“八级风吹树枝断,九级屋顶飞瓦片,十级拔树又倒屋”,“风轻轻,我听见你声音”……这些耳熟能详的曲目都在描写风的流动。然而这些表述仅仅只是对流体的定性表达,如何对流体的强度进行定量描述呢?这就要引出一样古老又新颖的测量仪器——皮托管。
皮托管(Pitot Tube)是由18世纪的法国科学院工程师亨利·皮托(Henri Pitot)发明的。他在测量巴黎塞纳河水流速时,首次发明了原型装置。他将一根L形的玻璃管垂直插入水中,通过观测管内外液面高度差来计算流速。这一开创性设计被称为“皮托静压管”,标志着流体力学测量技术的重大突破。
皮托管的核心原理是基于丹尼尔·伯努利提出的流体力学方程:在不可压缩流体中,流速越大,动压越大,静压越小。一旦获取到流体的总压以及静压数据,就可以知道流体流速。基于此原理,皮托管上有两个开口(见图1),一是正对来流的总压孔,用于测量流体的总压;另一个则是与流体流动方向平行的静压孔,用来测量流体的静压。
图1 皮托管基本构型
在随后的年代里,有多位物理学家对该装置进行改良。1856年,英国科学家将总压管与静压管分离,奠定了现在皮托管的基本结构。二战后,随着航空工业的兴起,皮托管又经历了一系列优化设计,比如:具有多孔静压环的专用皮托管可以用来解决飞行中的流动分离产生的数据失真问题;复合材料的成熟让防冰皮托管成为可能,提高了飞行安全性;皮托管与温度传感器结合,开发出适用于超音速飞机的组合探头(见图2)。
图2 飞机上的空速管
尽管已有三百余年的历史,皮托管仍在持续革新。如何在复杂环境中依旧保持高精度测量?如何将装置小型化、甚至微型化?如何将装置变得“更智能”?这些问题的解决离不开材料科学的持续突破。
从塞纳河畔的简易玻璃管,到入境飞机上的智能探头,皮托管的发展史映射着人类征服流体力学的智慧轨迹。但无论形式何如,这个基于伯努利原理的经典设计,仍将在人类探索天空和速度极限的征程中,持续书写新的篇章。(文/孟祥怡 图/互联网)
