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 se torna aparente que muitos pilotos pensam que têm um domínio sólido sobre o 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.

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

• A 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.
• A 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.
• A 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 ambos atingidos nesse 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. Aperte o cinto, porque estamos prestes a mergulhar fundo e expandir nossa compreensão da velocidade de manobra.

O que é velocidade de manobra e como 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 do CFR Parte 23 precisam conhecer são a velocidade de manobra de projeto (Va) e a velocidade máxima de manobra operacional (Vo). Para os pilotos do CFR Parte 25, Va é, de forma um tanto ambígua, usado para indicar tanto a velocidade de manobra de projeto quanto a operacional. Neste caso, um piloto determinará o significado do termo "velocidade de manobra" com base no contexto de seu uso.

Velocidade de manobra de projeto (Va)

Na 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 a empenagem e os ailerons."

Essencialmente, o propósito de Va é garantir que os projetistas estejam criando superfícies de controle que possam suportar as cargas criadas durante a deflexão total em uma velocidade escolhida. Esta 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 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 AC 23-19A diz que Vo é "uma velocidade onde o avião entrará em estol em uma manobra de arremetida antes de exceder os limites estruturais do avião".

A maior velocidade na qual você pode fazer um comando de controle completo e abrupto sem sobrecarregar o avião é Vo, e 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 operacional do seu avião flutuará com base no peso. O POH e as placas do cockpit da sua aeronave devem listar sua 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 sua própria Vo com base em seu peso atual (inferior ao máximo), use a seguinte equação:

Uma maneira fácil de estimar sua velocidade de manobra ajustada é reduzir sua 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 o peso e a 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 seu peso diminui, sua 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 de 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, um comando de controle completo), 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 à aceleração do 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. Maior aceleração significa maior estresse ou carga na estrutura da aeronave e, eventualmente, essa carga excederá as limitações de projeto e levará à 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 completo, a variável que devemos modificar é nossa velocidade de manobra. Então, aí está, um peso menor da aeronave necessita de uma velocidade máxima de manobra operacional menor.

Ângulo de Ataque e Fator de Carga Limite

Outra maneira 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 é, menos sustentação ela precisará para atingir o voo reto e nivelado, como mostra a equação:

Uma menor necessidade de sustentação 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, em um ângulo de ataque menor, é possível que uma rajada de vento ou uma deflexão total do controle do profundor aumente a força G além do fator de carga limite da aeronave (+3,8Gs para aeronaves de categoria normal), enquanto ainda permanece 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 a mesma aeronave, com o mesmo peso inferior ao máximo bruto, e agora compense diminuindo a velocidade para que o AoA inicial aumente para 4,5°. Nesse AoA aumentado, quando as asas atingem seu AoA crítico de 18°, a aeronave ainda estará ligeiramente 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 do estol.

Este 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)

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 de para ambas.

Se Vo for igual a Va, então a aeronave realmente provavelmente entrará em estol antes da falha estrutural durante um único comando de controle executado em ou abaixo de Va. O problema é que o fabricante não precisa fazer Va = Vo. Va não pode ser mais lenta que Vo, mas pode ser tão rápida quanto Vc (velocidade de cruzeiro de projeto).

Geralmente, Va é igual a Vo, no entanto, se Va para sua aeronave for maior que Vo, a compreensão padrão de Va como sendo a velocidade na qual seu avião entrará em estol antes de experimentar falha estrutural desaparece. Você poderá exceder o fator de carga limitante de sua aeronave (Vo) enquanto ainda voa abaixo de Va.

No Circular Consultivo 23-19A, um guia de fuselagem para certificação de aeronaves Parte 23, a FAA confirma:

“VA não deve ser interpretada como uma velocidade que permitiria ao piloto movimento irrestrito dos comandos de voo sem exceder os limites estruturais do avião, nem deve ser interpretada como uma velocidade de penetração de rajada. Somente se VA = Vs √n o avião entrará em estol em uma manobra de arremetida em, ou perto de, o fator de carga limite. Para aviões onde VA>VS√n, o piloto teria que verificar a manobra; caso contrário, o avião excederia o fator de carga limite.”

Ele ainda continua a explicar,

“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 o avião entrará em estol em uma manobra de arremetida antes de exceder os limites estruturais do avião.”

O que isso significa para nós é que, para aeronaves 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 ela não é.

A concepção errônea mais comum [e perigosa] 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 da superfície de controle. Acreditava-se que, se você estivesse voando em ou abaixo de Vo, sua aeronave entraria em estol antes de sofrer danos/falha estrutural, não importa quais movimentos de controle você fizesse. Como se viu, essa era uma simplificação excessiva 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 é principalmente pilotos da Parte 25, então ele faz referência a Va, em vez de Vo, já que, como você se lembra, a Parte 25 usa Va para descrever as velocidades de manobra de projeto e operacional. 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 operacional máxima de manobra (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, para sua deflexão total, para apenas um eixo de rotação da aeronave (arremetida, rolamento ou guinada), em ar calmo, sem risco de danos à aeronave."

O boletim continua apontando que os fabricantes não são obrigados a construir aeronaves que sejam capazes de múltiplos comandos de controle simultâneos completos ou comandos de controle sequenciais completos. Este foi o erro fatal cometido pelo primeiro oficial do AA 587, que fez entradas repetitivas sequenciais no pedal do leme, o que levou à "separação em voo do estabilizador vertical".

O resultado final

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 v-speed e o que ela significa para você. Faça sua própria leitura e pesquisa para aprofundar sua compreensão da velocidade de manobra.

Em resumo, 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 de deflexões totais das superfícies de controle em Va são usadas para projetar a empenagem e os ailerons.
• A velocidade máxima de manobra operacional (Vo) é uma velocidade onde o avião estola em uma manobra de arremetida 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 do estol.
• Estar em ou abaixo de Vo significa que você pode mover um único comando de voo, uma vez, para sua deflexão total, para apenas um eixo de rotação da aeronave (pitch, roll ou yaw), em ar calmo, sem risco de danos à aeronave. Múltiplas deflexões totais sequenciais ou simultâneas podem resultar em falha estrutural mesmo se você estiver voando abaixo de Vo.

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