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Appunti di balistica intermedia


Immagine Schlieren allo sparo di un revolver – si nota la propagazione delle diverse onde d’urto

 

Definizione

La balistica intermedia è definita come lo studio della transizione esistente tra balistica interna ed esterna, transizione che si verifica in prossimità della volata dell’arma.

La ripartizione dell’energia in gioco all’uscita del proiettile dalla canna può essere riassunta in prima approssimazione come a seguire:

  • Energia cinetica del proiettile: 30%
  • Energia dei gas di deflagrazione: 45%
  • Energia termica ritenuta dalla canna: 25%

Quindi, in linea di massima, circa i tre quarti (il 75%) dell’energia resa disponibile dalla deflagrazione del propellente transitano attraverso la volata; la maggior parte di essa sotto forma di calore, pressione e movimento dei gas incandescenti che rapidamente abbandonano la canna dell’arma. All’uscita del proiettile dalla canna, la dinamica di tali gas ha notevole influenza sul comportamento del proiettile e dell’arma. I gas propellenti inoltre, danno luogo ai fenomeni conosciuti come: flash di bocca ed acustica dello sparo.

 

Regione di efflusso dei gas dalla volata

Non appena il proiettile lascia la bocca da fuoco, i gas di deflagrazione si espandono rapidamente sino a portarsi alla pressione atmosferica, miscelandosi contemporaneamente con l’aria circostante e determinando intense turbolenze. Ne consegue l’emissione di un’onda acustica o di pressione, definibile anche come onda d’urto, che si muove a velocità anche superiori a quella del suono.
Un’onda d’urto non è altro che la propagazione di una repentina variazione di pressione o in altri termini, un’intensa onda sonora. La variazione di pressione è così intensa da determinare un incremento temporaneo della temperatura nella zona di passaggio, inducendo un aumento della velocità del suono (minore densità dell’aria). Quindi, un’onda d’urto viaggerà a velocità superiori a quelle di onde sonore a più bassa intensità. Si definisce appunto onda d’urto, un’onda sonora capace di autoindurre velocità del suono (e dell’onda) considerevolmente superiori a quanto stimabile alle condizioni ambientali osservate.

L’onda acustica generata dalla turbolenta fuoriuscita dei gas di deflagrazione, si muoverà sia in direzione opposta dalla volata che verso di essa. L’improvviso rilascio dei gas ad alta pressione all’uscita del proiettile determina l’onda acustica dello sparo. Tale onda si muove a velocità lievemente superiori a quella del suono ed è avvertita come un bang sonico. La parte dell’onda che si muove verso la volata e contro i gas in uscita da essa, può avere una velocità simile ma in verso contrario rispetto a quella di deflusso dei gas di deflagrazione, questo determina un’onda pressoria quasi-statica (impossibilità di avanzamento). L’onda quasi-statica individua una superficie in prossimità della volata, definendo una sagoma simile ad una bottiglia, indicata spesso come “bottle-shock”.
I lati curvi della bottiglia che si estendono sino alla volata sono detti “barrel-shock”, la base quasi piatta della bottiglia è invece chiamata “disco di Mach”. Le dimensioni della bottle-shock aumentano all’incremento della velocità di efflusso dei gas di deflagrazione. Quando la velocità dei gas si abbassa, all’evolversi del fenomeno, la bottle-shock riduce le proprie dimensioni sino a sparire all’interno della canna.

Formazione delle onde d’urto causate dall’efflusso dei gas ad alta pressione dalla volata


 

Simulazione fluidodinamica al computer delle onde pressorie allo sparo
(chiaramente visibili la bottle-shock ed il fronte supersonico del proiettile)

 

L’immagine sopra riporta il risultato di una simulazione fluidodinamica al computer, essa deriva dalla soluzione numerica delle equazioni del moto applicate allo sparo di un proiettile supersonico. Il priettile è qui modellato come un cilindro espulso dalla volata dell’arma. E’ possibile verificare tali simulazioni con delle riprese ad alta velocità secondo la tecnica di Schlieren, tecnica che permette di visualizzare le onde pressorie rilevando il mutamento dell’indice di rifrazione dell’aria. Elaborando congiuntamente le simulazioni numeriche e le informazioni derivate dalle moderne tecniche di ripresa delle immagini, si è dato un contributo significativo allo studio della dinamica dei fluidi.

 

Efflusso dei gas allo sparo

La regione di efflusso dei gas anteriore alla volata dell’arma è interessata da due distinti fenomeni: il primo è provocato dal proiettile che si muove ancora all’interno della canna, il secondo, all’uscita dello stesso dalla volata. Quando il proiettile accelera all’interno della canna, si ha un getto precursorio di gas costituito dall’aria che viene espulsa dalla canna, a cui si somma una porzione dei gas propellenti che trafilano tra proiettile e rigatura. Si forma così un’onda pressoria proprio davanti al proiettile, onda che viaggia per tutta la canna e viene rilasciata come un’onda d’urto precursoria con fronte iniziale quasi sferico alla volata. All’incremento della velocità dei gas si forma una piccola bottle-shock che si ingrandisce al crescere della velocità acquisita dal proiettile.

Onde d’urto precursorie all’uscita del proiettile

 

Il proiettile adesso emerge dalla volata e la supera, permettendo al gas propellente di fluire violentemente nell’atmosfera, generando una potente onda d’urto. Il gas che si muoveva (semplificando la considerazione) alla velocità del proiettile, adesso si espande ed accelera rapidamente, sino ad assumere velocità molto maggiori di quella del proiettile. Tale efflusso di gas tende quindi a superare il proiettile e determina una spinta addizionale sulla sua base, tanto che la massima velocità della palla è raggiunta a diversi calibri di distanza oltre la volata. Tale spinta addizionale è generalmente indesiderata perché comporta una destabilizzazione del movimento del proietto ed una conseguente riduzione dell’accuratezza dell’arma, il proietto infatti tende a subire una sorta di imbardata.

Una nuova e più grande bottle-shock con relativo disco di Mach si formerà frontalmente alla volata. Il flusso di gas successivamente decelera, la bottle-shock riduce le proprie dimensioni, così come il disco di Mach che si rimpicciolirà sino ad entrare nella volata determinando un’onda di rarefazione che viaggia a ritroso all’interno della canna. Supponendo che il proiettile si muova a velocità nettamente supersonica, esso attraverserà l’onda d’urto che inizialmente lo precedeva. A causa dell’intensità, l’onda d’urto prodotta dalla deflagrazione viaggia anch’essa a velocità supersonica e tende a raggiungere ed inglobare l’onda d’urto precursoria che viaggerà a velocità inferiore perché meno intensa.

Formazione delle onde d’urto immediatamente dopo l’uscita del proiettile


 

Espansione della regione di deflagrazione


 

Fase finale della deflagrazione prima della contrazione della bottle-shock e del disco di Mach

 

Considerazioni finali

Nella balistica intermedia, così come o forse più che negli altri segmenti della balistica, il numero di variabili risulta così elevato che essa non può essere considerata una scienza esatta; lo sanno bene i costruttori di armi e munizioni che si trovano ad affrontare questo genere di problematiche tecniche. Quest’articolo fornisce solo uno scorcio di quella che è la modellizzazione teorico-empirica dei fenomeni di balistica intermedia, ipotesi aventi dirette implicazioni nelle scelte di progetto. Ad oggi non vi sono metodi precisi per prevedere esattamente le prestazioni di balistica intermedia e non rimane che affidarsi a specifiche prove sperimentali per valutare i prototipi di progetto.

Bibliografia:
“Military Ballistics: A Basic Manual” di C.L.Farrar e D.W.Leeming
Royal Military College of Science 1983.

 


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    1 Commento

    1. Luca

      WOW

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