Velocidad de maniobra: una guía completa y completa

Advertencia: si crees que tienes plena confianza en tu comprensión de la velocidad de maniobra, el artículo que estás a punto de leer podría cambiar tu perspectiva por completo.

Al investigar este tema, resulta evidente que muchos pilotos creen dominar el concepto, pero al intentar explicarlo, su seguridad se desvanece en los detalles. Incluso la información de la FAA puede resultar compleja y confusa.

Para empezar, compartamos las respuestas que la mayoría de nosotros daríamos si se nos pidiera definir 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 una falla estructural en la aeronave.
• La velocidad de maniobra es la velocidad máxima 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 aquella a la que el ala de la aeronave, operando con el ángulo de ataque crítico, produce un factor de carga igual al factor de carga límite certificado de la aeronave. En otras palabras, tanto la entrada en pérdida como el factor de carga límite se alcanzan con el mismo ángulo de ataque que se produce a la velocidad de maniobra.

Este es un punto de partida, pero no ofrece una visión completa y, como se ha demostrado, algunas de las respuestas que nos han enseñado pueden ser incluso peligrosamente engañosas. Prepárense, porque vamos a profundizar 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 existen dos tipos de velocidad de maniobra? Los pilotos que operan bajo la Parte 23 del CFR deben conocer los dos tipos de velocidad de maniobra: la velocidad de maniobra de diseño (Va) y la velocidad máxima de maniobra operativa (Vo). Para los pilotos que operan bajo la Parte 25 del CFR, Va se utiliza —de forma algo ambigua— para indicar tanto la velocidad de maniobra de diseño como la operativa. En este caso, el piloto determinará el significado del término «velocidad de maniobra» según el contexto.

Velocidad de maniobra de diseño (Va)

En AC 23-19A , la FAA declara que la velocidad de maniobra de diseño es “un valor elegido por el solicitante” y que “las cargas resultantes de las deflexiones totales de las superficies de control en Va se utilizan para diseñar el empenaje y los alerones”.

En esencia, el objetivo de Va es garantizar que los diseñadores creen superficies de control capaces de soportar las cargas generadas durante la deflexión máxima a una velocidad determinada. Esta velocidad determinada es Va.

Va debe ser al menos igual a la velocidad de entrada en pérdida (Vs) multiplicada por la raíz cuadrada del factor de carga positivo máximo (n). 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 determina el diseñador de la aeronave. La circular de asesoramiento 23-19A establece que Vo es «una velocidad a la que el avión entrará en pérdida en una maniobra de cabeceo hacia arriba antes de exceder los límites estructurales de la aeronave».

La velocidad máxima 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 positivo máximo:

Vo = Vs × √n (máximo)

La velocidad máxima de maniobra operativa de su avión variará según su peso. El Manual de Operaciones del Avión (POH) y las placas de la cabina deben indicar la velocidad de maniobra con el peso máximo. En algunos casos, placas adicionales indicarán velocidades de maniobra con pesos inferiores.

Para calcular tu propio Vo en función de tu peso actual (inferior al máximo), utiliza la siguiente ecuación:

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

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

Intuitivamente, parece lógico que el peso y la velocidad de maniobra estén correlacionados; sin embargo, la naturaleza de esta correlación merece una breve explicación. La mayoría de los pilotos noveles asumirían inicialmente que, a menor peso, mayor velocidad máxima de maniobra, pero en realidad ocurre lo contrario. Un menor peso se corresponde con una menor velocidad de maniobra, y aquí está el porqué:

Segunda ley de Newton del movimiento

Gracias a la segunda ley de Newton, sabemos que cuando un objeto con masa (en este caso un avión) es sometido a una fuerza (en este caso, una entrada de control total), el objeto se acelerará en la misma dirección que la fuerza. Esta relación se expresa mediante la ecuación matemática:

Dado que conocemos los valores de fuerza y ​​masa, nos interesa ver qué efecto tienen sobre la aceleración del avión alrededor de su eje de rotación. Por lo tanto, reescribimos la ecuación como:

a = F/m .

Como se observa en la ecuación, al aplicar la misma fuerza de control pero disminuir la masa de la aeronave, la aceleración resultante aumentará. Una mayor aceleración implica un aumento de la tensión o carga en la estructura, y, eventualmente, dicha carga superará los límites de diseño y provocará una falla estructural si no se modifica otra variable.

Suponiendo que no añadamos más peso y que queramos seguir soportando la fuerza de un movimiento de control total, la variable que debemos modificar es nuestra velocidad de maniobra. Así pues, un menor peso de la aeronave implica una menor velocidad máxima de maniobra operativa.

Ángulo de ataque y factor de carga límite

Otra forma de comprender la relación entre el peso de una aeronave y su velocidad de maniobra es hablar del ángulo de ataque y del factor de carga límite. Cuanto más ligera sea una aeronave, menor será la sustentación que necesitará para lograr un vuelo recto y nivelado, como muestra la ecuación:

Un menor requerimiento de sustentación implica la capacidad de volar con un ángulo de ataque menor. Si la velocidad de una aeronave se mantiene constante, pero su peso disminuye, el ángulo de ataque requerido también disminuirá.

El problema es que, con un ángulo de ataque menor, es posible que una ráfaga de viento o la deflexión total del control del elevador aumenten la fuerza G por encima del factor de carga límite de la aeronave (+3,8 G para aeronaves con clasificación normal) sin dejar de estar por debajo del ángulo de ataque crítico necesario para que las alas entren en pérdida.

Por ejemplo, si la aeronave está experimentando 1G con un ángulo de ataque de 3°, un aumento repentino de la sustentación con un ángulo de ataque correspondiente de 18° resultaría en una fuerza de 6G porque el ángulo de ataque inicial de 3° ha aumentado en 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 una falla.

Consideremos la misma aeronave, con el mismo peso bruto inferior al máximo, y compensemos ahora reduciendo la velocidad para que el ángulo de ataque inicial aumente a 4,5°. Con este ángulo de ataque incrementado, cuando las alas alcancen su ángulo de ataque crítico de 18°, la aeronave aún estará justo por debajo de su factor de carga límite. Entrará en pérdida antes de sufrir daños estructurales o una falla total.

En resumen, para compensar un menor peso, debemos disminuir nuestra velocidad para que nuestro ángulo de ataque siga siendo lo suficientemente alto como 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 resultar 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)

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

Si Vo es igual a Va, entonces es probable que la aeronave entre en pérdida antes de sufrir un fallo estructural durante una única maniobra de control ejecutada a Va o por debajo de esta. El problema radica en que el fabricante no está obligado a que Va sea igual a Vo. Va no puede ser inferior a Vo, pero puede ser igual a Vc (velocidad de crucero de diseño).

Normalmente, Va es igual a Vo; sin embargo, si Va de tu aeronave es mayor que Vo, la concepción habitual de Va como la velocidad a la que tu avión entrará en pérdida antes de sufrir un fallo estructural deja de ser válida. Podrás superar el factor de carga límite de tu aeronave (Vo) volando aún por debajo de Va.

En la Circular de Asesoramiento 23-19A , una guía sobre fuselajes para la certificación de aeronaves de la Parte 23, la FAA confirma:

La velocidad vertical (VA) no debe interpretarse como una velocidad que permita al piloto un movimiento irrestricto de los controles de vuelo sin exceder los límites estructurales del avión, ni como una velocidad de penetración de ráfagas. Solo si VA = Vs √n, el avión entrará en pérdida durante una maniobra de cabeceo con el morro hacia arriba, cerca del factor de carga límite. En aviones donde VA > Vs √n, el piloto deberá verificar la maniobra; de lo contrario, el avión excederá el factor de carga límite.

A continuación, explica:

“La enmienda 23-45 agregó la velocidad de maniobra operativa, VO, en el § 23.1507. VO se establece como no mayor que VS√n, y es una velocidad a partir de la cual el avión entrará en pérdida en una maniobra de cabeceo 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.

La idea errónea [y peligrosa] más común sobre la velocidad de maniobra es

Hasta 2001, existía un consenso generalizado entre los pilotos de que volar por debajo de la velocidad máxima de maniobra operativa ofrecía una protección casi total contra los peligros de fallos estructurales o de las superficies de control. Se creía que si se volaba a Vo o por debajo de esta velocidad, la aeronave entraría en pérdida antes de sufrir daños o fallos estructurales, independientemente de las maniobras de control realizadas. Sin embargo, resultó ser una peligrosa simplificación de la física de la velocidad de maniobra, como quedó fatalmente demostrado por 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. Dirigido principalmente a pilotos de la Parte 25, el boletín hace referencia a Va, en lugar de Vo, ya que, como recordarán, la Parte 25 utiliza Va para describir tanto la velocidad de diseño como la de maniobra operativa. No obstante, el boletín aclara que su mensaje también se aplica a los pilotos de la Parte 23.

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

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

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

En resumen

Si empiezas a profundizar en el concepto de velocidad de maniobra, encontrarás en internet multitud de interpretaciones y concepciones contradictorias sobre qué es la velocidad V y su significado. Investiga y lee por tu cuenta para completar tu comprensión de la velocidad de maniobra.

En resumen, los puntos clave son:

• La FAA ha designado dos velocidades de maniobra – Va y Vo – para los pilotos de la Parte 23.
• Va representa la velocidad de maniobra de diseño y Vo la velocidad máxima de maniobra operativa.
• Los pilotos de la Parte 25 utilizan 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 máximas de las superficies de control a Va se utilizan para diseñar el empenaje y los alerones.
• La velocidad máxima de maniobra operativa (Vo) es una velocidad a partir de la cual el avión entrará en pérdida en una maniobra de cabeceo hacia arriba antes de exceder los límites estructurales del avión.
• Vo disminuye a medida que disminuye el peso de la aeronave.
• Va suele ser igual a Vo, pero no siempre. Si Va es mayor que Vo, podría excederse el factor de carga límite de la aeronave antes de la pérdida de sustentación.
• Volar a un nivel de presión atmosférica igual o inferior al de vuelo (Vo) significa que se puede mover un único mando de vuelo, una sola vez, a su máxima deflexión, en un solo eje de rotación del avión (cabeceo, alabeo o guiñada), en aire tranquilo, sin riesgo de dañar la aeronave. Múltiples deflexiones máximas, ya sean secuenciales o simultáneas, pueden provocar fallos estructurales, incluso volando por debajo del nivel de Vo.

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