Velocidad de maniobra: una guía completa y completa

Advertencia: si cree que confía plenamente en su comprensión de la velocidad de maniobra, el artículo que está a punto de leer puede revolucionar su mundo.

Cuando se investiga este tema, rápidamente se hace evidente que muchos pilotos creen tener un buen dominio 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 cuando se nos pide que definamos la velocidad de maniobra:

• La velocidad de maniobra es la velocidad máxima a la que se pueden realizar movimientos completos o bruscos de un solo control sin causar fallas estructurales de la aeronave.
• La velocidad de maniobra es la velocidad más alta 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 cuadro completo y, como resulta, algunas de estas respuestas que se nos han enseñado pueden incluso ser peligrosamente engañosas. Abróchese el cinturón, 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 CFR Parte 23 deben conocer son la velocidad de maniobra de diseño (Va) y la velocidad de maniobra operativa máxima (Vo). Para los pilotos de la CFR Parte 25, Va se utiliza, de forma 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" basándose en el contexto de su uso.

Velocidad de maniobra de diseño (Va)

En la 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 las superficies 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 soportar las cargas creadas durante la deflexión total 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 positiva máxima (n). Escrito matemáticamente, esto es:

Va = Vs × √n

Velocidad de maniobra operativa máxima (Vo)

Vo (velocidad de maniobra operativa máxima) es un factor de carga límite que también es determinado por el diseñador de la aeronave. La 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 brusca 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 positiva máxima:

Vo = Vs × √n (máximo)

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

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

Una manera fácil 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 de maniobra operativa máxima (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 de maniobra operativa máxima aumentaría, pero de hecho lo contrario es cierto. Un peso más bajo corresponde a una velocidad de maniobra más baja, y aquí está el porqué:

Segunda Ley de 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 de fuerza y masa, nos interesa ver qué efecto tiene eso 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, eventualmente, 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 aún queremos poder 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 operativa máxima.

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 sea una aeronave, menos sustentación requerirá para lograr un vuelo recto y nivelado, como se muestra en la ecuación:

Un menor requisito de sustentación significa la capacidad de volar con un ángulo de ataque más pequeño. 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 más pequeño, es posible que una ráfaga de viento o una 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 con clasificación normal) sin llegar al AoA crítico necesario para que las alas entren en pérdida.

Por ejemplo, si la aeronave experimenta 1G a un AoA de 3°, un aumento repentino de la sustentación con un AoA correspondiente de 18° resultaría en 6G de fuerza porque el AoA inicial de 3° se ha multiplicado por un factor de 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.

Tomemos la misma aeronave, con el mismo peso inferior al máximo bruto, y ahora compensemos 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 menor peso, debemos disminuir nuestra velocidad de modo que nuestro ángulo de ataque permanezca lo suficientemente alto para que un aumento en la fuerza G no nos haga exceder nuestro factor de carga límite antes de entrar en pérdida.

Este concepto puede ser un poco confuso, por lo que ayuda ver una demostración gráfica como las 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 de maniobra operativa máxima (Vo)

Vuelva a mirar 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 muy probable que la aeronave entre en pérdida antes de una falla estructural durante una única entrada de control ejecutada a 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 que su avión entrará en pérdida antes de experimentar una falla estructural desaparece. Podrá exceder el factor de carga límite de su aeronave (Vo) mientras aún vuela por debajo de Va.

En la Circular Asesoramiento 23-19A, una guía de fuselajes 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 de los controles 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 a, 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, continúa explicando:

“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 lo que es y lo que no es la velocidad de maniobra operativa máxima.

El error conceptual más común (y peligroso) sobre la velocidad de maniobra

Hasta el año 2001, existía un consenso común entre los pilotos de que volar por debajo de la velocidad de maniobra operativa máxima ofrecía una protección de casi el 100% contra los peligros de fallas estructurales y/o de las superficies 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 emitió el Boletín de Información Especial de Aeronavegabilidad CE-11-17. El público objetivo son principalmente los pilotos de la Parte 25, por lo que se hace referencia a Va, en lugar de Vo, ya que, como recordará, la Parte 25 utiliza Va para describir tanto las velocidades de maniobra de diseño como las operacionales. 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 operativa máxima (Va para la Parte 25 y Vo para la Parte 23) es:

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

El boletín continúa señalando que los fabricantes no están obligados a construir aeronaves capaces de 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 repetidas entradas secuenciales en el pedal del timón que llevaron a la "separación en vuelo del estabilizador vertical".

En resumen

Si investiga el concepto de velocidad de maniobra, encontrará que Internet está inundado de interpretaciones y entendimientos contradictorios sobre qué es esta velocidad V y qué significa para usted. Investigue y lea por su cuenta para comprender mejor la velocidad de maniobra.

A modo de recapitulación, 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 de maniobra operativa máxima.
• Los pilotos de la Parte 25 utilizan Va para describir tanto la velocidad de maniobra de diseño como la velocidad de maniobra operativa máxima.
• 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 las superficies de control en Va se utilizan para diseñar el empenaje y los alerones.
• La velocidad de maniobra operativa máxima (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.
• 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 entrar en pérdida.
• Estar a o por debajo de Vo significa que puede mover un solo control de vuelo, una vez, a su máxima deflexión, para un solo eje de rotación del avión (cabeceo, alabeo o guiñada), en aire suave, sin riesgo de dañar el avión. Múltiples deflexiones completas secuenciales o simultáneas pueden resultar en fallas estructurales incluso si está volando por debajo de Vo.

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