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 para entregar la máxima energía destructiva al objetivo con la mínima entrega de energía al tirador. El impulso entregado al objetivo, sin embargo, no puede ser más que eso (debido al retroceso) en el tirador. Esto se debe a la conservación del impulso, que dicta que el impulso impartido a la bala es igual y opuesto al impartido al sistema pistola-disparador.

Eficiencia energética de las armas de fuego

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

fricción Barrel 2%
Movimiento proyectil 32%
Gases calientes 34%
Calor de la barrera 30%
Propulsor sin quemado 1%.

que es comparable con un motor de pistón típico.

Se puede lograr una mayor eficiencia en armas de fuego de cañón más largo 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 realmente adiabática y el gas quemado se enfría más rápido debido al intercambio de calor con el barril. Las armas de fuego grandes (como los cañones) logran una menor pérdida por calentamiento del cañón porque tienen una mejor relación volumen-superficie. El diámetro del cilindro alto también es útil porque el sellado induce una menor fricción del cilindro en comparación con la fuerza de aceleración. La fuerza es proporcional al cuadrado del diámetro del cilindro mientras que las necesidades de sellado son proporcionales al perímetro por la misma presión.

Fuerza

Según la mecánica newtoniana, si el arma y el tirador están en reposo inicialmente, la fuerza sobre la bala será igual a la del tirador. Esto se debe a la tercera ley del movimiento de Newton (Por cada acción, hay una reacción igual y opuesta). Considere un sistema donde 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 entre sí con velocidades $v$ _g y $v$ _b respectivamente. Pero la ley de conservación de la cantidad de movimiento establece que las magnitudes de sus cantidades de movimiento deben ser iguales, y como la cantidad de movimiento 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 impulso 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 impulso de la bala/el tirador se puede derivar mediante la integración de la fuerza- función de tiempo de la bala o 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 ${displaystyle g,b,t,m,v,F}$ representan el arma, la bala, el tiempo, la masa, la velocidad y la fuerza respectivamente.

Las víctimas de disparos con frecuencia se caen o colapsan cuando se les dispara; esto no se debe tanto al impulso de la bala que los empujó, sino que se debe principalmente a daños físicos o efectos psicológicos, tal vez combinados con la falta de equilibrio. Este no es el caso si la víctima es alcanzada por proyectiles más pesados, como proyectiles de cañón de 20 mm, donde los efectos del impulso pueden ser enormes; esta es la razón por la 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: A.44 Remington Magnum con una bala con camisa de 240 granos (0,016 kg) se dispara a 1180 pies por segundo (360 m/s) a un objetivo de 170 libras (77 kg). ¿Qué velocidad se imparte al objetivo (suponga que la bala permanece incrustada en el objetivo y, por lo tanto, prácticamente pierde toda su velocidad)?

Sea $m$ _$b$ y $v$ _$b$ representan la masa y la velocidad de la bala, esta última justo antes de dar en el blanco, y deja $m$ _$t$ y $v$ _$t$ representan la masa y la velocidad del objetivo después de ser golpeado. La conservación del impulso requiere

m

_$b$

v

_$b$ =

m

_$t$

v

_$t$.

Al resolver la velocidad del objetivo se obtiene

v

_$t$ =

m

_$b$

v

_$b$ /

m

_$t$ = 0,016 kg × 360 m/s / 77 kg = 0,07 m/s = 0,17 mph.

Este ejemplo muestra que el objetivo apenas se mueve. Eso no quiere decir que uno no pueda detener un tren disparándole balas, simplemente es completamente poco práctico.

Velocidad

De la ecuación. 1 podemos escribir para la velocidad del arma/tirador: V = mv/M. Esto muestra 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 velocidad de retroceso baja (V), aunque la fuerza y el momento son iguales.

Energía cinética

Sin embargo, la masa más pequeña de la bala, en comparación con la del sistema de disparos, permite que se imparta energía cinética significativamente más a la bala que al tirador. La energía cinética para los dos sistemas son $begin{matrix}frac{1}{2}end{matrix}MV^2$ para el sistema de disparos y $begin{matrix}frac{1}{2}end{matrix}mv^2$ por la bala. La energía impartida al tirador se puede escribir como:

{displaystyle {frac {1}{2}}MV^{2}={frac {1}{2}}Mleft({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 de las energías cinéticas es la misma que la relación de las masas (y es independiente de la velocidad). Dado que 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 descargada del arma, la energía de la bala decae a lo largo de su vuelo, hasta que el resto se disipa al chocar con un objetivo (por ejemplo, deformando la bala y el objetivo).

Transferencia de energía

Cuando la bala impacta, su alta velocidad y su pequeña sección transversal frontal significan que ejercerá tensiones altamente concentradas en cualquier objeto que impacte. Esto generalmente hace que penetre en cualquier material más blando, como la carne. Luego, la energía se disipa a lo largo del canal de la herida formado por el paso de la bala. Ver balística terminal para 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, lo que puede producir contusiones.

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