La velocidad inicial es la velocidad de un proyectil ( bala , perdigón , bala , bola / perdigones o casquillo ) con respecto [1] a la boca del cañón en el momento en que sale del extremo del cañón de un arma (es decir, la boca del cañón ). [2] Las velocidades iniciales de las armas de fuego varían de aproximadamente 120 m/s (390 pies/s) a 370 m/s (1.200 pies/s) en mosquetes de pólvora negra , [3] a más de 1.200 m/s (3.900 pies/s) [4] en rifles modernos con cartuchos de alta velocidad como el .220 Swift y el .204 Ruger , hasta 1.700 m/s (5.600 pies/s) [5] para cañones de tanque que disparan munición penetradora de energía cinética . Para simular el impacto de desechos orbitales en naves espaciales, la NASA lanza proyectiles a través de cañones de gas ligero a velocidades de hasta 8.500 m/s (28.000 ft/s). [6] FPS (pies por segundo) y MPH (millas por hora) son las unidades de medida más comunes en Estados Unidos para las balas. Varios factores, entre ellos el tipo de arma de fuego, el cartucho y la longitud del cañón, determinan la velocidad inicial de la bala. [7]
En el caso de los proyectiles en vuelo sin motor , su velocidad máxima es al salir de la boca del cañón y disminuye de forma constante debido a la resistencia del aire . Los proyectiles que viajan a una velocidad inferior a la del sonido (unos 340 m/s (1100 pies/s) en aire seco al nivel del mar ) son subsónicos , mientras que los que viajan más rápido son supersónicos y, por tanto, pueden recorrer una distancia considerable e incluso alcanzar un objetivo antes de que un observador cercano oiga el "bang" del disparo. La velocidad de los proyectiles en el aire depende de varios factores, como la presión barométrica , la humedad , la temperatura del aire y la velocidad del viento . Algunas armas pequeñas de alta velocidad tienen velocidades iniciales superiores a las velocidades de escape de algunos cuerpos del Sistema Solar, como Plutón y Ceres , lo que significa que una bala disparada desde una de esas armas en la superficie del cuerpo abandonaría su campo gravitatorio; sin embargo, no se conocen armas con velocidades iniciales que puedan superar la gravedad de la Tierra (y la atmósfera) o las de los otros planetas o la Luna.
Aunque los cartuchos tradicionales no pueden alcanzar por lo general una velocidad de escape lunar (aproximadamente 2300 m/s [7500 pies/s]) o superior debido a las limitaciones modernas de la acción y el propulsor , un proyectil de 1 gramo (15 granos ) se aceleró a velocidades superiores a los 9000 m/s (30 000 pies/s) en los Laboratorios Nacionales de Sandia en 1994. El arma funcionó en dos etapas. Primero, se utilizó pólvora ardiente para impulsar un pistón para presurizar hidrógeno a 10 000 atm (1,0 GPa). Luego, el gas presurizado se liberó a un pistón secundario, que se desplazó hacia adelante dentro de una "almohada" que absorbe los impactos, transfiriendo la energía del pistón al proyectil en el otro lado de la almohada.
Este descubrimiento podría indicar que las futuras velocidades de proyectil que superen los 1.500 m/s (4.900 pies/s) deben tener un mecanismo de carga accionado por gas que transfiera la energía, en lugar de un sistema que utilice fulminante, pólvora y una fracción del gas liberado. Un cartucho .22 LR tiene aproximadamente tres veces la masa del proyectil en cuestión. Esto puede ser otra indicación de que los desarrollos armamentísticos futuros prestarán más atención a las balas de menor calibre, especialmente debido a las limitaciones modernas, como el uso de metal, el costo y el diseño del cartucho. En una comparación lado a lado con el .50 BMG (43 g), la bala de titanio de 15 gr (1 g) de cualquier calibre liberó casi 2,8 veces la energía del .50 BMG (1 g a 10 000 m/s = 50 000 julios), con solo un 27% de pérdida media de momento. La energía, en la mayoría de los casos, es lo que resulta letal para el objetivo, no el momento. [8]
En las armas convencionales, la velocidad inicial está determinada por la cantidad de propulsor , su calidad (en términos de velocidad de combustión química y expansión), la masa del proyectil y la longitud del cañón. Un propulsor de combustión más lenta necesita un cañón más largo para terminar su combustión antes de salir, pero a la inversa puede utilizar un proyectil más pesado. Se trata de una disyuntiva matemática. [9] Un propulsor de combustión más rápida puede acelerar un proyectil más ligero a velocidades más altas si se utiliza la misma cantidad de propulsor. Dentro de un arma, la presión gaseosa creada como resultado del proceso de combustión es un factor limitante de la velocidad del proyectil. En consecuencia, la calidad y la cantidad del propulsor, la masa del proyectil y la longitud del cañón deben equilibrarse para lograr la seguridad y optimizar el rendimiento.
Los cañones más largos dan a la fuerza propulsora más tiempo para trabajar en la propulsión de la bala. [9] Por esta razón, los cañones más largos generalmente proporcionan velocidades más altas, en igualdad de condiciones. Sin embargo, a medida que la bala se mueve por el ánima, la presión del gas propulsor detrás de ella disminuye. Dado un cañón lo suficientemente largo, eventualmente habría un punto en el que la fricción entre la bala y el cañón, y la resistencia del aire, igualarían la fuerza de la presión del gas detrás de ella, y a partir de ese punto, la velocidad de la bala disminuiría.
Los cañones estriados tienen espirales talladas en su interior que hacen girar la bala para que permanezca estable en vuelo, de la misma manera que una pelota de fútbol americano lanzada en espiral volará de manera recta y estable. Este mecanismo se conoce como estriado . Los cañones más largos brindan más oportunidades de girar la bala antes de que salga del arma. Siempre que haya suficiente estriado en el cañón para estabilizar adecuadamente una bala en particular, no hay un aumento apreciable en la precisión al aumentar la longitud del cañón. Los cañones más largos facilitan la puntería si estás usando munición de hierro, debido al radio de mira más largo, y con la carga de pólvora adecuada pueden aumentar la velocidad inicial, lo que te da una trayectoria más plana y significa que no tienes que ajustar tanto el alcance.
Una bala, mientras se mueve a través de su cañón, es empujada hacia adelante por el gas que se expande detrás de ella. Este gas se creó después de apretar el gatillo , haciendo que el percutor golpeara el fulminante , que a su vez encendió el propulsor sólido empaquetado dentro del cartucho de la bala , haciendo que se queme mientras se encuentra en la recámara . Una vez que sale del cañón, la fuerza del gas en expansión deja de impulsar la bala hacia adelante. [10] Cuando se dispara una bala desde una pistola con un cañón de 2 pulgadas (51 mm), la bala solo tiene una "pista" de 2 pulgadas (51 mm) para girar antes de salir del cañón. Del mismo modo, solo tiene un espacio de 2 pulgadas (51 mm) en el que acelerar antes de tener que volar sin ninguna fuerza adicional detrás de ella. En algunos casos, es posible que la pólvora ni siquiera se haya quemado por completo en armas con cañones cortos. Entonces, la velocidad inicial de un cañón de 2 pulgadas (51 mm) es menor que la de un cañón de 4 pulgadas (100 mm), que es menor que la de un cañón de 6 pulgadas (150 mm).
Los cañones navales de gran tamaño tienen una relación longitud-diámetro elevada, que oscila entre 38:1 y 50:1. Esta relación de longitud maximiza la velocidad del proyectil. Existe un gran interés en modernizar el armamento naval mediante el uso de cañones de riel accionados eléctricamente , que disparan proyectiles mediante un pulso electromagnético. Estos superan las limitaciones señaladas anteriormente. Con estos cañones de riel, se proporciona una aceleración constante a lo largo de toda la longitud del dispositivo mediante el pulso electromagnético. Esto aumenta enormemente la velocidad inicial. Otra ventaja significativa de los cañones de riel es que no requieren propulsor explosivo. [11] El resultado de esto es que un barco no necesitará transportar propulsor y que una estación terrestre tampoco tendrá que mantener un inventario del mismo. El propulsor explosivo, almacenado en grandes cantidades, es susceptible de explotar. [12] Si bien esto se puede mitigar con precauciones de seguridad, [12] los cañones de riel evitan por completo la necesidad de tales medidas. Incluso las cargas internas del proyectil pueden eliminarse debido a la ya alta velocidad. Esto significa que el proyectil se convierte en un arma estrictamente cinética .
El Ejército de los Estados Unidos define diferentes categorías de velocidad inicial para diferentes clases de armas: [13]