Física de las armas de fuego

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Desde el punto de vista de la física ( la dinámica , para ser exactos), un arma de fuego , como la mayoría de las armas , es un sistema que proporciona la máxima energía destructiva al objetivo con la mínima energía que se transmite al tirador. ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, el impulso que se transmite al objetivo no puede ser mayor que el que se transmite (debido al retroceso) al tirador. Esto se debe a la conservación del impulso , que dicta que el impulso que se transmite a la bala es igual y opuesto al que se transmite al sistema arma-tirador. ^{[ verificación fallida ]}

Desde un punto de vista termodinámico, un arma de fuego es un tipo especial de motor de pistón o, en general, un motor térmico en el que la bala tiene la función de un pistón. La eficiencia de conversión de energía de un arma de fuego depende en gran medida de su construcción, especialmente de su calibre y de la longitud del cañón. Sin embargo, a modo de ejemplo, aquí se muestra el balance de energía de un arma de fuego pequeña típica para munición .300 Hawk: ^[1]

• Fricción del barril 2%
• Movimiento de proyectil 32%
• Gases calientes 34%
• Calor del barril 30%
• Propelente no quemado 1%.

que es comparable con un motor de pistón típico.

Se puede lograr una mayor eficiencia en armas de fuego con cañones más largos porque tienen una mejor relación de volumen. Sin embargo, la ganancia de eficiencia es menor que la correspondiente a la relación de volumen, porque la expansión no es verdaderamente adiabática y el gas quemado se enfría más rápido debido al intercambio de calor con el cañón. Las armas de fuego grandes (como los cañones) logran una menor pérdida de calor del cañón porque tienen una mejor relación volumen-superficie. Un diámetro de cañón alto también es útil porque se induce una menor fricción del cañón por el sellado en comparación con la fuerza de aceleración. La fuerza es proporcional al cuadrado del diámetro del cañón, mientras que las necesidades de sellado son proporcionales al perímetro por la misma presión.

Según la mecánica newtoniana, si el arma y el tirador están en reposo inicialmente, la fuerza sobre la bala será igual a la que actúa sobre el tirador-arma. Esto se debe a la tercera ley de movimiento de Newton (por cada acción, existe una reacción igual y opuesta). Consideremos un sistema en el que el arma y el tirador tienen una masa combinada m _g y la bala tiene una masa m _b . Cuando se dispara el arma, las dos masas se alejan una de la otra con velocidades v _g y v _b respectivamente. Pero la ley de conservación del momento establece que las magnitudes de sus momentos deben ser iguales, y como el momento es una cantidad vectorial y sus direcciones son opuestas:

${\displaystyle {\displaystyle m_{g}v_{g}+m_{b}v_{b}}=0}$

En términos matemáticos técnicos, la derivada del momento con respecto al tiempo es la fuerza, lo que implica que la fuerza sobre la bala será igual a la fuerza sobre el arma, y ​​el momento de la bala/tirador se puede derivar mediante la integración de la función fuerza-tiempo de la bala o el tirador. Esto se escribe matemáticamente de la siguiente manera:

${\displaystyle \int _{0}^{t_{g}}F_{g}(t)\,dt=-\int _{0}^{t_{b}}F_{b}(t)\,dt=m_{g}v_{g}=-m_{b}v_{b}}$

Donde representan el arma, la bala, el tiempo, la masa, la velocidad y la fuerza respectivamente.${\displaystyle g,b,t,m,v,F}$

Las representaciones de Hollywood de víctimas de armas de fuego arrojadas a través de ventanas de vidrio son inexactas. Si este fuera el caso, el tirador también sería arrojado hacia atrás, experimentando un cambio aún mayor en el impulso en la dirección opuesta. Las víctimas de disparos con frecuencia caen o se desploman cuando reciben un disparo; esto es menos resultado del impulso de la bala que los empuja, sino principalmente causado por daños físicos o efectos psicológicos, tal vez combinados con una pérdida de equilibrio. Este no es el caso si la víctima es golpeada por proyectiles más pesados, como un proyectil de cañón de 20 mm, donde los efectos del impulso pueden ser enormes; es por eso que muy pocas armas de este tipo pueden dispararse sin estar montadas en una plataforma de armas o involucrar un sistema sin retroceso (por ejemplo, un rifle sin retroceso ).

Ejemplo: Se dispara una pistola Remington Magnum calibre .44 con una bala encamisada de 240 granos (0,016 kg) a 1180 pies por segundo (360 m/s) ^[2] contra un objetivo de 170 libras (77 kg). ¿Qué velocidad se transmite al objetivo (suponiendo que la bala permanece incrustada en el objetivo y, por lo tanto, prácticamente pierde toda su velocidad)?

Sean m _b y v _b la masa y velocidad de la bala, esta última justo antes de impactar en el objetivo, y m _t y v _t la masa y velocidad del objetivo después de ser impactado. La conservación del momento requiere

m _b v _b = m _t v _t .

Resolviendo la velocidad del objetivo obtenemos

vt = m _b vb _/ mt ₌ 0,016 kg × 360 m/s _/ 77 kg = 0,07 m/s = 0,17 mph.

Esto demuestra que el objetivo, con su gran masa, apenas se mueve, a pesar de ignorar las fuerzas de arrastre, que en realidad harían que la bala perdiera energía e impulso en vuelo.

A partir de la ecuación 1, podemos escribir para la velocidad del arma/tirador: V = mv/M. Esto demuestra que, a pesar de la alta velocidad de la bala, la pequeña relación entre la masa de la bala y la masa del tirador da como resultado una baja velocidad de retroceso (V), aunque la fuerza y ​​el momento son iguales.

Sin embargo, la menor masa de la bala, en comparación con la del sistema pistola-tirador, permite que se le transmita mucha más energía cinética a la bala que al tirador. La energía cinética de los dos sistemas es la del sistema pistola-tirador y la de la bala. La energía transmitida al tirador se puede escribir entonces como:${\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}MV^{2}}$${\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}mv^{2}}$

${\displaystyle {\frac {1}{2}}MV^{2}={\frac {1}{2}}M\left({\frac {mv}{M}}\right)^{2}={\frac {m}{M}}{\frac {1}{2}}mv^{2}}$

Para la relación de estas energías tenemos:

${\displaystyle {\frac {{\frac {1}{2}}MV^{2}}{{\frac {1}{2}}mv^{2}}}={\frac {m}{M}}\qquad (2)}$

La relación entre las energías cinéticas es la misma que la relación entre las masas (y es independiente de la velocidad). Como la masa de la bala es mucho menor que la del tirador, se transfiere más energía cinética a la bala que al tirador. Una vez disparada desde el arma, la energía de la bala decae a lo largo de su recorrido, hasta que el resto se disipa al chocar con un objetivo (por ejemplo, deformando la bala y el objetivo).

Cuando la bala impacta, su alta velocidad y su pequeña sección transversal frontal significan que ejercerá tensiones muy concentradas en cualquier objeto que golpee. Esto generalmente hace que penetre cualquier material más blando, como la carne. La energía luego se disipa a lo largo del canal de herida formado por el paso de la bala. Consulte balística terminal para obtener una discusión más completa de estos efectos.

Los chalecos antibalas funcionan disipando la energía de la bala de otra manera: el material del chaleco, generalmente aramida ( kevlar o twaron ), funciona presentando una serie de capas de material que atrapan la bala y distribuyen su fuerza impartida sobre un área más grande, con la esperanza de detenerla antes de que pueda penetrar en el cuerpo detrás del chaleco. Si bien el chaleco puede evitar que una bala penetre, el usuario aún se verá afectado por el impulso de la bala, que puede producir contusiones .

• Balística
• Balística interna
• Balística externa
• Tabla de cartuchos para pistolas y rifles