Velocidad de maniobra: una guía completa y completa

Advertencia: si cree que está totalmente seguro de comprender la velocidad de maniobra, el artículo que está a punto de leer puede cambiar su perspectiva.

Cuando se investiga este tema, rápidamente queda claro que muchos pilotos creen tener un conocimiento sólido del concepto, pero cuando se les pide que lo expliquen, la certeza se desvanece en los detalles. Incluso una comprensión basada en la documentación de la FAA puede volverse intrincada y confusa.

Para empezar, compartamos las respuestas que la mayoría de nosotros daríamos al preguntarnos cómo definir la velocidad de maniobra:

• La velocidad de maniobra es la velocidad máxima a la que se pueden realizar movimientos completos o abruptos de un solo control sin causar una falla estructural de la aeronave.
• La velocidad de maniobra es la velocidad más rápida a la que su avión entrará en pérdida antes de exceder su factor de carga límite si el ángulo de ataque aumenta repentina y drásticamente.
• La velocidad de maniobra es la velocidad a la que el ala de la aeronave, operada en el ángulo de ataque crítico, produce un factor de carga igual al factor de carga límite certificado de la aeronave. En otras palabras, la entrada en pérdida y el factor de carga límite se alcanzan a este mismo ángulo de ataque que ocurre a la velocidad de maniobra.

Este es un punto de partida, pero no pinta el panorama completo y, como resultado, algunas de estas respuestas que nos han enseñado pueden incluso ser peligrosamente engañosas. Abróchense los cinturones, porque estamos a punto de adentrarnos en el tema y ampliar nuestra comprensión de la velocidad de maniobra.

¿Qué es la velocidad de maniobra y cómo se calcula?

Para empezar, ¿sabías que hay más de un tipo de velocidad de maniobra? Los dos tipos de velocidad de maniobra que los pilotos de la Parte 23 del CFR deben conocer son la velocidad de maniobra de diseño (Va) y la velocidad de maniobra operativa máxima (Vo). Para los pilotos de la Parte 25 del CFR, Va se usa, de manera algo ambigua, para indicar tanto la velocidad de maniobra de diseño como la operativa. En este caso, un piloto determinará el significado del término "velocidad de maniobra" según el contexto de su uso.

Velocidad de maniobra de diseño (Va)

En AC 23-19A, la FAA establece que la velocidad de maniobra de diseño es "un valor elegido por el solicitante" y que "las cargas resultantes de las deflexiones completas de la superficie de control a Va se utilizan para diseñar el empenaje y los alerones".

Esencialmente, el propósito de Va es asegurar que los diseñadores estén creando superficies de control que puedan manejar las cargas creadas durante la deflexión completa a una velocidad elegida. Esta velocidad elegida es Va.

Va debe ser al menos igual a la velocidad de pérdida (Vs) multiplicada por la raíz cuadrada del factor de carga positivo máximo (n). Escrito matemáticamente, esto es:

Va = Vs × √n

Velocidad máxima de maniobra operativa (Vo)

Vo (velocidad máxima de maniobra operativa) es un factor de carga limitante que también es determinado por el diseñador de la aeronave. AC 23-19A dice que Vo es "una velocidad en la que el avión entrará en pérdida en una maniobra de cabeceo con la nariz hacia arriba antes de exceder los límites estructurales del avión".

La velocidad más alta a la que se puede realizar una entrada de control completa y abrupta sin sobrecargar el avión es Vo, y no puede ser mayor que la velocidad de pérdida multiplicada por la raíz cuadrada del factor de carga positivo máximo:

Vo = Vs × √n (máximo)

La velocidad máxima de maniobra operativa de su avión fluctuará según el peso. El POH de su aeronave y los letreros de la cabina deben indicar su velocidad de maniobra según el peso máximo. En algunos casos, los letreros adicionales indicarán las velocidades de maniobra según pesos más bajos.

Para calcular su propia Vo en función de su peso actual (inferior al máximo), use la siguiente ecuación:

Una forma sencilla de estimar su velocidad de maniobra ajustada es reducir su Vo en un 1% por cada 2% de reducción de peso.

Por qué el peso de la aeronave afecta la velocidad máxima de maniobra operativa (Vo)

Intuitivamente tiene sentido que el peso y la velocidad de maniobra estén correlacionados; sin embargo, la naturaleza de la correlación merece una pequeña explicación. La mayoría de los pilotos nuevos asumirían inicialmente que a medida que disminuye el peso, la velocidad máxima de maniobra operativa aumentaría, pero en realidad ocurre lo contrario. Un peso más bajo corresponde a una velocidad de maniobra más baja, y aquí está el porqué:

Segunda Ley del Movimiento de Newton

Gracias a la Segunda Ley del Movimiento de Newton, sabemos que cuando un objeto de masa (en este caso un avión) es sometido a una fuerza (en este caso una entrada de control completa), el objeto acelerará en la misma dirección que la fuerza. Esta relación se expresa en la ecuación matemática:

Dado que conocemos nuestros valores para la fuerza y la masa, nos interesa ver qué efecto tiene esto en la aceleración de nuestro avión alrededor del eje de rotación. Por lo tanto, reescribimos la ecuación como:

a = F/m.

Como podemos ver en esa ecuación, cuando aplicamos la misma fuerza de control, pero disminuimos la masa de la aeronave, la aceleración resultante experimentada por la aeronave aumentará. Una mayor aceleración significa un aumento del estrés o la carga en el fuselaje y, finalmente, esa carga superará las limitaciones de diseño y provocará una falla estructural si no modificamos otra variable.

Suponiendo que no añadimos más peso y que seguimos queriendo ser capaces de soportar la fuerza de un movimiento de control completo, la variable que debemos modificar es nuestra velocidad de maniobra. Así que, ahí lo tienen, un menor peso de la aeronave requiere una menor velocidad de maniobra máxima operativa.

Ángulo de ataque y factor de carga límite

Otra forma de entender la relación entre el peso de la aeronave y la velocidad de maniobra es hablar del ángulo de ataque y el factor de carga límite. Cuanto más ligera es una aeronave, menos sustentación necesitará para lograr un vuelo recto y nivelado, como se muestra en la ecuación:

Un requisito de sustentación más bajo significa la capacidad de volar con un ángulo de ataque menor. Si la velocidad de una aeronave permanece igual, pero su peso disminuye, el ángulo de ataque requerido disminuirá.

El problema es que, con un ángulo de ataque menor, es posible que una ráfaga de viento o la deflexión completa del control del elevador aumente la fuerza G más allá del factor de carga límite de la aeronave (+3.8 G para aeronaves de clasificación normal) sin llegar al AoA crítico necesario para que las alas entren en pérdida.

Por ejemplo, si la aeronave está experimentando 1 G con un AoA de 3°, un aumento repentino de la sustentación con un AoA correspondiente de 18° resultaría en 6 G de fuerza porque el AoA inicial de 3° se ha multiplicado por 6. Antes de que las alas alcancen el ángulo de ataque crítico y entren en pérdida, la aeronave habrá excedido su límite de carga y podría sufrir daños estructurales o fallas.

Considere la misma aeronave, con el mismo peso inferior al máximo, y ahora compense disminuyendo la velocidad para que el AoA inicial aumente a 4.5°. Con este AoA aumentado, para cuando las alas alcancen su AoA crítico de 18°, la aeronave seguirá estando justo por debajo de su factor de carga límite. Entrará en pérdida antes de experimentar daños estructurales o fallas.

En resumen, para compensar un peso menor, debemos disminuir nuestra velocidad para que nuestro ángulo de ataque permanezca lo suficientemente alto como para que un aumento en la fuerza G no nos haga exceder nuestro factor de carga límite antes de la entrada en pérdida.

Este concepto puede ser un poco confuso, por lo que ayuda ver una demostración gráfica como la de Rod Machado ¿Cómo se determina la velocidad de maniobra? y Por qué la velocidad de maniobra cambia con el peso.

Relación entre la velocidad de maniobra de diseño (Va) y la velocidad máxima de maniobra operativa (Vo)

Examine nuevamente las ecuaciones anteriores para Va y Vo. Observe que la única forma de que las velocidades de maniobra sean iguales es si el diseñador selecciona un valor de para ambas.

Si Vo es igual a Va, entonces es probable que la aeronave entre en pérdida antes de una falla estructural durante una entrada de control única ejecutada en o por debajo de Va. El problema es que el fabricante no tiene que hacer Va = Vo. Va no puede ser más lenta que Vo, pero puede ser tan rápida como Vc (velocidad de crucero de diseño).

Normalmente, Va es igual a Vo, sin embargo, si Va para su aeronave es mayor que Vo, la comprensión estándar de Va como la velocidad a la cual su avión entrará en pérdida antes de experimentar una falla estructural desaparece. Podrá exceder el factor de carga límite de su aeronave (Vo) mientras vuela por debajo de Va.

En la Circular Asesoría 23-19A, una guía de fuselaje para la certificación de aeronaves de la Parte 23, la FAA confirma:

“VA no debe interpretarse como una velocidad que permitiría al piloto un movimiento irrestricto del control de vuelo sin exceder los límites estructurales del avión, ni debe interpretarse como una velocidad de penetración de ráfagas. Solo si VA = Vs √n el avión entrará en pérdida en una maniobra de cabeceo con la nariz hacia arriba en, o cerca de, el factor de carga límite. Para aviones donde VA>VS√n, el piloto tendría que controlar la maniobra; de lo contrario, el avión excedería el factor de carga límite.”

Además, explica:

“La Enmienda 23-45 añadió la velocidad de maniobra operativa, VO, en el § 23.1507. VO se establece no mayor que VS√n, y es una velocidad donde el avión entrará en pérdida en una maniobra de cabeceo con la nariz hacia arriba antes de exceder los límites estructurales del avión.”

Lo que esto significa para nosotros es que para las aeronaves de la Parte 23, la comprensión que teníamos de Va es en realidad una descripción más precisa de Vo.

Esto nos lleva a otra conversación muy importante sobre qué es y qué no es la velocidad máxima de maniobra operativa.

El malentendido [peligroso] más común sobre la velocidad de maniobra

Hasta 2001, existía un consenso común entre los pilotos de que volar por debajo de la velocidad máxima de maniobra operativa ofrecía una protección de casi el 100% contra los peligros de fallas estructurales y/o de la superficie de control. La creencia era que si se volaba a o por debajo de Vo, la aeronave entraría en pérdida antes de sufrir daños/fallas estructurales, sin importar los movimientos de control que se hicieran. Como resultó, esa era una sobresimplificación peligrosa de la física de la velocidad de maniobra, como lo demostraron fatalmente los pilotos del vuelo 587 de American Airlines.

Tras el desastre del vuelo 587 de American Airlines, la FAA publicó el Boletín de Información Especial de Aeronavegabilidad CE-11-17. El público objetivo son principalmente pilotos de la Parte 25, por lo que se refiere a Va, en lugar de Vo, ya que, como recordarán, la Parte 25 usa Va para describir tanto las velocidades de maniobra de diseño como las operativas. Aun así, el boletín aclara que su mensaje también se aplica a los pilotos de la Parte 23.

La conclusión del CE-11-17 es que su velocidad de maniobra operacional máxima (Va para la Parte 25 y Vo para la Parte 23) es:

“la velocidad por debajo de la cual se puede mover una sola superficie de control, una vez, hasta su máxima deflexión, para un solo eje de rotación del avión (cabeceo, alabeo o guiñada), en aire en calma, sin riesgo de dañar el avión.”

El boletín continúa señalando que los fabricantes no están obligados a construir aeronaves capaces de realizar múltiples entradas de control simultáneas o entradas de control secuenciales. Este fue el error fatal cometido por el primer oficial del vuelo AA 587, quien realizó entradas repetitivas y secuenciales del pedal del timón que llevaron a la "separación en vuelo del estabilizador vertical".

En resumen

Empiece a profundizar en el concepto de velocidad de maniobra y encontrará que Internet está inundado de interpretaciones y entendimientos contradictorios de qué es esta velocidad v y qué significa para usted. Investigue y lea por su cuenta para completar su comprensión de la velocidad de maniobra.

Como resumen, los puntos clave son:

• La FAA ha designado dos velocidades de maniobra, Va y Vo, para los pilotos de la Parte 23.
• Va significa velocidad de maniobra de diseño y Vo es la velocidad máxima de maniobra operativa.
• Los pilotos de la Parte 25 usan Va para describir tanto la velocidad de maniobra de diseño como la velocidad máxima de maniobra operativa.
• La velocidad de maniobra de diseño (Va) es un valor establecido por el diseñador de la aeronave. Las cargas resultantes de las deflexiones completas de la superficie de control a Va se utilizan para diseñar el empenaje y los alerones.
• La velocidad máxima de maniobra operativa (Vo) es una velocidad a la que el avión entrará en pérdida en una maniobra de cabeceo con la nariz hacia arriba antes de exceder los límites estructurales del avión.
• Vo disminuye a medida que disminuye el peso de su aeronave.
• Va a menudo, pero no siempre, es igual a Vo. Si Va es mayor que Vo, podría exceder el factor de carga límite de la aeronave antes de la entrada en pérdida.
• Estar en o por debajo de Vo significa que puede mover un solo control de vuelo, una vez, hasta su máxima deflexión, para un solo eje de rotación del avión (cabeceo, alabeo o guiñada), en aire en calma, sin riesgo de dañar el avión. Múltiples deflexiones completas secuenciales o simultáneas pueden resultar en una falla estructural incluso si está volando por debajo de Vo.

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