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 el encendido 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 de alta tecnología .
En el caso de los proyectiles propulsados por cohetes , la balística interna abarca el período durante el cual el motor de un cohete proporciona empuje. [2] [3]
La balística interior se puede considerar en tres períodos de tiempo: [4]
El propulsor del arma de fuego en llamas produce energía en forma de gases calientes que elevan la presión de la cámara, lo que aplica una fuerza en la base del proyectil, lo que hace que se acelere. La presión de la cámara depende de la cantidad de propulsor que se ha quemado, la temperatura de los gases y el volumen de la cámara. La velocidad de combustión del propulsor depende de la composición química y la forma de los granos del propulsor. 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 desciende por el cañón, aumenta el volumen que ocupa el gas detrás del proyectil. Se pierde algo de energía al deformar el proyectil y hacer que gire. También se producen pérdidas por fricción entre el proyectil y el cañón. El proyectil, a medida que avanza por el cañón, comprime el aire delante de 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 inicialmente aumenta a un valor alto, la presión comienza a caer cuando el proyectil ha recorrido cierta distancia por el cañón. En consecuencia, no es necesario que el extremo de la boca del cañón sea tan fuerte 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 base científica antes de mediados del siglo XIX. Los cañones y las acciones se construyeron lo suficientemente fuertes como para sobrevivir a una sobrecarga conocida ( prueba de prueba ). La velocidad de salida se supuso a partir de la distancia que recorrió el proyectil. [8]
En el siglo XIX se empezaron a instrumentar barriles de prueba. [9] Se perforaron agujeros en el cañón y se les colocaron pistones de acero estandarizados que ejercían una presión que comprimía cilindros de cobre estandarizados cuando se disparaba el arma de fuego. La reducción de la longitud del cilindro de cobre se utiliza como indicación de la presión máxima, conocida como "Unidades de presión de cobre" o "CUP" para armas de fuego de alta presión. Se aplicaron normas similares a las armas de fuego con presiones máximas más bajas, típicamente pistolas comunes, con perdigones de cilindro de prueba hechos de cilindros de plomo que se deforman más fácilmente, de ahí las "Unidades de presión de plomo" o "LUP". La medición sólo indicaba la presión máxima que se alcanzaba en ese punto del cañón. [10] Las galgas extensométricas piezoeléctricas se introdujeron en la década de 1960, lo que permitió medir presiones instantáneas sin puertos de presión destructivos. Los proyectiles instrumentados fueron desarrollados por el Laboratorio de Investigación del Ejército y miden la presión en la base del proyectil y la aceleración. [11]
Los métodos para encender el propulsor evolucionaron con el tiempo. Se perforó un pequeño orificio (un orificio de contacto ) en la recámara, en el que luego se vertió un propulsor y se aplicó una llama o chispa externa (ver mecha y chispa ). Las cápsulas de percusión y los cartuchos autónomos tenían cebadores que detonaban después de una deformación mecánica, encendiendo el propulsor.
La pólvora ( pólvora negra ) es una mezcla pirotécnica mecánica finamente molida, prensada y granulada de azufre , carbón vegetal 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 la 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 de forma rápida y predecible incluso sin confinamiento, [12] lo que la hace también adecuada para su uso como explosivo bajo. Tiene una velocidad de descomposición muy lenta y, por 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 de 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, quemando casi por completo hasta formar 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 escamas conocidos como propulsores de base única . El tamaño y la forma de los granos del 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 bala ligera o de baja velocidad , pólvoras de intensidad media para pistolas magnum y cartuchos de rifle ligeros y pólvoras lentas para cartuchos de rifle pesados de gran calibre. [13]
Se puede agregar nitroglicerina a la nitrocelulosa para formar "propulsores de doble base". La nitrocelulosa desensibiliza la nitroglicerina para evitar la detonación en granos del tamaño de un propulsor (ver dinamita ), y la nitroglicerina gelatiniza la nitrocelulosa y aumenta la energía. Los polvos de base doble se queman más rápido que los polvos de base simple de la misma forma, aunque no tan limpiamente, 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; eligiéndose la geometría para proporcionar las características de combustión requeridas. (Las bolas o varillas redondas, por ejemplo, son de "combustión degresiva" 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 la escama se consume por completo. 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 aumenta el diámetro interior de los agujeros, lo que proporciona una combustión sostenida y prolongada. , el empuje continuo sobre el proyectil para producir una mayor velocidad sin aumentar indebidamente la presión máxima. La combustión progresiva de la pólvora compensa en cierta medida la caída de presión a medida que el proyectil acelera hacia abajo en el orificio y aumenta el volumen detrás de él) .
La " munición sin vaina " incorpora propulsor moldeado en forma de un solo grano sólido con el compuesto cebador colocado en un hueco en la base y la bala unida al frente. Dado que el grano del propulsor único es tan grande (la mayoría de las pólvoras sin humo tienen tamaños de grano de alrededor de 1 mm, pero un grano sin cáscara 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 carcasa suelen utilizar explosivos moderados, como el RDX .
Las principales ventajas de una bala sin vaina exitosa serían la eliminación de la necesidad de extraer y expulsar la vaina del cartucho gastado, 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 latón o caja de acero. [14]
Si bien hay al menos un rifle militar experimental (el H&K G11 ) y un rifle comercial (el Voere VEC-91 ) que utilizan balas sin casquillo, han tenido poco éxito. Otro rifle comercial fue el rifle Daisy VL fabricado por Daisy Air Rifle Co. y con recámara para munición sin casquillo calibre .22 que se encendía mediante una ráfaga de aire comprimido caliente de la palanca utilizada para comprimir un resorte fuerte como el de un rifle de aire comprimido. La munición sin casquillo, por supuesto, no es recargable, ya que no queda casquillo después de disparar la bala y el propulsor expuesto hace que los proyectiles sean menos duraderos. Además, la funda de un cartucho estándar sirve como sello, evitando que el gas se escape de la recámara . Los brazos sin carcasa 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 aquellas que disparan balas sin casquillo, es el problema de las balas " que se cocinan ". Este problema es causado por el calor residual de la cámara que calienta la bala en la cámara hasta el punto en que se enciende, provocando una descarga involuntaria.
Para minimizar el riesgo de que el cartucho se dispare, las ametralladoras pueden diseñarse para disparar con un cerrojo abierto, sin que la bala esté en la recámara hasta que se aprieta el gatillo, por lo que no hay posibilidad de que la bala se dispare antes de que el operador esté listo. Estas armas podrían utilizar eficazmente munición sin casquillo. 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 caja del cartucho que está lleno de pólvora. En general, las cargas cercanas al 100% de densidad (o incluso cargas en las que al colocar la bala en el casquillo 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 , .45-70 Government ), la caja 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 caja, acumulándose cerca de la parte delantera o trasera de la caja y causando potencialmente variaciones significativas en la velocidad de combustión, ya que la pólvora cerca de la parte trasera de la caja se encenderá rápidamente, pero la pólvora cerca del frente de la caja. se encenderá más tarde. Este cambio tiene menos impacto con los polvos rápidos. Estos cartuchos de alta capacidad y baja densidad generalmente ofrecen 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 de pistola Magnum revierten este equilibrio entre potencia y precisión mediante el uso de pólvoras de menor densidad y combustión más lenta que brindan una alta densidad de carga y una amplia curva de presión. La desventaja es el mayor retroceso y explosión de la boca debido a la alta masa de pólvora y la alta presión de la boca.
La mayoría de los cartuchos de rifle tienen una alta densidad de carga con la pólvora adecuada. Los cartuchos de rifle tienden a tener un cuello de botella, con una base ancha que se estrecha hasta un diámetro más pequeño, para contener una bala ligera y de alta velocidad. Estos estuches están diseñados para contener una gran carga de pólvora de baja densidad, para una curva de presión aún más amplia que la de un cartucho de pistola Magnum. Estos casos requieren el uso de un cañón de rifle largo para extraer su máxima eficacia, aunque también se utilizan en pistolas tipo rifle (de un solo tiro o de cerrojo) con cañones de 10 a 15 pulgadas (25 a 38 cm).
Las vainas de paredes rectas fueron el estándar desde los inicios de las armas de cartucho. 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 tenía el mayor diámetro práctico . El gran diámetro permitió que una bala corta, estable con un peso elevado y el volumen de orificio máximo práctico extrajera la mayor cantidad de energía posible en un cañón de longitud determinada. Había algunos cartuchos que tenían conos largos y poco profundos, pero generalmente eran un intento de usar un cartucho existente para disparar una bala más pequeña con mayor velocidad y menor retroceso. Con la llegada de la pólvora sin humo , fue posible generar velocidades mucho más altas utilizando una pólvora lenta sin humo en una caja de gran volumen, empujando una bala pequeña y ligera. El extraño Lebel de 8 mm , muy cónico , fabricado con un cartucho de pólvora negra más antiguo de 11 mm, se introdujo en 1886, y pronto fue seguido por las rondas militares Mauser de 7,92 × 57 mm y Mauser de 7 × 57 mm , y la comercial . 30-30 Winchester , todos los cuales eran nuevos diseños construidos para usar pólvora sin humo. Todos estos tienen un hombro distintivo que se parece mucho a los cartuchos modernos y, con la excepción del Lebel, todavía se encuentran en la recámara de las armas de fuego modernas a pesar de que los cartuchos tienen más de un siglo.
Al seleccionar un cartucho de rifle para obtener la máxima precisión, un cartucho corto y grueso con muy poca conicidad en la caja puede producir una mayor eficiencia y una velocidad más consistente que un cartucho largo y delgado con mucha conicidad en la caja (parte de la razón para un diseño con cuello de botella). ). [15] Dadas las tendencias actuales hacia cajas más cortas y gruesas, como los nuevos cartuchos Winchester Super Short Magnum , parece que lo ideal podría ser una caja con un interior aproximadamente esférico. [16] Las rondas de caza de objetivos y alimañas requieren la mayor precisión, por lo que sus estuches tienden a ser cortos, gruesos y casi sin punta con hombros afilados en el estuche. Los estuches cortos y gruesos también permiten que las armas de acción corta sean más ligeras y resistentes para lograr el mismo nivel de rendimiento. La desventaja de este rendimiento son las balas gruesas que ocupan más espacio en un cargador , hombros afilados que no salen tan fácilmente de un cargador y una extracción menos confiable de la bala gastada. Por estas razones, cuando la alimentación confiable es más importante que la precisión, como ocurre con los rifles militares, se prefieren los estuches más largos con ángulos de hombro menos pronunciados. Sin embargo, ha habido una tendencia a largo plazo, incluso entre las armas militares, hacia casos más cortos y gruesos. La actual caja NATO de 7,62 × 51 mm que reemplaza al Springfield .30-06 más largo es un buen ejemplo, al igual que el nuevo cartucho Grendel 6.5 diseñado para aumentar el rendimiento de la familia de rifles y carabinas AR-15 . Sin embargo, la precisión y la letalidad del cartucho implican mucho más que la longitud y el diámetro de la caja, y el 7,62 × 51 mm NATO tiene una capacidad de caja menor que el .30-06 Springfield , [17] reduciendo la cantidad de propulsor que puede ser utilizado, reduciendo directamente la combinación de peso de la bala y velocidad de salida que contribuye a la letalidad (como se detalla en las especificaciones de cartucho publicadas vinculadas aquí para comparación). El 6.5 Grendel , por otro lado, es capaz de disparar una bala significativamente más pesada (ver enlace) que el 5.56 OTAN de la familia de armas AR-15, con solo una ligera disminución en la velocidad de salida, lo que tal vez proporcione un rendimiento más ventajoso. compensación.
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 un peso relativamente ligero. proyectiles. [18] En armas de fuego de pequeño calibre, la fricción que mantiene la bala en la carcasa determina qué tan pronto después de la ignición se mueve la bala, y dado que el movimiento de la bala aumenta el volumen y cae la presión, una diferencia en la fricción puede cambiar la pendiente de la curva de presión. En general, se desea un ajuste perfecto, hasta el punto de engarzar la bala en el casquillo. En los estuches sin marco de paredes rectas, como el .45 ACP, no es posible un engarce agresivo, ya que el estuche se mantiene en la recámara por la boca del estuche, pero se debe dimensionar el estuche 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 ; Las pistolas de ánima lisa , que no tienen estrías, logran una 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 encajar perfectamente en el orificio para sellar la alta presión de la pólvora ardiendo. 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 fundirse y a depositarse en el orificio . Esta acumulación de plomo constriñe el orificio, aumentando la presión y disminuyendo la precisión de las rondas posteriores, y es difícil de eliminar sin dañar el orificio. 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 recubiertas de cobre o una aleación similar que sea 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 de el taladro. La acumulación de cobre comienza a ocurrir en balas que exceden 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 orificio y da como resultado una mejor precisión a largo plazo. Los proyectiles de gran calibre también emplean bandas impulsoras de cobre para cañones estriados para proyectiles estabilizados por giro; sin embargo, los proyectiles estabilizados con aletas disparados tanto desde rifles como desde cañones 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 dentro del orificio, proporcionando un pequeño impulso a la boca del cañón. velocidad.
En los primeros centímetros de recorrido por el ánima, 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 . Por lo tanto, los cambios en la masa de la bala tienen un gran impacto en las curvas de presión de los cartuchos de pólvora sin humo, a diferencia de los cartuchos de pólvora negra. Por lo tanto, la carga o recarga de cartuchos sin humo requiere equipos de alta precisión y tablas de datos de carga cuidadosamente medidas para cartuchos, pólvoras y pesos de bala determinados.
La energía se transmite a la bala de un arma de fuego mediante la presión de los gases producidos al quemar propulsor. Si bien presiones más altas producen velocidades más altas, la duración de la presión también es importante. La presión máxima puede representar sólo una pequeña fracción del tiempo que la bala está acelerando. Se debe considerar la duración total del recorrido de la bala a través del cañón.
La energía es la capacidad de realizar un trabajo sobre un objeto. El trabajo es una fuerza aplicada a lo largo de una distancia. La energía total impartida a una bala está indicada por el área bajo una curva cuyo eje y es 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 siendo distancia. Aumentar la energía de la bala requiere 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 potencia del arma de fuego, el volumen de la recámara y la longitud del cañón; y material, peso y dimensiones de la bala. [19] La tasa de generación de gas es proporcional a la superficie de los granos de propulsor quemados de acuerdo con la Ley de Piobert . Las reacciones de los propulsores 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 funde 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 superficie de grano determinada aumente a presiones más altas. [21] Acelerar 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 el propulsor de combustión lenta. Pueden quedar granos de propulsor sin quemar en el cañón si la zona de llama que libera energía no puede mantenerse en ausencia resultante de reactivos gaseosos de las zonas internas. [20]
Otra cuestión a considerar, al elegir la velocidad de combustión de la pólvora, es el tiempo que tarda la pólvora en arder por completo frente al tiempo que pasa la bala en el cañón. Si observamos detenidamente el gráfico de la izquierda, hay un cambio en la curva, de aproximadamente 0,8 ms. Este es el punto en el que el polvo se quema por completo y no se crea ningún gas nuevo. Con una pólvora más rápida, el agotamiento ocurre antes, y con la pólvora más lenta, ocurre más tarde. El propulsor que no se quema cuando la bala llega a la boca se desperdicia: no agrega energía a la bala, pero sí aumenta el retroceso y la explosión de la boca. Para obtener la máxima potencia, la pólvora debe arder hasta que la bala esté justo antes de la boca del cañón.
Dado que la pólvora sin humo arde, no detona, la reacción sólo puede tener lugar en la superficie de la pólvora. Los polvos sin humo vienen en una variedad de formas, que sirven para determinar qué tan rápido se queman y también cómo cambia la velocidad de combustión a medida que se quema el polvo. La forma más simple es una bola de polvo, que tiene forma de esferas redondas o ligeramente aplanadas. El polvo de bola tiene una relación superficie-volumen comparativamente pequeña, por lo que se quema comparativamente lentamente y, a medida que se quema, su área superficial disminuye. Esto significa que a medida que la pólvora se quema, la velocidad de combustión disminuye.
Hasta cierto punto, esto puede compensarse mediante el uso de un recubrimiento retardante en la superficie del polvo, que ralentiza la velocidad de combustión inicial y aplana la velocidad de cambio. Las pólvoras para bolas generalmente se formulan como pólvoras lentas para pistola o pólvoras rápidas para rifle.
Los polvos en escamas se presentan en forma de escamas redondas y planas que tienen una relación superficie-volumen relativamente alta. Los polvos en escamas tienen una velocidad de combustión casi constante y generalmente se formulan como pólvoras rápidas para pistola o escopeta . La última forma común es un polvo extruido, que tiene forma de cilindro, a veces hueco. Los polvos extruidos generalmente tienen una proporción más baja de nitroglicerina a nitrocelulosa y, a menudo, son de combustión progresiva, es decir, se queman a un ritmo más rápido a medida que se queman. Las pólvoras extruidas son generalmente pólvoras de rifle de velocidad media a lenta.
Un arma de fuego, en muchos sentidos, es como un motor de pistón en su 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 del pistón determina cuánta energía se puede extraer del gas dado. Cuanto mayor volumen barre el pistón, menor será la presión de escape (en este caso, la presión de salida). Cualquier presión restante en la boca o al final de la carrera de potencia del motor representa energía perdida.
Entonces, para extraer la máxima cantidad de energía, se maximiza el volumen barrido. Esto se puede hacer 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 orificio es la forma normal de aumentar la eficiencia de un cartucho. El límite del diámetro del orificio es generalmente la densidad de la sección del proyectil (ver balística externa ). Las balas de mayor diámetro y el mismo peso tienen mucha más resistencia y, por lo tanto, pierden energía más rápidamente después de salir del cañón. En general, la mayoría de las pistolas usan balas de entre .355 (9 mm) y .45 (11,5 mm), mientras que la mayoría de los rifles generalmente varían entre .223 (5,56 mm) y .32 (8 mm). Por supuesto, hay muchas excepciones, pero las balas en los rangos indicados proporcionan el mejor rendimiento para uso general. Las pistolas usan balas de mayor diámetro para una mayor eficiencia en cañones cortos y toleran la pérdida de velocidad a largo alcance, ya que las pistolas rara vez se usan para disparos de largo alcance. Las pistolas diseñadas para disparos a larga distancia generalmente se parecen más a los rifles acortados que a otras pistolas.
Otra cuestión a la hora de elegir o desarrollar un cartucho es la cuestión del retroceso. El retroceso no es sólo la reacción del proyectil lanzado, sino también del gas de pólvora, que saldrá del cañón con una velocidad incluso mayor que la de la bala. Para los cartuchos de pistola, con balas pesadas y cargas de pólvora ligeras (una de 9 × 19 mm , por ejemplo, podría usar 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. ; para un cartucho de rifle (un Remington .22-250 , que usa 40 granos (2,6 g) de pólvora y una bala de 40 granos (2,6 g)), la pólvora puede representar la mayor parte de la fuerza de retroceso.
Existe una solución al problema del retroceso, aunque no es gratuita. Un freno de boca o compensador de retroceso es un dispositivo que redirige el gas de pólvora en la boca, generalmente hacia arriba y hacia atrás. Esto actúa como un cohete, empujando la boca hacia abajo y hacia adelante. El empuje hacia adelante ayuda a anular la sensación del retroceso del proyectil al tirar del 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 tiro diseñadas para disparos rápidos y precisos 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 impacto del tirador por el fuerte retroceso. Las pistolas de acción redirigen toda la energía hacia arriba para contrarrestar la rotación del retroceso y agilizan los siguientes disparos 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 destellos 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, provoca daños permanentes en los oídos. [22] (Consulte freno de boca para obtener más información sobre las desventajas de los frenos de boca).
La relación peso-pólvora-proyectil también toca el tema de la eficiencia. En el caso del Remington .22-250, se destina más energía a impulsar el gas en polvo que a impulsar la bala. El .22-250 paga por esto al requerir una caja grande, con mucha pólvora, todo por una ganancia bastante pequeña en velocidad y energía con respecto a otros cartuchos de calibre .22.
Casi todas las armas de fuego de pequeño calibre, a excepción de las escopetas, tienen cañones estriados. El estriado imparte un giro a la bala, lo que evita que caiga en vuelo. El estriado suele tener la forma de ranuras de bordes afilados cortadas como hélices a lo largo del eje del orificio, en número de 2 a 16. Las áreas entre los surcos se conocen como tierras.
Otro sistema, el estriado poligonal , le da al orificio una sección transversal poligonal. El rifle poligonal no es muy común y sólo lo utilizan unos pocos fabricantes europeos , así como el fabricante de armas estadounidense Kahr Arms. Las empresas que utilizan el rifle poligonal afirman tener una mayor precisión, menor fricción y menos acumulación de plomo y/o cobre en el cañón. Sin embargo, el estriado tradicional de tierra y ranura se utiliza en la mayoría de las armas de fuego de competición, por lo que las ventajas del estriado poligonal no están probadas.
Hay cuatro métodos para estriar un cañón:
El propósito del cañón es proporcionar un sello consistente , permitiendo que la bala acelere a una velocidad constante. También debe impartir el giro correcto y liberar la bala de manera consistente, perfectamente concéntrica con respecto al orificio. La presión residual en el orificio debe liberarse simétricamente , de modo que ningún lado de la bala reciba más o menos empuje que el resto.
Para mantener un buen sello de presión, el orificio debe tener un diámetro constante preciso o tener una ligera disminución en el diámetro desde la recámara hasta la boca. Cualquier aumento en el diámetro del orificio permitirá que la bala se desplace, lo que permitirá que el gas se escape a través de la bala, disminuyendo la velocidad o hará que la bala se incline de modo que ya no sea perfectamente coaxial con el orificio. Los cañones de alta calidad están lapeados para eliminar cualquier constricción en el orificio que provocaría un cambio en el diámetro.
Un proceso de lapeado conocido como " lapeado a fuego " utiliza una "barra" de plomo que es ligeramente más grande que el orificio y está cubierta con un compuesto abrasivo fino para eliminar las constricciones. La bala se pasa de la recámara al hocico para eliminar obstrucciones. Se hacen muchas pasadas y, a medida que el orificio 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 orificio consistente o ligeramente ahusado. La técnica de lapeado manual utiliza una varilla de madera o metal blando para tirar o empujar la bala a través del orificio, mientras que la técnica más nueva de lapeado con fuego utiliza cartuchos de baja potencia especialmente cargados para empujar balas de plomo blando cubiertas de abrasivo por el cañón.
Otra cuestión que influye en la sujeción del cañón sobre la bala es el estriado. Cuando se dispara la bala, se fuerza hacia el interior del estriado, que corta o " graba " la superficie de la bala. Si el estriado es un giro constante, entonces el estriado se desplaza 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 pase y afloja la sujeción de la bala al cañón. Sin embargo, un giro cada vez mayor hará que el estriado se vuelva más ancho que las ranuras de la bala, manteniendo el sello. Cuando se selecciona un cañón de fogueo estriado para un arma, el extremo de torsión superior se encuentra en la boca.
La boca del cañón es lo último que toca la bala antes de que entre en vuelo balístico y, como tal, tiene el mayor potencial para interrumpir el vuelo de la bala. La boca del cañón debe permitir que el gas escape del cañón de forma 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 empotrado para protegerlo de golpes o rayones que puedan afectar la precisión.
Antes de que el cañón pueda liberar la bala de manera consistente, debe agarrar la bala 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 ánima libre . En algunas armas de fuego, el calibre libre es cero ya que el acto de colocar el cartucho en la recámara fuerza a la bala a entrar en el estriado. Esto es común en los rifles de tiro anular de baja potencia. La colocación de la bala en el estriado garantiza 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, y tratar de 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 elevar la presión en la recámara por encima de la presión máxima de diseño. Los rifles de mayor potencia generalmente tienen un ánima libre más larga para que la bala pueda ganar algo de impulso, lo que permite que la presión de la recámara caiga ligeramente antes de que la bala entre en contacto con el estriado. Sin embargo, cualquier ligera desalineación puede hacer que la bala se incline al engancharse en el estriado, lo que provocará que la bala no entre en el cañón de forma coaxial.
La característica definitoria de un revólver es el cilindro giratorio, separado del cañón, que contiene las recámaras. Los revólveres suelen tener de 5 a 10 recámaras, y el primer problema es garantizar la coherencia entre las recámaras, porque si no son consistentes, el punto de impacto variará de una recámara a otra. Las recámaras también deben alinearse consistentemente con el cañón, de modo que la bala ingrese al cañón de la misma manera desde cada recámara.
La garganta de un revólver se compone de dos partes separadas, la garganta del cilindro y la garganta del cañón. parte del cilindro y dimensionado para que sea concéntrico 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 como para permitir la libre rotación del cilindro incluso cuando se ensucie con residuos de pólvora, pero no tan grande como para que se libere un exceso de gas. El cono de fuerza, por donde se guía la bala desde el cilindro hasta el orificio del cañón, debe ser lo suficientemente profundo como para forzar la bala hacia el orificio sin deformación significativa. A diferencia de los rifles, donde la parte roscada del cañón está en la recámara, las roscas del cañón de los revólveres rodean el extremo de la recámara del ánima. Es posible que el orificio se comprima al atornillar el cañón al marco. Cortar un cono de fuerza más largo puede aliviar este punto de "estrangulamiento", al igual que el pulido del cañón después de colocarlo en el marco.