Retroceso

Para detener el cañón que se mueve hacia atrás, el momento adquirido por el cañón se disipa mediante una fuerza de retroceso que actúa hacia adelante y se aplica al cañón durante un período de tiempo durante y después de que el proyectil salga de la boca del cañón. ^{[ nb 2 ]} En armas pequeñas de mano , el tirador aplica esta fuerza con su propio cuerpo, lo que produce un impulso perceptible comúnmente conocido como "retroceso". En cañones montados más pesados, como ametralladoras pesadas o piezas de artillería , el momento de retroceso se transfiere a través de la plataforma sobre la que está montado el arma . Los soportes de cañones prácticos no suelen ser lo suficientemente fuertes como para soportar las fuerzas máximas que aceleran el cañón durante el breve tiempo que el proyectil está en el cañón. Para mitigar estas grandes fuerzas de retroceso, los mecanismos de amortiguación de retroceso distribuyen la fuerza de retroceso durante un tiempo más prolongado, generalmente de diez a cien veces más que la duración de las fuerzas que aceleran el proyectil. Esto hace que la fuerza de retroceso requerida sea proporcionalmente menor y fácilmente absorbida por el soporte del cañón.

Para aplicar esta fuerza de retroceso, los cañones modernos pueden emplear sistemas de amortiguación que incluyen resortes y mecanismos hidráulicos , similares a la suspensión de los automóviles. Los primeros cañones utilizaban sistemas de cuerdas, junto con fricción por rodadura o deslizamiento, para frenar el retroceso hasta detenerlo. La amortiguación del retroceso permite reducir la fuerza máxima de retroceso para no sobrepasar los límites de resistencia del montaje.

pistolas de mano

Los mismos principios físicos que afectan al retroceso en armas montadas también se aplican a las armas de mano. Sin embargo, el cuerpo del tirador asume el papel de soporte del arma y debe disipar el impulso de retroceso durante un período de tiempo mayor que el tiempo de recorrido de la bala en el cañón, para evitar lesiones. Las manos, los brazos y los hombros poseen una considerable fuerza y ​​elasticidad para este fin, hasta ciertos límites prácticos. No obstante, los límites de retroceso "percibidos" varían de un tirador a otro, dependiendo del tamaño corporal, el uso de acolchado para amortiguar el retroceso , la tolerancia individual al dolor, el peso del arma y el uso de sistemas de amortiguación de retroceso y dispositivos en la boca del cañón ( freno de boca o silenciador ). Por esta razón, establecer estándares de seguridad para el retroceso en armas pequeñas sigue siendo un desafío, a pesar de la sencillez de la física involucrada. ^{[ 3 ]}

Si se tienen en cuenta todas las masas y velocidades involucradas, la suma vectorial, magnitud y dirección del momento lineal de todos los cuerpos no cambia; es decir, el momento lineal del sistema se conserva. Esta conservación del momento lineal explica por qué el retroceso del arma se produce en la dirección opuesta a la de la proyección de la bala: la masa multiplicada por la velocidad del proyectil (incluido el gas) en la dirección positiva es igual a la masa multiplicada por la velocidad del arma en la dirección negativa. En resumen, el momento lineal total del sistema (munición, arma y tirador/plataforma de tiro) es cero, tal como era antes de apretar el gatillo.

Desde una perspectiva de ingeniería práctica, mediante la aplicación matemática de la conservación del momento lineal, es posible calcular una primera aproximación del momento lineal y la energía cinética de retroceso de un arma, simplemente basándose en estimaciones de la velocidad (y masa) del proyectil que sale del cañón. Posteriormente, se pueden diseñar adecuadamente sistemas de amortiguación del retroceso para disipar de forma segura dicho momento lineal y energía. Para confirmar los cálculos y estimaciones analíticas, una vez fabricado un prototipo del arma, la energía y el momento lineal de retroceso del proyectil y del arma se pueden medir directamente utilizando un péndulo balístico y un cronógrafo balístico .

La naturaleza del proceso de retroceso está determinada por la fuerza que ejercen los gases en expansión dentro del cañón sobre el arma (fuerza de retroceso), la cual es igual y opuesta a la fuerza que actúa sobre la materia expulsada. También está determinada por la fuerza de contrarretroceso aplicada al arma (por ejemplo, la mano o el hombro del operador, o un soporte). La fuerza de retroceso solo actúa mientras la materia expulsada permanece dentro del cañón. Esta fuerza de contrarretroceso generalmente se aplica durante un período prolongado y añade un impulso hacia adelante al arma equivalente al impulso hacia atrás proporcionado por la fuerza de retroceso, para detenerla. Existen dos casos especiales de fuerza de contrarretroceso: retroceso libre , en el que la duración de la fuerza de contrarretroceso es mucho mayor que la de la fuerza de retroceso, y retroceso cero, en el que la fuerza de contrarretroceso coincide con la fuerza de retroceso en magnitud y duración. Excepto en el caso de retroceso cero, la fuerza de contrarretroceso es menor que la fuerza de retroceso, pero dura más tiempo. Dado que la fuerza de retroceso y la fuerza de contrarretroceso no se equilibran, el arma se moverá hacia atrás, disminuyendo su velocidad hasta detenerse. En el caso de retroceso cero, ambas fuerzas se equilibran y el arma permanece inmóvil al disparar. En la mayoría de los casos, un arma se encuentra muy cerca de una condición de retroceso libre, ya que el proceso de retroceso generalmente dura mucho más que el tiempo necesario para que la materia eyectada se desplace por el cañón. Un ejemplo de retroceso casi nulo sería un arma firmemente sujeta a una mesa maciza o bien anclada, o apoyada por detrás por una pared maciza. Sin embargo, el uso de sistemas de retroceso cero a menudo no es práctico ni seguro para la estructura del arma, ya que el impulso de retroceso debe absorberse directamente a través de la mínima distancia de deformación elástica de los materiales con los que están hechos el arma y el soporte, pudiendo incluso superar sus límites de resistencia. Por ejemplo, colocar la culata de un arma de gran calibre directamente contra una pared y apretar el gatillo conlleva el riesgo de agrietar tanto la culata como la superficie de la pared.

El retroceso de un arma de fuego, ya sea grande o pequeña, es resultado de la ley de conservación del momento lineal. Suponiendo que tanto el arma como el proyectil están en reposo antes del disparo, su momento lineal total es cero. Suponiendo una condición de retroceso casi libre y despreciando los gases expulsados ​​del cañón (una primera estimación aceptable), inmediatamente después del disparo, la conservación del momento lineal exige que el momento lineal total del arma y el proyectil sea el mismo que antes, es decir, cero. Expresándolo matemáticamente: $${\displaystyle p_{\text{f}}+p_{\text{p}}=0}$$ dónde${\displaystyle p_{\text{f}}}$es el impulso del arma de fuego y${\displaystyle p_{\text{p}}}$es el momento del proyectil. En otras palabras, inmediatamente después de disparar, el momento del arma es igual y opuesto al momento del proyectil.

Dado que el momento lineal de un cuerpo se define como su masa multiplicada por su velocidad, podemos reescribir la ecuación anterior como: $${\displaystyle m_{\text{f}}v_{\text{f}}+m_{\text{p}}v_{\text{p}}=0}$$ dónde:

• ${\displaystyle m_{\text{f}}}$es la masa del arma de fuego
• ${\displaystyle v_{\text{f}}}$es la velocidad del arma de fuego inmediatamente después de disparar
• ${\displaystyle m_{\text{p}}}$es la masa del proyectil
• ${\displaystyle v_{\text{p}}}$es la velocidad del proyectil inmediatamente después del disparo

Una fuerza integrada durante el período de tiempo en que actúa producirá el impulso suministrado por dicha fuerza. La fuerza de retroceso debe proporcionar suficiente impulso al arma de fuego para detenerla. Esto significa que:

$${\displaystyle \int _{0}^{t_{\text{cr}}}F_{\text{cr}}(t)\,dt=-m_{\text{f}}v_{\text{f}}=m_{\text{p}}v_{\text{p}}}$$

dónde:

• ${\displaystyle F_{\text{cr}}(t)\,}$es la fuerza de retroceso en función del tiempo ( t )
• ${\displaystyle t_{\text{cr}}}$es la duración de la fuerza de retroceso

Se puede escribir una ecuación similar para la fuerza de retroceso en el arma de fuego:

$${\displaystyle \int _{0}^{t_{\text{r}}}F_{\text{r}}(t)\,dt=m_{\text{f}}v_{\text{f}}=-m_{\text{p}}v_{\text{p}}}$$

dónde:

• ${\displaystyle F_{\text{r}}(t)}$es la fuerza de retroceso en función del tiempo ( t )
• ${\displaystyle t_{\text{r}}}$es la duración de la fuerza de retroceso

Suponiendo que las fuerzas se distribuyen de manera más o menos uniforme a lo largo de sus respectivas duraciones, la condición para el retroceso libre es${\displaystyle t_{\text{r}}\ll t_{\text{cr}}}$, mientras que para el retroceso cero,${\displaystyle F_{\text{r}}(t)+F_{\text{cr}}(t)=0}$.

Para un arma que dispara en condiciones de retroceso libre, la fuerza sobre el arma no solo puede empujarla hacia atrás, sino que también puede hacerla girar alrededor de su centro de masa o montaje de retroceso. Esto es particularmente cierto en armas de fuego antiguas, como el clásico rifle Kentucky , donde la culata se inclina significativamente más abajo que el cañón, proporcionando un punto de pivote alrededor del cual la boca del cañón puede elevarse durante el retroceso. Las armas de fuego modernas, como el rifle M16 , emplean diseños de culata que están en línea directa con el cañón, para minimizar cualquier efecto de rotación. Si hay un ángulo alrededor del cual las partes de retroceso pueden girar, el torque (${\displaystyle \tau }$) en el arma viene dada por:

$${\displaystyle \tau =I{\frac {d^{2}\theta }{dt^{2}}}=hF(t)}$$

dónde${\textstyle h}$es la distancia perpendicular del centro de masa del arma por debajo del eje del cañón,${\textstyle F(t)}$es la fuerza sobre el arma debido a la expansión de los gases, igual y opuesta a la fuerza sobre la bala,${\textstyle I}$es el momento de inercia del arma alrededor de su centro de masa, o su punto de pivote, y${\displaystyle \theta }$es el ángulo de rotación del eje del cañón "hacia arriba" desde su orientación en el momento del encendido (ángulo de puntería). El momento angular del arma se obtiene integrando esta ecuación para obtener: $${\displaystyle I{\frac {d\theta }{dt}}=h\int _{0}^{t}F(t)\,dt=hm_{\text{g}}V_{\text{g}}(t)=hm_{\text{b}}V_{\text{b}}(t)}$$ donde se ha utilizado la igualdad de los momentos del arma y la bala. La rotación angular del arma cuando la bala sale del cañón se obtiene integrando nuevamente: $${\displaystyle I\theta _{f}=h\int _{0}^{t_{f}}m_{\text{b}}V_{\text{b}}\,dt=2hm_{\text{b}}L}$$

dónde${\displaystyle \theta _{f}}$es el ángulo por encima del ángulo de puntería en el que la bala sale del cañón,${\displaystyle t_{f}}$es el tiempo de viaje de la bala en el cañón (debido a la aceleración)${\displaystyle a=2x/t^{2}}$el tiempo es más largo que${\displaystyle L/V_{\text{b}}}$ :${\displaystyle t_{f}=2L/V_{\text{b}}}$) y L es la distancia que recorre la bala desde su posición de reposo hasta la punta del cañón. El ángulo con el que la bala sale del cañón por encima del ángulo de puntería viene dado por: $${\displaystyle \theta _{f}={\frac {2hm_{\text{b}}L}{I}}}$$

Antes de que el proyectil salga del cañón , obtura el ánima y "tapa" el gas en expansión generado por la combustión del propulsor detrás de él. Esto significa que el gas está esencialmente contenido dentro de un sistema cerrado y actúa como un elemento neutro en el momento general de la física del sistema. Sin embargo, cuando el proyectil sale del cañón, este sello funcional se elimina y el gas del ánima, altamente energético, queda repentinamente libre para salir por la boca del cañón y expandirse en forma de una onda de choque supersónica (que a menudo puede ser lo suficientemente rápida como para alcanzar momentáneamente al proyectil y afectar su dinámica de vuelo ), creando un fenómeno conocido como explosión en la boca del cañón . El vector hacia adelante de esta explosión crea un efecto de propulsión a chorro que se ejerce hacia atrás sobre el cañón y crea un momento adicional sobre el momento hacia atrás generado por el proyectil antes de que salga del arma .

El retroceso total aplicado al arma de fuego es igual y opuesto al momento lineal total hacia adelante no solo del proyectil, sino también del gas expulsado. De igual manera, la energía de retroceso que recibe el arma de fuego se ve afectada por el gas expulsado. Por conservación de la masa , la masa del gas expulsado será igual a la masa original del propulsor (suponiendo una combustión completa). Como aproximación burda, se puede considerar que el gas expulsado tiene una velocidad de salida efectiva de${\displaystyle \alpha V_{0}}$dónde${\displaystyle V_{0}}$es la velocidad inicial del proyectil y${\displaystyle \alpha }$es aproximadamente constante. El momento total${\displaystyle p_{e}}$La composición del propulsor y del proyectil será entonces: $${\displaystyle p_{e}=m_{p}V_{0}+m_{\text{g}}\alpha V_{0}\,}$$ dónde${\displaystyle m_{\text{g}}\,}$es la masa de la carga propulsora, igual a la masa del gas expulsado.

Esta expresión debe sustituirse en la expresión del momento del proyectil para obtener una descripción más precisa del proceso de retroceso. La velocidad efectiva también puede utilizarse en la ecuación de energía, pero dado que el valor de α se especifica generalmente para la ecuación de momento, los valores de energía obtenidos pueden ser menos precisos. El valor de la constante α suele estar entre 1,25 y 1,75. Depende principalmente del tipo de propelente utilizado, pero puede variar ligeramente con otros factores, como la relación entre la longitud del cañón y su radio.

Los dispositivos de boca pueden reducir el retroceso al alterar el patrón de expansión de los gases. Por ejemplo, los frenos de boca funcionan principalmente desviando parte de los gases expulsados ​​hacia los lados, aumentando la intensidad de la explosión lateral (por lo tanto, más fuerte hacia los lados) pero reduciendo el empuje de la proyección frontal (por lo tanto, menor retroceso). De manera similar, los compensadores de retroceso desvían los gases expulsados ​​principalmente hacia arriba para contrarrestar la elevación de la boca del cañón . Sin embargo, los silenciadores funcionan con un principio diferente, no vectorizando la expansión de los gases lateralmente, sino modulando la velocidad de avance de dicha expansión. Mediante el uso de deflectores internos , los gases se desplazan a través de una trayectoria sinuosa antes de ser liberados al exterior por la parte frontal del silenciador, disipando así su energía en un área mayor y durante más tiempo. Esto reduce tanto la intensidad de la explosión (por lo tanto, menor sonoridad ) como el retroceso generado (ya que para el mismo impulso , la fuerza es inversamente proporcional al tiempo).

En un sistema de retroceso suave , el resorte (o cilindro de aire) que devuelve el cañón a la posición delantera comienza en un estado casi completamente comprimido, luego el cañón del arma se libera libremente para que se mueva hacia adelante en el momento antes del disparo; la carga se enciende justo cuando el cañón alcanza la posición completamente delantera. Dado que el cañón todavía se está moviendo hacia adelante cuando se enciende la carga, aproximadamente la mitad del impulso de retroceso se aplica para detener el movimiento hacia adelante del cañón, mientras que la otra mitad se absorbe, como en el sistema habitual, en recomprimir el resorte. Un pestillo luego atrapa el cañón y lo mantiene en la posición inicial. Esto reduce aproximadamente a la mitad la energía que el resorte necesita absorber, y también reduce aproximadamente a la mitad la fuerza máxima transmitida al montaje, en comparación con el sistema habitual. Sin embargo, la necesidad de lograr la ignición de manera confiable en un solo instante preciso es una dificultad práctica importante con este sistema; ^{[ 5 ]} y a diferencia del sistema hidroneumático habitual, los sistemas de retroceso suave no manejan fácilmente los disparos retardados o los disparos fallidos . Uno de los primeros cañones en utilizar este sistema fue el francés de 65 mm mle.1906 ; también fue utilizado por el arma antitanque portátil británica PIAT durante la Segunda Guerra Mundial.

Los cañones sin retroceso y los lanzacohetes expulsan los gases hacia atrás, equilibrando así el retroceso. Se utilizan a menudo como armas antitanque ligeras. El cañón sin retroceso Carl Gustav de 84 mm, de fabricación sueca, es un ejemplo de este tipo de arma.

En las ametralladoras que siguen el diseño de Hiram Maxim , como por ejemplo la ametralladora Vickers , el retroceso del cañón se utiliza para accionar el mecanismo de alimentación.