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El término estriado se refiere a las ranuras helicoidales que se hacen en la superficie interna del cañón de un arma de fuego para darle un giro al proyectil y mejorar su estabilidad aerodinámica y precisión. También es el término (como verbo) que designa la creación de dichas ranuras.
El estriado se mide en velocidad de giro , la distancia que tarda el estriado en completar una revolución completa, expresada como una relación con 1 como base (por ejemplo, 1:10 pulgadas (25,4 cm)). Una distancia más corta/relación más baja indica un giro más rápido, lo que genera una mayor velocidad de giro (y una mayor estabilidad del proyectil).
La combinación de longitud, peso y forma de un proyectil determina la tasa de torsión necesaria para estabilizarlo giroscópicamente : los cañones destinados a proyectiles cortos y de gran diámetro, como las bolas esféricas de plomo, requieren una tasa de torsión muy baja, como 1 vuelta en 48 pulgadas (122 cm). [1] Los cañones destinados a proyectiles largos y de diámetro pequeño, como las balas de 0,223 pulgadas de 80 granos y ultra baja resistencia (5,2 g, 5,56 mm), utilizan tasas de torsión de 1 vuelta en 8 pulgadas (20 cm) o más rápidas. [2]
El estriado que aumenta la velocidad de torsión desde la recámara hasta la boca del cañón se denomina ganancia o torsión progresiva ; una velocidad que disminuye a lo largo del cañón no es deseable porque no puede estabilizar de manera confiable el proyectil a medida que se desplaza por el ánima. [3] [4]
Un proyectil extremadamente largo, como una flechette , requiere velocidades de giro imprácticamente altas para estabilizarse; en cambio, a menudo se lo estabiliza aerodinámicamente. Un proyectil estabilizado aerodinámicamente se puede disparar desde un cañón de ánima lisa sin que se reduzca la precisión.
Los mosquetes son armas de ánima lisa y gran calibre que utilizan munición con forma de bola que se dispara a una velocidad relativamente baja. Debido al alto coste, la gran dificultad de fabricación de precisión y la necesidad de cargarlas con rapidez y rapidez desde la boca del cañón, las balas de los mosquetes generalmente encajaban de forma suelta en los cañones. En consecuencia, al disparar, las balas a menudo rebotaban en los lados del cañón y el destino final después de salir de la boca del cañón era menos predecible. Esto se contrarrestó cuando la precisión era más importante, por ejemplo, al cazar, utilizando una combinación de ajuste más ajustado de una bala de tamaño más cercano al del ánima y un parche. La precisión mejoró, pero todavía no era confiable para disparos de precisión a largas distancias.
Al igual que la invención de la pólvora, aún no se conoce con certeza quién inventó el estriado de los cañones. El estriado recto se venía aplicando a las armas pequeñas desde al menos 1480, originalmente concebido como "ranuras para el hollín" para recoger los residuos de pólvora . [5]
Algunos de los primeros intentos europeos registrados de cañones de mosquete con ranuras en espiral fueron de Gaspard Kollner , un armero de Viena en 1498 y Augustus Kotter de Nuremberg en 1520. Algunos eruditos alegan que las obras de Kollner a fines del siglo XV solo usaban ranuras rectas, y no fue hasta que recibió ayuda de Kotter que se fabricó un arma de fuego con ranuras en espiral que funcionara. [6] [7] [8] Es posible que haya habido intentos incluso antes de esto, ya que la principal inspiración de las armas de fuego estriadas provino de arqueros y ballesteros que se dieron cuenta de que sus proyectiles volaban mucho más rápido y con mayor precisión cuando impartían rotación a través de emplumados retorcidos.
Aunque el estriado auténtico data del siglo XVI, tenía que grabarse a mano y, en consecuencia, no se volvió común hasta mediados del siglo XIX. Debido al laborioso y costoso proceso de fabricación que implicaba, las primeras armas de fuego estriadas fueron utilizadas principalmente por cazadores recreativos adinerados, que no necesitaban disparar sus armas muchas veces en rápida sucesión y apreciaban la mayor precisión. Las armas de fuego estriadas no eran populares entre los usuarios militares, ya que eran difíciles de limpiar y la carga de proyectiles presentaba numerosos desafíos. Si la bala tenía un diámetro suficiente para entrar en el estriado, se necesitaba un mazo grande para empujarla hacia abajo en el ánima. Si, por el contrario, era de diámetro reducido para ayudar en su inserción, la bala no entraba completamente en el estriado y la precisión se reducía.
Las primeras armas militares prácticas que utilizaron estrías con pólvora negra fueron las de retrocarga, como la pistola Queen Anne .
Para un mejor rendimiento, el cañón debe tener una velocidad de torsión suficiente para estabilizar el giro de cualquier bala que se esperaría razonablemente que disparara, pero no significativamente más. Las balas de gran diámetro proporcionan más estabilidad, ya que el radio más grande proporciona más inercia giroscópica , mientras que las balas largas son más difíciles de estabilizar, ya que tienden a ser muy pesadas hacia atrás y las presiones aerodinámicas tienen un brazo más largo ("palanca") sobre el que actuar. Las velocidades de torsión más lentas se encuentran en las armas de fuego de avancarga destinadas a disparar una bala redonda; estas tendrán velocidades de torsión tan bajas como 1 en 72 pulgadas (180 cm), o un poco más largas, aunque para un rifle de avancarga multiusos típico, una velocidad de torsión de 1 en 48 pulgadas (120 cm) es muy común. El rifle M16A2 , que está diseñado para disparar la bola 5,56 × 45 mm NATO SS109 y las balas trazadoras L110, tiene una torsión de 1 en 7 pulgadas (18 cm) o calibres 32. Los rifles AR-15 civiles se encuentran comúnmente con calibres de 1 en 12 pulgadas (30 cm) o 54,8 para rifles más antiguos y calibres de 1 en 9 pulgadas (23 cm) o 41,1 para la mayoría de los rifles más nuevos, aunque algunos están hechos con índices de torsión de 1 en 7 pulgadas (18 cm) o 32 calibres, los mismos que se usan para el rifle M16. Los rifles, que generalmente disparan balas más largas y de diámetro más pequeño, en general tendrán índices de torsión más altos que las pistolas, que disparan balas más cortas y de diámetro más grande.
Se utilizan tres métodos para describir la velocidad de torsión:
El método más común, tradicionalmente hablando, expresa la velocidad de giro en términos del "recorrido" (longitud) necesario para completar una revolución completa del proyectil en el cañón estriado. Este método no permite comprender de manera fácil ni directa si una velocidad de giro es relativamente lenta o rápida cuando se comparan cañones de diferentes diámetros.
El segundo método describe el 'recorrido estriado' necesario para completar una revolución completa del proyectil en calibres o diámetros de orificio:
donde es la velocidad de torsión expresada en diámetros de orificio; es la longitud de torsión requerida para completar una revolución completa del proyectil (en mm o pulgadas); y es el diámetro del orificio (diámetro de las estrías, en mm o pulgadas).
El recorrido de torsión y el diámetro del orificio deben expresarse en una unidad de medida consistente, es decir, métrica (mm) o imperial (pulgadas).
El tercer método simplemente informa el ángulo de las ranuras con respecto al eje del orificio, medido en grados.
Los dos últimos métodos tienen la ventaja inherente de expresar la velocidad de torsión como una relación y permiten comprender fácilmente si una velocidad de torsión es relativamente lenta o rápida, incluso cuando se comparan orificios de diferentes diámetros.
En 1879, George Greenhill , profesor de matemáticas en la Real Academia Militar (RMA) de Woolwich , Londres, Reino Unido [9] desarrolló una regla empírica para calcular la velocidad de torsión óptima para las balas con núcleo de plomo. Este atajo utiliza la longitud de la bala, sin tener en cuenta el peso ni la forma de la punta. [10] La fórmula homónima de Greenhill , que todavía se utiliza hoy en día, es:
donde es 150 (use 180 para velocidades iniciales superiores a 2800 f/s); es el diámetro de la bala en pulgadas; es la longitud de la bala en pulgadas; y es la gravedad específica de la bala (10,9 para balas con núcleo de plomo, que cancela la segunda mitad de la ecuación).
El valor original de era 150, lo que da como resultado una tasa de torsión en pulgadas por vuelta, cuando se dan el diámetro y la longitud de la bala en pulgadas. Esto funciona para velocidades de aproximadamente 840 m/s (2800 pies/s); por encima de esas velocidades, se debe utilizar un valor de 180. Por ejemplo, con una velocidad de 600 m/s (2000 pies/s), un diámetro de 0,5 pulgadas (13 mm) y una longitud de 1,5 pulgadas (38 mm), la fórmula de Greenhill daría un valor de 25, lo que significa 1 vuelta en 25 pulgadas (640 mm).
Las fórmulas mejoradas para determinar la estabilidad y las tasas de torsión incluyen la regla de torsión de Miller [11] y el programa McGyro [12] desarrollado por Bill Davis y Robert McCoy.
Si se utiliza una velocidad de giro insuficiente, la bala comenzará a desviarse y luego a caer; esto suele denominarse "keyholeing", donde las balas dejan agujeros alargados en el objetivo cuando impactan en un ángulo. Una vez que la bala comienza a desviarse, se pierde cualquier esperanza de precisión, ya que la bala comenzará a desviarse en direcciones aleatorias a medida que avanza .
Por el contrario, una tasa de torsión demasiado alta también puede causar problemas. La torsión excesiva puede causar un desgaste acelerado del cañón y, junto con altas velocidades, también induce una tasa de giro muy alta que puede causar rupturas de la camisa del proyectil , lo que hace que los proyectiles estabilizados por giro de alta velocidad se desintegren en vuelo. Los proyectiles hechos de monometales prácticamente no pueden alcanzar velocidades de vuelo y giro tales que se desintegren en vuelo debido a su tasa de giro. [13] La pólvora sin humo puede producir velocidades iniciales de aproximadamente 1600 m/s (5200 pies/s) para proyectiles estabilizados por giro y los propulsores más avanzados utilizados en los cañones de tanque de ánima lisa pueden producir velocidades iniciales de aproximadamente 1800 m/s (5900 pies/s). [14] Una torsión mayor de la necesaria también puede causar problemas más sutiles con la precisión: cualquier inconsistencia dentro de la bala, como un vacío que cause una distribución desigual de la masa, puede verse magnificada por el giro. Las balas de tamaño insuficiente también tienen problemas, ya que pueden no entrar en el estriado de forma exactamente concéntrica y coaxial al orificio, y el exceso de torsión agravará los problemas de precisión que esto causa.
Una bala disparada desde un cañón estriado puede girar a más de 300.000 rpm (5 kHz ), dependiendo de la velocidad inicial de la bala y de la velocidad de torsión del cañón .
La definición general del giro de un objeto que gira alrededor de un solo eje se puede escribir como:
donde es la velocidad lineal de un punto en el objeto giratorio (en unidades de distancia/tiempo) y se refiere a la circunferencia del círculo que este punto de medición realiza alrededor del eje de rotación.
Una bala que coincida con el estriado del cañón de disparo saldrá de ese cañón con un giro:
donde es la velocidad inicial y es la tasa de torsión. [15]
Por ejemplo, una carabina M4 con una velocidad de giro de 1 en 7 pulgadas (177,8 mm) y una velocidad inicial de 3050 pies por segundo (930 m/s) le dará a la bala un giro de 930 m/s / 0,1778 m = 5,2 kHz (314 000 rpm).
Una velocidad de rotación excesiva puede superar los límites diseñados para la bala y la fuerza centrífuga resultante puede provocar que la bala se desintegre radialmente durante el vuelo. [16]
Un cañón con una sección transversal circular no es capaz de impartir un giro a un proyectil, por lo que un cañón estriado tiene una sección transversal no circular. Por lo general, el cañón estriado contiene una o más ranuras que recorren su longitud, lo que le da una sección transversal que se asemeja a un engranaje interno , aunque también puede adoptar la forma de un polígono , generalmente con esquinas redondeadas. Dado que el cañón no tiene una sección transversal circular, no se puede describir con precisión con un solo diámetro. Los cañones estriados se pueden describir por el diámetro del ánima (el diámetro a través de las estrías o puntos altos del estriado) o por el diámetro de la ranura (el diámetro a través de las ranuras o puntos bajos del estriado). Las diferencias en las convenciones de nomenclatura para los cartuchos pueden causar confusión; Por ejemplo, los proyectiles del .303 British son en realidad ligeramente más grandes en diámetro que los proyectiles del .308 Winchester , porque el ".303" se refiere al diámetro del cañón en pulgadas (la bala es .312), mientras que el ".308" se refiere al diámetro de la bala en pulgadas (7,92 mm y 7,82 mm, respectivamente).
A pesar de las diferencias de forma, el objetivo común del estriado es hacer llegar el proyectil con precisión al objetivo. Además de impartir el giro a la bala, el cañón debe sujetar el proyectil de forma segura y concéntrica a medida que avanza por el cañón. Esto requiere que el estriado cumpla una serie de tareas: [4]
El estriado puede no comenzar inmediatamente delante de la recámara. Puede haber una garganta sin estrías delante de la recámara para que se pueda colocar un cartucho sin empujar la bala hacia el estriado. Esto reduce la fuerza necesaria para cargar un cartucho en la recámara y evita que una bala quede atascada en el estriado cuando se retira de la recámara un cartucho sin disparar. El diámetro especificado de la garganta puede ser algo mayor que el diámetro de la ranura y puede agrandarse con el uso si el gas de pólvora caliente derrite la superficie interior del cañón cuando se dispara el rifle. [17] El ánima libre es una longitud del diámetro de la ranura del cañón de ánima lisa sin resaltes delante de la garganta. El ánima libre permite que la bala pase de la fricción estática a la fricción deslizante y gane impulso lineal antes de encontrar la resistencia del aumento del impulso rotacional. El ánima libre puede permitir un uso más eficaz de los propulsores al reducir el pico de presión inicial durante la fase de volumen mínimo de balística interna antes de que la bala comience a moverse por el cañón. Los cañones con una longitud de ánima libre que excede la longitud estriada se conocen por una variedad de nombres comerciales, incluida paradoja . [18]
Un método temprano para introducir estrías en un cañón pretaladrado era utilizar un cortador montado en una varilla de sección cuadrada, torcido con precisión en una espiral del paso deseado, montado en dos agujeros fijos de sección cuadrada. A medida que avanzaba el cortador a través del cañón, se retorcía a una velocidad uniforme determinada por el paso. El primer corte era superficial. Las puntas del cortador se expandían gradualmente a medida que se hacían cortes repetidos. Las hojas estaban en ranuras en una clavija de madera que se rellenaban gradualmente con trozos de papel hasta obtener la profundidad requerida. El proceso se terminaba vertiendo un trozo de plomo fundido en el cañón, retirándolo y usándolo con una pasta de esmeril y aceite para alisar el ánima. [19]
La mayoría de las estrías se crean mediante:
Las ranuras son los espacios que se cortan, y las crestas resultantes se llaman tierras . Estas tierras y ranuras pueden variar en número, profundidad, forma, dirección de giro (derecha o izquierda) y velocidad de giro. El giro impartido por el estriado mejora significativamente la estabilidad del proyectil, mejorando tanto el alcance como la precisión. Normalmente, el estriado es una velocidad constante a lo largo del cañón, normalmente medida por la longitud del recorrido necesario para producir una sola vuelta. Ocasionalmente se encuentran armas de fuego con un giro de ganancia , donde la velocidad de giro aumenta desde la recámara hasta la boca del cañón. Si bien los giros de ganancia intencionales son raros, debido a la variación de fabricación, un ligero giro de ganancia es de hecho bastante común. Dado que una reducción en la velocidad de giro es muy perjudicial para la precisión, los armeros que mecanizan un cañón nuevo a partir de un blanco estriado a menudo medirán el giro con cuidado para poder poner la velocidad más rápida, sin importar cuán mínima sea la diferencia, en el extremo de la boca del cañón.
Las armas de fuego originales se cargaban desde la boca del cañón forzando la entrada de una bala desde la boca hasta la recámara. Ya se usara un cañón estriado o liso, se necesitaba un buen ajuste para sellar el cañón y proporcionar la mejor precisión posible del arma. Para aliviar la fuerza necesaria para cargar el proyectil, estas primeras armas usaban una bala de tamaño reducido y un parche hecho de tela, papel o cuero para rellenar el espacio entre la bala y las paredes del cañón. El parche actuaba como un guata y proporcionaba cierto grado de sellado por presión , mantenía la bala asentada sobre la carga de pólvora negra y mantenía la bala concéntrica al cañón. En los cañones estriados, el parche también proporcionaba un medio para transferir el giro del estriado a la bala, ya que el parche está grabado en lugar de la bala. Hasta la llegada de la bala Minié de base hueca , que se expande y se obtura al disparar para sellar el cañón y enganchar el estriado, el parche proporcionaba el mejor medio para hacer que el proyectil enganchara el estriado. [20]
En las armas de fuego de retrocarga , la tarea de asentar el proyectil en el estriado la realiza la garganta de la recámara . A continuación se encuentra el cañón libre , que es la parte de la garganta por la que se desplaza el proyectil antes de que comience el estriado. La última sección de la garganta es el ángulo de la garganta , donde la garganta se transforma en el cañón estriado.
La garganta suele ser un poco más grande que el proyectil, de modo que el cartucho cargado se pueda insertar y extraer fácilmente, pero la garganta debe estar lo más cerca posible del diámetro de la ranura del cañón. Al disparar, el proyectil se expande bajo la presión de la recámara y se obtura para encajar en la garganta. Luego, la bala viaja por la garganta y se acopla al estriado, donde queda grabada, y comienza a girar. Grabar el proyectil requiere una cantidad significativa de fuerza y, en algunas armas de fuego, hay una cantidad significativa de orificio libre, lo que ayuda a mantener bajas las presiones de la recámara al permitir que los gases propulsores se expandan antes de ser necesarios para grabar el proyectil. Minimizar el orificio libre mejora la precisión al disminuir la posibilidad de que un proyectil se deforme antes de entrar en el estriado. [21] [22]
Cuando el proyectil se introduce en el estriado, adquiere una imagen especular del estriado, ya que las estrías se introducen en el proyectil en un proceso llamado grabado . El grabado no solo adopta las características principales del ánima, como las estrías y las ranuras, sino también características menores, como rayones y marcas de herramientas. La relación entre las características del ánima y el grabado en el proyectil se utiliza a menudo en balística forense .
Las ranuras más comúnmente utilizadas en el estriado moderno tienen bordes bastante afilados. Más recientemente, el estriado poligonal , un retroceso a los primeros tipos de estriado, se ha vuelto popular, especialmente en pistolas . Los cañones poligonales tienden a tener una vida útil más larga porque la reducción de los bordes afilados de la superficie (las ranuras son los espacios que se cortan, y las crestas resultantes se llaman superficies) reduce la erosión del cañón. Los partidarios del estriado poligonal también afirman velocidades más altas y mayor precisión. El estriado poligonal se ve actualmente en pistolas de CZ , Heckler & Koch , Glock , Tanfoglio y Kahr Arms ( serie P solamente), así como en Desert Eagle .
Para las piezas de artillería de campaña, el concepto de alcance extendido, calibre completo (ERFB) desarrollado a principios de la década de 1970 por Dennis Hyatt Jenkins y Luis Palacio [23] de la Corporación de Investigación Espacial de Gerald Bull para el obús GC-45 reemplaza el bourrelet con pequeñas protuberancias, que encajan firmemente en las estrías del cañón. [24] [25] Los cañones capaces de disparar estos proyectiles han logrado aumentos significativos en el alcance, pero esto se compensa con una precisión significativamente reducida (3-4 veces), debido a la cual no fueron adoptados por los ejércitos de la OTAN. [26] A diferencia de un proyectil más estrecho que el ánima del cañón con un sabot , los proyectiles ERFB utilizan el ánima completa, lo que permite una carga útil mayor. Los ejemplos incluyen el G5 sudafricano y el PzH 2000 alemán . ERFB puede combinarse con sangrado de base .
Un estriado progresivo o de ganancia de torsión comienza con una tasa de torsión lenta que aumenta gradualmente a lo largo del cañón, lo que da como resultado muy poco cambio inicial en el momento angular del proyectil durante las primeras pulgadas del recorrido de la bala después de que ingresa en la garganta . [27] Esto permite que la bala permanezca esencialmente inalterada y centrada en la boca del casquillo. Después de activar el estriado en la garganta, la bala se somete progresivamente a un momento angular acelerado a medida que se impulsa por el cañón. La ventaja teórica es que al aumentar gradualmente la tasa de giro, se imparte torque a lo largo de una longitud de cañón mucho más larga, lo que permite que la tensión termomecánica se distribuya en un área más grande en lugar de concentrarse predominantemente en la garganta, que generalmente se desgasta mucho más rápido que otras partes del cañón. El estriado de ganancia de torsión se utilizó antes y durante la Guerra Civil estadounidense (1861-1865). Los revólveres Colt del ejército y la marina emplearon estriado de ganancia de torsión. Sin embargo, el estriado de ganancia de torsión es más difícil de producir que el estriado uniforme y, por lo tanto, es más caro. El ejército ha utilizado estrías de ganancia de giro en una variedad de armas, como el Cañón Gatling Vulcan M61 de 20 mm utilizado en algunos aviones de combate actuales y en los más grandes. Cañón Gatling Avenger GAU-8 de 30 mm utilizado en el avión de apoyo aéreo cercano A10 Thunderbolt II. En estas aplicaciones, permite una construcción más ligera de los cañones al reducir las presiones en la recámara mediante el uso de bajas tasas de torsión inicial, pero asegurando que los proyectiles tengan suficiente estabilidad una vez que salen del cañón. Rara vez se utiliza en productos disponibles comercialmente, aunque se destaca en el Smith & Wesson Modelo 460 (X-treme Velocity Revolver). [28]
