MEDIDA DEL VIENTO EN SUPERFICIE
La velocidad del viento es una magnitud vectorial
tridimensional con fluctuaciones aleatorias de pequeña escala en el espacio y
en el tiempo, sobrepuestas a un flujo organizado de mayor escala. Normalmente el viento en superficie
será considerado una magnitud vectorial bidimensional especificada por la
dirección y la velocidad. La mejor manera de medir el viento en superficie es
utilizar una veleta y un anemómetro.
En cuanto a las unidades, la velocidad del viento debe expresarse
en metros por segundo o en nudos, con precisión de una unidad y, para fines
sinópticos, debe representar el promedio sobre un periodo de diez minutos o, si
el viento cambia notablemente en un periodo de diez minutos, un promedio sobre
el periodo después del cambio.
La dirección del viento debe expresarse en grados, con
precisión de diez grados, y debe representar el promedio sobre diez minutos o,
si el viento cambia notablemente en un periodo de diez minutos, un promedio
sobre el periodo después del cambio. La dirección del viento se define como la
dirección de la cual el viento sopla y se mide en el sentido de las agujas de
un reloj a partir del norte geográfico.
Se debe considerar calma cuando el promedio de velocidad
del viento es inferior a un nudo. En este caso, la dirección se fija en 00.
Así, el norte no será 00 sino 360.
En cuanto a los problemas de la exposición del equipo de
medida tendremos que, debido al efecto de fricción, la velocidad del viento
podrá variar notablemente en las primeras decenas de metros por encima del
terreno e incluso después. También podrán darse variaciones considerables por
un terreno desigual o que presente obstáculos. Por esta razón se ha definido
una altura normalizada sobre el terreno para la exposición de los instrumentos
de medida del viento. Las observaciones de la velocidad del viento a otras
alturas deben ser ajustadas para lograr una estimación correspondiente a la
altura normalizada. Sin embargo, no se trata de hacer ajustes de la desviación
de la dirección del viento con la altura sobre terreno abierto, porque resulta
muy pequeña y no merece la pena. La posición normal establecida de los
anemómetros en tierra sobre un terreno llano es de diez metros por encima de
dicho terreno. Se llama terreno abierto a una zona donde la distancia entre el
anemómetro y cualquier otro obstáculo es al menos diez veces la altura del
obstáculo.
Cuando no pueda lograrse una disposición normal del anemómetro,
esto es de diez metros sobre el terreno, deberá instalarse a una altura tal que
sus indicaciones resulten razonablemente exentas de la influencia de los obstáculos
locales y representen en la mayor medida posible qué viento que habría a diez
metros si no hubiese obstáculos en las proximidades. Esto exige normalmente que
se situé el anemómetro a una altura superior a diez metros, dependiendo el
exceso de altura del anemómetro y de la altura y distancia de los obstáculos.
Sin embargo, no existe ninguna regla general para determinar esta altura, ya
que las condiciones locales son muy distintas de unas zonas a otras. Puede ser
conveniente utilizar distintas alturas efectivas para distintas direcciones del
viento.
Cuando en un terreno abierto el anemómetro no pueda ser
puesto a la altura normal, las velocidades observadas del viento pueden
ajustarse para lograr estimar el viento en el nivel normal, utilizando la
siguiente expresión de variación media de la velocidad con la altura:
Donde Vh es la
velocidad del viento a la altura de h metros y V10 es la velocidad a
diez metros por encima del terreno.
También
es aconsejable adoptar precauciones especiales para mantener el equipo de
medida del viento exento de las acumulaciones de nieve recongelada y hielo,
llegando a veces al uso de sistemas de calefacción artificial para las partes
del equipo expuestas.
En
el presente trabajo contaremos con un registro de viento con el cual
estudiaremos la rafagosidad. El anemómetro con el que conseguimos el registro,
se ubicó en la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad Complutense de
Madrid, es decir, a las afueras de la ciudad pero con edificios altos en sus
proximidades. El anemómetro fue del tipo anemómetro sónico (figura 1), que
pasamos a describir:
Como su nombre indica, esta clase de anemómetros se basan
en el sonido y en el tiempo que tardan en llegar las ondas sonoras de un punto
emisor a otro receptor en el interior del anemómetro, que estará dentro
del fluido cuya velocidad queremos
determinar, en nuestro caso el aire. Este intervalo de tiempo en la recepción
de la señal sonora dependerá de la
velocidad del fluido.
Una onda sónica se desplaza en un medio fluido con una velocidad algo
diferente de la que le correspondería en el mismo medio en reposo. Si la
velocidad del medio fluido es pequeña, podremos diferenciar la expresión
elemental del tiempo igual a distancia dividida por la velocidad del sonido,
para obtener el desfase aproximado en tiempo:
Esta expresión será válida si el arrastre es producido por una
componente pequeña de la velocidad del fluido en la distancia d entre emisor y
receptor. Si esta distancia d fuese mayor tendríamos un error relativo más
pequeño en la medida del tiempo, pero ello implicaría una reducción en la señal
recibida y, por tanto, una reducción de la relación señal a ruido. Esta relación
podrá mejorarse si se trata con una preamplificación, pasada a través de un
filtro pasabanda y seguida de una amplificación final.
Para dar las componentes según dos ejes del viento horizontal o las
componentes en un sistema cartesiano trirrectangular, usaremos una pareja de
estos sistemas. Este sistema es extraordinariamente sensible a los objetos
materiales en la proximidad del altavoz y de los micrófonos, pudiendo aparecer
grandes desfases en las medidas ocasionados por ecos producidos por estos
objetos materiales. Por esto, al realizar las medidas, tendremos que evitar
cualquier variación en la geometría del contorno, incluso en la posición del
observador próximo. Estas medidas se realizan durante el tiempo de propagación
de los pulsos emitidos a razón de unas pocas decenas por segundo.
Veamos con más detalle geométrico (figura 2) la física del sonido en un
entorno con viento constante, por ejemplo de valor vectorial v en el plano
horizontal en el que están las parejas de emisor-receptor E1-R2 y E2-R1.
Llamaremos vd y vn a las componentes del viento en la distancia
d y perpendicular a ella:
Una componente del viento distinta de cero en el recorrido d hará
diferente los tiempos t1 y t2 en los dos sentidos
opuestos al serlo la velocidad. Viendo la anterior figura, tendremos las
siguientes expresiones:
Restando ambas:
Aproximando para a pequeño:
De aquí obtenemos la velocidad del viento en la dirección d:
Esta fórmula permite aceptar que así las fluctuaciones de la velocidad
son proporcionales a las fluctuaciones de tiempo, y que, por tanto, resultarían
así eliminadas del valor medio.
Podríamos tener en cuenta que la velocidad del sonido está relacionada
con la temperatura virtual, o lo que es lo mismo, con la tensión de vapor de
agua y la presión existente en la zona donde realizamos el estudio. Sin
embargo, el obviar esto sólo supondrá unas fluctuaciones en la velocidad del
sonido de un 1%, lo que permite ignorarlo si lo que queremos obtener es el
valor de la velocidad del viento.
Monografías
