Flattened Ball powder Hodgdon BLC2
primo piano di un grano (foto al SEM)

Su di un precedente articolo (vedi al link) abbiamo dato una prima distinzione delle polveri infumi facendo riferimento alla tecnica utilizzata per la gelatinizzazione della nitrocellulosa. Senza dubbio, i processi e le modalità di produzione delle polveri propellenti presentano così numerose varianti, da rendere quasi impossibile una classificazione rapida e schematica. Oltre alle distinzioni già fatte per l’agente gelatinizzante impiegato, per la base singola o doppia, od ancora per la tecnica di realizzazione dei grani tra polveri laminate, estruse o granulari, rimane ancora da citare una grande famiglia delle polveri infumi, quella delle ball powder. Questo nome, che si potrebbe tradurre in “polveri sferoidali”, non si riferisce soltanto alla forma dei granuli, bensì all’intero processo di produzione che pur restando inalterato nelle sue basi chimiche rispetto alle altri polveri infumi, è stato profondamente rivoluzionato nei tempi e nei metodi operativi.

Il procedimento standard per la produzione di propellenti a base di nitrocellulosa richiede, oltre a numerose e costose manipolazioni, un periodo di tempo nell’ordine dei mesi per ciascun lotto di fabbricazione, con la conseguenza dell’accumulo pericoloso di grandi quantità in corso di lavorazione; ciò principalmente per la necessità di eliminare dalla nitrocellulosa, dopo il processo di nitrazione, ogni traccia di acidità residua che ne compromette la stabilità. Il processo di deacidificazione risulta particolarmente difficoltoso, sia a causa dei fenomeni di adsorbimento (gli acidi si legano alle superfici della fibra) sia per le numerose cavità nei filamenti di cellulosa. Da tali cavità è difficile che gli acidi residui (prevalentemente acido solforico) passino all’acqua di lavaggio. Di contro, un residuo acido accelererebbe quei processi di decomposizione spontanea per invecchiamento che determinano la formazione di gas, ossidi del carbonio e soprattutto di azoto. Questi ultimi combinandosi con l’ossigeno e l’umidità dell’aria, danno luogo ad altri acidi che accelerano ulteriormente il deterioramento della nitrocellulosa (reazione auto-catalizzante). Il deterioramento determina di solito l’emanazione di un odore acre e può condurre pericolosamente ad una accensione spontanea.

Fibre di cellulosa (foto al SEM)

Il lungo processo di deacidificazione della nitrocellulosa richiede almeno 4 lavaggi preliminari in tini con acqua bollente e successivi risciacqui con acqua fredda, sequenza che impiega circa 40 ore; un successivo polpaggio: la nitrocellulosa viene sminuzzata in corte fibre per facilitare la fuoriuscita dell’acido dalle cavità (vengono aggiunti anche dei sali come il carbonato di sodio per una migliore neutralizzazione); ed infine ancora una serie di lavaggi tra bolliture e risciacqui. Questo per un totale di una ventina di passaggi ed una durata complessiva di oltre 52 ore di trattamento.

Fibre di cotone (foto al SEM) - il cotone è costituito da cellulosa quasi pura e spesso si parte da questo materiale per l’ottenimento della nitrocellulosa (nello specifico: nitrocotone) - con il cotone, le cavità nelle fibre sono ancora più presenti. Le fibre hanno infatti forma cava tubolare appiattita

Si applicò allo studio della stabilizzazione delle nitrocellulose, fin dal lontano 1920, il chimico americano Fred Olsen il cui nome rimarrà per sempre legato allo sviluppo delle ball powder. Addetto alla fabbrica di munizioni per l’esercito dell’Arsenale di Picatinny (New Jersey), nonostante il disinteresse delle autorità ufficiali, continuò gli studi sulla stabilizzazione della nitrocellulosa per suo conto, finché giunse a scoprire l’utilizzazione razionale della difenilammina e ad escogitare un processo di fabbricazione completamente originale che mise a frutto nel 1929 passando alla Western Cartridge Company delle industrie Olin.

Olsen intuì la necessità di invertire l’ordine dei processi di bollitura e polpaggio, il polpaggio infatti liberava gli acidi intrappolati nelle cavità dei filamenti, andando a contaminare le parti esterne della fibra già deacidificate durante la bollitura, inoltre grazie all’ausilio della difenilammina riuscì ad ottenere un dimezzamento dei tempi necessari alla stabilizzazione delle nitrocellulose. La difenilammina in bassa percentuale, oltre ad avere un effetto stabilizzante sulla nitrocellulosa finita, ha la proprietà di essere assorbita dalle fibre più avidamente degli acidi, ne prende quindi il posto liberando l’acido nella soluzione di lavaggio.

Il processo per la fabbricazione delle ball powder che lo stesso Olsen mise a punto, si combina bene con la sequenza per la stabilizzazione rapida della nitrocellulosa e rappresenta un conveniente metodo per la produzione di polveri a solvente fisso i cui grani possono essere rivestiti da sostanze ritardanti o acceleranti. La nitrocellulose, subito dopo essere stata polpata e sottoposta ad una prima bollitura per ridurre il contenuto acido, può essere utilizzata direttamente senza l’ausilio di altri passaggi di deacidificazione. Dopo essere stata miscelata ad acqua e triturata, può essere usata anche polvere infume ormai deteriorata, contenente prodotti di decomposizione acida.

Flattened Ball powder Hodgdon BLC2
grani globulari lisci e compatti (foto al SEM)

Qualunque sia la materia prima utilizzata, la prima necessità è quella di stabilizzarla con la completa rimozione dell’acido. A tal fine, nel processo originale, il materiale di partenza in presenza di acqua viene disciolto da un agitatore in acetato di etile contenente difenilammina, per formare una sorta di sciroppo detto lacca o vernice. Come accennato, la difenilammina viene assorbita dalla nitrocellulosa più facilmente dell’acido già presente. Allo stesso tempo si aggiungono gli additivi o qualsiasi altra sostanza che si desideri incorporare nella polvere per eventualmente variarne il burning rate (flemmatizzanti) o la temperatura di deflagrazione (raffreddanti), etc.

La fase di acqua e lacca viene quindi mescolata per 30 minuti ottenendo la nitrocellulosa stabilizzata. Vengono quindi introdotti ancora nella soluzione, amido o gomma arabica per garantire la necessaria consistenza colloidale, dopo il passaggio ad un distillatore in pressione, la temperatura viene elevata in modo che la vernice diventi meno viscosa. A questo punto la nitrocellulosa si presenta come uno strato separato che galleggia sull’acqua del distillatore (l’acetato di etile gelatinizza la nitrocellulosa). Questo strato viene frammentato da pale ruotanti ed i frammenti liquidi vanno a formare goccioline sferiche in emulsione. Le dimensioni dei globuli possono essere regolate dal grado di agitazione meccanica. Quando sono raggiunte le dimensioni volute le pale dell’agitatore vengono fermate e la pressione viene ridotta, l’acetato di etile viene distillato e recuperato. Se la distillazione è effettuata troppo rapidamente, i grani assumono la forma di fiocchi. Se essa viene effettuata ad un ritmo tale che il solvente volatile possa evapora dalla superficie dei globuli alla medesima velocità di quanto esso si muova dall’interno verso la superficie degli stessi, si ottengono dei grani sferoidali lisci, densi e di struttura omogenea.

Eliminando l’acetato di etile, le sfere di nitrocellulosa si indurisco trattenendo parte dell’acqua in cui si trovano immerse. Per facilitarne la disidratazione, si incrementa progressivamente il contenuto salino della soluzione acquosa aggiungendo solfato di sodio (un sale). In questo modo si avvia un trasferimento osmotico attraverso la superficie dei grani: l’acqua a minor contenuto salino, tende a trasferirsi dall’interno dei granuli alla soluzione esterna, essendo questa a concentrazione salina più alta. A disidratazione avvenuta, la soluzione salina viene ricambiata con nuova acqua.

Dopo la disidratazione (parziale), le sfere di nitrocellulosa vengono impregnate (imbibizione) in giusta dose con una emulsione di nitroglicerina. Nella medesima fase si possono aggiungere anche altri agenti di rivestimento ad esempio flemmatizzanti e raffreddanti. Dopo di che, la polvere si essicca, lasciando la nitroglicerina e le altre sostanze depositate sulla superficie dei grani a formare una cuticola di medio spessore. La polvere viene poi grafitata (miglioramento della scorrevolezza e riduzione dell’accumulo di elettricità statica), si selezionano i granuli secondo le dimensioni e la densità, si elimina lo scarto che viene rilavorato, infine si formano le miscele dei vari lotti in modo da standardizzare la produzione. Per alcune polveri, al fine di modificare ed uniformare i tempi combustivi dei grani ed in alcuni casi facilitarne l’accensione (tipicamente difficile nelle ball powder a causa della cuticola prima descritta), si prevede anche una fase intermedia di calandratura: i grani vengono passati tra rulli caldi in acciaio in modo da deformarli plasticamente da sferoidali a discoidali, appiattendoli al medesimo spessore ed ottenendo, se desiderata, anche una frattura del rivestimento (prevalente sulla linea mediana del grano); le polveri in questo caso si identificano come “flattened ball powder”.

Il processo di calandratura risolve anche un problema di costi di produzione. Infatti, proprio per il metodo usato nella determinazione della dimensione dei grani, non è possibile ottenere con precisione globuli di taglia unica. Questo determinerebbe, in fase di selezione dimensionale, un notevole abbattimento delle quantità prodotte ed una grossa parte della polvere andrebbe rilavorata (soprattutto per polveri con grani di piccolo diametro). La calandratura permette di avvicinare le caratteristiche balistiche dei grani più grossi, che vengono appiattiti, a quelle dei grani di diametro inferiore non deformati. Anche per questo è tipico trovare congiuntamente grani flattened e non flattened nella medesima confezione di polvere.
Da notare che prima dell’essiccazione, tutte le operazioni per la produzione delle ball powder sono svolte in acqua, quindi sicure.

Flattened Ball powder Hodgdon BLC2

Dal punto di vista fisico-chimico il procedimento che abbiamo sommariamente descritto presenta parecchie caratteristiche molto importanti. Fondamentale diventa la funzione della difenilammina, la quale da semplice additivo dell’impasto di nitrocellulosa già gelatinizzata, assorbente degli ossidi di azoto prodotti dall’attacco dell’acido ancora presente, passa adesso a componente essenziale che agisce sulle fibre della cellulosa: vi penetra completamente e sposta in pratica tutto l’acido proveniente dalla nitrazione. In tal modo con grande efficacia e rapidità viene eliminata la causa della decomposizione della nitrocellulosa la quale diviene completamente stabile; e con ciò sono eliminati molti pericoli della conservazione. Questa funzione della difenilammina viene compiuta invece solo parzialmente nel processo tradizionale di lavorazione.

In secondo luogo, l’impregnazione dei globuli con nitroglicerina in emulsione dopo la gelatinizzazione e l’aggiunta di flemmatizzanti, consente di regolare con grande precisione lo sviluppo della combustione del granulo, formando uno strato esterno, a volontà più o meno spesso, a combustione rallentata. La velocità di combustione, e con essa lo sviluppo dei gas, viene rallentata all’inizio e accelerata alla fine compensando la riduzione delle dimensioni del grano (i grani bruciano per strati paralleli). In tal modo, si avrà uno sviluppo di pressioni progressivo e senza il superamento dei limiti di sicurezza, avendo anche la massima resa come spinta sul proiettile.

Il gruppo Olin mise in produzione la ball powder nel 1933 ad East Alton nell’Illinois, per lanciare la nuova polvere la Winchester (sempre del gruppo Olin) mise sul mercato le cartucce 308 Winchester e per il medesimo calibro, una versione alleggerita del modello 70 a ripetizione. Il Dipartimento della Guerra statunitense, di fronte alla qualità e ai vantaggi della nuova polvere, assorbì quasi tutta la produzione e notevoli quantità furono prodotte allo scoppio della 2^a guerra mondiale. La prima conseguenza rivoluzionaria fu che gli stessi risultati balistici potevano essere ottenuti con cartucce il cui bossolo contiene un molto minor volume di polvere e che perciò può essere molto accorciato: da cui minori dimensioni, peso e ingombro di armi e munizioni ridotti e risparmio di costi. Da questi risultati è derivata la cartuccia T65 per l’armamento unificato NATO (anche detta: “U.S. Ball Cartridge T65″ o ancora “7,62 NATO”). Questa nuova munizione era in grado di generare più o meno le stesse prestazioni del .30-06 Springfield, pur possedendo delle dimensioni minori: in particolare il bossolo misurava solo 51mm contro i 63mm del .30-06.

Speedy.

Bibliografia:

“Tecnologia delle armi da fuoco portatili” di Giuseppe De Florentiis
Milano - Ulrico Hoepli Editore, 1987.
“Hatcher’s Notebook” di J.S.Hatcher
Harrisburg (PA) - Stackpole Books, 1966 (III edizione).
“The Chemistry of Powder and Explosives” di Tenney L. Davis
Hollywood (CA) - Angriff Press, 1972.

Alcune volte capita ancora di parlare del moly-coating, ossia di un particolare trattamento superficiale a cui vengono sottoposti i proiettili soprattutto per carabina. Si tratta di un sottilissimo rivestimento a base di “molybdenum disulfide”, in italiano: bisolfuro di molibdeno, abbreviato dagli americani in “moly”.

Figura 1 - Bisolfuro di molibdeno al microscopio elettronico

Il bisolfuro di molibdeno, similmente alla grafite, viene usato generalmente in forma di polvere impalpabile dal colore grigio-antracite o nero e, come la grafite, ha una struttura lamellare che consente di ottenere bassi coefficienti di attrito (vedi Figura 1). Le lamelle infatti scorrono facilmente l’una sull’altra anche ad elevati carichi. Il coefficiente di attrito del bisolfuro di molibdeno rimane praticamente costante al crescere della temperatura, sino ad arrivare agli 800 o 900°C, temperatura superata la quale si ha la tendenza alla decomposizione del bisolfuro con la separazione del molibdeno metallico. A questa temperatura il coefficiente di attrito sale notevolmente sino a raggiungere i valori tipici dei metalli puliti (da: “Attrito e Lubrificazione” di E.P.Bowden e D.Tabor).

Come detto, poiché il bisolfuro di molibdeno ha un buon coefficiente d’attrito, esso viene impiegato per rivestire superfici striscianti allo scopo di migliorarne le caratteristiche d’attrito. Tuttavia, avendo una struttura lamellare con debole adesione tra le lamelle, risulta difficoltoso farlo aderire bene alle parti da lubrificare. Un metodo generale è quello di strofinarlo sulle superfici stesse, ma se i risultati dovessero essere scarsi, non resta altro che fissarlo con l’ausilio di resine adatte od utilizzando sostanze veicolanti opportune.

Date le caratteristiche antiattrito, si è pensato quindi di applicare il moly alla superficie dei proiettili per ridurre principalmente l’attrito di strisciamento in canna. Il sistema sin dalla sua comparsa ha avuto sostenitori e detrattori ma, come spesso accade, pochi hanno condotto test approfonditi sull’argomento. I principali vantaggi che il trattamento dovrebbe fornire sono: riduzione della pressione di esercizio a parità di V₀, miglioramento della precisione, estensione della vita della canna e riduzione dei depositi metallici rilasciati allo sfregamento della mantellatura dei proiettili. Su quest’ultimo punto bisogna dire che a fronte di una potenziale riduzione dei residui metallici sulla rigatura, nella sezione della canna immediatamente successiva alla camera di cartuccia, si potrà avere un accumulo di moly, pericoloso per la possibilità di sovrappressione. La cadenza di pulizia della canna non dovrebbe quindi essere allungata.

Il metodo di applicazione alla superficie dei proiettili è generalmente quello per urto e strofinio meccanico, ottenuto al’interno di un buratto a vibrazione (tumbler). Nel buratto vengono inserite le palle previa sgrassatura, una opportuna quantità di bisolfuro di molibdeno in polvere e delle sfere di acciaio da 3,5 o 4 mm (con rapporto sfere/palle di 2 a 1 in peso). Per circa 3Kg di carico sono necessarie almeno 2 ore di burattatrice dopo le quali le palle, separate dalle sfere d’acciaio, vengono ripulite dall’eccesso di moly mediante un secondo rapido passaggio in vibropulitore con graniglia di tutolo oppure usando un panno morbido. Il metodo industriale prevede, oltre alla deposizione del moly, anche un secondo trattamento di fissaggio del rivestimento con un sottilissimo strato addizionale di cera carnauba (processo originale della NECO).

Nelle nostre letture ci siamo imbattuti in quello che, secondo noi, è uno tra i migliori libri sull’analisi della precisione delle carabine: “Rifle Accuracy Facts” di Harold R. Vaughn (vedi la sezione Biblioteca). Da questo testo riportiamo un estratto, tradotto e rielaborato, di un paragrafo dedicato al test delle palle moly-coated, paragrafo che reputiamo estremamente interessante, se non altro per l’intuizione avuta dall’autore nella conduzione della prova (vedi al punto 1 di quanto a seguire).
I valori numerici di seguito riportati, si riferiscono alla media di un numero di campioni mai inferiore a cinque.

Moly Coated Bullets (da “Rifle Accuracy Facts” di H.R.Vaughn)

Recentemente si è scritto molto sui proiettili aventi un rivestimento in bisolfuro di molibdeno e cera carnauba. L’idea è che, sia il bisolfuro di molibdeno che la cera carnauba sono lubrificanti, essi dovrebbero ridurre l’attrito in canna e migliorare le prestazioni. I produttori di proiettili moly-coated pubblicizzano cinque principali miglioramenti, ho deciso di provare a testarli:

1) V₀ maggiori a parità di picco pressorio; grazie alla riduzione di attrito tra proiettile e canna, alla medesima pressione di picco, dovrebbe essere possibile raggiungere velocità alla volata superiori. Si afferma inoltre che con la stessa carica di polvere, un proiettile moly-coated rispetto ad un proiettile standard, a causa della riduzione degli attriti in canna avrebbe una velocità iniziale lievemente inferiore (decremento prossimo al 3 o 4%).

Ho effettuato un test specifico con ogive da 68 grani calibro 6mm (arma: rail gun Remington) con e senza trattamento al moly, sono stati rilevati i parametri di velocità alla volata e pressione in camera di cartuccia. La velocità media rilevata per i proiettili non rivestiti è stata di 3175 fps (968 m/s) rispetto ai 3083 fps (940 m/s) dei proiettili rivestiti. La differenza di velocità è stata quindi di 92 fps (28 m/s) o del 2,9%: dato che concorda con l’affermazione del produttore. Le misurazioni della pressione sono mostrate in Figura 2: per le ogive non trattate (foto a SX) e per quelle con rivestimento al moly (foto a DX). La scala verticale è di 10000 PSI (690 bar) per divisione. La pressione della camera era di circa 54000 PSI (3720 bar) per le pallottole non rivestite e di 47000 PSI (3240 bar) per i proiettili rivestiti (una differenza prossima ai 7000 PSI ossia 482 bar). L’effetto sulle pressioni della camera e sulle velocità alla volata, non cambiava alternando durante i test proiettili con e senza moly. Questo indica che non vi è alcun effetto residuo del rivestimento al moly le cui sostanze vengono quasi totalmente espulse dalla canna durante la deflagrazione.

Figura 2 - Tracce all’oscilloscopio che presentano la misura di pressione in camera con e senza trattamento al bisolfuro di molibdeno e cera carnauba. La foto a SX mostra una pressione di picco di circa 54000 psi (velocità iniziale di 3175 fps) per le pallottole non rivestite e la foto a DX mostra una pressione di picco in camera di circa 47000 psi (velocità iniziale di 3083 fps) per i proiettili rivestiti. Sono stati utilizzati proiettili match da 68 grani, 6mm-BR, e carica di lancio ottenuta con 27gr. di N133.

Credo che il calo di pressione e di velocità registrato, non sia in realtà causato da una riduzione degli attriti, come proposto dai produttori (nel caso specifico la svedese Norma Precision), ma esso sia causato dal gas propellente caldo (5640°F / 3115°C) che vaporizza le sostanze del rivestimento al moly. Tale vaporizzazione ha come conseguenza un raffreddamento complessivo dei gas propulsivi.

La ragione per cui di questo sono certo è che, se si utilizza un sofisticato simulatore di balistica interna riducendo notevolmente il fattore d’attrito in canna, la pressione scende così come atteso, ma la velocità aumenta leggermente. E’ infatti fisicamente impossibile che la riduzione dell’attrito in canna determini l’effetto misurato sulla pressione e la velocità (decremento congiunto di entrambi i parametri). Inoltre l’attrito del proiettile ha un effetto molto limitato sulla velocità. D’altra parte, la vaporizzazione del lubrificante richiede molta energia e provoca un calo della temperatura stimato in circa 400°F (200°C).

Il bisolfuro di molibdeno comincia a sublimare a 842°F (450°C) e fonde a 4802°F (2650°C – il molibdeno metallico fonde a 2623°C). Al fine di provare questa idea ho deciso di eseguire un test in cui ho semplicemente messo 0,07 grani di bisolfuro di molibdeno e 0,07 grani di cera carnauba nella parte superiore del bossolo, sulla polvere. Avevo infatti trovato che la differenza di peso, tra i proiettili rivestiti e non rivestiti, fosse di circa 0,15 grani (si è ipotizzato un contributo al 50% tra moly e cera) . Con questa particolare ricarica, la pressione misurata in camera si è ridotta di circa 4500 PSI (310 bar) e la velocità media si è ridotta di 50 fps (15 m/s). Questo risultato è simile, in termini di variazione di pressione e velocità, ai valori ottenuti durante la prova comparativa tra proiettili rivestiti e non rivestiti, anche se l’effetto è stato di entità inferiore. Forse, giocando sul rapporto tra bisolfuro di molibdeno e cera, si potrebbe ottenere un risultato identico a quanto rilevato nel confronto tra le tipologie di proiettili. Comunque, questo test mi ha convinto che il bisolfuro di molibdeno raffredda il gas propellente e ne determina la riduzione di pressione. In ogni caso, la perdita di pressione della camera non ha nulla a che fare con l’attrito del proiettile.

Il passo finale era poi quello di aumentare la carica di lancio del 6mm-BR, da 27 a 28 grani di N133 e cercare di spingere i proiettili rivestiti allo stesso livello pressorio dei non rivestiti, misurando contestualmente la velocità alla volata. Con 28 grani di N133, la curva di pressione ottenuta è stata quasi identica a quella rilevata sui proiettili non rivestiti e mostrata in Figura 2 (a SX), la velocità è stata di 13 fps (4 m/s) più elevata di quanto misurato sui proiettili tradizionali (non trattati al moly). La Norma Precision, a parità di pressione, dichiara un aumento della velocità con differenze prossime ai 10 m/sec (32 fps), dato che ci pare verosimile. Comunque, non ho trovato molto incoraggiante l’aumento delle prestazioni velocitarie ottenuto.

2) Si è spesso sentito dire che, a lunga distanza (600 metri), il punto di impatto dei proiettili rivestiti fosse più in alto rispetto ai medesimi privi del trattamento al moly, il che implica una traiettoria più tesa quindi un aumento del coefficiente balistico del proiettile trattato. Ho misurato la perdita di velocità su una distanza di 100 metri comparando proiettili rivestiti e non rivestiti. I proiettili non rivestiti perdono 325 fps (99 m/s) contro i 323 fps (98,4 m/s) di quelli rivestiti. La differenza di 2 fps (0,6 m/s) è entro i limiti di accuratezza della misura, quindi sono costretto a concludere che non ci sia alcuna differenza nel coefficiente balistico. Inoltre, non vi è alcun motivo di aspettarsi una significativa differenza del coefficiente balistico perché la pallottola avrà perso quasi totalmente il proprio rivestimento lubrificante se non all’interno della canna, in prossimità della volata. Il proiettile infatti è caldo (600°F / 315°C) e lo strato limite (aria prossima alla superficie del proietto) è anch’esso caldo (750°F / 400°C), questo farà in modo che il rivestimento in cera svanisca quasi istantaneamente ammesso che ne siano rimaste tracce dopo aver attraversato la canna.

Inoltre, non vi è alcun fondamento nell’idea che un qualsiasi tipo di rivestimento lubrificante possa ridurre la resistenza aerodinamica abbassando l’attrito superficiale del proiettile. Ammesso comunque che ciò sia accaduto, l’attrito aerodinamico dovuto alla superficie del proiettile è solo una piccola parte della resistenza aerodinamica totale. Quanto riportato sul miglioramento balistico dei proiettili moly-coated è certamente dovuto all’ottimistica stima dell’aumento velocitario raggiungibile o dovuto al diverso istante d’uscita dalla canna (frequenza di vibrazione) connesso alle diverse velocità tra i caricamenti esaminati.

3) Si è portati a credere che le palle moly-coated abbiano una maggiore accuratezza (fino al 20%). Non trovo che questo sia vero sulla mia carabina (rail gun Remington) che in media spara con rosate da 0,175 pollici a 100 yards (4,45mm a 91,4m). Con la stessa carica ottimale di 27 grani di H322 e lo stesso lotto di proiettili (alcuni dei quali successivamente trattati al moly), ho ottenuto una dimensione media della rosata di 0,179” (4,55mm) con proiettili al moly, rispetto agli 0,175” (4,45mm) per le pallottole non rivestite. Naturalmente, le velocità alla volata differivano di 92 fps (28 m/s), come detto, una V₀ inferiore per i proiettili moly-coated (a parità di carica di lancio). Quando ho provato ad incrementare la carica sino ai 28 grani (palle moly-coated), in modo da ottenere la stessa velocità iniziale dei proiettili non rivestiti, la dimensione della rosata è aumentato a circa 0,3 pollici (7,62mm).

Per quanto ho potuto vedere la precisione non è stata migliorata, ma questo è il caso di una specifica arma in una specifica condizione. I risultati potrebbero essere diversi con cartucce differenti ed armi differenti. Inoltre non ho fatto alcun tentativo per ottimizzare la ricarica. Una cosa che mi venne in mente fu che, se non si ottiene una buona uniformità del rivestimento in cera e moly, si potrebbe creare uno spostamente del centro di gravità della pallottola rispetto all’asse geometrico della stessa. Il bisolfuro di molibdeno ha una densità che è circa il 40% di quella del piombo. Così, un rivestimento non uniforme potrebbe fare la differenza. Credo comunque che il rivestimento da me attenuto sia un buon rivestimento tra quelli tipicamente realizzabili.

4) Si sostiene che i proiettili moly-coated riducano la formazione di incrostazioni e residui in canna. Credo che questo possa essere vero, anche se non ho sparato abbastanza proiettili rivestiti al moly tali da consentire una stima quantitativa degli effetti. Tuttavia, ho avuto l’impressione che non fosse necessario pulire frequentemente la canna.

5) La Norma Precision sostiene che la vita media della canna venga estesa con l’uso di pallottole rivestite. Credo che questo possa essere vero e logico. Dopo tutto, la pressione e la temperatura vengono ridotte a parità di carica e questo dovrebbe ridurre l’erosione della canna. Tuttavia, non voglio sparare decine di migliaia di colpi solo per scoprirlo e poter essere certo di tale affermazione.

In sintesi

Non ho trovato alcuna prova significativa di una migliorata prestazione velocità/pressione, né di un miglioramento della precisione o del coefficiente balistico. I proiettili moly-coated sembrano invece mantenere più pulita la canna. L’effetto sulla vita media della canna non è stato testato. In questo limitato test e per i miei scopi, non vedo alcun motivo che mi spinga all’utilizzo di proiettili rivestiti. Tuttavia, si consiglia di provare, perché al cambiamento delle condizioni si potrebbero ottenere risultati differenti.

Rilevamento allo sparo di una Para-USA LDA in cal. 45
Foto originale di Joe Huffman: blog.joehuffman.org
Ottimizzazione a cura di: ArtMagicBox.com

• Presupposti teorici del rinculo
  
• Il sistema di misura utilizzato
  
• Organizzazione dell’esperimento
  
• Risultati sperimentali
  
• Conclusioni
  
• Considerazioni finali
  

Spesso, sui campi di tiro dinamico, si discute della convenienza di raggiungere il Power Factor desiderato (di seguito PF) usando palle dal peso maggiorato piuttosto che standard. La tradizione di questo sport suggerisce infatti che il minor rinculo (e quindi il minore rilevamento dell’arma, potendo doppiare più velocemente i colpi) è ottenibile utilizzando ogive, ancora compatibili con il calibro in uso ma, dal peso più elevato possibile. Oltre alle considerazioni soggettive ed alla sensibilità di ciascun tiratore, pochi sono stati coloro i quali hanno tentato di giustificare teoricamente il presunto fenomeno e ancor meno, coloro che hanno effettuato delle prove ripetibili ed oggettive in una comparazione misurabile. Di contro, proprio perchè basata su dati soggettivi, la questione risulta piuttosto controversa.

Determinati a porre rimedio a questa lacuna di sperimentazione, dopo diverse decine di ore trascorse in laboratorio e sui campi di tiro per la messa a punto del sistema di misura, siamo oggi in grado di proporre ai nostri lettori i risultati dei test sul supposto vantaggio offerto dall’uso delle ogive pesanti. A seguire potremo finalmente dare un’idea quanto meno qualitativa, se non addirittura quantitativa, della diversità di reazione dell’arma. Oltre all’impennamento della stessa, abbiamo anche voluto rilevare i tempi di riarmo: misurando infatti la reazione del carrello, abbiamo verificato se anche da questo punto di vista, ci fossero variazioni degne di nota al mutamento del peso palla.

In quest’articolo proveremo dunque a rispondere alle seguenti domande:

1) Esiste un presupposto teorico che fa propendere per il caricamento con palla pesante?
2) A parità di fattore, è conveniente usare palle pesanti piuttosto che leggere per ridurre il rilevamento dell’arma ?
3) Usando palle pesanti, si rallenta il ciclo di riarmo della pistola ?

Presupposti teorici del rinculo (↑)

Questa sezione tratterà di alcuni presupposti teorici, a volte un po’ astratti. Per coloro che non fossero particolarmente interessati a questi passaggi matematici, suggeriamo di procedere alla lettura della sezione successiva.

Un noto principio della fisica scoperto da Newton (1643-1727), afferma che ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. Questo principio lo conoscono bene tutti coloro a cui è mai capitato di sparare un colpo con armi da fuoco.

La teoria che sta alla base del rinculo è piuttosto complessa, ma in estrema sintesi, possiamo affermare che un’arma rincula a causa della legge di conservazione della quantità di moto. In sistemi isolati, ossia non soggetti a forze esterne al sistema stesso, per una legge della fisica, la quantità di moto totale del sistema non può cambiare  (la quantità di moto iniziale deve uguagliare quella finale). Si definisce quantità di moto q di un corpo di massa m, che si muove alla velocità V, proprio il prodotto massa per velocità: q=m•V (per semplicità, si ometteranno le indicazioni di vettore).

Ad esempio, possiamo considerare come un sistema, un fucile carico. La quantità di moto totale di questo sistema è nulla perché, considerando il sistema in quiete, ogni sua parte è ferma, quindi le velocità sono nulle. Al momento dello sparo si ha una variazione di quantità di moto perché all’interno della canna del fucile si sta accelerando la pallottola che assumerà alla volata la propria V₀ ed una quantità di moto pari a:

q_palla = m_palla • V₀

Ipotizzando il sistema isolato (esso cioè non interagisce con l’ambiente che lo circonda), possiamo applicare la legge di conservazione della quantità di moto: se inizialmente, la quantità di moto del sistema “fucile più pallottola” era nulla, anche dopo lo sparo dovrà rimanere nulla (la quantità di moto si conserva). Quindi il fucile dovrà assumere una sua quantità di moto uguale e contraria a quella assunta dal proiettile: somma “algebrica” nulla (sarebbe più corretto parlare di somma vettoriale). In definitiva, il fucile verrà “spinto” nel senso opposto (all’indietro) rispetto all’espulsione del proiettile, sino ad assumere una velocità per cui:

m_arma • V_arma = m_palla • V₀

La quantità di moto del fucile deve eguagliare quella del proiettile: q_arma = q_palla. A questo, in definitiva, è dovuto l’impulso di forza (I_r) che si avverte allo sparo di un’arma, impulso noto come “rinculo”.

Dovendo andare nel dettaglio, al momento dello sparo, oltre ad imprimere una certa velocità al proiettile, stanno accelerando, subendo quindi anch’essi variazione di quantità di moto, i gas di deflagrazione. La loro massa totale, nell’ipotesi di interazione nulla con l’aria, può essere considerata pari a quella della polvere propellente contenuta nella cartuccia (legge chimica di Lavoisier sulla conservazione della massa). La velocità di tali gas è nulla in corrispondenza del fondello del bossolo (culatta dell’arma) e pari alla velocità del proiettile un istante prima che esso lasci il vivo di volata. Per semplificare, possiamo quindi considerare una velocità media dei gas all’interno della canna pari a V₀/2. Ritornando all’equazione ed effettuando le medesime considerazioni sulla conservazione della quantità di moto, dovremo quindi avere:

m_arma • V_arma = m_palla • V₀ + m_polvere • V₀/2

Il fucile, pertanto, verrà spinto all’indietro non solo a causa dell’accelerazione del proiettile, ma anche a causa dell’accelerazione dei gas di deflagrazione. Queste due prime componenti del rinculo costituiscono quello che viene definito “rinculo primario”.

Esiste una terza componente da considerare, componente che viene denominata di “rinculo secondario”: essa, a differenza delle prime due, interviene al momento dell’uscita del proiettile dalla canna (cioè dopo il “tempo di canna”). Non appena il proiettile lascia la volata infatti, i gas contenuti nella canna si espandono rapidamente sino a raggiungere la pressione atmosferica. Questa violenta fuoriuscita dei gas provoca una sorta di “propulsione”, un “effetto razzo” o “Jet”, che determina una quantità di moto addizionale pari a

q_gas = m_polvere • V_gas

La velocità di efflusso dei gas di deflagrazione dalla volata è generalmente, soprattutto in armi a canna corta, di molto superiore alla velocità del proiettile (i gas superano il proiettile appena oltrepassata la volata). Quindi sommando tutte le componenti del rinculo avremo infine:

m_arma•V_arma = m_palla•V₀ + m_polvere•V₀/2 + m_polvere•V_gas

La velocità di efflusso dei gas, V_gas , non è facilmente rilevabile e spesso ci si affida a stime di massima, relazioni empiriche (es. Hatcher) o a tabelle sperimentali raccolte da laboratori balistici. Applicando quanto detto al nostro caso sperimentale, che prevede l’uso di una pistola, proprio facendo riferimento a tali tabelle per il calibro e la lunghezza di canna considerata (9×21, 113mm), abbiamo approssimato che la velocità di efflusso dei gas fosse quasi doppia rispetto alla velocità del proiettile.
Più esattamente, supporremo:

V_gas = 1,9 • V₀

Semplificando e sostituendo V_gas , avremo le equazioni:

m_arma • V_arma = m_palla • V₀ + m_polvere • V₀ • ( 0,5 + 1,9)

m_arma • V_arma = m_palla • V₀ + m_polvere • V₀ • 2,4

Da questa relazione capiamo che ciò che chiameremo impulso di rinculo Ir = m_arma • V_arma (l’unità di misura dell’impulso è il Newton x secondo: N•s), dipenderà sia dal prodotto tra massa della palla e velocità di questa alla volata (definizione che ricorda, non casualmente, quella del PF: m_palla in grani moltiplicata la V₀ in fps, diviso 1000), che dalla quantità di polvere contenuta nella cartuccia moltiplicata per K volte la V₀, con K da definire in base al calibro, all’arma, alla lunghezza della canna e alla tipologia di munizionamento (nella nostra ipotesi K=2,4).

Venendo adesso ai presupposti teorici che dovrebbero avvantaggiare una ogiva pesante rispetto ad una leggera a parità di PF, ci rendiamo immediatamente conto che, avendo dato come condizione iniziale l’avere appunto il medesimo PF o in altri termini la medesima quantità di moto del proiettile (m_palla•V₀), i due caricamenti avranno impulsi di rinculo che differiranno solo per la quantità di moto legata alla massa della polvere, presumibilmente inferiore per la palla pesante che inoltre si muoverà a V₀ più basse. Ecco in cosa consiste il vantaggio legato all’uso delle palle pesanti, vantaggio accresciuto dall’impiego di polveri veloci tali da minimizzarne la dose (e quindi la massa). In conclusione, il vantaggio ottenuto in termini di impulso di rinculo sarà nel nostro caso:

ΔI_r = I_{r palla leggera 1} - I_{r palla pesante 2} =

= 2.4 • (m_{polvere 1} • V₀₁ – m_{polvere 2} • V₀₂)

con m_{polvere 1} > m_{polvere 2} e V₀₁ > V₀₂.

La quantificazione del vantaggio sopra determinato e quanto questo incida in termini di rilevamento dell’arma, saranno oggetto della parte seguente dell’articolo.

Il sistema di misura utilizzato (↑)

Per esigenze costruttive, l’impugnatura di una pistola si trova fuori asse in posizione inferiore alla canna. A causa di tale configurazione, al momento dello sparo, l’impulso di rinculo non provoca un semplice arretramento dell’arma, ma il vincolo sull’impugnatura determina una coppia che tende a far ruotare la pistola verso l’alto. Il moto retrogrado di rinculo verrà quindi scomposto ed assorbito anche nel rilevamento. Per le nostre prove ci siamo avvalsi di un rest rinculante che, a causa dei propri vincoli meccanici, “convertirà” l’impulso di rinculo nel “solo” movimento permesso: il rilevamento. Per misurare sia il rilevamento che la velocità del ciclo di riarmo, abbiamo utilizzato un Caldwell Hammr rest opportunamente modificato. In particolare abbiamo aggiunto, in parallelo alla molla idraulica di richiamo, un sensore elettronico di tipo potenziometrico tale da rilevarne l’elongazione (ad essa è infatti riconducibile la rotazione retrograda del rest in rilevamento - Figura1).

Figura1 - Rest e sensore potenziometrico

Inoltre, è stato costruito un sensore ad infrarossi che accoppiato ad un profilo ad “L” applicato alla pistola, è in grado di segnalare elettronicamente la posizione di carrello chiuso, permettendoci così di rilevare i tempi necessari per il ciclo di riarmo (Figura2).

Figura2 - Rest e sensore carrello

Per maggiori dettagli sulle modifiche effettuate al rest, attraverso l’indice potrete visionare tutti gli articoli relativi al Caldwell Hammr.

Organizzazione dell’esperimento (↑)

Per la prova sperimentale abbiamo utilizzato una pistola molto diffusa per il tiro dinamico (in categoria Production), la Tanfoglio Stock II in 9×21, dotata di molla di recupero standard da 5,37Kg e canna poligonale da 113mm. Come munizioni ricaricate abbiamo considerato l’adozione di polveri medio-vivaci, medio-progressive e progressive. In quest’ordine abbiamo usato: l’economica e diffusa Cheddite Granular S in granulometria grossa e le note Vihtavuori N340 e 3N37. Per le ogive, volendo avere omogeneità di sagoma al mutamento di peso, abbiamo scelto delle RNFMJ della Frontier/Northwest da 115, 124 e 146gr (queste ultime dalla particolare rastrematura di tipo boat-tail). In un processo di approssimazioni successive tra simulazioni al PC (grazie alla collaborazione di Andrea Gatti) e prove a fuoco, sono state determinate le dosi di propellente tali da produrre valori di PF quanto più possibili vicini a 125. La Tabella1 riassume le dosi determinate alla conclusione delle prove.

Per ciascuna delle nove combinazioni possibili tra ogive e polveri, riferendoci alla relazione matematica prima determinata (I_r = V₀•[m_palla + 2,4 • m_polvere]), abbiamo calcolato l’impulso di rinculo teorico. Come mostrato sulla Tabella2, a parità di polvere, l’uso di un’ogiva da 146gr contro una da 115gr, comporta un vantaggio massimo in termini di impulso, prossimo al 4%, che si abbassa a meno del 2,5% nel confronto con una 124gr. Come supposto precedentemente, abbiamo l’evidenza che: il rinculo minimo si ottiene con palle pesanti spinte da polveri vivaci; quello massimo, con palle leggere spinte da polveri progressive. Tra tutte le combinazioni esaminate, abbiamo sottoposto a test di rilevamento proprio questi due accostamenti, essi danno uno scarto massimo calcolato prossimo al 6%, avremo quindi: palla da 146gr con dose da 3,7gr di Cheddite Granular S (impulso minimo a 2,62N•s) e palla da 115 grani con dose da 6,1gr di Vihtavuori 3N37 (impulso massimo a 2,79N•s). Come combinazione per un impulso intermedio, abbiamo scelto la cartuccia con palla da 124gr e dose di 4,9gr di Vihtavuori N340 (impulso a 2,71N•s).

Tab.2 - Tabella degli Impulsi teorici

In teoria quindi, tra tutte le combinazioni di Tabella2, il vantaggio nell’uso di una palla da 146gr è piuttosto contenuto, soprattutto in comparazione ad una ricarica con palla standard da 124gr.

Tab.3 - Tabella vantaggio % teorico per palla da 146gr (per tutte le combinazioni esaminate)

Fig.3 – Proporzione teorica tra l’impulso totale e la componente relativa alla polvere

Sulla Tabella3 riassumiamo le differenze teoriche, tra impulsi di forza, per le combinazioni palla/polvere prescelte. La Figura3 illustra quanto, la componente di rinculo dovuta al propellente, incida sull’impulso di rinculo totale.

parte1 ↑

parte2 ↓

Risultati sperimentali (↑)

Lasciamo adesso l’ambito teorico e proviamo ad esaminare gli effetti pratici. Per la raccolta dei dati sperimentali, secondo quanto indicato in Tabella4, abbiamo effettuato una selezione ponderale delle ogive utilizzate .

Tab.4 - Selezione ponderale e caratteristiche ogive

Naturalmente, nei risultati di calcolo non si è considerato il peso nominale, ma il peso medio reale delle ogive. La prova a fuoco si è svolta alla temperatura ambiente di 32°C con una umidità relativa del 21%, il cronografo è stato posizionato ad una distanza dalla volata di 2,5m. Le munizioni sono state assemblate con: OAL a 29,5mm, inneschi CCI500sp, bossoli Fiocchi al primo sparo e propellente in dose come da Tabella3. I lotti di polvere usati sono mostrati in Tabella5.

Tab.5 - Lotti della polvere usata

La sensoristica elettronica che equipaggia il rest, viene connessa ad un sistema di acquisizione tramite PC. I segnali elettrici monitorati sono mostrati a video e salvati su hard-disk. In Figura4 presentiamo una visualizzazione tipica: la traccia blu dell’immagine rappresenta il movimento di estensione/contrazione della molla di richiamo del rest. Essa si allungherà sino ad un apice dipendente dall’intensità dell’impulso di rinculo, per poi richiamare il rest alla posizione di riposo. Al ritorno in batteria è possibile notare un lieve rimbalzo del sistema meccanico rinculante (assestamento del segnale elettrico). Per la valutazione del rilevamento dell’arma si è considerato il valore massimo della traccia, poi correlato all’allungamento in millimetri della molla.

Fig.4 – Segnali elettrici generati dal rest ed acquisiti su PC

La traccia rossa (sempre di Figura4) rappresenta invece la sequenza del carrello. Se il segnale elettrico è alto, il carrello si intende aperto. Dopo il ciclo di riarmo, si nota un rimbalzo in chiusura che porta il carrello ad aprirsi nuovamente, per poi assestarsi pronto al colpo successivo. Per la valutazione del tempo necessario al riarmo della pistola si è considerata la durata di apertura precedente al rimbalzo (prima parte del segnale, circa 45ms).

Fig.5 – Confronto dei segnali elettrici acquisiti per ogive da 115 e 146gr

Fig.6 – Segnali elettrici generati dal rest ed acquisiti su PC

In Figura5 viene mostrato il confronto tra i segnali elettrici ottenuti al cambiamento del peso dell’ogiva (un colpo per tipo). I segnali sono sincronizzati nell’istante di prima apertura del carrello. Operando uno zoom sulla visualizzazione, nel momento dell’iniziale chiusura dell’otturatore (vedi Figura6), ci sembra di notare un cambiamento di pendenza del segnale elongazione (minore velocità di ascesa del rest). Ipotizziamo che in quel punto avvenga la restituzione al sistema di parte dell’energia accumulata da molla di recupero e massa scorrevole del carrello.

Diciamo subito che le differenze tra le munizioni esaminate danno luogo a variazioni estremamente contenute, sia in termini di elongazione della molla (differenze nell’ordine dei 2mm) che di ritardo nella chiusura dell’arma (differenze prossime ad un millesimo di secondo). Per questa ragione è stato necessario considerare il valor medio su un campione sufficientemente numeroso (20 colpi per tipologia), in modo da ridurre l’effetto della naturale variabilità di risposta (disturbi, condizioni di test non totalmente controllabili, etc). Per rendere omogenee le condizioni di misura, prova dopo prova, si è anche considerato un numero costante di munizioni all’interno del caricatore (inerzia e bilanciamento dell’arma). Troverete in Tabella6 la sintesi dei valori medi ottenuti durante le prove.

Tab.6 – Sintesi dei valori rilevati (medie su 20 campioni per tipo)

Il grafico di correlazione di Figura7, mostra la relazione tra il rilevamento dell’arma (elongazione) e l’impulso di rinculo calcolato (considerando: massa proiettile, massa polvere, V0 rilevata ed il modello matematico ipotizzato). Le nubi di punti di vario colore, rappresentano i diversi caricamenti: con palla da 115 (in viola), 124 (in giallo) e 146 grani (in grigio), tutti i colpi prossimi a fattore 125 (in realtà 127), ed un gruppo di colpi di controllo con palla da 124 grani ma, a fattore 137 (in verde). I cerchietti rossi rappresentano la media di ogni gruppo di colpi, la retta ne è invece l’interpolazione lineare, essa definisce “la tendenza di variazione”. La correlazione (la variazione congiunta) tra elongazione ed impulso calcolato risulta elevata (R2=0,88; R=0,94), questo ci fornisce ragionevole certezza che, la relazione intuitiva tra rinculo più intenso e maggiore elongazione del rest, sia comprovata dai dati sperimentali. Misurare elettricamente l’allungamento del sensore, implica quindi valutare l’intensità del rinculo.

Notiamo inoltre che le nubi di punti si “compenetrano”, in altre parole esistono colpi la cui risposta (di elongazione ed impulso), ad un esame puntuale, può essere facilmente confusa con quella dei colpi del gruppo adiacente. Se i test “manuali”, affidati alla sensibilità del tiratore, soffrissero della medesima variabilità, definire quale tipologia di ricarica fornisca il più basso rinculo, sarebbe veramente arduo (difficoltà peraltro accresciuta dalla piccola entità delle variazioni).

Fig.7 – Correlazione elongazione/impulso e valori rilevati

Fig.8 – Correlazione tempo di carrello/impulso e valori rilevati

Il grafico di Figura8 mostra la correlazione tra il tempo di carrello e l’impulso calcolato. Osservando le medie delle diverse tipologie di colpi (cerchietti rossi), tale relazione sembrerebbe evidente: rallentamento del carrello al decrescere dell’impulso. Passando dai 115 ai 146 grani, la variazione del tempo di carrello è prossima ad 1ms (1ms = 1 millesimo di secondo). Il coefficiente di correlazione calcolato sulla totalità dei punti è invece basso (R2=0,32; R=0,56): notiamo infatti una “dispersione” dei dati che determina globalmente, una debole dipendenza(matematica) del tempo di carrello, dall’impulso di rinculo.

Fig.9 – Grafico del tempo di carrello e della variazione % dello stesso al cambiamento del peso palla (variazione % riferita al test con ogiva da 124gr)

Sul grafico di Figura9 abbiamo riportato l’andamento del valor medio del tempo di carrello (curva in rosso, scala di sinistra) in funzione del peso dell’ogiva usata (115, 124 e 146gr). Prendendo a riferimento la risposta con palla da 124gr, è possibile anche leggere la variazione percentuale di tali tempi (curva in blu, scala di destra). Come accennato, al crescere del peso dell’ogiva, la risposta del carrello rallenta di circa 1ms (le variazioni sono contenute approssimativamente in un ±1%).

Ai fini pratici una risposta di riarmo in 45ms o, in 65ms comprendendo il rimbalzo del carrello, risulta già molto al di là delle migliori performance di un ottimo tiratore. Jerry Miculek, uno dei tiratori più veloci al mondo, è in grado di piazzare su bersaglio (con un revolver) 8 colpi in un secondo. Ipotizzare di essere limitati da un ciclo di riarmo di 65ms, implica poter esplodere sul bersaglio più di 15 colpi al secondo (dal rapporto 1/0,065). In quest’ottica, il millisecondo di ritardo mostrato dalle cartucce con palla da 146gr (rispetto a quelle con palla da 115gr), ci sembra veramente trascurabile. Anche volendo considerare un abbondante errore di rilevazione sui tempi del 10%, rimaniamo sempre ad un rateo di circa 14 colpi al secondo.

Passiamo adesso ad esaminare gli effetti di una palla pesante sulla dinamica di rinculo e rilevamento. Il grafico di Figura10 mostra l’andamento dell’impennata sul rest in funzione del peso della palla utilizzata (curva in rosso, scala di sinistra), inoltre è possibile comparare il rilevamento con la curva dell’impulso di rinculo calcolato (in blu, scala di destra). Tra l’ogiva da 115 grani e quella da 146 si registra una riduzione nell’impennamento di circa 2mm su una media prossima ai 28.

Fig.10 – Grafico dell’elongazione a confronto con l’impulso di rinculo calcolato, in funzione del peso palla

Ancora più esplicativo è il grafico di Figura11, prendendo a riferimento la ricarica con palla da 124 grani, viene mostrata la variazione percentuale del rilevamento e dell’impulso di rinculo. La variazione calcolata sull’impulso è circoscritta al ±3% (scala di destra) che diventa, come impennamento misurato del rest, un +3% con palla da 115 grani e un quasi -5% con palla da 146 grani (scala di sinistra). Quindi, il dato teorico approssima bene gli effetti reali con ogiva da 115gr ma, passando ai 146gr, esso sembra sottostimato (-3% contro -5%).

Fig.11 – Grafico delle variazioni di impulso ed di elongazione, in funzione del peso palla (riferito al test con ogiva da 124gr)

Misurata la costante elastica della molla di richiamo del rest, possiamo anche esprimere le differenze di elongazione, in forze di contrasto. La costante elastica della molla di richiamo è di circa 39,0 g/mm, a rest in batteria essa esercita una forza iniziale prossima a 3,4Kg. La massima forza di contrasto durante il rinculo, al movimento rotatorio del rest, è rappresentata sul grafico di Figura12. Possiamo meglio valutare le differenze sulle forze in gioco usando il grafico di Figura13: prendendo a riferimento quanto accade con palla da 124gr, il grafico mostra una forza di contrasto di +34 grammi per palle da 115gr e di -54 grammi per palle da 146gr.

Fig.12 – Grafico della forza di richiamo sul rest a confronto con l’impulso di rinculo calcolato, in funzione del peso palla

Fig.13 – Grafico della variazione sulla forza di richiamo del rest, in funzione del peso palla (riferita al test con ogiva da 124gr)

L’esito delle prove ci porta a credere che, la riduzione del rinculo con palla da 146gr è presente e rilevabile ma, di entità comunque contenuta. Inoltre, ricordiamolo, i grafici si riferiscono a caricamenti tali da estremizzare le differenze di rinculo. Se ci fossimo limitati alla sostituzione della sola ogiva (da 124 a 146 grani), mantenendo ad esempio, la medesima polvere medio-vivace (la Granular S), gli scarti sulle risposte di rilevamento sarebbero stati ulteriormente più piccoli.

Conclusioni (↑)

Anche se limitatamente ai casi esaminati, possiamo adesso rispondere alle domande iniziali che, di fatto, hanno motivato l’intera ricerca qui esposta:

1) Esiste un presupposto teorico che fa propendere per il caricamento con palla pesante?

Sì, esiste. Le leggi fisiche sul rinculo, per la riduzione dello stesso, assegnano effettivamente un vantaggio al munizionamento con palla pesante (a parità di PF). Di contro, limitando l’osservazione a caricamenti ancora “normali”, ossia con pesi palla non estremi, il vantaggio teorico risulta piuttosto limitato e prossimo a qualche punto percentuale (per i casi esaminati un massimo teorico del 6%).

2) A parità di fattore, è conveniente usare palle pesanti piuttosto che leggere per ridurre il rilevamento dell’arma ?

Sì, se si segue la filosofia “poco è meglio di niente”. E’ infatti vero che l’uso di ogive da 146gr comporta un vantaggio in termini di rinculo ma, esso risulta contenuto, soprattutto a parità di polvere e ancor di più, se quest’ultima è sufficientemente vivace (massa ridotta).

Il vantaggio in rinculo della 146gr rispetto alla 124gr, per le combinazioni più “distanti” tra quelle valutate (in termini di polveri), è prossimo al 5% (dato misurato), con una differenza sulla forza di contrasto del rest di circa 50 grammi. A parità di polvere medio-vivace (Granular S), il vantaggio si riduce a circa il 2,5% (dato teorico corretto in base al dato sperimentale). Per rendere l’idea e con riferimento al PF, usando la Granular S, avere un vantaggio del 2,5% implica sparare una 146gr a fattore 128 ma, avere il rinculo di una 124gr a fattore 125.

L’uso di un’ogiva atipicamente pesante, di contro, rischia di snaturare il comportamento del calibro in oggetto (9×21). Possiamo anche aggiungere che, a fronte di una riduzione di rilevamento parecchio modesta, l’uso di ogive pesanti ha come controindicazione una potenziale criticità sul dosaggio della polvere (risulta infatti più “semplice” il superamento dei limiti pressori CIP).

Il margine di riduzione del rinculo, per una palla da 146gr rispetto ad una da 124, è così contenuto che la sola variabilità naturale della velocità tra colpi di una stessa tipologia di caricamento (deviazione standard della V₀, non considerando altre possibili variabili) , è sufficiente a determinare delle sovrapposizioni di risposta. In altre parole, risulta consistente il numero delle munizioni che, nonostante abbiano palla da 124gr, rinculeranno meno dei colpi con palla maggiorata da 146gr.

In Figura14 è visibile un grafico esplicativo in cui sono rappresentate le due distribuzioni per l’impulso calcolato (numero di campioni in funzione del rinculo, corretto in base ai dati sperimentali), per enfatizzare il fenomeno si è supposta una deviazione standard della velocità pari al 2% (circa 6m/s). La zona di sovrapposizione tra le distribuzioni (colorata in verde) rappresenta le munizioni con ogiva da 124 grani (caricate con N340) che potrebbero avere rinculo inferiore ai colpi analoghi ma, con ogiva da 146 (caricati con Granular S). L’inversione di risposta rappresenta circa il 10% della totalità delle cartucce (una su 10).

Naturalmente, più la deviazione standard del riscontro cronografico cresce, più la zona di sovrapposizione diventerà ampia. La sovrapposizione risulterà ancora più estesa se, per entrambi i pesi palla, consideriamo l’uso della medesima polvere medio-vivace (Figura15). In questo caso, circa il 27% dei colpi (quasi 3 su 10) presenteranno una risposta “opposta”.

Fig.14 – Comparazione statistica tra impulsi di rinculo per ogive da 124gr/N340 e 146gr/Granular S (DevStd della velocità supposta pari al 2%)

Fig.15 – Comparazione statistica tra impulsi di rinculo per ogive da 124 e 146gr con Granular S (DevStd della velocità supposta pari al 2%)

I dati presentati fanno comprendere che, in termini di rinculo, una vera differenza tra i caricamenti emergerebbe solo nel confronto tra palle molto leggere ed estremamente veloci (con dosi elevate di polvere) e palle pesanti e lente. Ad esempio una palla THV (Très Haut Vitesse), calibro 9 da 51gr, può essere spinta ad oltre 700 m/s (2300 fps) da 14gr di polvere (omettiamo intenzionalmente il tipo). La palla svilupperebbe un fattore di 118, nemmeno minor, ma presenterebbe un rinculo teorico (ipotizzando valida la relazione sull’impulso da noi considerata) di circa il 45% più elevato rispetto alla migliore cartuccia con palla da 146gr qui esaminata.

3) Usando palle pesanti si rallenta il ciclo di riarmo della pistola ?

Sì, il ciclo di riarmo è lievemente più lento ma, tale rallentamento è di entità “strumentale”. In altre parole, per i casi esaminati, l’ogiva pesante non apporta sensibili variazioni ai tempi di riarmo “normali” (il rallentamento è di circa l’1%, prossimo a 0,5ms, tra ogive da 124 e 146gr). Il tempo di riarmo medio della pistola, circa 65ms, rimane inoltre notevolmente più basso del miglior tempo di esecuzione del tiratore.

Considerazioni finali (↑)

Come esposto, dal punto di vista strettamente sperimentale, le differenze in rinculo tra caricamenti con palla da 124 e 146gr, ci sono, sono misurabili ma, contenute. Non emerge nessuna netta prevalenza di una soluzione rispetto all’altra, ed in questo trova spazio la soggettività del tiratore. In mancanza di marcati e determinanti vantaggi pratici, come criteri di scelta, rimangono le sensazioni individuali.

Speriamo di non avervi annoiato con la lunghezza dell’articolo: l’argomento non è di semplice trattazione ed il dettaglio assume rilevanza particolare.
Ci auguriamo infine che, quanto qui elaborato abbia soddisfatto una delle vostre curiosità e sia utile nelle scelte dei parametri di ricarica.

Note

Ribadiamo che l’esperimento sopra descritto era teso alla valutazione comparata dell’impulso di rinculo, impulso valutato come intensità totale dello stesso e non scisso nelle sue diverse componenti. Si è considerato quindi l’impulso senza distinzione tra rilevamento e rinculo, quest’ultimo inteso come la quota parte dell’impulso di forza tradotta in un movimento orizzontale dell’arma.

Come già scritto sull’articolo, per le nostre prove ci siamo avvalsi di un rest rinculante che, a causa dei propri vincoli meccanici, converte l’impulso di rinculo nel solo movimento permesso: il rilevamento. Alcuni tiratori passando da caricamenti con palla pesante a quelli con palla leggera (a parità di PF), avvertono una diversa ripartizione del rinculo tra movimento orizzontale dell’arma e rilevamento, pare che quest’ultimo sia maggiore con palle pesanti. Per poter testare anche quest’aspetto dell’argomento sarà necessario modificare opportunamente il sistema di rilevazione.

Un altro particolare di cui non abbiamo tenuto conto nella sperimentazione è il tempo di canna del proiettile. A parità di impulso totale di rinculo, una distribuzione dello stesso in tempi più ampi, agevola la riduzione della sensazione di “urto” tra arma e tiratore. Stiamo comunque parlando di differenze temporali estremamente brevi. Si tenga conto che il tempo di canna medio (al netto del ritardo di accensione) è nell’ordine dei 500μs con differenze massime, al cambiamento del peso palla (115÷146gr), che non crediamo superiori ai 100μs.

In queste condizioni, considerando la massa dell’arma come “flottante” e pari a Kg 1,2 (m_arma), sottoposta ad un impulso totale medio (It) di 2,75 N*s, otteniamo una velocità di rinculo della pistola di: V_arma= It/m_arma= 2,75/1,2= 2,29m/s. Tale velocità di rinculo viene raggiunta dall’arma sostanzialmente nel tempo di canna, più esattamente nel tempo di transizione del fenomeno di deflagrazione.

L’accelerazione dell’arma, ipotizzata costante, sarà dunque pari a:

- nel caso dell’ogiva da 115 grani, per un tempo di transizione supposto di 450μs (tc1) avremo, a₁₁₅=V_arma/tc1=2,29/(0,45*10^-3)=5089m/s²

- nel caso dell’ogiva da 146 grani, per un tempo di transizione supposto di 550μs (tc2) avremo, a₁₄₆=V_arma/tc2=2,29/(0,55*10^-3)=4164m/s²

Le forze applicate rispettivamente all’arma saranno:

- nel caso dell’ogiva da 115 grani, F₁₁₅=m_arma*a₁₁₅=1,2*5089=6107 N

- nel caso dell’ogiva da 146 grani, F₁₄₆=m_arma*a₁₄₆=1,2*4164=4997 N

Per quanto esposto sull’articolo, abbiamo evidenza teorica e sperimentale che gli impulsi di rinculo per entrambi i caricamenti sono confrontabili (simile energia di rinculo assunta dell’arma). Le diverse forze applicate alla pistola differiranno quindi per il tempo di applicazione: inferiore per la forza maggiore (tempo di canna minore) e superiore per la forza minore (tempo di canna maggiore), accelerando infine l’arma a velocità confrontabili.

Articolo pubblicato anche sui numeri di Novembre e Dicembre 2009 della rivista “Armi Magazine”