¿Podría crearse un arma con un cañón lo suficientemente largo, de modo que cada posible julio de energía en la pólvora pueda transferirse a la bala? ¿Y qué tan destructivo sería en teoría un arma así?

Answer 1

Las leyes de la física y la termodinámica evitarían una transferencia perfecta de la energía de la pólvora al movimiento y la energía cinética del proyectil. Además, la clásica “pólvora”, también conocida como polvo negro, ya no se usa en las municiones modernas. Casi todos los cartuchos de producción actuales, para uso militar o civil, contienen polvo sin humo, que comúnmente se basa en nitrocelulosa. La munición moderna generalmente toma un factor de forma similar a la imagen a continuación, más o menos. Los cartuchos de fusil tienden a ser más largos con más espacio para el propulsor y un proyectil puntiagudo, pero los conceptos fundamentales son los mismos.

Para demostrar que un cartucho nunca podría transferir toda su energía a la bala / proyectil, describiré brevemente lo que sucede cuando se dispara un arma. Primero, un percutor golpea un cebador (5) en un área ahuecada en la base del cartucho (4), que se llena con una cantidad muy pequeña de explosivo sensible a los golpes. Hay un orificio (cebadores Boxer) o dos (cebadores Berdan) que permiten que los gases calentados del compuesto cebador explotado alcancen la carga principal del propulsor (3) en la caja del cartucho (2), que luego comienza a arder rápidamente al instante. El polvo sin humo en realidad no explota / detona, se deflagra, lo que significa que el frente de la llama atraviesa el material combustible más lentamente que la velocidad del sonido. El propulsor en llamas crea gases calientes que se expanden rápidamente, lo que en realidad hace el trabajo de forzar la bala (1) por el cañón de la pistola.

A lo largo de todo este proceso, hay pérdidas de energía que evitarían una transferencia completa de energía al proyectil. En primer lugar, dado que solo los gases propulsores en expansión mueven la bala, el calor creado no puede utilizarse para empujar la bala. Parte de esa energía se pierde a través de la transferencia de calor a la cámara, el barril y la bala. Además, el ajuste apretado de la bala en el cañón significa que habrá una fricción considerable que también convierte parte de la energía del propulsor en calor desperdiciado. Se pierde más energía de movimiento al deformar la bala para que encaje en las ranuras del rifling en el cañón. Estos son los principales mecanismos físicos que hacen que el cañón de una pistola se caliente rápidamente cuando se dispara.

Por último, si bien un cañón más largo puede darle a una bala más tiempo para acelerar, logrando así una velocidad más alta, hay un punto en el que una mayor longitud del cañón ya no permitirá un proyectil más rápido, y en realidad comenzará a ralentizar la bala. El propelente en el cartucho produce una cantidad limitada de gas en expansión, por lo que el volumen del barril más largo podría ser mayor que el posible volumen de los gases producidos. La presión dentro del barril tenderá finalmente a un equilibrio con los componentes de la fuerza opuesta (fricción / pérdida de calor, sello de gas imperfecto, etc.), luego los gases propulsores ya no podrían continuar acelerando la bala. Además, un barril más largo tiene más metal para absorber el calor de los gases, ralentizando la expansión, así como más fricción, que juntos eventualmente superarán la fuerza de empuje de los gases propulsores sobre la bala.

Muchas armas de fuego usan longitudes de cañón optimizadas para su cartucho designado de modo que la bala abandone el cañón antes de que la pérdida de calor y la fricción comiencen a desacelerar el proyectil, esencialmente en un punto casi óptimo de velocidad y energía del proyectil. La limitación de la cantidad de gas que el propelente puede producir frente a las pérdidas de energía dentro del barril a medida que la bala pasa a lo largo de su longitud, significa que no importa qué tan grande sea un cartucho o cuánto tiempo se produzca un barril, la creación de gas propulsor es finito (limitado por el tamaño de la caja del cartucho), mientras que la pérdida de energía por fricción y calor no es a medida que aumenta la longitud del cañón. No importa qué optimizaciones se intenten, el uso de más propulsor, alargar el cañón o ambos, siempre se alcanzará un límite superior de velocidad / energía cinética del proyectil.

Answer 2

Sí, este es un fenómeno común.

Muchas armas de fuego se desarrollan específicamente junto con un cartucho para ir con él, y como tal, el cañón diseñado para el cartucho está hecho para aprovecharlo al máximo. Ahora bien, este no es siempre el caso, pero aquí hay un muy buen ejemplo de ello:

El M16A1 con el cartucho de 5.56×45 mm.

El M16A1 original fue diseñado originalmente con un barril de 20 pulgadas, a diferencia de su contraparte M4A1 que tiene un barril de 14.5 pulgadas. Ahora sobre algunos datos interesantes entre este rifle y el cartucho que lo acompaña.

Entonces, las tres longitudes de barril más comunes con la plataforma de fusil Armalite (estamos hablando de AR15 ahora, no M4 / M16) son 16 pulgadas, 18 pulgadas y 20 pulgadas. Las velocidades de boca que corresponden con estas longitudes de barril son 3187 fps (pies por segundo), 3202 fps y 3306 fps respectivamente (usando Municiones Federales, fuente citada a continuación).

Ahora, lo interesante de este hallazgo es que a juzgar por esta información, puede suponer que aumentar la longitud del cañón aún más podría aumentar el rendimiento aún más. Sin embargo, la ley de rendimientos decrecientes parece aplicarse, con barriles de 21 y 22 pulgadas produciendo 3305 fps y 3366 fps respectivamente. La velocidad ni siquiera comienza a alcanzar velocidades significativamente más altas hasta que la longitud del cañón es tan larga que ya no es una opción práctica para aumentar la longitud del cañón.

Así que Eugene Stoner diseñó la combinación perfecta y práctica de plataforma de rifle y municiones para los militares. Ahora, si bien el M16 no es realmente conocido por ser mucho más destructivo que sus hermanos de cañón más corto, sí tiene:

1. Mejor penetracion
2. Mejor precisión
3. Mejor eficiencia del sistema de gas.
4. Mayor alcance (aunque solo ligeramente)

Entonces para responder a su pregunta, sí. Hay varias armas de fuego que se han diseñado con la longitud óptima y práctica del cañón para el cartucho que disparan con el fin de exprimir cada onza de eficiencia y potencia del sistema.

Fuente:
223 Remington / 5.56 OTAN, velocidad versus longitud del cañón: un hombre, su caja de herramientas y el rifle de su amigo

Descargo de responsabilidad:
Entiendo que realmente no respondí la pregunta. Sentí que sería una buena información compartir junto con las respuestas teóricas. Estoy muy interesado en leer sobre estas longitudes teóricas de barril que envían plomo caliente volando a velocidades inimaginables.

Answer 3

El arma resultante sería más destructiva para sí misma. El calor y la fricción lo arruinarían rápidamente, como lo han demostrado los constructores de super armas.

Primero, un barril más largo más allá de cierto punto no produce una mayor transferencia de energía. La presión es más alta mientras el proyectil está en el punto de partida y cae a medida que sale del agujero. Lo que queda es explosión y llama que de todos modos te gustaría no tener. Hay un punto de disminución y no hay retorno al aumentar la longitud del barril. Para rondas de escopeta típicas, por ejemplo, esto ocurre a aproximadamente 13 ″. Utilizamos cañones de escopeta más largos por razones legales y ergonómicas. Para ver este fenómeno usted mismo fácilmente, busque las especificaciones de carga publicadas para los cartuchos que se usan tanto en pistolas como en rifles; en algunos hay poca ganancia en varias veces la longitud del cañón. Los volúmenes de propulsores más grandes (generalmente acompañados de una velocidad de combustión más lenta, es una cuestión de compromiso de velocidad y presión) se benefician de barriles más largos, o en realidad el volumen que llenan los gases propulsores. Los cartuchos de rifle de alta velocidad están sobrecargados y son muy ineficientes en el uso de la energía del propulsor, y generalmente usan barriles más largos para utilizar el mayor volumen de gas. El punto de rendimientos decrecientes ocurre a más de 13 ″ … quizás 50 ″ o más, aunque rara vez se ven cañones de rifle comunes de más de la mitad de esa longitud.

La mayoría de los otros encuestados escribieron en términos de armas ligeras personales como rifles. El esfuerzo por extraer más energía a través del cañón largo u otros trucos daría un arma de fuego poco práctica para el hombro o la mano. Me desviaré de eso, ya que hay lugares donde lo que mencionas ha sido probado.

En el esfuerzo por mantener la alta presión por más tiempo, sin exceder los límites de presión física del arma, hay formas más allá de la táctica estándar de un mayor volumen de propulsor de combustión más lenta quemada en un barril más largo. En la Primera Guerra Mundial, los alemanes construyeron piezas de artillería de cañón muy largas que tenían cargas propulsoras adicionales a lo largo del cañón. Hubo un trabajo considerable por parte del Dr. Gerald Bull después de ese trabajo después de la Segunda Guerra Mundial con miras a la exploración espacial y la artillería de muy largo alcance, el proyectil era esencialmente un cohete. Estos fueron dispositivos complejos que quemaron sus agujeros rápidamente, una desgracia aún menor artillería, cañones de tanques y rifles de alta potencia no se escapan.

Solo hay límites prácticos para la rapidez con la que puedes acelerar un proyectil quemando algunos químicos. Hace 150 años, ese límite era de aproximadamente 1800 pies / seg con polvo negro. Actualmente eso es más del doble con los propulsores de polímeros a base de nitro, con practicidades im mayores a velocidades cada vez mayores. Hay algún uso de helio altamente comprimido en la investigación de balística, y tal vez imanes o electricidad: no estoy en ese negocio, pero había tales propuestas conocidas públicamente.

Para finalmente tratar con “” qué destructivo “otro que para sí mismo, solo haga las matemáticas. KE = 0.5 * MV ** 2. Realizamos todo tipo de análisis complejos sobre las interacciones de proyectiles y carne, pero KE es una buena manera para describir el potencial. En cuanto a los objetos inanimados, es mucho más revelador. Una bala de núcleo de plomo blando de un rifle varmint a más de 4000 Fps se derretirá a través de una placa de acero, y más allá de eso, entrará en efectos destructivos en un nivel cósmico de velocidad aún mayor. .

Answer 4

“¿Podría crearse un arma con un cañón lo suficientemente largo, de modo que cada posible julio de energía en la pólvora pueda transferirse a la bala? ¿Y cuán destructivo sería en teoría un arma así?

Hay pérdidas inevitables de energía en cualquier arma de fuego: no se puede transformar toda la energía química del propulsor en energía cinética de la bala. Las tres mayores pérdidas provienen del calentamiento del barril y la bala, superando la fricción entre la bala y el barril, y la bala abandonando el barril mientras todavía hay una alta presión detrás de él. Solo el tercer tipo de pérdida disminuye a medida que aumenta la longitud del cañón. Los dos primeros tipos aumentan a medida que aumenta la longitud del cañón. Por lo tanto, hay una longitud de barril eficiente en la que se minimiza el total de los tres tipos de pérdida. Esa longitud depende de muchos detalles, pero generalmente no es mucho más que la longitud típica del cañón de un rifle. En otras palabras, puede ganar energía cinética duplicando o triplicando la longitud del cañón de un rifle típico, pero mucho más allá de eso, la bala no irá más rápido. Creo que no podrías hacer más que duplicar la energía cinética de los fusiles típicos de esta manera.

Answer 5

No es solo “cuánto tiempo”, creo que después de cierta atenuación de vibraciones se convierte en un problema, lo que actuaría en su contra.

“La rigidez de un barril es proporcional a la cuarta potencia del diámetro, e inversamente proporcional a la tercera potencia de la longitud. Debido a esto, los barriles cortos y gruesos vibrarán con alta frecuencia y baja amplitud, y los barriles largos y delgados vibrarán con baja frecuencia y alta amplitud. Debido al impacto de la longitud, los armónicos de barril son principalmente una preocupación con los rifles . Al usar el barril más corto y / o más gordo posible , la amplitud de las vibraciones puede minimizarse hasta el punto de que son irrelevantes para la precisión “.

Creo que el punto óptimo es de 18 “a 24” pulgadas, la afinación armónica aún puede atenuar y optimizar este rango, ¡pero por más tiempo da rendimientos disminuidos!

“Ajustar sus cargas, puede reducir la onda de frecuencia y la amplitud, la idea es tener una salida de bala lo más cerca posible de la posición estática inicial del hocico, por lo tanto, menos dispersión”.

También hay otras medidas que entran en juego, que son:

viscosidad turbulenta eddy

viscosidad cinemática molecular

viscosidad dinámica molecular

magnitud de la vorticidad

¡Todo esto trata del rendimiento del barril!

Answer 6

La pregunta es: ¿podría crearse un arma con un cañón lo suficientemente largo para que cada posible julio de energía en la pólvora pueda transferirse a la bala? ¿Y qué tan destructivo sería en teoría un arma así?

La respuesta es simple: la “pólvora” es el único propulsor de las balas. Cuando el propelente se quema según lo previsto, produce un volumen dado de gases a una temperatura y presión conocidas mediante pruebas. A medida que la bala baja (a través) del cañón, la presión del gas propulsor cae hasta que la bala sale del cañón. En las armas de fuego prácticas existentes, la cantidad de propelente medida previamente determina la presión máxima detrás de la bala.

La “pólvora” se llama “pólvora sin humo” en los Estados Unidos y se llama “cordita” en varios otros países. Todo está hecho de nitrocelulosa procesada (con aditivos que son irrelevantes aquí).

Literalmente, cien años de pruebas han brindado a los diseñadores de armas información precisa sobre la cantidad de propulsor y la longitud de los cañones de las armas que producen la velocidad máxima alcanzable para los proyectiles en tales sistemas.

No importa cuál sea la situación general y los factores, hay un límite práctico para la cantidad de propulsor que puede usarse. Si usa una onza de polvo y ese es el máximo que puede cargarse en el cartucho que usa, entonces una onza de polvo producirá una cantidad establecida de gases propulsores y la longitud máxima del barril estará limitada por ese factor.

Más allá de esa longitud óptima, un barril que es más largo que eso solo ralentizará la bala debido a la disminución de la presión y al aumento de la fricción. Esta es la razón por la cual los cartuchos que tienen muy poco propulsor a veces ni siquiera impulsan la bala fuera del cañón.

Answer 7

En física no hay un número de “poder destructivo”. En balística, la “energía cinética” se usa comúnmente en un intento de cuantificar la “destructividad”.

Una pistola simplemente lanza proyectiles. Los proyectiles de alta velocidad suelen tener más energía cinética que los proyectiles más lentos.

Ningún proyectil de pistola puede obtener toda la energía de su pólvora; parte se pierde como calor, sonido y fricción; parte del polvo no se quema por completo.

La energía cinética es energía cinética. Mire los cañones de riel experimentales actuales: sus proyectiles de ultra alta velocidad tienen el potencial de ser muy destructivos.

Answer 8

Es muy probable que se pueda crear, pero no sería más mortal que cualquier otra bala. La velocidad de una bala tiene poco que ver con su letalidad. La letalidad depende de dónde golpea la bala el cuerpo y de lo que hace al golpear. ¿Simplemente perfora un agujero que se expande y colapsa o la bala se expande y hace un daño mayor? La razón por la cual los militares usan balas de punto sólido es porque son menos letales. Si matas a un hombre, has sacado a un hombre de la pelea. Si lastimas a un hombre, lo sacas de la pelea y las dos personas deben llevarlo a atención médica.

Answer 9

La energía máxima del hocico no es la imagen completa. La longitud adicional del barril deja de ser útil tan pronto como la fricción metal sobre metal de forzar la bala hacia abajo del barril excede la fuerza proporcionada por los gases calientes del polvo en llamas. Cambiar la combinación de forma de bala, peso y material, geometría del orificio y “velocidad” y cantidad de polvo e incluso el volumen de la caja influirán en la energía del hocico. Esta es la razón por la cual los tiradores dedicados de largo alcance intentarán controlar todos estos factores con la máxima precisión.

Lo que lleva al factor más importante de alcanzar su objetivo. Los modos de vibración de barril son muy importantes para la precisión. Desea que la bala salga del hocico durante un período de movimiento mínimo, de modo que un momento ligeramente diferente tenga el menor impacto posible sobre dónde va la bala

Answer 10

Sí, ya existen. No son increíblemente más poderosos que otras armas de fuego.

Por ejemplo. Con una escopeta de calibre 12, la longitud del cañón que aprovechará toda la potencia del polvo es de 24 pulgadas. Cualquier cosa más corta y tu disparo golpea el aire antes de alcanzar la velocidad máxima, y ​​nunca alcanza su velocidad potencial máxima. Algo más, y su disparo alcanza su velocidad máxima, pero en realidad comienza a perder velocidad mientras está en el cañón.

Es más pronunciado con una escopeta, pero este ejemplo será válido en cualquier arma de fuego. La longitud mágica cambiará, por supuesto, pero habrá una longitud que produzca la velocidad más alta.

Answer 11

No. La fricción siempre está presente, lo que generará energía térmica, más la explosión misma genera energía térmica.

Además, alargar el cañón extiende el tiempo que se empuja la bala, ¡pero también debe aumentar la fricción!

Es mejor usar un proyectil explosivo. Eso haría lo que estás pensando.

Answer 12

No. A medida que la bala desciende por su largo cañón, habrá un punto en el que la energía cinética se eliminará a una velocidad mayor que la del gas de alta presión que está detrás, puede aumentarla. La bala se ralentizará y finalmente se detendrá. Todavía habrá gas presurizado detrás de él. La energía en el gas presurizado nunca se transferirá a la bala.

Para que toda la energía del gas se transfiera a la bala, la bala tendría que dejar el extremo del cañón en silencio sin desperdiciar energía en el sonido. El truco consiste en terminar el barril a la longitud a la que la velocidad de la bala comienza a disminuir. Garantizado que habrá mucho ruido, pero la transferencia de energía será óptima.

Answer 13

El factor limitante para aumentar el rendimiento de las armas de fuego es la vida útil del cañón. Más allá de aproximadamente 4000 fps, la erosión del estriado aumenta rápidamente, lo que resulta en una vida dramáticamente reducida del barril.