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 V_h 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 v_d y v_n 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.