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飛行機の機体から突き出ている細い棒、あれが「ピトー管」だと聞きました。あの棒で、どうやって飛行機の速さが分かるんですか？
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いい質問だ。あの棒は速度を「直接」測っているわけじゃなくて、実は「圧力」を測っているんだ。ピトー管の先端には流れに正面から向いた穴があって、そこに流れがぶつかると一瞬で止まる。流れが止まった点を「よどみ点」と呼んで、そこで得られる圧力が「全圧」。一方、管の横腹にも穴があって、そこでは流れに乱されない「静圧」が取れる。この2つの差を測れば、速さが計算で出てくるんだよ。
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圧力の差から速さが出る…どうしてそんなことができるんですか？
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カギは「ベルヌーイの式」だ。ざっくり言うと、流れが速い場所は圧力が低く、遅い場所は圧力が高い、というエネルギー保存の法則だね。全圧と静圧の差は「動圧」と呼ばれて、ちょうど ρV²/2 に等しい。だから差圧 Δp を測れば V = √(2Δp/ρ) で速さが逆算できる。左で差圧スライダーを動かしてみて。流速が差圧の平方根に比例して、ゆるやかな曲線で増えるのが分かるはずだ。
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なるほど！でも空気と水だと密度がまるで違いますよね。同じ差圧でも結果は変わるんですか？
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そこが面白いところでね。V = √(2Δp/ρ) の分母に ρ があるから、密度が大きい水のほうが同じ差圧では流速が小さく出る。逆に言うと、水の流れは少し速いだけで巨大な差圧を生む。だから水道管の流量計は数百〜数千Pa、空調ダクトの計測は数十〜数百Pa、と扱う圧力レンジがまるで違うんだ。流体を切り替えると、グラフの傾きがガラッと変わるのを見てごらん。
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「ピトー管係数 Cp」というスライダーもありますね。これは何を調整しているんですか？
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Cp は「現実の管の不完全さ」を埋め合わせる補正係数だよ。理論上は先端で流れが完全に止まり、側面孔でぴったり静圧が取れる前提だけど、実際の管は先端形状が少し丸かったり、管自体が流れを乱したりする。よく較正された標準ピトー静圧管なら Cp は 0.98〜1.00 くらい。安物や自作の管だと 0.95 まで下がることもある。精密計測では風洞で1本ずつ較正するんだ。
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この式、どんな速さでも使えるんですか？すごく速い流れでも？
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そこは要注意だ。V = √(2Δp/ρ) は「密度が一定」という前提、つまり非圧縮性の流れで成り立つ。水ならいつでもOK。でも空気が音速の3割（マッハ0.3、20℃で約100m/s）を超えると、空気自身が縮んで密度が変わり始めるから、この式は誤差を持つようになる。そのときは圧縮性を考えた別の式が必要だ。本ツールも、空気でマッハ0.3を超えたら「圧縮性補正が必要」と警告を出すようにしてあるよ。
ピトー管はどうやって流速を測るのですか？
ピトー管は「全圧（よどみ点圧）」と「静圧」の差を測ることで流速を求めます。管の先端に開いた前向きの穴で流れを完全に止め、その点の圧力（全圧 p₀）を取り出します。一方、管の側面に開いた穴では流れに沿った静圧 pₛ を取り出します。非圧縮性のベルヌーイの式から p₀ − pₛ = ρV²/2 となり、これを解いて V = √(2Δp/ρ) で流速が求まります。本ツールはここにピトー管係数 Cp を掛けて補正します。
全圧・静圧・動圧の違いは何ですか？
静圧 pₛ は流れと一緒に動きながら感じる本来の圧力、動圧 q = ρV²/2 は流れの運動エネルギーが圧力に換算された量です。全圧（よどみ点圧）p₀ はこの両者の和 p₀ = pₛ + q で、流れを完全に止めたときに得られる圧力です。ピトー管はこの全圧と静圧を別々に取り出し、その差すなわち動圧 q を測っています。流速は動圧から V = √(2q/ρ) で逆算されます。
ピトー管係数 Cp とは何で、どのくらいの値ですか？
ピトー管係数 Cp は、実際の管が理想的なピトー管からどれだけずれているかを補正する係数です。先端形状の不完全さ、静圧孔の位置や数、管自体が流れを乱すことなどにより、測定される差圧は理論値から少しずれます。よく較正された標準ピトー静圧管では Cp はおおむね 0.98〜1.00 です。安価な管や手作りの管では Cp が 0.95 程度まで下がることもあり、精度が必要なら風洞などで較正します。
ピトー管の非圧縮の式はどこまで使えますか？
V = √(2Δp/ρ) は非圧縮性ベルヌーイの式から導かれるため、密度がほぼ一定とみなせる流れでのみ正確です。水などの液体では常に問題なく使えます。空気では、流速が音速の約30%（マッハ0.3、20℃で約100m/s）を超えると密度変化が無視できなくなり、圧縮性を考慮した式に切り替える必要があります。マッハ0.3以下なら誤差は数%以内に収まり、本ツールの非圧縮の式で十分です。
航空機の対気速度計： ピトー管が最も有名に使われるのが航空機です。機首や主翼前縁から突き出たピトー静圧管が全圧と静圧を取り出し、その差圧から対気速度（流れに対する速度）を計算します。パイロットが見る速度計はこの差圧をそのまま読み替えたものです。氷結やゴミの詰まりで穴がふさがると速度表示が狂うため、ヒーター付きの管が標準で、出発前点検でも必ず確認します。
空調・換気ダクトの風量測定： ビルや工場の空調では、ダクト内の風速をピトー管で測り、断面積を掛けて風量を求めます。ダクト内は流速分布が一様でないため、断面を格子状に区切って複数点を測定し平均する「トラバース法」が使われます。本ツールのレイノルズ数表示は、その流れが層流か乱流かを判断する目安になります。
風洞試験と研究計測： 自動車や建築物の空力試験を行う風洞では、ピトー管が基準速度計として用いられます。模型まわりの流速分布を細かく調べるときは、細い全圧管を多数並べた「ピトー管レーキ」や、向きまで測れる多孔プローブが活躍します。較正された Cp が試験結果の信頼性を支えます。
配管流量の簡易計測： 水やガスの配管で、本格的な流量計を据え付けずに流量を概算したいとき、ピトー管（あるいは平均化ピトー管であるアニュバー）を挿入して差圧を測ります。オリフィスより圧力損失が小さいのが利点です。本ツールのように差圧から流速・流量・レイノルズ数を一括で出せると、現場での当たりづけに役立ちます。
まず最大の落とし穴が、「全圧と静圧の取り違え」 です。ピトー管の前向きの穴は全圧、側面の穴は静圧を取りますが、配管やマノメータの接続を逆にすると差圧の符号が狂い、流速が計算できません。また側面の静圧孔がバリや塗装で部分的にふさがると、静圧が過大・過小に出て差圧が狂います。全圧孔は流れに正しく正対させ、静圧孔は管軸まわりに複数あるものを選ぶのが基本です。差圧がほぼゼロなのに流れがあるときは、まず配管の取り違えと孔詰まりを疑ってください。
次に、「1点の測定値をダクト全体の代表値だと思い込む」 こと。本ツールの流量 Q = V·A は、断面全体が同じ流速 V で流れているという仮定の計算です。しかし実際のダクトや配管では、壁付近で流速がゼロ、中央で最大という分布があり、層流と乱流でその形も大きく異なります。中央1点だけ測ると流量を過大評価しがちです。正確な流量にはトラバース法で複数点を平均するか、断面平均と中央流速の比（流速プロファイル係数）を補正に使う必要があります。
最後に、「マッハ数を気にせず非圧縮の式を使い続ける」 という誤解。V = √(2Δp/ρ) は密度一定が前提で、空気でも低速なら十分正確です。しかし高速の空気流ではよどみ点で空気が圧縮されて密度が上がり、非圧縮の式は流速を過小評価します。目安はマッハ0.3（20℃の空気で約100m/s）。それを超えたら圧縮性を考慮したよどみ点の式に切り替えます。本ツールは空気でマッハ0.3以上になると判定を「圧縮性補正が必要」に変え、注意を促します。液体ではマッハ数は実質的に意味を持たないため、常に非圧縮として扱って構いません。