto automático deixa de funcionar corretamente.
Caso não se desconecte sozinho, os pilotos devem desconectá-lo e passar a voar a aeronave manualmente. Os sistemas de alarme ficam confusos, e não é incomum que ocorram, por exemplo, alarmes de estol e de sobrevelocidade simultâneos.
Nesse caso, o piloto ainda tem condições de voar a aeronave, pilotando por atitude, simplesmente olhando para fora, para o horizonte natural da Terra, ou para o indicador de atitude, e ignorar os alarmes falsos. Um instrumento muito útil nesse caso é o indicador de ângulo de ataque, presente em muitos tipos de aeronave a jato.
O indicador de ângulo de ataque é muito útil também em grandes ângulos de ataque, quando o tubo de pitot é afetado devido ao fluxo de ar não estar paralelo com o mesmo.
