LA VELOCITA' LIMITE DEI PROIETTILI:
LUNGHEZZA DELLE CANNE E RELATIVA VELOCITA' DEL PROIETTILE

 

Una buona parte degli acquirenti di carabine non si pone problemi per la scelta della lunghezza di canna dell’arma e la decisione finale rispetto a questo delicato punto risulta un fatto meramente accidentale; solo in alcuni casi la scelta ricade su particolati lunghezze di canne dettate da supposizioni o destinazione d'uso, ad esempio un cacciatore sceglierà una canna corta se deve spostarsi nel bosco o una lunga se deve fare tiri lunghi all'aspetto senza realmente pensare al risultato balistico della canna ma semplicemente alla facilità con cui potrà spostarsi e cacciare con quella specifica lunghezza di canna. Principalmente si bada all'architettura dell’arma, alla sua maneggevolezza, al calibro, al peso e al prezzo. Il resto è silenzio! Neanche a piangere in arabo si riesce a trovare un quarto dei cacciatori che si ponga seriamente il problema della lunghezza della canna su base balistica ! Eppure l'aspetto balistico esiste ed è meno banale di quanto potrebbe sembrare.

Vediamo se con un discorso molto terra terra ma sufficientemente preciso riusciamo a chiarire i punti essenziali.
Con una certa logica si presuppone che i tecnici in fase di progettazione abbiano tenuto conto di questo dato (e lo fanno!) ma si dimentica che il principale obbiettivo della fabbrica è, giustamente, la vendita. In condizioni di libero mercato la progettazione di un certo tipo di arma subisce l’influenza di quello che gli economisti definiscono " regime di concorrenza ", regolato dalla ferrea legge della domanda e dell’offerta. Ora se il mercato domanda armi molto leggere, corte e in un dato calibro sarebbe antieconomico produrre armi pesanti e lunghe anche se i calcoli per quel determinato calibro indicano questa via come la migliore. Naturalmente questi valletti delle armi si lasciano guidare dall’esperienza e dall’intelligenza per cui non superano mai quel limite suggerito dalla discrezione e dalla sagacia oltre il quale un certo calibro può reputarsi compromesso, ma giocano comunque con limiti ammessi.

Spesso avviene però che il calibro in questione, per una certa lunghezza di canna, non si presenti arzillo e pettoruto quanto potrebbe e si ammosci un poco. Vediamo quanto e perchè. Dobbiamo chiederci quale influenza venga ad assumere la lunghezza della canna in rapporto ai principali dati balistici come tipo della carica di lancio, calibro, velocità, passo della rigatura e così via. I fucili a pietra focaia che dominarono per lungo tempo sino alla caduta napoleonica avevano canne ad anima liscia lunghe 100-115 centimetri; i precisi Kentuky americani spingevano tale misura sino al limite di 125-130 centimetri. Per il tiro accurato a lunga distanza era indispensabile munirsi di canne non mai inferiori a un metro (100 cm.). Anche in un passato a noi più vicino le canne mantennero valori elevati. L’Austria aveva per la fanteria il Lorentz M. 1854 a palla Minié e canna rigata da cm 95 e la carabina M. 1855 portava ancora una canna da cm 71. L’esercito francese sull'ordinanza di fanteria M. 1853 montava canne da 108 cm, e l’esercito Piemontese aveva canne lisce che sul M. 1844 erano di centimetri 111,5. Perchè si impiegavano canne che battevano sempre sul metro buono?
Principalmente perchè si usava la polvere nera e questa era un propellente che per degnarsi di fornire il massimo di spinta esigeva un certo tempo per bruciare a fondo con regolarità. Dopo secoli di esercizio e sperimentazioni gli armaioli avevano avuto il più bell'agio di conoscere e sfruttare a fondo le proprietà della polvere nera e avevano individuato con eccellente precisione la lunghezza ottimale delle canne in funzione del proietto. Le polveri senza fumo messe a punto nell’ultimo quarto del 1800 marcano sulla polvere nera molti punti di vantaggio tra cui:
grande regolarità di combustione
combustione maggiormente progressiva
spinte fortemente superiori.

Una delle peculiari caratteristiche delle polveri senza fumo è di bruciare la carica in un tempo comparativamente molto inferiore a quello di similari cariche a polvere nera. Da tali premesse capiamo subito che le polveri senza fumo richiedono canne relativamente più corte corte. Ma "quanto" corte?
Dobbiamo fare distinzione fra la lunghezza richiesta per ottenere la massima resa balistica e la lunghezza "preferenziale" subordinata alle condizioni di esercizio. Ad esempio i fucili militari all’inizio del secolo avevano canne di una certa lunghezza (cm 78 il nostro ‘91) ricercata e studiata per l’uso dell’arma a baionetta inastata. In effetti oltre i 72 cm la canna del 6,5 Carcano-Mannlicher non forniva più alcuna spinta apprezzabile al proietto da gr.10,45 con una velocità iniziale di 700 mt./sec., ma la lunghezza totale dell’arma di centimetri 128,5 era reputata allora ottimale per l’uso della baionetta.

Una leggenda da sfatare definitivamente è quella che attribuisce la massima precisione di tiro alle armi dotate di anime lunghissime.

Non che sia un’impostura ma è un fatto che la precisione di un’arma dipende solo per una parte dalla lunghezza dell’anima e risulta più importante la stabilità del proietto sull’asse giroscopio e la velocità di proiezione in funzione di essa. La funzione di forma e la densità sezionale del proietto, l’equilibrio del rapporto tra il peso del proietto e quello della carica di lancio, più altri importanti fattori che in questa sede dobbiamo tralasciare contano molto più sulla precisione balistica rispetto alla lunghezza scelta della canna.

 

PRIMA NASCE LA CARTUCCIA, POI LA CANNA

 

Però se la precisione di tiro dipende in definitiva dalla perfezione del giroscopio, la velocità di proiezione, pur legata ancora alla stabilità giroscopica, chiama in causa la lunghezza dell’anima. Questa lunghezza è un dato di progetto che a sua volta deve tenere conto del tipo di rigatura, del passo e, molto importante, delle caratteristiche di combustione della carica di lancio. Deriva da questo che prima si progetta la cartuccia e in un secondo tempo la canna che la deve utilizzare. Ad esempio la cartuccia 308 Norma Magnum rimase per un certo tempo "orfana" perchè, studiata e messa a punto dalla rinomata fabbrica Svedese, non trovò per qualche tempo alcuna arma che la camerasse.

E' un assioma che alcune polveri bruciano più velocemente di altre ed alcuni proietti offrono più resistenza all’avanzamento di altri; quindi ogni tipo di carrtuccia brucia la sua carica in un certo determinato tempo in funzione del quale risulterà la lunghezza di canna. Vediamo ad esempio.

Il 22 Long Rifle:
le armi che camerano questa popolarissima cartuccia dispensano il massimo di velocità con canne di lunghezza compresa tra cm 46 e 51 a seconda del tipo di polvere impiegata; il primo è il limite delle polveri più vivaci ed il secondo di quelle più lente. Le 22 LR tipo standard su lunghe serie di prove hanno fornito a Townsend Whelen le seguenti velocità medie:

canne da 4" (cm 10,16) = Vo 259,1 mt/sec.
canne da 10" (cm 25,30) = Vo 304,6 mt/sec.
canne da 16’ (cm 40,60) = Vo 313,9 mt/sec.
canne da 24" (cm 60,96) = Vo 305,8 mt/sec.
canne da 28" (cm. 71,12) = Vo 301,2 mt/sec.

Si palesa che dopo i 41 cm la polvere è completamente bruciata e tutti i gas possibili sono generati e stati espansi; al di sopra dei 51 cm di canna (20" circa) incomincia a farsi sentire la resistenza passiva del proietto sulle pareti della canna stessa e la velocità iniziale decresce. Ho udito tiratori criticare l’eccellente fucile Steyr 22 LR per i suoi " miseri " 50 cm di canna. Sono accuse false e scurrili che se pervenissero all’orecchio di Journée lo farebbero schizzare a dargli addosso con un randello. Si può obiettare che le carabine di alta precisione per gare di tiro portano canne di rispettabile lunghezza: la Anschutz Suj per Match 1413 porta 69 cm, la Remington 40 X-B giunge a 71 cm. e la Valmet Finnish Lion Champion si spinge sino a 72 cm. (nulla a che vedere con il metro dei fucili d'un tempo ritenuti di alta precisione).

Queste lunghezze di anima, non necessarie, anzi leggermente nocive per la velocità massima, hanno una precisa giustificazione: innanzi tutto perchè si tratta di armi per gare di tiro (Bench Rest), poi perchè l’arma deve risultare pesante e stabile; quindi si ricerca la maggior distanza possibile tra diottra e mirino necessaria per ottenere una collimazione molto accurata; e poi per la massima costanza nel tiro con 22 LR occorrono proiettili lenti meno sensibili alla deviazione del vento, sicché il decremento di velocità imputabile alla canna in ultima analisi favorisce il buon raggruppamento dei colpi.

Viene da chiedersi come mai una grande maggioranza delle carabine 22 LR adotti canne da 24" (61cm.). Semplicemente perchè tale misura è lo standard delle canne dei fucili di più grosso calibro ed una 22 con tali dimensioni "fa più fucile!" un ragionamento del tutto infantile ma nella psicologia del cacciatore o tiratore ha il suo peso e i fabbricanti lo assecondano di buon grado visto che in fondo non ne derivano inconvenienti ma se mai un aumento delle vendite.

CANNA PIU' LUNGA = VELOCITA' MIGLIORE !

Lo svantaggio di una canna sovradimensionata in lunghezza risulta ancor più marcato nei revolver dove, per la mancanza di soluzione di continuità tra canna e tamburo, la carica di lancio deve bruciare velocemente, tanto da fornire una combustione quasi totale prima che il proietto venga impegnato nella rigatura. A seconda del calibro e del peso del proietto si è trovato che la combustione dovrebbe esaurirsi tra il 75 - 85 % prima che il proietto lasci il tamburo. Nel calibro 38 Special con pallottola in piombo da 200 grani la velocità iniziale è più elevata con canne da 15 cm (6" circa) che da 19 cm (7" e 3/4) giacche le forze di attrito che si oppongono all’avanzamento del proietto nella canna neutralizzano e superano addirittura l’incremento di spinta ottenuto dalla maggior lunghezza di canna.
Per le armi lunghe a proiettile blindato le cose vanno diversamente perché abbiamo munizioni che erogano pressioni e velocità molto elevate (es. 5,6 X61 Von Hofe 3900 atm. e 1130 mt/sec per proietto da 5 gr), mentre le resistenze di attrito tra righe e parti conduttrici del proiettile in generale crescono quasi linearmente col crescere della pressione e della velocità.

Con la cartuccia 30-06 Springfield originale, ossia militare, con proiettile completamente blindato da grammi 9,7 la velocità alla bocca di 823 m/sec è ottenuta con canna da 60,96 cm (24") che è la lunghezza dello Springfield 06 e M 1. Le lunghe prove dell’arsenale militare di Frankford hanno rilevato che, fermo restando il peso del proiettile, aumentando o diminuendo la lunghezza della canna, per ogni pollice di variazione (cm 2,54) si registra un aumento o una diminuzione di velocità iniziale compresa tra 5,5 e 7,6 m/sec in dipendenza del profilo del proiettile, della rigatura e della carica di lancio intesa questa come variazione dovuta al caricamento automatico e non del tipo di polvere. L’incremento è positivo sino alla lunghezza di cm 81(32"); oltre risulta negativo poiché il proiettile comincia a " spendere " energia per avanzare.

La maggioranza dei moderni fucili ha canne di 60cm circa, per cartucce " medie " concilia bene precisione, velocità iniziale e maneggevolezza. La lunghezza di cm 60-61 è una buona media per la maggior parte delle cartucce anche se non si ottiene il massimo possibile di velocità; ad esempio il 30-06 con la canna d’ordinanza fornisce una Vo = 823 m/sec mentre con canna da 81 cm fornisce una Vo 882 m/sec. Il vantaggio di 59 m/sec è più che apprezzabile ma il disagio di una tal canna, per caccia, non compensa a sufficienza l’incremento di velocità. Con caratteristiche simili al. 30-06, solo per quanto concerne la lunghezza di canna, possiamo raggruppare le seguenti cartucce: 5,6-X 35 R, 257 Robert, 270 W, 7 X 57 Mauser, 6,5X57, 280 R, 7X64, 300 Savage, 8 X 57 JS, 35 Rem. Questo raggruppamento di cartucce, come gli altri che seguiranno, è discretamente arbitrario e prima di venir accusato di sbavare scemenze sfacciate devo precisare che si sono tenute in ben poco conto le caratteristiche fisiche intrinseche alle singole cartucce salvo la similitudine, a volte anche lata, dei tempi di combustione. Ossia si è fatto riferimento al solo "rendimento balistico medio" tralasciando l’entità e lo sviluppo delle pressioni, la velocità dei proietti e così via.

Ad evitare l’accusa di esibizione ad effetto aggiungiamo ancora che nessun dato sulle variazioni di velocità deve essere ritenuto fermo come le rocce ed immutabile come le stelle, giacche l’ordine di variazione dipende grandemente dalla curva tempo / pressione della polvere usata, dal peso, dal diametro e dal profilo del proietto, dalle dimensioni e dalla finizione del l’anima, dal numero e dalla profondità delle righe ed altro ancora. E' chiaro come il sole che i dati riportati devono guardarsi come dati d’orientamento e giammai come dati " in assoluto ". Tutti noi sappiamo che un’arma può essere più " veloce " o più " lenta " di un’altra dello stesso munizionamento. Già avanti la 1a Guerra Mondiale si sperimentarono cartucce in grado di erogare superiori velocità e potenze dando luogo alle categorie dei Magnum e Wildcat.

Dovendosi contenere le pressioni entro limiti tollerabili dagli acciai e dai tiratori si dovette far ricorso a polveri molto lente (dette impropriamente progressive) ossia a polveri che bruciano più lentamente. In tal modo si avrà che il valore della velocità iniziale è indipendente dal valore della pressione massima ma dipende dal valore della pressione media e dalla lunghezza dell’anima. Il valore della pressione massima può tenersi basso o quanto meno non superare quello ordinario mentre il proietto viene accelerato lentamente.

IL TIRO DI PRECISIONE A LUNGHISSIMA DISTANZA E LA VELOCITA’ DI UN PROIETTILE

Sono oggi commercializzati moltissimi fucili prodotti esclusivamente per il tiro di precisione a lunghissime distanze, più la tecnologia migliora e più si richiede alle armi gittata e precisione maggiori. Si potrebbe così pensare che un giorno potremo sparare, stando comodamente alla finestra di casa nostra, a satelliti che sfrecciano sopra le nostre teste. Forse è solo fantascienza tuttavia un cannone capace di raggiungere lo spazio non è una cosa impossibile se consideriamo che il proiettile all'interno del cannone possa essere accelerato a X (metri/sec2). Dall'equazione del moto uniformemente accelerato per gli oggetti in caduta libera, la cui accelerazione X è uguale a g  10 m/sec2), se t (in secondi) è la durata dell'accelerazione, la velocità finale (in m/sec) è v = Xt e la distanza percorsa, in metri s = Xt2/2

Dall’equazione, t = v/X sostituendo questo valore nella seconda equazione, si ottiene, con qualche passaggio v2 = 2Xs e supponendo che la canna del cannone sia lunga un miglio ( 1600 metri) e che la velocità finale v, quella con cui il proiettile esce dalla canna, sia pari alla velocità di fuga dalla superficie terrestre abbiamo:

v = vfuga = 11·300 m/sec
v 2 = 128·000·000 (m/sec)2

è quindi possibile, in linea di principio, lanciare nello spazio un proiettile usando un "super-cannone".

    Il problema è che il proiettile dell’arma non può essere più veloce delle molecole di gas che lo spingono lungo la canna stessa. La velocità di tali molecole, ad ogni temperatura, può essere calcolata dalle leggi della fisica. Se si confrontano diversi gas, si trova che, ad una certa temperatura, l'energia delle molecole è sempre la stessa. A una data temperatura, quindi, più piccola è la massa delle molecole di un gas e più velocemente si muoveranno.

    Le molecole prodotte dalla polvere da sparo senza fumo usata nelle armi militari e convenzionali sono troppo pesanti quindi troppo lente per raggiungere velocità così elevate in una canna d’arma da fuoco. La molecola migliore e più leggera per tale scopo, quella che (a una data temperatura) ha la maggiore velocità, è quella dell'idrogeno ma nessun esplosivo genera come gas l'idrogeno durante la sua combustione.

    La soluzione potrebbe essere quella di usare un arma con due canne collegate tra loro, una canna ausiliaria insieme alla canna principale in cui viene accelerato il proiettile. Le due canne sono perpendicolari tra loro e sono separate da una membrana o valvola che si apre quando la pressione su di essa raggiunge il valore voluto.

    Invece del proiettile, la canna ausiliaria porta un pistone e lo spazio è riempito di idrogeno compresso. Quando la carica di lancio (polvere da sparo) sull'altro lato del pistone viene fatta esplodere, il pistone corre lungo la canna ausiliaria, comprimendo ulteriormente l'idrogeno e riscaldandolo. A un certo punto, la pressione dell'idrogeno caldo è sufficiente e la membrana o la valvola si apre tra le canne, per cui l'idrogeno fluisce nella canna principale, qui l’idrogeno viene ulteriormente compresso incendiandolo a sua volta e aumentandone così la velocità di dilatazione. Il proiettile che vi si trova e impedisce all’idrogeno di fuoriuscire viene quindi spinto a velocità impressionanti. Il proiettile, quindi, non è spinto dai gas dell'esplosione, ma dall'idrogeno compresso, le cui molecole leggere sono abbastanza veloci allo scopo.

    Questa teoria non ha nulla di fantascientifico, un cannone di questo tipo è stato già sperimentato, lo SHARP, "High Altitude Research Project", sperimentato dal "Livermore Weapons Lab", nei pressi di San Francisco, per studiare il volo di proiettili che raggiungono 8-9 volte la velocità del suono. L'esplosione è prodotta in questo caso, da una miscela di metano e aria compressa e poi accesi. La canna principale è lunga 47 metri e il proiettile emerge dalla canna bruciando nell’atmosfera proprio come le navicelle al rientro dopo una missione nello spazio.

    Ma le velocità ottenute sono ancora molto al di sotto del valore richiesto per colpire un oggetto nello spazio dato che ci vorrebbe una velocità del proiettile almeno 24 volte superiore la velocità del suono, mentre con una velocità 34 volte superiore non sfuggirebbe totalmente all’attrazione di gravità terrestre, cioè un proiettile sparato a velocità inferiori agli 11.300 mt/sec che non colpisse il bersaglio, finirebbe per ricadere sulla terra. La resistenza dell'aria è ancora un gradino insormontabile per i progettisti.

    Esistono anche dei progetti per accelerare un proiettile mediante forze magnetiche con un "cannone", costituito da due conduttori paralleli, in cui è fatta passare una forte corrente elettrica. Anche qui esistono gli stessi problemi, oltre a quello di immagazzinare e poi liberare in tempi brevissimi una grande quantità di energia elettrica.

Armi di questo genere avrebbero più successo nello spazio in assenza di gravità e aria, ma la tecnologia e le risorse per ora non consentono di spingersi oltre le sperimentazioni terrestri, ciò ci fa capire quanto precisione e distanze vengano a limitarsi a causa dei prodotti usati che risultano ancora “primitivi” rispetto alle esigenze tecnologiche cui si vorrebbe accedere.