IL FENOMENO DELL' ESPLOSIONE
NELLE ARMI A FUOCO
Estratto e rivisitato dal manuale di balistica di Mori-Golino
Esaminiamo ora particolarmente
il meccanismo della combustione di una carica di polvere nellanima
di una arma da fuoco. Il fenomeno è molto complesso: lo studio teorico presenta
difficoltà molto grandi e conduce, per avere esatta espressione delle leggi
che lo governano, a complicati sviluppi analitici. Necessariamente quindi
ci limiteremo ai concetti principali, che occorrono per avere direttive
sicure nellesecuzione del tiro, o nella condotta delle più semplici
esperienze, salvo a dare nozioni meno incomplete nelle note. Consideriamo
anzitutto le condizioni allatto della partenza del colpo. La carica
di lancio si trova racchiusa entro un certo spazio, compreso fra la superficie
cilindrica interna del bossolo, la chiusura posteriore di questo (il fondello)
e la parte posteriore del proietto, oppure la borra nelle armi da caccia,
che formano una parete mobile a tenuta di gas (come un pistone), capace unicamente di spostarsi in un senso lasciando la camera di cartuccia ed espandendone cosi lo spazio.
Torniamo alla nostra cartuccia, non tutto questo spazio è
riempito dalla polvere, sia perchè questa rimane libera, come nelle cartucce
a bossolo metallico e in talune da caccia, sia perchè fra grano e grano
di polvere esistono degli interstizi, sia perché ogni granulo presenta delle
porosità più o meno accentuate. Conoscendo il peso specifico o densità assoluta
della polvere e il peso della carica, nonché il volume lordo entro il quale
è racchiusa la carica stessa, potremo determinare lentità di
questo spazio libero iniziale, che chiamasi appunto volume iniziale libero. Inoltre il rapporto fra il peso della carica e il volume lordo della
camera ci dà la densità di caricamento. Altro elemento di cui bisogna
tenere conto è la massa della palla/pallini di piombo, o del proietto. Inizialmente
dunque noi abbiamo: una certa quantità di energia allo stato potenziale
immagazzinata nella carica di polvere: un volume iniziale in cui si svilupperà
la pressione propulsatrice, ed una certa massa limitata da una superficie
che ottura la luce dellanima e che dovrà ricevere la pressione. Il
fenomeno dellesplosione si divide in due distinti periodi. Nel primo
periodo, quando linnesco incendia la carica, la combustione si
propaga a tutta la massa in un certo tempo, se pur brevissimo. I gas ad
alta temperatura cominciano a svolgersi, ed aumentano la pressione nella
camera iniziale. Ma aumentando la pressione aumenta anche la velocità di
combustione della polvere: intanto però il proietto, sotto limpulso
della forza elastica dei gas, vince il forzarnento dellanima, cioè
la resistenza meccanica o di attrito degli intagli della rigatura, oppure
dellorlo della cartuccia, ed inizia il suo movimento. Il moto progressivamente
accelerato del proietto, facendo aumentare il volume che trovasi dietro
di questo, tende a diminuire la pressione. Il valore della pressione ad
ogni istante risulta dunque da due leggi o funzioni combinate: la combustione
della polvere e il movimento del proietto. Sia la combustione della polvere,
sia il movimento del proietto sono legati insieme alla legge di sviluppo
della pressione. La legge di sviluppo della pressione dipende alla sua volta
dalle seguenti caratteristiche:
1) natura propria della
polvere. Questa risulta dalla composizione chimica e dallequilibrio
delle reazioni che sono in gioco, e si definisce mediante la velocità specifica
di combustione, ossia la velocità di reazione sotto la pressione unitaria
(1 atmosfera).
2) proporzionalità della
velocità di combustione alla pressione dellambiente. Questa proporzionalità
non è eguale per tutte le polveri, ma è affetta da diversi coefficienti
tuttora in discussione. In altri termini, ciascuna polvere accelera più
o meno la combustione mentre la pressione aumenta, non vè legge comune
a tutte le polveri.
3) caratteristiche geometriche
dei granuli della polvere, e combustione per strati paralleli. Lo sviluppo
delle pressioni dipende in ogni istante dallentità della superficie
emittente, e questa è costituita dalla somma di tutte le superfici di ciascun
granulo. La forma geometrica dei granuli ha quindi una grande importanza.
Ognuno comprende che un granello cubico ed uno sferico hanno, a parità di
peso, superfici rispettivamente maggiore e minore.
Inoltre, studi di Sarrau e
Vieille hanno dimostrato che nelle polveri colloidali, cioè gelatinizzate,
ciascun granulo, bruciando, mantiene la stessa forma, ossia resta simile
a se stesso. Ciò perchè la combustione, in un granulo di grande omogeneità
fisica, procede egualmente in tutti i sensi; il che permette di prevedere
con grande esattezza la legge di propagazione della combustione.
Il secondo periodo ha
inizio quando la polvere è completamente bruciata. Allora la pressione ha
già raggiunto il suo massimo valore, oppure lo raggiunge col finire del
primo periodo e il proietto si trova ad un certo punto dellanima,
animato da una certa velocità. I gas continuano o iniziano la loro espansione,
imprimendo ad ogni istante successive accelerazioni al proietto, che aumenta
di velocità mentre la pressione diminuisce, fino alla uscita dalla bocca.
Uscito dalla bocca il proietto riceve ancora un ultimo impulso dai gas,
i quali espandendosi bruscamente alla pressione atmosferica producono il
rumore della detonazione. Subito dopo luscita dalla bocca, e per 2
o 3 metri nelle armi portatili, il proietto aumenta ancora di un
poco la velocità. I gas che affluiscono dalla bocca resasi libera hanno
velocità notevolmente superiore a quella del proietto, ed assumono moti
vorticosi, disperdendo nellaria il calore e lenergia di moto
residua, che non viene utilizzata.
Il lettore che ha seguito
con la necessaria pazienza le considerazioni fatte sopra, si rende conto
della grande complessità dei fenomeno, e della difficoltà che presenta la
teoria completa di esso. Lo studio delle pressioni e delle velocità del
proietto costituisce il problema fondamentale della balistica interna, la
quale ha per necessario strumento le ordinarie leggi fisiche ed elevate
espressioni matematiche. Non è qui il caso di affacciarsi a tale campo di
conoscenze; giova piuttosto esporne le risultanze e le regole generali che
ne derivano. Il diagramma delle pressioni lungo lanima può rappresentarsi
in modo generale come nella flg. 115. Portando sullasse orizzontale
(ascisse) le lunghezze danima percorse dal proietto, e sullasse
verticale (ordinate) le pressioni corrispondenti, potremo distinguere: nel
1° periodo: laccensione, in cui la combustione si propaga allintera
massa dello carica; il 2° periodo di combustione durante il quale
si completa la combustione della intera massa; un periodo di espansione, durante il quale i gas prodotti si espandono, continuando a trasmettere
la propria energia al proietto sotto forma di velocità. Si noti che il punto
di massima pressione Pmax è indipendente dalla fine del 1° periodo;
esso può essere situato posteriormente rispetto al punto di inizio del secondo
periodo, oppure coincidere con esso; mai venir dopo che tutta la polvere
è bruciata. Inoltre, la pressione di forzamento indicata con Po è indipendente
dal periodo di prima accensione, infatti quando il proietto comincia a muoversi
la massa di polvere può essere già in ignizione tutta, o solo in parte.
Il valore della pressione massima è anche chiamato forza dilaniatrice. Quanto alle velocità, come appare dal diagramma, esse sono in continuo
incremento, più o meno sentito, in corrispondenza delle pressioni. Il lavoro
del diagramma è rappresentato dallarea racchiusa fra la curva delle
pressioni e lasse delle ascisse; esso è suscettibile di misura, tenendo
opportuno conto delle scale grafiche adottate per rappresentare le pressioni
e le lunghezze danima.
Il diagramma delle pressioni
ci fornisce lesatta visione del modo di funzionare di una polvere
praticamente nellarma di impiego e ci dà mezzo altresì di apprezzare
le sollecitazioni cui è sottoposto il sistema meccanico delle varie parti
dellarma stessa. Il diagramma delle pressioni può essere determinato
col calcolo e verificato sperimentalmente, come vedremo più avanti. Osservando
la fig. 115 si possono fare le seguenti considerazioni; costruendo
sullasse delle ascisse il rettangolo tratteggiato di area equivalente
a quella di lavoro del diagramma delle pressioni, avremo una ordinaria media Pm, la quale dà il valore della pressione media; il valore della
velocità iniziale è indipendente dal valore della pressione massima, ma
dipende esclusivamente dal valore della pressione media, e dalla lunghezza
dellanima. La curva di espansione (2° periodo) decresce secondo
una legge approssimativamente adiabatica; quando è discesa oltre un certo
valore, il prolungamento dellespansione e quindi dellanima non
presenta sensibili vantaggi e non risulta conveniente in confronto degli
svantaggi conseguenti (appesantimento dellarma, difficoltà di puntamento).
Il punto di pressione massima può trovarsi più o meno presso la culatta
della canna, a seconda delle caratteristiche fisico - chimiche della polvere,
della forma e dimensioni dei grani, della densità di caricamento, della
inerzia di massa del proietto, dellentità della accensione iniziale
e della pressione di forzamento. La fig. 116 rappresenta alcuni tipi di
diagrammi di forma caratteristica. La curva A è relativa ad una polvere
viva, a rapida combustione; i valori della pressione e dellaccensione
iniziale sono molto grandi, lo sviluppo della massima pressione avviene
quasi subito, prima che il proietto abbia percorso uno spazio apprezzabile;
il valore della forza dilaniatrice è molto grande. La curva B si
riferisce ad una polvere lenta; la pressione raggiunge il suo massimo valore
dopo che il proietto ha percorso uno spazio non trascurabile (tre o quattro
calibri) ; il valore della pressione alla bocca è maggiore che nel caso
precedente. Il grado di espansione, ossia il rapporto fra il valore
massimo e il valore residuo (alla bocca) della pressione è minore. Il rendimento
balistico sarà quindi minore in questo caso; perchè esso non diminuisca
oltre un certo limite, occorre aumentare la lunghezza dellanima.
Fig. 116
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La curva C si riferisce
ad una polvere molto lenta, comunemente (ma impropriamente) detta progressiva; il valore della pressione massima e molto basso, ed è raggiunto dopo
che il proietto ha percorso uno spazio ragguardevole; il grado di espansione
e il rendimento balistico sono bassi; lanima deve essere di grande
lunghezza. La forza dilaniatrice è però molto minore che nei casi precedenti.
I valori della pressione nei vari punti dellanima, della lunghezza
dellanima stessa, della pressione massima, della velocità iniziale
e del rendimento balistico sono legati fra di loro da un complesso di relazioni,
di cui occorre studiare bene lequilibrio che una variazione arbitraria
fra i fattori può turbare portando ad inconvenienti di varia specie. I dati
occorrenti allo studio (di un conveniente diagramma delle pressioni sono
fissati e determinati nelle loro entità e nelle loro influenze reciproche
dalla balistica interna; essi sono:
diametro dellanima (calibro)
e lunghezza di essa in Calibri
massa del proiettile;
densità di caricamento (rapporto
fra il peso di polvere e il volume iniziale libero)
reazioni chimiche (li esplosione
e potenziale della polvere)
densità assoluta della polvere,
forma e dimensioni dei grani di polvere.
Questultimo dato è di
grande importanza che non appare ad un sommario esame della questione; inoltre,
mentre la composizione chimica della polvere è ben orientata su vari tipi
ormai conosciuti e non è suscettibile di variazioni molto grandi, luso
pratico della polvere può invece portare, per errore casuale, ò per tentativi
empirici, ad impiegare polvere di granitura non adatta, causando
molteplici inconvenienti. Vogliamo quindi accennare alquanto particolarmente
alle cause ed alla specie di influenza che la granitura della polvere esercita
sullandamento del diagramma delle pressioni. Dalla forma geometrica
dei grani dipende il rapporto fra la superficie, sulla quale si svolge la
combustione, e il peso del grano. Lemissione di gas sarà più o meno
rilevante e veloce a seconda che varia detto rapporto. La durata della combustione
dei grani dipende dalla metà della dimensione minore (spessore) perché la combustione investe il grano e procede da tutti i lati, dallesterno
verso linterno di esso. Lentità dellinfiammazione iniziale
dipende dalla dimensione dei granuli e dal numero di essi in cui è frazionata
la massa della carica. La velocità specifica di combustione infine, dipende
in notevole parte dallo stato fisico di coesione della polvere, che si riflette
sul valore della sua densità assoluta. Terminiamo questi cenni esponendo
le considerazioni seguenti. Conviene dal punto di vista del rendimento
balistico clic lo sviluppo delle pressioni sia inizialmente rapido,
perchè ciò aumenta il grado di espansione dei gas. Di fronte a questo vantaggio
sono però parecchi inconvenienti, e cioè: laumento della pressione
massima sottopone il metallo della parete della canna e le chiusure ad un maggior tormento; la maggior pressione è accompagnata da più elevata
temperatura di esplosione, che determina rapide erosioni del metallo; aumenta
in pari tempo l'entità del rinculo, che si ripercuote sulla spalla del tiratore;
un valore iniziale elevato della pressione porta a notevoli effetti dinamici,
i quali possono produrre il deterioramento e il consumo rapido dellinizio
(della rigatura o del raccordo nelle anime lisce) deformazione o rottura
del proiettile, sfuggite di gas e scompiglio nelle cariche a pallini con
conseguenti ripercussioni sulle rose, che riescono irregolari. Nelle armi
portatili in particolar modo ha una grande influenza sullandamento
del diagramma lentità della pressione iniziale di forzamento. Ora
questa pressione iniziale dipende dalla resistenza che presenta il proietto
allintaglio nella rigatura, o che presenta il cartone del bossolo
a svolgere lorlatura, e la borra a superare il raccordo con lanima.
Questi dati hanno particolare importanza sul modo col quale si sviluppano
le pressioni. Può dirsi, riassumendo, che possono regolarsi entro limiti
sufficientemente larghi per le applicazioni la forma geometrica dei grani
e il forzamento iniziale, in modo da ottenere da una polvere di data natura
chimica il diagramma delle pressioni più conveniente. E per converso, si
può affermare che non è lecito variare arbitrariamente i fattori
sopra esposti, senza produrre perturbazioni dannose agli effetti del tiro.
Esercitano una certa influenza sullo sviluppo delle pressioni e quindi sul
rendimento balistico e sulla velocità iniziale, la temperatura e il tenore
di umidità della polvere, particolarmente per le cartucce da caccia, che
possono essere confezionate poco prima dellimpiego e il cui bossolo
non è metallico. La temperatura fa variare la velocità specifica di combustione;
lumidità agisce rallentando la velocità di combustione, sottraendo
calore di vaporizzazione e diminuendo la temperatura di esplosione: in ultima
analisi diminuendo il potenziale della polvere ed il rendimento. Le polveri
impiegate nel caricamento delle cartucce a pallottola e a bossolo metallico
hanno, se il confezionamento e fatto con cura, un tenore di umidità ben
determinato, di cui si tiene conto allatto del caricamento e che resta
costante nellinterno del bossolo. Le polveri da caccia invece risentono
direttamente dello stato igrometrico dellatmosfera, di cui il confezionatore
delle cartucce dovrà tener conto, variando il peso della carica.
E.Mori - V.Golino estratto dal loro libro di balistica
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