Para una respuesta de ingeniería a su pregunta:
Los aviones no se rompen constantemente porque el límite o la carga de “diseño” – 3.8G positivo para la categoría normal y la mitad de ese negativo – no es la carga más allá de la cual se espera que la célula falle por completo.
El requisito es que no se produzca una deformación permanente hasta la carga límite.
Hay otro nivel de carga, convencionalmente establecido en un 50 por ciento por encima de la carga límite, por debajo del cual las cosas pueden doblarse, estirarse o arrugarse permanentemente, pero no pueden fracturarse, se llama la carga “definitiva”.
La distinción entre flexión y rotura, y el margen de 50 por ciento establecido convencionalmente entre ellos, surge de las características de los metales.
Bajo tensión, los metales primero se deforman elásticamente, luego se deforman plásticamente y finalmente se rompen.
La deformación elástica es temporal, como el estiramiento de un resorte; suelte, y el metal vuelve a su forma original.
La deformación plástica, por otro lado, es permanente; estira esa primavera demasiado y permanece estirada.
Es la deformación plástica del metal lo que ha permitido que muchos aviones que nunca volarían de nuevo aterrizaran de manera segura después de estar sobrecargados.
Además del margen de seguridad del 50 por ciento entre el límite y las cargas finales, los diseñadores proporcionan márgenes adicionales para accesorios muy estresados.
El razonamiento es que una parte compacta altamente estresada es más vulnerable a la fatiga, daños en el servicio o fallas de fabricación, y puede proporcionar un “punto único de falla” que podría causar la pérdida de la aeronave.
Un margen del 100 por ciento sobre el límite se usa comúnmente para accesorios críticos.
Vale la pena señalar, entre paréntesis, que incluso si una parte se fractura, no todo se pierde necesariamente.
Se requiere que muchas estructuras modernas, particularmente las de los aviones de turbina, sean “a prueba de fallas”, es decir, que proporcionen múltiples rutas de carga, de modo que otras estén disponibles para asumir una carga (reducida) después de la falla de una.
Las estructuras compuestas se comportan de manera bastante diferente a las metálicas.
Los materiales compuestos reforzados con fibra no exhiben deformación plástica; se deforman elásticamente hasta cierto punto y luego fallan con una brusquedad explosiva.
Debido a que todavía se están desarrollando métodos racionales y convenciones simples para diseñar estructuras compuestas eficientes para aviones pequeños, los diseñadores son extremadamente conservadores.
En años pasados, cuando un avión falló en el vuelo, el accidente fue referido por muchos como un “accidente de alta velocidad”. El término ha pasado de uso común, pero refleja con precisión lo que sucede cuando un avión se despega en el aire.
Excluyendo defectos de materiales o mantenimiento inadecuado, la única forma en que una célula puede fallar en vuelo es que se excedan los límites máximos de carga de diseño.
¿Hará eso la turbulencia?
La única respuesta conocida a esa pregunta es probabilística: hay poca probabilidad de que tal evento suceda.
Pero hay poca probabilidad de que pueda. Si quiere negar esta posibilidad por completo, está discutiendo con la naturaleza.
Como ha visto la humanidad, en una discusión entre las fuerzas de la naturaleza y los seres humanos, estos últimos siempre salen en segundo lugar.
Es muy divertido discutir cómo uno ha estirado las esquinas del sobre, como si fuera una caja que ofrece acres de velocidad segura para jugar antes de llegar a la temida esquina donde se rompen las alas.
En realidad, hay dos “sobres” de velocidad aérea de diseño que se superponen para formar un gráfico complicado.
Uno se llama “envolvente de maniobra” y define los límites de carga que el piloto puede inducir en la célula.
El otro se llama “envoltura de ráfaga” y define los límites de velocidad aérea para que un fuselaje sobreviva a una ráfaga derivada de laboratorio.
Hay zonas de seguridad en el sobre donde ni lo peor de la Madre Naturaleza ni las entradas de control más inapropiadas del piloto pueden dañar el avión. Para permanecer en esas zonas de seguridad, los pilotos deben conocer las limitaciones y volar a velocidades altas dentro de las velocidades límite.
El límite de velocidad aérea más obvio en un avión ligero es también con el que comienzan la mayoría de los diseñadores: la parte superior del arco verde en el indicador de velocidad aérea. Esta velocidad aérea se llama VNO, para la velocidad máxima de funcionamiento normal . Las regulaciones se refieren a una velocidad llamada VC, que es esencialmente la misma que VNO, pero para nuestros propósitos ignoraremos la terminología reguladora y nos apegaremos al VNO que conocemos.
En la velocidad aérea VNO, el avión debe poder volar a una ráfaga de 50 pies por segundo sin exceder la carga máxima de diseño de 3.8 Gs, para un avión de categoría normal. Una ráfaga de 50 fps equivaldría a un viento vertical de 30 nudos, no un golpe insignificante.
Hay ráfagas más fuertes que 50 fps, pero si mantienes la velocidad en el green y evitas áreas conocidas de turbulencia severa, como tormentas eléctricas, tienes una excelente garantía de que la célula permanecerá en una sola pieza.
Si vuela más rápido que VNO, está dando márgenes que pueden desaparecer tan pronto como llegue a una ráfaga.
Esa es una esquina del sobre de ráfaga.
La velocidad de restricción de la envolvente de maniobra se llama VA, para la máxima velocidad de maniobra de diseño .
VA es probablemente la limitación de velocidad aérea más incomprendida porque muchos pilotos no logran comprender su relación directa con el peso real de la aeronave.
VA es en realidad la velocidad a la cual, si el elevador se desviara instantánea y completamente, el avión se detendría al estar sujeto al límite máximo de carga de diseño.
Los manuales de operación de Pilot hablan de VA como la velocidad por encima de la cual no deben realizarse entradas de control abruptas, pero los ingenieros de diseño calculan las cargas en función de la desviación de control instantánea, lo que, por supuesto, es imposible. No se permite el estiramiento del cable de control, el doblado de poleas y soportes o la resistencia necesaria del piloto.
Si está volando a la velocidad aérea VA correcta, podría poner los pies en el panel, tirar del yugo hacia atrás con todas sus fuerzas y nada se rompería (excepto tal vez el panel de instrumentos).
Las reglas de la FAA sí permiten a los ingenieros incluir dos décimas de segundo para que el elevador se desplace desde neutral hasta la desviación completa, pero VA se calcula como una desviación instantánea del elevador para proporcionar el mayor margen de seguridad.
La razón para volar a la velocidad de VA correcta o por debajo del mismo para el peso de su avión es que el avión no puede romperse ya sea haciendo un movimiento de control abrupto o por ráfagas extremas, porque el ala se detendrá antes de alcanzar la carga límite.
Por encima de la velocidad correcta del VA, una ráfaga súper fuerte o un fuerte tirón en el elevador podría exceder fácilmente los límites de carga de diseño y romper la célula, con resultados obviamente catastróficos.
¿Cuándo debe volar a velocidad de VA? Claramente, no debe exceder esta velocidad cuando realice una maniobra abrupta o cuando espere una turbulencia significativa.
La velocidad durante las maniobras bruscas es realmente más importante que durante las turbulencias porque el piloto puede imponer cargas mucho mayores en un avión a una velocidad aérea determinada que la turbulencia. En la envolvente de maniobra, las cargas de la célula aumentan como un cuadrado de la velocidad del aire, mientras que las cargas de ráfaga aumentan proporcionalmente a la velocidad del aire.
Ese hecho ayuda a explicar por qué ocurren muchas fallas en la célula cuando un piloto desorientado sale de las nubes a gran velocidad, ve el horizonte y tira de los controles.
Hay evidencia de que la turbulencia de tormentas eléctricas ha roto la estructura de los aviones bajo control y operando en el arco de velocidad verde, pero estas rupturas son raras.
Cuando la velocidad indicada es alta, el piloto, no la turbulencia, es la mayor amenaza de un avión.
Los aviones deben volar a velocidad del VA durante encuentros con turbulencias moderadas o severas.
Aunque el avión puede resistir ráfagas mucho mejor que las entradas de control abruptas, no hay forma de predecir qué tan abruptos deben ser los movimientos de control para que el piloto mantenga el control durante la turbulencia.
Cuando el viaje se vuelve duro y salvaje, a veces te encontrarás usando grandes movimientos de control para mantenerte al revés, y sería un triste epitafio si la turbulencia no rompiera tus alas, pero las entradas de control sí lo hicieron.
Los aviones de la categoría de transporte tienen su velocidad de VA calculada para proteger contra movimientos de control abruptos y completos y también tienen una velocidad de penetración de turbulencia llamada VB. En VB, el avión de transporte está diseñado para soportar una ráfaga de 66 fps sin exceder el factor de carga límite.
En su velocidad de línea roja de VMO o MMO (Mach, máximo operativo), el transporte está diseñado para sobrevivir a la misma ráfaga de 50 fps que el avión ligero; el avión grande, cuando vuela a VB, tiene mayores márgenes que un avión ligero que vuela a velocidad de maniobra.
Al principio, parecería que los diseños más nuevos certificados bajo la Parte 23 de FAR, con sus límites de ráfaga de 50 fps, serían un 60 por ciento más fuertes, pero eso no es del todo cierto. Según las viejas reglas, se calculó que el inicio de la ráfaga de 30 fps era instantáneo, mientras que las nuevas reglas modelan matemáticamente la ráfaga, lo que permite el tiempo de penetración del ala y la aceleración vertical del avión.
No hay duda de que las regulaciones de la Parte 23 de FAR requieren un fuselaje más fuerte, pero no tan fuerte como lo harían parecer los números de ráfagas en bruto.
Debido a que la velocidad aérea VA correcta puede hacer que cualquier avión sea prácticamente a prueba de balas, es importante conocer la velocidad aérea VA para el peso real de su avión.
En el extremo del sobre de ráfaga hay una velocidad aérea llamada VD, para una velocidad máxima de inmersión. VD es al menos un 10 por ciento más rápido que la línea roja de VNE en los indicadores de velocidad de aire de pistón-avión.
La importancia de VD es que es la velocidad a la que el avión puede sobrevivir a una ráfaga de 25 fps.
Aunque los diagramas y las fórmulas que definen la resistencia mínima de diseño son muy precisos, el funcionamiento de los aviones no es una ciencia exacta. La ráfaga mítica de 50 fps que existe en las regulaciones rara vez puede duplicarse por naturaleza y, si lo fuera, representaría un golpe muy grande que probablemente se asociaría con una tormenta eléctrica. El diseño y la fabricación de los fuselajes tampoco es tan exacto como nos gustaría, por lo que los aviones se construyen y prueban al 150 por ciento de los factores de carga límite.
La mayoría de los aviones que salen de la fábrica serán aún más fuertes porque las células normalmente se prueban solo al 150 por ciento de la carga límite durante el desarrollo, por lo que el punto de falla real es una carga mayor desconocida.
Sin embargo, el hecho de que los aviones tengan márgenes estructurales no significa que deba desperdiciar esos márgenes excediendo los límites de velocidad de diseño.
Por otro lado, cuando saltas a través de nubes mojadas y llenas de baches, no te preocupes de que una excursión de 10 o 15 nudos sobre VA va a romper las alas.
Un avión, naturalmente, trata de decirle la velocidad adecuada para volar.
Más lento es mejor.
Lo mismo es cierto para el peso. El avión ligeramente cargado será sacudido por los golpes mucho más que uno volado en su peso máximo.
No es raro escuchar el pitido de advertencia de la bocina en turbulencia de bordes afilados cuando vuela a VA; eso te dice que el proceso de protección contra ráfagas funciona según lo planeado. El ala alcanza brevemente la carga límite pero simultáneamente se detiene para descargarse. El puesto es breve y se pierde en el movimiento del avión, pero la célula ha sido protegida. ❑