La balística interna (también balística interior ), un subcampo de la balística , es el estudio de la propulsión de un proyectil .
En las armas , la balística interna cubre el tiempo desde la ignición del propulsor hasta que el proyectil sale del cañón del arma . [1] El estudio de la balística interna es importante para los diseñadores y usuarios de armas de fuego de todo tipo, desde rifles y pistolas de pequeño calibre hasta artillería .
En el caso de los proyectiles propulsados por cohetes , la balística interna abarca el período durante el cual el motor del cohete proporciona empuje. [2] [3]
La balística interior se puede considerar en tres períodos de tiempo: [4]
El combustible de un arma de fuego produce energía en forma de gases calientes que aumentan la presión de la recámara, lo que aplica una fuerza sobre la base del proyectil y hace que se acelere. La presión de la recámara depende de la cantidad de combustible que se ha quemado, la temperatura de los gases y el volumen de la recámara. La velocidad de combustión del combustible depende de la composición química y la forma de los granos de combustible. La temperatura depende de la energía liberada y de la pérdida de calor hacia los lados del cañón y la recámara.
A medida que el proyectil se desplaza por el cañón, el volumen que ocupa el gas detrás del proyectil aumenta. Se pierde algo de energía al deformar el proyectil y hacer que gire. También hay pérdidas por fricción entre el proyectil y el cañón. El proyectil, a medida que se desplaza por el cañón, comprime el aire que se encuentra frente a él, lo que añade resistencia a su movimiento hacia adelante. [1]
La recámara y el cañón deben resistir los gases a alta presión sin sufrir daños. Aunque la presión aumenta inicialmente hasta un valor alto, comienza a caer cuando el proyectil ha recorrido cierta distancia por el cañón. En consecuencia, el extremo de la boca del cañón no necesita ser tan resistente como el extremo de la recámara. [5]
Se han desarrollado modelos matemáticos para estos procesos. [6] Los cuatro conceptos generales que se calculan en balística interior son: [7]
La balística interna no tenía una base científica antes de mediados del siglo XIX. Los cañones y las culatas se construían lo suficientemente resistentes como para sobrevivir a una sobrecarga conocida ( prueba de funcionamiento ). La velocidad inicial del cañón se calculaba a partir de la distancia recorrida por el proyectil. [8]
En el siglo XIX, los cañones de prueba comenzaron a instrumentarse. [9] Se perforaron agujeros en el cañón y se colocaron pistones de acero estandarizados que ejercían presión que comprimía cilindros de cobre estandarizados cuando se disparaba el arma de fuego. La reducción en la longitud del cilindro de cobre se utiliza como una indicación de la presión máxima, conocida como "Unidades de Presión de Cobre" o "CUP" para armas de fuego de alta presión. Se aplicaron estándares similares a las armas de fuego con presiones máximas más bajas, típicamente pistolas comunes, con balines de cilindros de prueba hechos de cilindros de plomo más fácilmente deformables, de ahí las "Unidades de Presión de Plomo" o "LUP". La medición solo indicaba la presión máxima que se alcanzaba en ese punto en el cañón. [10] Los medidores de tensión piezoeléctricos se introdujeron en la década de 1960, lo que permitió medir presiones instantáneas sin puertos de presión destructivos. El Laboratorio de Investigación del Ejército desarrolló proyectiles instrumentados que miden la presión en la base del proyectil y la aceleración. [11]
Los métodos para encender el propulsor evolucionaron con el tiempo. Se perforaba un pequeño orificio (un orificio de contacto ) en la recámara, en el que luego se vertía un propulsor y se aplicaba una llama o chispa externa (ver mecha y chispa ). Las cápsulas fulminantes eran y los cartuchos autónomos tienen cebadores que detonan después de la deformación mecánica, encendiendo el propulsor.
La pólvora ( polvo negro ) es una mezcla pirotécnica mecánica finamente molida, prensada y granulada de azufre , carbón y nitrato de potasio o nitrato de sodio . Se puede producir en una variedad de tamaños de grano. El tamaño y la forma de los granos pueden aumentar o disminuir el área de superficie relativa y cambiar significativamente la velocidad de combustión. La velocidad de combustión de la pólvora negra es relativamente insensible a la presión, lo que significa que arderá rápidamente y de manera predecible incluso sin confinamiento, [12] lo que también la hace adecuada para su uso como explosivo bajo. Tiene una tasa de descomposición muy lenta y, por lo tanto, una brisancia muy baja . No es, en el sentido más estricto del término, un explosivo, sino un "deflagrante", ya que no detona sino que se descompone por deflagración debido a su mecanismo subsónico de propagación del frente de llama.
La nitrocelulosa o "algodón pólvora" se forma por la acción del ácido nítrico sobre las fibras de celulosa . Es un material fibroso altamente combustible que deflagra rápidamente cuando se le aplica calor. También arde de forma muy limpia, quemándose casi en su totalidad en componentes gaseosos a altas temperaturas con poco humo o residuos sólidos. La nitrocelulosa gelatinizada es un plástico , que se puede formar en cilindros, tubos, bolas o copos conocidos como propelentes de base única . El tamaño y la forma de los granos de propulsor pueden aumentar o disminuir el área de superficie relativa y cambiar significativamente la velocidad de combustión. Se pueden agregar aditivos y recubrimientos al propulsor para modificar aún más la velocidad de combustión. Normalmente, se utilizan pólvoras muy rápidas para pistolas y escopetas de balas ligeras o de baja velocidad , pólvoras de velocidad media para pistolas magnum y munición de rifles ligeros , y pólvoras lentas para munición de rifles pesados de gran calibre. [13]
La nitroglicerina se puede añadir a la nitrocelulosa para formar "propulsores de doble base". La nitrocelulosa desensibiliza a la nitroglicerina para evitar la detonación en granos del tamaño de un propulsor (véase dinamita ), y la nitroglicerina gelatiniza la nitrocelulosa y aumenta la energía. Los polvos de doble base arden más rápido que los de base simple de la misma forma, aunque no de forma tan limpia, y la velocidad de combustión aumenta con el contenido de nitroglicerina.
En artillería , la balistita o cordita se ha utilizado en forma de varillas, tubos, tubos ranurados, cilindros perforados o multitubulares; la geometría se elige para proporcionar las características de combustión requeridas. (Las bolas o varillas redondas, por ejemplo, son de "combustión decreciente" porque su producción de gas disminuye con su área de superficie a medida que las bolas o varillas se queman más pequeñas; las escamas delgadas son de "combustión neutra", ya que arden en sus superficies planas hasta que la escama se consume completamente. Los cilindros perforados longitudinalmente o multiperforados utilizados en rifles o cañones grandes de cañón largo son de "combustión progresiva"; la superficie de combustión aumenta a medida que se agranda el diámetro interior de los orificios, lo que proporciona una combustión sostenida y un empuje largo y continuo en el proyectil para producir una mayor velocidad sin aumentar la presión máxima indebidamente. La pólvora de combustión progresiva compensa algo la caída de presión a medida que el proyectil acelera por el ánima y aumenta el volumen detrás de él). [1]
La munición sin vaina incorpora el propulsor fundido en un solo grano sólido con el compuesto de cebado colocado en un hueco en la base y la bala unida al frente. Dado que el grano de propulsor es tan grande (la mayoría de las pólvoras sin humo tienen tamaños de grano de alrededor de 1 mm, pero un grano sin vaina tendrá quizás 7 mm de diámetro y 15 mm de largo), la velocidad de combustión relativa debe ser mucho mayor. Para alcanzar esta velocidad de combustión, los propulsores sin vaina a menudo utilizan explosivos moderados, como RDX .
Las principales ventajas de un cartucho sin vaina exitoso serían la eliminación de la necesidad de extraer y expulsar el casquillo del cartucho usado, lo que permitiría velocidades de disparo más altas y un mecanismo más simple, y también reduciría el peso de la munición al eliminar el peso (y el costo) del casquillo de latón o acero. [14]
Aunque hay al menos un rifle militar experimental (el H&K G11 ) y un rifle comercial (el Voere VEC-91 ) que utilizan cartuchos sin vaina, han tenido poco éxito. Otro rifle comercial fue el Daisy VL fabricado por Daisy Air Rifle Co. y con recámara para munición sin vaina de calibre .22 que se encendía mediante una ráfaga de aire comprimido caliente de la palanca utilizada para comprimir un resorte fuerte como en un rifle de aire comprimido. La munición sin vaina, por supuesto, no es recargable, ya que no queda vaina después de disparar la bala, y el propulsor expuesto hace que las balas sean menos duraderas. Además, la vaina en un cartucho estándar sirve como sello, evitando que el gas escape de la recámara . Las armas sin vaina deben utilizar una recámara autosellante más compleja, lo que aumenta la complejidad del diseño y la fabricación. Otro problema desagradable, común a todas las armas de disparo rápido pero particularmente problemático para las que disparan cartuchos sin vaina, es el problema de las balas que se " calientan ". Este problema es causado por el calor residual de la recámara que calienta el cartucho en la recámara hasta el punto en que se enciende, provocando una descarga involuntaria.
Para minimizar el riesgo de que el cartucho se queme, las ametralladoras pueden diseñarse para disparar a cerrojo abierto, sin que el proyectil se introduzca en la recámara hasta que se aprieta el gatillo, y así no hay posibilidad de que el proyectil se queme antes de que el operador esté listo. Estas armas podrían utilizar munición sin vaina de manera efectiva. Los diseños de cerrojo abierto generalmente no son deseables para nada que no sean ametralladoras; la masa del cerrojo que se mueve hacia adelante hace que el arma se tambalee en reacción, lo que reduce significativamente la precisión del arma, lo que generalmente no es un problema para el fuego de ametralladora.
La densidad de carga es el porcentaje del espacio en la vaina del cartucho que está lleno de pólvora. En general, las cargas cercanas al 100% de densidad (o incluso cargas en las que al asentar la bala en la vaina se comprime la pólvora) se encienden y arden de manera más consistente que las cargas de menor densidad. En los cartuchos que sobrevivieron de la era de la pólvora negra (por ejemplo, .45 Colt y .45-70 Government ), la vaina es mucho más grande de lo necesario para contener la carga máxima de pólvora sin humo de alta densidad. Este espacio adicional permite que la pólvora se mueva en la vaina, apilándose cerca de la parte delantera o trasera de la vaina y potencialmente causando variaciones significativas en la velocidad de combustión, ya que la pólvora cerca de la parte trasera de la vaina se encenderá rápidamente, pero la pólvora cerca de la parte delantera de la vaina se encenderá más tarde. Este cambio tiene menos impacto con las pólvoras rápidas. Estos cartuchos de alta capacidad y baja densidad generalmente brindan la mejor precisión con la pólvora adecuada más rápida, aunque esto mantiene baja la energía total debido al pico agudo de alta presión.
Los cartuchos para pistolas Magnum invierten esta disyuntiva entre potencia y precisión al utilizar pólvoras de menor densidad y combustión más lenta que brindan una alta densidad de carga y una curva de presión amplia. La desventaja es el mayor retroceso y explosión en la boca del cañón debido a la gran masa de pólvora y la alta presión en la boca del cañón.
La mayoría de los cartuchos para fusil tienen una alta densidad de carga con las pólvoras adecuadas. Los cartuchos para fusil tienden a tener un cuello de botella, con una base ancha que se estrecha hasta un diámetro más pequeño, para alojar una bala ligera de alta velocidad. Estas vainas están diseñadas para alojar una gran carga de pólvora de baja densidad, para una curva de presión aún más amplia que un cartucho de pistola magnum. Estas vainas requieren el uso de un cañón de fusil largo para extraer su máxima eficacia, aunque también se utilizan en pistolas tipo fusil (de un solo tiro o de cerrojo) con cañones de 10 a 15 pulgadas (25 a 38 cm).
Los casquillos de pared recta fueron el estándar desde los comienzos de las armas de cartuchos. Con la baja velocidad de combustión de la pólvora negra, la mejor eficiencia se lograba con balas grandes y pesadas, por lo que la bala era la de mayor diámetro práctico . El gran diámetro permitía una bala corta y estable con un gran peso y el máximo volumen de orificio práctico para extraer la mayor energía posible en un cañón de longitud determinada. Había algunos cartuchos que tenían conos largos y poco profundos, pero generalmente eran un intento de utilizar un cartucho existente para disparar una bala más pequeña con una mayor velocidad y un menor retroceso. Con la llegada de las pólvoras sin humo , fue posible generar velocidades mucho mayores utilizando una pólvora sin humo lenta en un casquillo de gran volumen, impulsando una bala pequeña y ligera. El extraño y muy afilado calibre 8 mm Lebel , fabricado a partir de un antiguo cartucho de pólvora negra de 11 mm, se introdujo en 1886, y pronto fue seguido por los cartuchos militares 7,92 × 57 mm Mauser y 7 × 57 mm Mauser , y el calibre comercial .30-30 Winchester , todos ellos nuevos diseños fabricados para utilizar pólvora sin humo. Todos estos tienen un hombro distintivo que se asemeja mucho a los cartuchos modernos y, con la excepción del Lebel, todavía se utilizan en armas de fuego modernas a pesar de que los cartuchos tienen más de un siglo de antigüedad.
Al seleccionar un cartucho de rifle para una máxima precisión, un cartucho corto y grueso con muy poca conicidad de vaina puede producir una mayor eficiencia y una velocidad más constante que un cartucho largo y delgado con mucha conicidad de vaina (parte de la razón para un diseño de cuello de botella). [15] Dadas las tendencias actuales hacia vainas más cortas y gruesas, como los nuevos cartuchos Winchester Super Short Magnum , parece que lo ideal podría ser una vaina que se acerque a la esfera en su interior. [16] Las municiones para la caza de blancos y alimañas requieren la mayor precisión, por lo que sus vainas tienden a ser cortas, gruesas y casi sin conicidad con hombros afilados en la vaina. Las vainas cortas y gruesas también permiten que las armas de acción corta sean más ligeras y resistentes para el mismo nivel de rendimiento. La compensación por este rendimiento son las municiones gruesas que ocupan más espacio en un cargador , hombros afilados que no se alimentan tan fácilmente fuera de un cargador y una extracción menos confiable de la munición gastada. Por estas razones, cuando la alimentación confiable es más importante que la precisión, como con los rifles militares, se prefieren las vainas más largas con ángulos de hombro menos profundos. Sin embargo, ha habido una tendencia a largo plazo, incluso entre las armas militares, hacia casquillos más cortos y gruesos. El casquillo actual 7,62×51 mm NATO que sustituye al más largo .30-06 Springfield es un buen ejemplo, al igual que el nuevo cartucho 6,5 Grendel diseñado para aumentar el rendimiento de la familia de rifles y carabinas AR-15 . Sin embargo, la precisión y la letalidad del cartucho son mucho más importantes que la longitud y el diámetro del casquillo, y el 7,62×51 mm NATO tiene una capacidad de casquillo menor que el .30-06 Springfield [17] , lo que reduce la cantidad de propulsor que se puede utilizar, lo que reduce directamente la combinación de peso de la bala y velocidad inicial que contribuye a la letalidad (como se detalla en las especificaciones del cartucho publicadas en el enlace de este documento para comparación). El 6.5 Grendel , por otro lado, es capaz de disparar una bala significativamente más pesada (ver enlace) que el 5.56 NATO de la familia de armas AR-15, con solo una ligera disminución en la velocidad inicial, lo que quizás proporcione una compensación de rendimiento más ventajosa.
Dado que la velocidad de combustión de la pólvora sin humo varía directamente con la presión, la acumulación de presión inicial (es decir, "la presión de inicio del disparo") tiene un efecto significativo en la velocidad final , especialmente en cartuchos grandes con pólvoras muy rápidas y proyectiles relativamente livianos. [18] En armas de fuego de pequeño calibre, la fricción que mantiene la bala en la vaina determina qué tan pronto después de la ignición se mueve la bala, y dado que el movimiento de la bala aumenta el volumen y reduce la presión, una diferencia en la fricción puede cambiar la pendiente de la curva de presión. En general, se desea un ajuste apretado, hasta el punto de engarzar la bala en la vaina. En vainas sin reborde de paredes rectas, como la .45 ACP, no es posible un engarce agresivo, ya que la vaina se mantiene en la recámara por la boca de la vaina, pero dimensionar la vaina para permitir un ajuste de interferencia apretado con la bala puede dar el resultado deseado. En armas de fuego de mayor calibre, la presión de inicio del disparo a menudo está determinada por la fuerza requerida para grabar inicialmente la banda impulsora del proyectil en el inicio del estriado del cañón ; Los cañones de ánima lisa , que no tienen estrías, logran la presión de inicio del disparo impulsando inicialmente el proyectil hacia un "cono de fuerza" que proporciona resistencia a medida que comprime el anillo de obturación del proyectil .
La bala debe ajustarse firmemente al ánima para sellar la alta presión de la pólvora en llamas. Este ajuste apretado da como resultado una gran fuerza de fricción. La fricción de la bala en el ánima tiene un ligero impacto en la velocidad final, pero eso generalmente no es una gran preocupación. De mayor preocupación es el calor que se genera debido a la fricción. A velocidades de aproximadamente 300 m/s (980 pies/s), el plomo comienza a derretirse y a depositarse en el ánima . Esta acumulación de plomo constriñe el ánima, lo que aumenta la presión y disminuye la precisión de las balas posteriores, y es difícil de eliminar sin dañar el ánima. Las balas, utilizadas a velocidades de hasta 460 m/s (1500 pies/s), pueden usar lubricantes de cera en la bala para reducir la acumulación de plomo. A velocidades superiores a 460 m/s (1500 pies/s), casi todas las balas están revestidas de cobre , o una aleación similar que es lo suficientemente blanda como para no desgastarse en el cañón, pero que se funde a una temperatura lo suficientemente alta como para reducir la acumulación en el ánima. La acumulación de cobre comienza a producirse en balas que superan los 760 m/s (2500 pies/s), y una solución común es impregnar la superficie de la bala con lubricante de disulfuro de molibdeno . Esto reduce la acumulación de cobre en el ánima y da como resultado una mejor precisión a largo plazo. Los proyectiles de gran calibre también emplean bandas de conducción de cobre para cañones estriados para proyectiles estabilizados por giro; sin embargo, los proyectiles estabilizados por aletas disparados tanto desde cañones de fusil como de ánima lisa, como los proyectiles antiblindaje APFSDS , emplean anillos de obturación de nailon que son suficientes para sellar los gases propulsores de alta presión y también minimizar la fricción en el interior del cañón, lo que proporciona un pequeño impulso a la velocidad inicial.
En los primeros centímetros de recorrido por el cañón, la bala alcanza un porcentaje significativo de su velocidad final, incluso para rifles de alta capacidad, con pólvora de combustión lenta. La aceleración es del orden de decenas de miles de gravedades , por lo que incluso un proyectil tan ligero como 40 granos (2,6 g) puede proporcionar más de 1.000 newtons (220 lbf ) de resistencia debido a la inercia . Los cambios en la masa de la bala, por lo tanto, tienen un gran impacto en las curvas de presión de los cartuchos de pólvora sin humo, a diferencia de los cartuchos de pólvora negra. La carga o recarga de cartuchos sin humo requiere, por lo tanto, un equipo de alta precisión y tablas de datos de carga cuidadosamente medidas para cartuchos, pólvoras y pesos de bala determinados.
La energía que recibe la bala de un arma de fuego se transmite por la presión de los gases producidos al quemar el propulsor. Si bien las presiones más altas producen velocidades más altas, la duración de la presión también es importante. La presión máxima puede representar solo una pequeña fracción del tiempo en que la bala se acelera. Se debe considerar la duración total del recorrido de la bala a través del cañón.
La energía es la capacidad de realizar trabajo sobre un objeto. El trabajo es la fuerza aplicada a lo largo de una distancia. La energía total impartida a una bala se indica mediante el área bajo una curva en la que el eje y representa la fuerza (es decir, la presión ejercida sobre la base de la bala multiplicada por el área de la base de la bala) y el eje x representa la distancia. Para aumentar la energía de la bala es necesario aumentar el área bajo esa curva, ya sea aumentando la presión o aumentando la distancia que recorre la bala bajo presión. La presión está limitada por la fuerza del arma de fuego y la duración está limitada por la longitud del cañón.
Los propulsores se adaptan a la resistencia del arma de fuego, el volumen de la recámara y la longitud del cañón; y el material, el peso y las dimensiones de la bala. [19] La tasa de generación de gas es proporcional al área de superficie de los granos de propulsor en llamas de acuerdo con la Ley de Piobert . Las reacciones de propulsor sin humo ocurren en una serie de zonas o fases a medida que la reacción avanza desde la superficie hacia el sólido. La porción más profunda del sólido que experimenta transferencia de calor se derrite y comienza la transición de fase de sólido a gas en una zona de espuma . El propulsor gaseoso se descompone en moléculas más simples en una zona de efervescencia circundante . Las transformaciones endotérmicas en la zona de espuma y la zona de efervescencia requieren energía proporcionada inicialmente por el cebador y posteriormente liberada en una zona de llama exterior luminosa donde las moléculas de gas más simples reaccionan para formar productos de combustión convencionales como vapor y monóxido de carbono . [20]
La tasa de transferencia de calor de los propulsores sin humo aumenta con la presión, lo que hace que la tasa de generación de gas a partir de una determinada superficie de grano aumente a presiones más altas. [21] La aceleración de la generación de gas a partir de propulsores de combustión rápida puede crear rápidamente un pico de presión destructivamente alto antes de que el movimiento de la bala aumente el volumen de reacción. Por el contrario, los propulsores diseñados para una presión mínima de transferencia de calor pueden dejar de descomponerse en reactivos gaseosos si el movimiento de la bala disminuye la presión antes de que se haya consumido un propulsor de combustión lenta. Los granos de propulsor sin quemar pueden permanecer en el cañón si la zona de llama liberadora de energía no se puede mantener en la ausencia resultante de reactivos gaseosos de las zonas internas. [20]
Otro aspecto a tener en cuenta al elegir la velocidad de combustión de la pólvora es el tiempo que tarda la pólvora en quemarse por completo en comparación con el tiempo que la bala pasa en el cañón. Si observamos con atención el gráfico de la izquierda, hay un cambio en la curva, aproximadamente a los 0,8 ms. Este es el punto en el que la pólvora se quema por completo y no se crea gas nuevo. Con una pólvora más rápida, la combustión se produce antes, y con una pólvora más lenta, se produce más tarde. El propulsor que no se quema cuando la bala llega a la boca del cañón se desperdicia: no añade energía a la bala, pero sí aumenta el retroceso y la explosión en la boca del cañón. Para obtener la máxima potencia, la pólvora debe arder hasta que la bala esté justo antes de la boca del cañón.
Dado que las pólvoras sin humo arden, no detonan, la reacción solo puede tener lugar en la superficie de la pólvora. Las pólvoras sin humo tienen distintas formas, que sirven para determinar la velocidad de combustión y también cómo cambia la velocidad de combustión a medida que se quema la pólvora. La forma más simple es la pólvora esférica, que tiene forma de esferas redondas o ligeramente aplanadas. La pólvora esférica tiene una relación superficie-volumen relativamente pequeña, por lo que arde comparativamente lentamente y, a medida que arde, su superficie disminuye. Esto significa que, a medida que la pólvora arde, la velocidad de combustión se ralentiza.
Hasta cierto punto, esto se puede compensar con el uso de un revestimiento retardante en la superficie de la pólvora, que reduce la velocidad de combustión inicial y estabiliza la velocidad de cambio. Las pólvoras esféricas se formulan generalmente como pólvoras lentas para pistolas o pólvoras rápidas para rifles.
Las pólvoras en escamas tienen la forma de escamas planas y redondas que tienen una relación superficie-volumen relativamente alta. Las pólvoras en escamas tienen una velocidad de combustión casi constante y, por lo general, se formulan como pólvoras rápidas para pistolas o escopetas . La última forma común es la de una pólvora extruida, que tiene la forma de un cilindro, a veces hueco. Las pólvoras extruidas generalmente tienen una proporción menor de nitroglicerina a nitrocelulosa y, a menudo, se queman de manera progresiva, es decir, se queman a una velocidad más rápida a medida que se queman. Las pólvoras extruidas son, por lo general, pólvoras de rifle de velocidad media a lenta.
Un arma de fuego, en muchos sentidos, es como un motor de pistón en la carrera de potencia. Hay una cierta cantidad de gas a alta presión disponible, y se extrae energía de él haciendo que el gas mueva un pistón; en este caso, el proyectil es el pistón. El volumen barrido por el pistón determina cuánta energía se puede extraer del gas dado. Cuanto mayor sea el volumen barrido por el pistón, menor será la presión de escape (en este caso, la presión inicial). Cualquier presión restante en la boca del cañón o al final de la carrera de potencia del motor representa energía perdida.
Para extraer la máxima cantidad de energía, entonces, se maximiza el volumen barrido. Esto se puede hacer de una de dos maneras: aumentando la longitud del cañón o aumentando el diámetro del proyectil. Aumentar la longitud del cañón aumentará el volumen barrido linealmente, mientras que aumentar el diámetro aumentará el volumen barrido como el cuadrado del diámetro. Dado que la longitud del cañón está limitada por cuestiones prácticas a aproximadamente la longitud del brazo para un rifle y mucho más corta para una pistola, aumentar el diámetro del ánima es la forma normal de aumentar la eficiencia de un cartucho. El límite del diámetro del ánima es generalmente la densidad seccional del proyectil (ver balística externa ). Las balas de mayor diámetro del mismo peso tienen mucho más arrastre , por lo que pierden energía más rápidamente después de salir del cañón. En general, la mayoría de las pistolas utilizan balas de entre .355 (9 mm) y .45 (11,5 mm) de calibre, mientras que la mayoría de los rifles generalmente varían de .223 (5,56 mm) a .32 (8 mm) de calibre. Por supuesto, hay muchas excepciones, pero las balas en los rangos indicados ofrecen el mejor rendimiento para usos generales. Las pistolas utilizan balas de mayor diámetro para lograr una mayor eficiencia en cañones cortos y toleran la pérdida de velocidad a larga distancia, ya que las pistolas rara vez se utilizan para disparos de larga distancia. Las pistolas diseñadas para disparos de larga distancia generalmente se parecen más a los rifles acortados que a otras pistolas.
Otro problema, al elegir o desarrollar un cartucho, es el del retroceso. El retroceso no es solo la reacción del proyectil que se lanza, sino también del gas de la pólvora, que saldrá del cañón con una velocidad incluso mayor que la de la bala. En el caso de los cartuchos de pistola, con balas pesadas y cargas de pólvora ligeras (un 9×19 mm , por ejemplo, podría utilizar 5 granos (320 mg) de pólvora y una bala de 115 granos (7,5 g)), el retroceso de la pólvora no es una fuerza significativa; en el caso de un cartucho de rifle (un .22-250 Remington , que utiliza 40 granos (2,6 g) de pólvora y una bala de 40 granos (2,6 g)), la pólvora puede ser la mayor parte de la fuerza de retroceso.
Existe una solución para el problema del retroceso, aunque no es gratuita. Un freno de boca o compensador de retroceso es un dispositivo que redirige el gas de la pólvora en la boca del cañón, generalmente hacia arriba y hacia atrás. Esto actúa como un cohete, empujando la boca del cañón hacia abajo y hacia adelante. El empuje hacia adelante ayuda a anular la sensación del retroceso del proyectil al empujar el arma de fuego hacia adelante. El empuje hacia abajo, por otro lado, ayuda a contrarrestar la rotación impartida por el hecho de que la mayoría de las armas de fuego tienen el cañón montado por encima del centro de gravedad . Las armas de combate abiertas, los rifles de gran calibre y alta potencia, las pistolas de largo alcance con recámara para munición de rifle y las pistolas de acción diseñadas para disparar con precisión y rapidez, todas se benefician de los frenos de boca.
Las armas de fuego de alta potencia utilizan el freno de boca principalmente para reducir el retroceso, lo que reduce el golpe al tirador por el fuerte retroceso. Las pistolas de tiro de acción redirigen toda la energía hacia arriba para contrarrestar la rotación del retroceso y hacen que los disparos posteriores sean más rápidos al dejar el arma en el objetivo. La desventaja del freno de boca es un cañón más largo y pesado y un gran aumento en los niveles de sonido y fogonazo detrás de la boca del rifle. Disparar armas de fuego sin frenos de boca y sin protección auditiva puede eventualmente dañar la audición del operador; sin embargo, disparar rifles con frenos de boca, con o sin protección auditiva, causa daño permanente al oído. [22] (Ver freno de boca para más información sobre las desventajas de los frenos de boca).
La relación entre la pólvora y el peso del proyectil también afecta al tema de la eficiencia. En el caso del .22-250 Remington, se gasta más energía en propulsar el gas de la pólvora que en propulsar la bala. El .22-250 compensa esto al requerir una vaina grande, con mucha pólvora, todo por una ganancia bastante pequeña en velocidad y energía en comparación con otros cartuchos de calibre .22.
Casi todas las armas de fuego de pequeño calibre, con excepción de las escopetas, tienen cañones estriados. El estriado confiere un giro a la bala, lo que evita que se tambalee en vuelo. El estriado suele tener la forma de ranuras de bordes afilados cortadas como hélices a lo largo del eje del ánima, en un número que oscila entre 2 y 16. Las áreas entre las ranuras se conocen como "suelos".
Otro sistema, el estriado poligonal , proporciona al cañón una sección transversal poligonal. El estriado poligonal no es muy común, y lo utilizan solo unos pocos fabricantes europeos , así como el fabricante de armas estadounidense Kahr Arms. Las empresas que utilizan estriado poligonal afirman que ofrece una mayor precisión, menor fricción y menos acumulación de plomo y/o cobre en el cañón. Sin embargo, el estriado tradicional de ranuras y estrías se utiliza en la mayoría de las armas de competición, por lo que las ventajas del estriado poligonal no están demostradas.
Hay cuatro métodos para estriar un cañón:
El objetivo del cañón es proporcionar un sellado uniforme , lo que permite que la bala se acelere a una velocidad constante. También debe impartir el giro correcto y liberar la bala de manera uniforme, perfectamente concéntrica con el ánima. La presión residual en el ánima debe liberarse de manera simétrica , de modo que ningún lado de la bala reciba más o menos empuje que el resto.
Para mantener un buen sellado de presión, el ánima debe tener un diámetro constante y preciso, o tener una ligera disminución de diámetro desde la recámara hasta la boca del cañón. Cualquier aumento en el diámetro del ánima hará que la bala se desplace, lo que permitirá que el gas se filtre más allá de la bala, lo que reducirá la velocidad o hará que la bala se incline de modo que ya no esté perfectamente coaxial con el ánima. Los cañones de alta calidad están pulidos para eliminar cualquier restricción en el ánima que provoque un cambio en el diámetro.
Un proceso conocido como " lapping a fuego " utiliza una "bala" de plomo que es ligeramente más grande que el ánima y está cubierta de un compuesto abrasivo fino para eliminar las constricciones. La bala se pasa desde la recámara hasta la boca del cañón para eliminar las obstrucciones. Se realizan muchas pasadas y, a medida que el ánima se vuelve más uniforme, se utilizan grados más finos de compuesto abrasivo. El resultado final es un cañón liso como un espejo y con un ánima uniforme o ligeramente cónica. La técnica de lapping a mano utiliza una varilla de madera o metal blando para tirar o empujar la bala a través del ánima, mientras que la técnica más nueva de lapping a fuego utiliza cartuchos de baja potencia especialmente cargados para empujar las balas de plomo blando cubiertas de abrasivo por el cañón.
Otro aspecto que afecta a la sujeción del cañón sobre la bala es el estriado. Cuando se dispara la bala, se ve forzada a entrar en el estriado, que corta o " graba " la superficie de la bala. Si el estriado es de torsión constante, entonces el estriado se desliza por las ranuras grabadas en la bala, y todo queda seguro y sellado. Si el estriado tiene una torsión decreciente, entonces el ángulo cambiante del estriado en las ranuras grabadas de la bala hace que el estriado se vuelva más estrecho que las ranuras. Esto permite que el gas escape y afloje la sujeción de la bala sobre el cañón. Sin embargo, una torsión creciente hará que el estriado se vuelva más ancho que las ranuras de la bala, manteniendo el sello. Cuando se selecciona un cañón estriado en blanco para un arma, el extremo con mayor torsión se ubica en la boca del cañón.
La boca del cañón es lo último que toca la bala antes de que esta entre en vuelo balístico y, como tal, tiene el mayor potencial de alterar el vuelo de la bala. La boca debe permitir que el gas escape del cañón de manera simétrica; cualquier asimetría provocará una presión desigual en la base de la bala, lo que interrumpirá su vuelo. El extremo de la boca del cañón se llama "corona" y, por lo general, está biselado o rebajado para protegerlo de golpes o rasguños que podrían afectar la precisión.
Antes de que el cañón pueda liberar la bala de manera consistente, debe sujetarla de manera consistente. La parte del cañón entre donde la bala sale del cartucho y se acopla al estriado se llama "garganta", y la longitud de la garganta es el orificio libre . En algunas armas de fuego, el orificio libre es cero ya que el acto de colocar el cartucho en la recámara fuerza la bala hacia el estriado. Esto es común en rifles de tiro al blanco de percusión anular de baja potencia. La colocación de la bala en el estriado asegura que la transición entre el cartucho y el estriado sea rápida y estable. La desventaja es que el cartucho se mantiene firmemente en su lugar, e intentar extraer la bala sin disparar puede ser difícil, hasta el punto de incluso sacar la bala del cartucho en casos extremos.
Con cartuchos de alta potencia, se requiere una cantidad significativa de fuerza para grabar la bala, lo que puede aumentar la presión en la recámara por encima de la presión máxima de diseño. Los rifles de mayor potencia suelen tener un ánima libre más larga para que la bala pueda ganar algo de impulso, lo que permite que la presión en la recámara caiga ligeramente antes de que la bala entre en el estriado. Sin embargo, cualquier ligera desalineación puede hacer que la bala se incline al entrar en el estriado, lo que hace que la bala no entre en el cañón de forma coaxial.
La característica que define a un revólver es el cilindro giratorio, separado del cañón, que contiene las recámaras. Los revólveres suelen tener entre 5 y 10 recámaras, y la primera cuestión es garantizar la coherencia entre ellas, porque si no son uniformes, el punto de impacto variará de una recámara a otra. Las recámaras también deben estar alineadas de forma coherente con el cañón, de modo que la bala entre en el cañón de la misma forma desde cada recámara.
La garganta de un revólver se compone de dos partes separadas, la garganta del cilindro y la garganta del cañón. Esta parte del cilindro y dimensionada de manera que sea concéntrica a la recámara y muy ligeramente por encima del diámetro de la bala. El espacio entre el cilindro y el cañón debe ser lo suficientemente ancho para permitir la rotación libre del cilindro incluso cuando se ensucia con residuos de pólvora, pero no tan grande como para que se libere un exceso de gas. El cono de empuje, por donde se guía la bala desde el cilindro hasta el interior del cañón, debe ser lo suficientemente profundo para forzar la bala hacia el interior del cañón sin una deformación significativa. A diferencia de los rifles, donde la parte roscada del cañón está en la recámara, las roscas de los cañones de los revólveres rodean el extremo de la recámara del ánima. Es posible que el ánima se comprima cuando el cañón se enrosca en el armazón. Cortar un cono de empuje más largo puede aliviar este punto de "estrangulamiento", al igual que el pulido del cañón después de que se ajusta al armazón.