Step 12: Il barone rosso (1971)

 Abbiamo già visto come il tubo di Pitot sia usato sugli aerei per monitorarne la velocità. Tuttavia pochi sanno che nel secolo scorso anche il venturimetro fosse utilizzato come strumento di misurazione in aeronautica. Ci sono infatti numerose foto che raffigurano piccoli aerei come i
Cesnna 172 muniti di tubi di Venturi.

Inoltre anche durante le due guerre mondiali si fece uso dei venturimetri. Nel film Il barone rosso (1971), diretto da Roger Corman, si può intravedere già dalle prime scene un venturimetro collocato sopra alle ali dell'aereo del barone Von Richthofen.

fotogramma del film Il barone rosso in cui è possibile scorgere un venturimetro in basso a sinistra

Venturimetro su un Cesnna 172

Step 11: I costruttori

 Per quanto riguarda i costruttori di venturimetri, non si può non citare BIF ("Builders Iron Foundry). Questa azienda produce lo strumento da oltre 120 anni e addirittura nel 1893 il loro ingegnere F.N. Connet perfezionò il metodo di misurazione di Herschel Clemens. Avrete infatti sicuramente notato il loro nome nel post precedente poiché hanno contribuito alla scrittura del testo di Herschel. Per maggiori informazioni sulla BIF consultare il loro sito www.bifwater.com.

il logo della BIF

Un'altra importante azienda produttrice di tubi di Venturi è la Kaifeng Instrument Co., Ltd., industria cinese specializzata nella fabbricazione di impianti idraulici

il logo della Kaifeng instrument Co., Ltd.

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Step 10: I libri

 Ecco la bibliografia del tubo di Venturi:

• Giovanni Battista VENTURI, Recherches Expérimentales suo le Principe de la Communication Laterale du Mouvement dans les Fluides appliqué a l'Explication de Differens Phénomènes Hydrauliques, Parigi : Houel et Ducros and Théophile Barrois, 1797.

per l'intero saggio consultare gallica.bnf.fr

• Clemens HERSCHEL e BUILDERS IRON FOUNDRY, The Venturi Meter: an instrument making use  of a new method of gauging water; applicable to the cases of very large tubes, and of a small value only, of the liquid to be gauged, Providence : Builders Iron Foundry, 1898. (link)

• Walter GEORGE, An appreciation of two great workers in hydraulics; Giovanni Battista Venturi, born 1746, Clemens Herschel, born 1842, London : Blades, East & Blades, 1858. (link)

Step 9: Giovanni Battista Venturi e Clemens Herschel

 Come già detto, il venturimetro prende il nome dal principio su cui si basa, l'"Effetto Venturi", scoperto dal fisico italiano Giovanni Battista Venturi (Bibbiano 1746 - Reggio Emilia 1822). Dopo aver ricoperto le cariche di insegnante, ingegnere, matematico ducale e verificatore della zecca fra il 1780 e il 1796, scrive e pubblica a Parigi la sua opera più importante: Ricerche sperimentali sul principio della trasmissione laterale entro i fluidi applicata alla spiegazione dei diversi fenomeni idraulici. In questa espone per la prima volta l'"Effetto Venturi", senza però applicarlo a nessuno strumento concreto.

Oltre alle sue fondamentali scoperte fisiche, Venturi è stato anche un importante storico della scienza. Con la sua opera Essai sur les ouvrages physico-mathématiques de Léonard de Vinci fu il primo a sottolineare come Leonardo Da Vinci fosse stato un formidabile scienziato e non solamente un artista. 

                     Giovanni Battista Venturi

Step 8: I materiali

 Essendo una parte integrante del condotto a cui viene collegato, il venturimetro è spesso costruito con gli stessi materiali. Per grandi tubature i materiali utilizzati sono quindi il ferro e l'acciaio, mentre per le condutture di dimensioni ridotte si usa invece il vetro, l'acrilico o il Rulon.

Un venturimetro in acciaio. Fonte wika.it

Step 7: Archimede di Siracusa

 Come già detto, il venturimetro si basa sull'equazione di Bernoulli. Un'altra famosa applicazione di questa famosa legge è sicuramente il Principio di Archimede, che afferma che ogni oggetto immerso in un fluido riceve una spinta verticale dal basso verso l'alto pari al peso del fluido spostato.

Questo principio prende il nome da Archimede di Siracusa, che lo dimostrò nel primo libro della sua opera Sui corpi galleggianti. Secondo la leggenda Gerone II, tiranno di Siracusa, si era fatto costruire da un orafo una corona interamente in oro. Non sicuro dell'onestà di costui, tuttavia, il sovrano chiese ad Archimede di scoprire, senza danneggiarla, se la corona fosse veramente in oro massiccio o fosse composta internamente da materiali meno preziosi. Lo studioso meditò a lungo sul problema e, mentre faceva il bagno in una tinozza, si accorse che il livello dell'acqua saliva. Col suo famoso "Eureka!", Archimede esclamava di aver trovato la soluzione: due corpi con ugual peso ma volume differente spostano volumi d'acqua differenti. Era quindi sufficiente usare una bilancia a due piatti ed appendere la corona a un braccio e all'altro un lingotto di oro puro con peso pari a quello della corona. In aria la bilancia era ovviamente in equilibrio (dato che il peso di aria spostata è trascurabile) ma in acqua la bilancia, poiché la corona era composta da materiali meno densi e aveva dunque un volume maggiore, si spostò dalla parte del lingotto mostrando la disonestà dell'orefice.

Nonostante questo racconto sia stato romanzato nel tempo, l'invenzione di Archimede, che prende il nome di Bilancia idrostatico, è stata a lungo utilizzata per misurare il peso specifico dei liquidi.

"Archimede"-Domenico Fetti, 1620

Step 6: Il Simbolo

Il Tubo di Venturi ha un simbolo specifico nel PFD ("Process flow diagram"), diagramma usato per indicare lo schema generale delle apparecchiature e dei processi di un impianto.

I simboli utilizzati sono dettati dalle organizzazioni di standardizzazione (come ISO, ISA e BS). In particolare, tutte queste coprono la standardizzazione P&ID ("Piping and instrumentation diagram").

                                                 

Questo è il simbolo P&ID del tubo di Venturi 

Per maggiori informazioni consultare la pagina wikipedia sul PFD e la lista completa dei simboli P&ID

Step 5: L'equazione di Bernoulli

Come già detto, il venturimetro sfrutta l'equazione di Bernoulli. Prima di spiegare come funzioni il tubo di Venturi ritengo dunque necessario presentare questo importantissimo principio.

Fonte Wikipedia

L'equazione di Bernoulli è valida solamente per i fluidi ideali, non viscosi, incomprimibili e stazionari. Infatti sotto queste condizioni si può applicare il principio di conservazione dell'energia:

dL + dE = 0

dm*g*∆h + ∆p*dV + (1/2)*dm*∆vˆ2 = 0

ρ g*∆h + ∆p + (1/2)*ρ*∆vˆ2 = 0

e quindi

ρ g*h + p + (1/2)*ρ*vˆ2 = costante

che è il teorema di Bernoulli

(dove ρ è la densità del fluido, p è la pressione, h è la quota del tubo e v è la velocità)

Il venturimetro sfrutta il caso particolare in cui h è costante, detto effetto Venturi, e quindi l'equazione si riduce a 

 p + (1/2)*ρ*vˆ2 = costante

Che unita alla relazione che unisce velocità e portata Q=A*v=costante permette di ricavare il risultato

                                                            

che rende possibile calcolare la portata Q di un fluido conoscendo la geometria del tubo e la pressione nella gola e nell'inlet cone (che conosciamo grazie al manometro collegato nei due punti). 

Fra gli altri strumenti che sfruttano l'effetto Venturi non possiamo non citare il tubo di Pitot, inventato dall'ingegnere francese Henri Pitot all'inizio del XVIII secolo. 

Esso consiste in due prese di pressione, una all'estremità anteriore disposta tangenzialmente alla corrente (presa totale) e una sul corpo disposta perpendicolarmente al flusso (presa statica). La differenza fra le due pressioni misurate, detta pressione dinamica,  è direttamente proporzionale al quadrato della velocità, che è quindi facilmente ricavabile. Il tubo di Pitot è spesso utilizzato per misurare la portata di un gas ed è quindi collocato su tutti gli aeroplani e in automobilismo.

un tubo di Pitot fissato sul ventre di un NH-90

 

Step 4: La scienza

LA MECCANICA DEI FLUIDI

La meccanica dei fluidi è il ramo della fisica che studia il comportamento dei fluidi. Questa materia, suddivisa in fluidostatica e fluidodinamica, ha sempre ricoperto una grande importanza visto il ruolo che i liquidi e i gas svolgono nella vita di tutti i giorni.

Uno dei primi a trattare queste materie seguendo un metodo più scientifico che filosofico è stato sicuramente Archimede. E' a lui che infatti si attribuisce il famoso Principio di Archimede, che è alla base dello studio della statica dei fluidi.

In epoca moderna, possiamo apprezzare il lavoro di Benedetti, che ha teorizzato l'equilibrio dei fluidi in vasi comunicanti, di Stevin, che ha studiato le diverse proprietà della pressione di un liquido, e di Torricelli, che da addirittura il nome ad una delle unità di misura della pressione. Inoltre è stato sicuramente fondamentale lo studio del matematico e fisico svizzero Daniel Bernoulli, dato che la sua opera "Hydrodynamica, sive de viribus et motibus fluidorum commentarii" segna l'inizio della idrodinamica teorica. Il teorema di Bernoulli presentato nell'opera offre infatti una dettagliata descrizione del moto di un fluido in flusso stazionario ed è perciò largamente utilizzato in numerose applicazioni.

Ed è in questo contesto che si colloca il venturimetro il quale, proprio grazie ad un caso limite del teorema di Bernoulli, permette di individuare la velocità di un fluido in un condotto conoscendo solamente la densità del liquido o del gas e la forma del tubo.

FLUIDODINAMICA E ARTE

La fluidodinamica è stata anche utilizzata per mostrare come l'artista americano Jackson Pollock evitò il fenomeno della "instabilità a spirale" nelle sue opere. Uno studio del fisico americano Lakshminarayanan Mahadevan ha infatti dimostrato come Pollock, per creare minuscoli loop e piccole oscillazioni, dovesse tenere il pennello e la spatola in alto e staccati dalla tela. Mahadevan ha inoltre dichiarato che l'intuizione di Pollock è l'essenza della scienza: "Siamo tutti studiosi della natura e così è stato Pollock. Spesso artisti ed artigiani sono molto avanti, riescono a spingersi oltre i limiti con modalità che sono simili a quello che fanno gli scienziati e gli ingegneri."

                                          "Untitled" (1948-49), quadro su cui si è basato lo studio di Mahadevan

 Per maggiori informazioni consultare la storia dello studio dei fluidi e lo studio delle opere di Pollock

Step 3: Le parole chiave

 Concentriamoci adesso sulle componenti e sui termini tecnici del venturimetro.

STRUTTURA

• Cono convergente (inlet cone) o sezione di transizione  tratto del condotto dove la sezione si restringe
• Gola (throat): tratto del condotto a sezione costante.
• Cono divergente (outlet cone) o sezione di recupero: parte del condotto dove la sezione si dilata. E' più lungo del cono convergente, e ha quindi un'inclinazione minore, per limitare le perdite di carico.
• Sezione di entrata (inlet o entrance section): parte del condotto con sezione pari a quella del tubo prima del venturimetro.
  
• Manometro: strumento per la misurazione di pressioni relative. Ha un'estremità collegata a monte (tramite la valvola ad alta pressione) e una alla gola (tramite la valvola a bassa pressione) per misurare la differenza di pressione nei due punti.

Fonte: instrumentationforum

Fonte: BIFwater.com

TERMINI FISICI

• fluido: materiale non dotato di forma propria e che non può sostenere una forza di taglio per un tempo apprezzabile;
• pressione: intensità della forza normale per unità di superficie;
• densità: rapporto fra la massa di un oggetto e il suo volume;
• portata: massa di fluido passante per unità di tempo attraverso una sezione del tubo;
• perdita di carico: energia dissipata per unita di tempo e di portata;
• flusso stazionario: i valori di velocità, pressione e densità di uno specifico punto del fluido non variano nel tempo.

Per maggiori informazioni consultare questa pagina.

Step 2: Uno sguardo allo strumento

 Diamo adesso uno sguardo allo strumento vero e proprio. L'immagine presenta uno dei primi venturimetri costruiti dall'azienda BIF, principale produttrice di tubi di Venturi nonché perfezionatrice dell'oggetto.

l'immagine è presa da http://www.bifwater.com/about.html

Possiamo già notare le principali componenti di un venturimetro, di cui parleremo però nel prossimo post.

Step 1: Lo strumento

Questo blog si è posto come obiettivo quello di descrivere nel minuzioso dettaglio il venturimetro (o tubo di Venturi), strumento avente una moltitudine di applicazioni quotidiane, come ad esempio la ventilazione controllata.

Ma in primo luogo diciamoci quindi cos'è un venturimetro. L'Enciclopedia Treccani definisce questo strumento come "un apparecchio che permette la misura delle portate dei fluidi nelle condotte in pressione". In altre parole, il tubo di Venturi permette di misurare la velocità di un fluido in un condotto sfruttando l'effetto Venturi, fenomeno fisico che mette appunto in relazione la velocità del liquido o del gas con la sua pressione e con la sezione del tubo.

Il nome deriva da Giovanni Battista Venturi, fisico italiano che ha scoperto e studiato l'effetto Venturi, e dalla parola greca métron, misura. Traendo origine da un nome proprio, i termini utilizzati nei paesi vicino al nostro sono tutti molto simili; vediamone qualcuno:

Tube de Venturi, francese;

Venturi meter (o semplicemente venturi), inglese;

Venturi-düse, tedesco;

Tubo de Venturi, spagnolo;

Tuttavia anche in Cina, paese culturalmente molto distante dal nostro, si utilizza la parola 文氏管 (Wén shì guǎn), che possiamo tradurre letteralmente con "tubo di Venturi". Ancora una volta possiamo dunque notare l'influenza di Giovanni Battista Venturi nel mondo della fluidodinamica.