Velocidade de manobra: um guia completo e abrangente

Um aviso justo: se você acha que tem total confiança no seu entendimento sobre velocidade de manobra, o artigo que você está prestes a ler pode mudar completamente a sua perspectiva.

Ao pesquisar sobre este assunto, torna-se evidente que muitos pilotos acreditam ter um sólido domínio do conceito, mas, quando solicitados a explicá-lo, essa certeza se desfaz nos detalhes. Mesmo um entendimento baseado na documentação da FAA pode se tornar complexo e confuso.

Para começar, vamos compartilhar as respostas que a maioria de nós daria ao ser questionada sobre a definição de velocidade de manobra:

• A velocidade de manobra é a velocidade máxima na qual você pode realizar movimentos completos ou abruptos de um único comando sem causar falha estrutural da aeronave.
• A velocidade de manobra é a velocidade mais rápida na qual seu avião entrará em estol antes de exceder seu fator de carga limite, caso o ângulo de ataque aumente repentina e drasticamente.
• A velocidade de manobra é a velocidade na qual a asa da aeronave – operando no ângulo de ataque crítico – produz um fator de carga igual ao fator de carga limite certificado da aeronave. Em outras palavras, o estol e o fator de carga limite são atingidos no mesmo ângulo de ataque que ocorre na velocidade de manobra.

Este é um ponto de partida, mas não representa o quadro completo e, como se verá, algumas dessas respostas que nos foram ensinadas podem ser perigosamente enganosas. Apertem os cintos, porque vamos mergulhar de cabeça e expandir nossa compreensão sobre velocidade de manobra.

O que é velocidade de manobra e como ela é calculada?

Para começar, você sabia que existe mais de um tipo de velocidade de manobra? Os dois tipos de velocidade de manobra que os pilotos da Parte 23 do CFR precisam conhecer são a velocidade de manobra de projeto (Va) e a velocidade máxima de manobra operacional (Vo). Para os pilotos da Parte 25 do CFR, Va é – de forma um tanto ambígua – usado para indicar tanto a velocidade de manobra de projeto quanto a operacional. Nesse caso, o piloto determinará o significado do termo “velocidade de manobra” com base no contexto de uso.

Velocidade de manobra de projeto (Va)

Na Circular de Assessoramento (AC) 23-19A , a FAA afirma que a velocidade de manobra de projeto é "um valor escolhido pelo requerente" e que "as cargas resultantes das deflexões totais das superfícies de controle em Va são usadas para projetar a empenagem e os ailerons".

Essencialmente, o objetivo de Va é garantir que os projetistas criem superfícies de controle capazes de suportar as cargas geradas durante a deflexão máxima em uma velocidade escolhida. Essa velocidade escolhida é Va.

Va deve ser pelo menos igual à velocidade de estol (Vs) multiplicada pela raiz quadrada do fator de carga positivo máximo (n). Matematicamente, isso é:

Va = Vs × √n

Velocidade máxima de manobra operacional (Vo)

Vo (velocidade máxima de manobra operacional) é um fator de carga limitante que também é determinado pelo projetista da aeronave. A Circular de Assessoramento (AC) 23-19A afirma que Vo é “uma velocidade na qual a aeronave entrará em estol em uma manobra de arfagem com o nariz para cima antes de exceder os limites estruturais da aeronave”.

A velocidade máxima na qual você pode fazer um comando de controle total e abrupto sem sobrecarregar a aeronave é Vo, e ela não pode ser maior que a velocidade de estol multiplicada pela raiz quadrada do fator de carga positivo máximo:

Vo = Vs × √n (máximo)

A velocidade máxima de manobra da sua aeronave irá variar de acordo com o peso. O Manual de Operação do Piloto (POH) e as placas no cockpit devem indicar a velocidade de manobra com base no peso máximo. Em alguns casos, placas adicionais indicarão as velocidades de manobra com base em pesos menores.

Para calcular seu próprio VO₂ com base no seu peso atual (inferior ao máximo), utilize a seguinte equação:

Uma maneira fácil de estimar sua velocidade de manobra ajustada é reduzir seu Vo em 1% para cada redução de 2% no peso.

Por que o peso da aeronave afeta a velocidade máxima de manobra operacional (Vo)?

Intuitivamente, faz sentido que o peso e a velocidade de manobra estejam correlacionados, porém a natureza dessa correlação merece uma breve explicação. A maioria dos pilotos iniciantes presume que, à medida que o peso diminui, a velocidade máxima de manobra operacional aumenta, mas, na verdade, o oposto é verdadeiro. Um peso menor corresponde a uma velocidade de manobra menor, e aqui está o porquê:

Segunda Lei de Newton do Movimento

Graças à Segunda Lei de Newton, sabemos que quando um objeto com massa (neste caso, um avião) é submetido a uma força (neste caso, um comando de controle total), o objeto acelera na mesma direção da força. Essa relação é expressa pela equação matemática:

Como já conhecemos os valores da força e da massa, estamos interessados ​​em observar o efeito disso na aceleração do avião em torno do eixo de rotação. Portanto, reescrevemos a equação como:

a = F/m .

Como podemos ver por essa equação, quando aplicamos a mesma força de controle, mas diminuímos a massa da aeronave, a aceleração resultante experimentada pela aeronave aumentará. Uma aceleração maior significa maior tensão ou carga na estrutura da aeronave e, eventualmente, essa carga ultrapassará os limites de projeto e levará à falha estrutural se não modificarmos outra variável.

Supondo que não estejamos adicionando mais peso e que ainda queiramos suportar a força de um movimento de controle total, a variável que devemos modificar é a nossa velocidade de manobra. Portanto, aqui está a conclusão: um peso menor da aeronave exige uma velocidade máxima de manobra operacional menor.

Ângulo de ataque e fator de carga limite

Outra forma de entender a relação entre o peso da aeronave e a velocidade de manobra é falar em ângulo de ataque e fator de carga limite. Quanto mais leve for uma aeronave, menor será a sustentação necessária para atingir um voo reto e nivelado, conforme demonstrado pela equação:

Uma menor necessidade de sustentação significa a capacidade de voar com um ângulo de ataque menor. Se a velocidade de uma aeronave permanecer a mesma, mas seu peso diminuir, o ângulo de ataque necessário também diminuirá.

O problema é que, com um ângulo de ataque menor, uma rajada de vento ou a deflexão total do comando do profundor podem aumentar a força G além do fator de carga limite da aeronave (+3,8 Gs para aeronaves com classificação normal), mantendo-se ainda abaixo do ângulo de ataque crítico necessário para que as asas entrem em estol.

Por exemplo, se a aeronave estiver experimentando 1G a um ângulo de ataque de 3°, um aumento repentino na sustentação com um ângulo de ataque correspondente de 18° resultaria em uma força de 6G, porque o ângulo de ataque inicial de 3° aumentou seis vezes. Antes que as asas atinjam o ângulo de ataque crítico e entrem em estol, a aeronave terá excedido seu limite de carga e poderá sofrer danos estruturais ou falha.

Considere a mesma aeronave, com o mesmo peso bruto inferior ao máximo permitido, e agora compense diminuindo a velocidade para que o ângulo de ataque inicial aumente para 4,5°. Com esse ângulo de ataque aumentado, quando as asas atingirem seu ângulo de ataque crítico de 18°, a aeronave ainda estará logo abaixo de seu fator de carga limite. Ela entrará em estol antes de sofrer danos estruturais ou falha.

Em resumo, para compensar o peso menor, devemos diminuir a velocidade para que o ângulo de ataque permaneça suficientemente alto, de modo que um aumento na força G não nos faça exceder o fator de carga limite antes da perda de sustentação.

Esse conceito pode ser um pouco confuso, então ajuda assistir a uma demonstração gráfica como "Como a velocidade de manobra é determinada?" e "Por que a velocidade de manobra muda com o peso", de Rod Machado.

Relação entre a velocidade de manobra de projeto (Va) e a velocidade máxima de manobra operacional (Vo)

Observe novamente as equações acima para Va e Vo. Note que a única maneira de as velocidades de manobra serem iguais é se o projetista selecionar um valor igual a 1 para ambas.

Se Vo for igual a Va, então a aeronave provavelmente entrará em estol antes de uma falha estrutural durante uma única instrução de controle executada em Va ou abaixo dele. O problema é que o fabricante não precisa fazer com que Va seja igual a Vo. Va não pode ser menor que Vo, mas pode ser tão rápido quanto Vc (velocidade de cruzeiro de projeto).

Normalmente, Va é igual a Vo, porém, se o Va da sua aeronave for maior que Vo, a noção padrão de que Va é a velocidade na qual a aeronave entrará em estol antes de sofrer uma falha estrutural deixa de valer. Você poderá exceder o fator de carga limite da sua aeronave (Vo) enquanto ainda voa abaixo de Va.

Na Circular Consultiva 23-19A , um guia de estrutura de aeronave para certificação de aeronaves da Parte 23, a FAA confirma:

“VA não deve ser interpretado como uma velocidade que permita ao piloto movimentos irrestritos dos comandos de voo sem exceder os limites estruturais da aeronave, nem como uma velocidade de penetração em rajadas de vento. Somente se VA = Vs √n é que a aeronave entrará em estol em uma manobra de arfagem com o nariz para cima, no limite de carga ou próximo a ele. Para aeronaves onde VA > VS√n, o piloto teria que controlar a manobra; caso contrário, a aeronave excederia o limite de carga.”

O texto prossegue explicando,

“A Emenda 23-45 adicionou a velocidade operacional de manobra, VO, na Seção 23.1507. A VO é estabelecida como não superior a VS√n e é uma velocidade na qual a aeronave entrará em estol em uma manobra de arfagem com o nariz para cima antes de exceder os limites estruturais da aeronave.”

O que isso significa para nós é que, para aeronaves da Parte 23, o entendimento que tínhamos de Va é, na verdade, uma descrição mais precisa de Vo.

Isso nos leva a outra conversa muito importante sobre o que é e o que não é a velocidade máxima de manobra operacional.

A ideia errada mais comum [e perigosa] sobre a velocidade de manobra é a velocidade de manobra.

Até 2001, havia um consenso entre os pilotos de que voar abaixo da velocidade máxima de manobra oferecia proteção de quase 100% contra os perigos de falhas estruturais e/ou de superfícies de controle. Acreditava-se que, se o voo fosse realizado na velocidade de manobra (Vo) ou abaixo dela, a aeronave entraria em estol antes de sofrer danos ou falhas estruturais, independentemente dos movimentos de controle realizados. Como se comprovou, essa era uma simplificação perigosa da física da velocidade de manobra, como demonstrado fatalmente pelos pilotos do voo 587 da American Airlines.

Após o desastre do voo 587 da American Airlines, a FAA (Administração Federal de Aviação dos EUA) divulgou o Boletim Especial de Informações de Aeronavegabilidade CE-11-17. O público-alvo principal são os pilotos da Parte 25, portanto, o boletim faz referência a Va, em vez de Vo, já que, como você deve se lembrar, a Parte 25 usa Va para descrever tanto as velocidades de manobra de projeto quanto as operacionais. Mesmo assim, o boletim esclarece que sua mensagem também se aplica aos pilotos da Parte 23.

A principal conclusão do CE-11-17 é que sua velocidade máxima de manobra operacional (Va para a Parte 25 e Vo para a Parte 23) é:

“A velocidade abaixo da qual você pode mover um único comando de voo, uma única vez, até sua deflexão máxima, para apenas um eixo de rotação da aeronave (inclinação, rolagem ou guinada), em ar calmo, sem risco de danificar a aeronave.”

O boletim prossegue salientando que os fabricantes não são obrigados a construir aeronaves capazes de realizar múltiplas entradas simultâneas de controle total ou entradas sequenciais de controle total. Este foi o erro fatal cometido pelo primeiro oficial do voo AA 587, que realizou repetidas entradas sequenciais no pedal do leme, o que levou à “separação em voo do estabilizador vertical”.

Conclusão

Ao começar a pesquisar sobre o conceito de velocidade de manobra, você encontrará na internet uma infinidade de interpretações e entendimentos conflitantes sobre o que essa velocidade em forma de V representa e o que ela significa para você. Faça sua própria leitura e pesquisa para aprimorar seu conhecimento sobre velocidade de manobra.

Em resumo, os pontos principais são:

• A FAA designou duas velocidades de manobra – Va e Vo – para pilotos da Parte 23.
• Va significa velocidade de manobra de projeto e Vo é a velocidade máxima de manobra operacional.
• Os pilotos da Parte 25 usam Va para descrever tanto a velocidade de manobra de projeto quanto a velocidade máxima de manobra operacional.
• A velocidade de manobra de projeto (Va) é um valor definido pelo projetista da aeronave. As cargas resultantes da deflexão total das superfícies de controle em Va são usadas para projetar a empenagem e os ailerons.
• A velocidade máxima de manobra operacional (Vo) é a velocidade na qual a aeronave entrará em estol em uma manobra de inclinação para cima antes de ultrapassar os limites estruturais da aeronave.
• O Vo diminui à medida que o peso da aeronave diminui.
• Va geralmente é igual a Vo, mas nem sempre. Se Va for maior que Vo, você pode exceder o fator de carga limite da aeronave antes de entrar em estol.
• Estar em Vo ou abaixo de Vo significa que você pode mover um único comando de voo, uma única vez, até sua deflexão máxima, para apenas um eixo de rotação da aeronave (inclinação, rolagem ou guinada), em ar calmo, sem risco de danificar a aeronave. Deflexões máximas múltiplas, sequenciais ou simultâneas, podem resultar em falha estrutural, mesmo se você estiver voando abaixo de Vo.

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