Velocidade de manobra: um guia completo e abrangente
Aviso justo, se você acha que está totalmente confiante em sua compreensão da velocidade de manobra, o artigo que você está prestes a ler pode abalar seu mundo. Ao pesquisar este tópico, rapidamente fica claro que muitos pilotos pensam ter um domínio sólido do conceito, mas quando solicitados a explicá-lo, a certeza se desfaz nos detalhes. Mesmo uma compreensão baseada na documentação da FAA pode se tornar convoluta e confusa.
Aviso justo, se você acha que está totalmente confiante em sua compreensão da velocidade de manobra, o artigo que você está prestes a ler pode abalar seu mundo.
Ao pesquisar este tópico, rapidamente fica aparente que muitos pilotos pensam ter uma compreensão sólida do conceito, mas quando solicitados a explicá-lo, a certeza se desfaz nos detalhes. Mesmo uma compreensão baseada na documentação da FAA pode se tornar confusa e complicada.
Para começar, vamos compartilhar as respostas que a maioria de nós daria ao ser solicitada a definir velocidade de manobra:
- Velocidade de manobra é a velocidade máxima na qual você pode fazer movimentos completos ou abruptos de um único controle sem causar falha estrutural da aeronave.
- Velocidade de manobra é a velocidade mais rápida na qual sua aeronave entrará em estol antes de exceder seu fator de carga limite se o ângulo de ataque aumentar repentina e dramaticamente.
- Velocidade de manobra é a velocidade na qual a asa da aeronave, operada 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 neste mesmo AoA que ocorre na velocidade de manobra.
Este é um ponto de partida, mas não pinta o quadro completo e, como se vê, algumas dessas respostas que nos foram ensinadas podem até ser perigosamente enganosas. Apertem os cintos, porque estamos prestes a ir fundo e expandir nossa compreensão da 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 CFR Parte 23 precisam saber são a velocidade de manobra de projeto (Va) e a velocidade de manobra operacional máxima (Vo). Para os pilotos da CFR Parte 25, Va é, de forma um tanto ambígua, usado para indicar tanto a velocidade de manobra de projeto quanto a operacional. Nesse caso, um piloto determinará o significado do termo "velocidade de manobra" com base no contexto de seu uso.
Velocidade de manobra de projeto (Va)
No AC 23-19A, a FAA afirma que a velocidade de manobra de projeto é "um valor escolhido pelo requerente" e que "as cargas resultantes de deflexões completas da superfície de controle em Va são usadas para projetar o profundor e os ailerons."
Essencialmente, o objetivo de Va é garantir que os projetistas estejam criando superfícies de controle que possam suportar as cargas criadas durante a deflexão total a 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 positiva máxima (n). Matematicamente, isso é:
Va = Vs × √n
Velocidade de manobra operacional máxima (Vo)
Vo (velocidade máxima de manobra operacional) é um fator de carga limitante que também é determinado pelo projetista da aeronave. AC 23-19A diz que Vo é "uma velocidade onde o avião entrará em estol em uma manobra de arfagem para cima antes de exceder os limites estruturais do avião."
A velocidade mais alta na qual você pode fazer uma entrada de controle completa e abrupta sem sobrecarregar o avião é Vo, e ela não pode ser maior do que a velocidade de estol multiplicada pela raiz quadrada do fator de carga positiva máxima:
Vo = Vs × √n (máximo)
A velocidade máxima de manobra operacional do seu avião flutuará com base no peso. O POH (Manual de Operações do Piloto) e as placas da cabine de comando da sua aeronave devem listar a velocidade de manobra com base no peso máximo. Em alguns casos, placas adicionais listarão as velocidades de manobra com base em pesos mais baixos.
Para calcular seu próprio Vo com base no seu peso atual (inferior ao máximo), use a seguinte equação:
Uma maneira fácil de estimar sua velocidade de manobra ajustada é reduzir seu Vo em 1% para cada 2% de redução no peso.
Por que o peso da aeronave afeta a velocidade máxima de manobra operacional (Vo)
Intuitivamente faz sentido que peso e velocidade de manobra estejam correlacionados, no entanto, a natureza da correlação merece uma pequena explicação. A maioria dos pilotos iniciantes inicialmente assumiria que, à medida que o peso diminui, a velocidade máxima de manobra operacional aumentaria, mas na verdade o oposto é verdadeiro. Um peso menor corresponde a uma velocidade de manobra menor, e aqui está o porquê:
Segunda Lei do Movimento de Newton
Graças à Segunda Lei do Movimento de Newton, sabemos que quando um objeto de massa (neste caso, um avião) é atuado por uma força (neste caso, uma entrada de controle total), o objeto acelerará na mesma direção da força. Essa relação é expressa na equação matemática:
Como conhecemos nossos valores de força e massa, estamos interessados em ver o que isso faz com a aceleração de nosso 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 um aumento de estresse ou carga na estrutura da aeronave e, eventualmente, essa carga excederá as limitações de projeto e levará a uma falha estrutural se não modificarmos outra variável.
Assumindo que não estamos adicionando mais peso e que ainda queremos ser capazes de suportar a força de um movimento de controle total, a variável que devemos modificar é nossa velocidade de manobra. Então, aí está, 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 sobre o ângulo de ataque e o fator de carga limite. Quanto mais leve uma aeronave for, menos sustentação ela precisará para atingir um voo reto e nivelado, conforme mostrado pela equação:
Um requisito de sustentação menor significa a capacidade de voar em um ângulo de ataque menor. Se a velocidade de uma aeronave permanece a mesma, mas seu peso diminui, o ângulo de ataque necessário diminuirá.
O problema é que, com um ângulo de ataque menor, é possível que uma rajada de vento ou a deflexão total do controle do profundor aumente a força G além do fator de carga limite da aeronave (+3,8Gs para aeronaves com classificação normal), mantendo-se ainda abaixo do AoA crítico necessário para que as asas entrem em estol.
Por exemplo, se a aeronave está experimentando 1G em um AoA de 3°, um aumento repentino de sustentação com um AoA correspondente de 18° resultaria em 6Gs de força porque o AoA inicial de 3° aumentou por um fator de 6. 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.
Pegue essa mesma aeronave, com o mesmo peso menor do que o peso bruto máximo, e agora compense diminuindo a velocidade para que o AoA inicial aumente para 4,5°. Neste AoA aumentado, quando as asas atingirem seu AoA 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 um peso menor, devemos diminuir nossa velocidade para que nosso ângulo de ataque permaneça alto o suficiente para que um aumento na força G não nos faça exceder nosso fator de carga limite antes de entrar em estol.
Esse conceito pode ser um pouco confuso, então ajuda assistir a uma demonstração gráfica como "How Is Maneuvering Speed Determined?" e "Why Maneuvering Speed Changes With Weight" de Rod Machado.
Relação entre a velocidade de manobra de projeto (Va) e a velocidade máxima de manobra operacional (Vo)
Dê outra olhada nas equações acima para Va e Vo. Observe que a única maneira de as velocidades de manobra serem iguais é se o designer selecionar um valor para ambas.
Se Vo for igual a Va, então a aeronave provavelmente entrará em estol antes da falha estrutural durante uma única entrada de controle executada em ou abaixo de Va. O problema é que o fabricante não precisa fazer Va = Vo. Va não pode ser mais lento que Vo, mas pode ser tão rápido quanto Vc (velocidade de cruzeiro de projeto).
Geralmente, Va é igual a Vo, no entanto, se Va para sua aeronave for maior que Vo, o entendimento padrão de Va como sendo a velocidade na qual seu avião entrará em estol antes de sofrer falha estrutural desaparece. Você será capaz de exceder o fator de carga limitante de sua aeronave (Vo) enquanto ainda voa abaixo de Va.
No Circular Consultiva 23-19A, um guia de estrutura para certificação de aeronaves Parte 23, a FAA confirma:
“VA não deve ser interpretada como uma velocidade que permitiria ao piloto movimento irrestrito do controle de voo sem exceder os limites estruturais da aeronave, nem deve ser interpretada como uma velocidade de penetração de rajada. Somente se VA = Vs √n a aeronave entrará em estol em uma manobra de arfagem para cima em, ou perto, do fator de carga limite. Para aeronaves onde VA>VS√n, o piloto teria que verificar a manobra; caso contrário, a aeronave excederia o fator de carga limite.”
Prossegue explicando:
“A Emenda 23-45 adicionou a velocidade de manobra operacional, VO, na § 23.1507. VO é estabelecida não maior que VS√n, e é uma velocidade onde a aeronave entrará em estol em uma manobra de arfagem para cima antes de exceder os limites estruturais da aeronave.”
O que isso significa para nós é que, para aeronaves da Parte 23, a compreensão que tínhamos de Va é, na verdade, uma descrição mais precisa de Vo.
Isso nos leva a outra conversa muito importante sobre o que a velocidade máxima de manobra operacional é e o que não é.
O equívoco mais comum [e perigoso] sobre a velocidade de manobra
Até 2001, havia um consenso comum entre os pilotos de que voar abaixo da velocidade máxima de manobra operacional oferecia quase 100% de proteção contra os perigos de falha estrutural e/ou de superfície de controle. A crença era que, se você estivesse voando em ou abaixo de Vo, sua aeronave entraria em estol antes de sofrer danos/falhas estruturais, independentemente dos movimentos de controle que você fizesse. Como se viu, essa era uma super-simplificação perigosa da física da velocidade de manobra, como fatalmente demonstrado pelos pilotos do voo 587 da American Airlines.
Após o desastre do voo 587 da American Airlines, a FAA divulgou o Boletim de Informações Especiais de Aeronavegabilidade CE-11-17. O público-alvo são principalmente pilotos da Parte 25, por isso ele 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. Ainda assim, o boletim esclarece que sua mensagem se aplica também 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 controle de voo, uma vez, até sua deflexão total, para um único eixo de rotação da aeronave (guinada, rolagem ou arfagem), em ar calmo, sem risco de danos à aeronave.”
O boletim prossegue observando que os fabricantes não são obrigados a construir aeronaves capazes de múltiplas entradas de controle simultâneas ou entradas de controle sequenciais completas. Este foi o erro fatal cometido pelo primeiro oficial do AA 587, que fez entradas repetitivas sequenciais no pedal do leme que levaram à "separação em voo do estabilizador vertical".
A Conclusão
Comece a investigar o conceito de velocidade de manobra e você encontrará a internet inundada de interpretações e entendimentos conflitantes sobre o que é essa velocidade V e o que ela significa para você. Faça suas próprias leituras e pesquisas para aprofundar sua compreensão da velocidade de manobra.
Como recapitulação, os pontos-chave 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 das deflexões completas da superfície de controle em Va são usadas para projetar o profundor e os ailerons.
- A velocidade máxima de manobra operacional (Vo) é uma velocidade em que o avião entrará em estol em uma manobra de arfagem para cima antes de exceder os limites estruturais do avião.
- Vo diminui à medida que o peso da sua aeronave diminui.
- Va é frequentemente, mas nem sempre, igual a Vo. Se Va for maior que Vo, você poderá exceder o fator de carga limite da aeronave antes de entrar em estol.
- Estar em ou abaixo de Vo significa que você pode mover um único controle de voo, uma vez, até sua deflexão total, para um único eixo de rotação da aeronave (arfar, rolar ou guinar), em ar calmo, sem risco de danos à aeronave. Múltiplas deflexões completas sequenciais ou simultâneas podem resultar em falha estrutural, mesmo que você esteja voando abaixo de Vo.
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