ARMI: IL FENOMENO DELL' ESPLOSIONE
NELLE ARMI A FUOCO
Estratto e rivisitato dal manuale di balistica di Mori-Golino

Esaminiamo ora particolarmente il meccanismo della combustione di una carica di polvere nell’anima di una arma da fuoco. Il fenomeno è molto complesso: lo studio teorico presenta difficoltà molto grandi e conduce, per avere esatta espressione delle leggi che lo governano, a complicati sviluppi analitici. Necessariamente quindi ci limiteremo ai concetti principali, che occorrono per avere direttive sicure nell’esecuzione del tiro, o nella condotta delle più semplici esperienze, salvo a dare nozioni meno incomplete nelle note. Consideriamo anzitutto le condizioni all’atto della partenza del colpo. La carica di lancio si trova racchiusa entro un certo spazio, compreso fra la superficie cilindrica interna del bossolo, la chiusura posteriore di questo (il fondello) e la parte posteriore del proietto, oppure la borra nelle armi da caccia, che formano una parete mobile a tenuta di gas (come un pistone), capace unicamente di spostarsi in un senso lasciando la camera di cartuccia ed espandendone cosi lo spazio. 

Torniamo alla nostra cartuccia, non tutto questo spazio è riempito dalla polvere, sia perchè questa rimane libera, come nelle cartucce a bossolo metallico e in talune da caccia, sia perchè fra grano e grano di polvere esistono degli interstizi, sia perché ogni granulo presenta delle porosità più o meno accentuate. Conoscendo il peso specifico o densità assoluta della polvere e il peso della carica, nonché il volume lordo entro il quale è racchiusa la carica stessa, potremo determinare l’entità di questo spazio libero iniziale, che chiamasi appunto volume iniziale libero. Inoltre il rapporto fra il peso della carica e il volume lordo della camera ci dà la densità di caricamento. Altro elemento di cui bisogna tenere conto è la massa della palla/pallini di piombo, o del proietto. Inizialmente dunque noi abbiamo: una certa quantità di energia allo stato potenziale immagazzinata nella carica di polvere: un volume iniziale in cui si svilupperà la pressione propulsatrice, ed una certa massa limitata da una superficie che ottura la luce dell’anima e che dovrà ricevere la pressione. Il fenomeno dell’esplosione si divide in due distinti periodi. Nel primo periodo, quando l’innesco incendia la carica, la combustione si propaga a tutta la massa in un certo tempo, se pur brevissimo. I gas ad alta temperatura cominciano a svolgersi, ed aumentano la pressione nella camera iniziale. Ma aumentando la pressione aumenta anche la velocità di combustione della polvere: intanto però il proietto, sotto l’impulso della forza elastica dei gas, vince il forzarnento dell’anima, cioè la resistenza meccanica o di attrito degli intagli della rigatura, oppure dell’orlo della cartuccia, ed inizia il suo movimento. Il moto progressivamente accelerato del proietto, facendo aumentare il volume che trovasi dietro di questo, tende a diminuire la pressione. Il valore della pressione ad ogni istante risulta dunque da due leggi o funzioni combinate: la combustione della polvere e il movimento del proietto. Sia la combustione della polvere, sia il movimento del proietto sono legati insieme alla legge di sviluppo della pressione. La legge di sviluppo della pressione dipende alla sua volta dalle seguenti caratteristiche:

1) natura propria della polvere. Questa risulta dalla composizione chimica e dall’equilibrio delle reazioni che sono in gioco, e si definisce mediante la velocità specifica di combustione, ossia la velocità di reazione sotto la pressione unitaria (1 atmosfera).

2) proporzionalità della velocità di combustione alla pressione dell’ambiente. Questa proporzionalità non è eguale per tutte le polveri, ma è affetta da diversi coefficienti tuttora in discussione. In altri termini, ciascuna polvere accelera più o meno la combustione mentre la pressione aumenta, non v’è legge comune a tutte le polveri.

3) caratteristiche geometriche dei granuli della polvere, e combustione per strati paralleli. Lo sviluppo delle pressioni dipende in ogni istante dall’entità della superficie emittente, e questa è costituita dalla somma di tutte le superfici di ciascun granulo. La forma geometrica dei granuli ha quindi una grande importanza. Ognuno comprende che un granello cubico ed uno sferico hanno, a parità di peso, superfici rispettivamente maggiore e minore.

Inoltre, studi di Sarrau e Vieille hanno dimostrato che nelle polveri colloidali, cioè gelatinizzate, ciascun granulo, bruciando, mantiene la stessa forma, ossia resta simile a se stesso. Ciò perchè la combustione, in un granulo di grande omogeneità fisica, procede egualmente in tutti i sensi; il che permette di prevedere con grande esattezza la legge di propagazione della combustione. 

Il secondo periodo ha inizio quando la polvere è completamente bruciata. Allora la pressione ha già raggiunto il suo massimo valore, oppure lo raggiunge col finire del primo periodo e il proietto si trova ad un certo punto dell’anima, animato da una certa velocità. I gas continuano o iniziano la loro espansione, imprimendo ad ogni istante successive accelerazioni al proietto, che aumenta di velocità mentre la pressione diminuisce, fino alla uscita dalla bocca. Uscito dalla bocca il proietto riceve ancora un ultimo impulso dai gas, i quali espandendosi bruscamente alla pressione atmosferica producono il rumore della detonazione. Subito dopo l’uscita dalla bocca, e per 2 o 3 metri nelle armi portatili, il proietto aumenta ancora di un poco la velocità. I gas che affluiscono dalla bocca resasi libera hanno velocità notevolmente superiore a quella del proietto, ed assumono moti vorticosi, disperdendo nell’aria il calore e l’energia di moto residua, che non viene utilizzata. 

Il lettore che ha seguito con la necessaria pazienza le considerazioni fatte sopra, si rende conto della grande complessità dei fenomeno, e della difficoltà che presenta la teoria completa di esso. Lo studio delle pressioni e delle velocità del proietto costituisce il problema fondamentale della balistica interna, la quale ha per necessario strumento le ordinarie leggi fisiche ed elevate espressioni matematiche. Non è qui il caso di affacciarsi a tale campo di conoscenze; giova piuttosto esporne le risultanze e le regole generali che ne derivano. Il diagramma delle pressioni lungo l’anima può rappresentarsi in modo generale come nella flg. 115. Portando sull’asse orizzontale (ascisse) le lunghezze d’anima percorse dal proietto, e sull’asse verticale (ordinate) le pressioni corrispondenti, potremo distinguere: nel 1° periodo: l’accensione, in cui la combustione si propaga all’intera massa dello carica; il 2° periodo di combustione durante il quale si completa la combustione della intera massa; un periodo di espansione, durante il quale i gas prodotti si espandono, continuando a trasmettere la propria energia al proietto sotto forma di velocità. Si noti che il punto di massima pressione Pmax è indipendente dalla fine del 1° periodo; esso può essere situato posteriormente rispetto al punto di inizio del secondo periodo, oppure coincidere con esso; mai venir dopo che tutta la polvere è bruciata. Inoltre, la pressione di forzamento indicata con Po è indipendente dal periodo di prima accensione, infatti quando il proietto comincia a muoversi la massa di polvere può essere già in ignizione tutta, o solo in parte. Il valore della pressione massima è anche chiamato forza dilaniatrice. Quanto alle velocità, come appare dal diagramma, esse sono in continuo incremento, più o meno sentito, in corrispondenza delle pressioni. Il lavoro del diagramma è rappresentato dall’area racchiusa fra la curva delle pressioni e l’asse delle ascisse; esso è suscettibile di misura, tenendo opportuno conto delle scale grafiche adottate per rappresentare le pressioni e le lunghezze d’anima.

Il diagramma delle pressioni ci fornisce l’esatta visione del modo di funzionare di una polvere praticamente nell’arma di impiego e ci dà mezzo altresì di apprezzare le sollecitazioni cui è sottoposto il sistema meccanico delle varie parti dell’arma stessa. Il diagramma delle pressioni può essere determinato col calcolo e verificato sperimentalmente, come vedremo più avanti. Osservando la fig. 115 si possono fare le seguenti considerazioni; costruendo sull’asse delle ascisse il rettangolo tratteggiato di area equivalente a quella di lavoro del diagramma delle pressioni, avremo una ordinaria media Pm, la quale dà il valore della pressione media; il valore della velocità iniziale è indipendente dal valore della pressione massima, ma dipende esclusivamente dal valore della pressione media, e dalla lunghezza dell’anima. La curva di espansione (2° periodo) decresce secondo una legge approssimativamente adiabatica; quando è discesa oltre un certo valore, il prolungamento dell’espansione e quindi dell’anima non presenta sensibili vantaggi e non risulta conveniente in confronto degli svantaggi conseguenti (appesantimento dell’arma, difficoltà di puntamento). Il punto di pressione massima può trovarsi più o meno presso la culatta della canna, a seconda delle caratteristiche fisico - chimiche della polvere, della forma e dimensioni dei grani, della densità di caricamento, della inerzia di massa del proietto, dell’entità della accensione iniziale e della pressione di forzamento. La fig. 116 rappresenta alcuni tipi di diagrammi di forma caratteristica. La curva A è relativa ad una polvere viva, a rapida combustione; i valori della pressione e dell’accensione iniziale sono molto grandi, lo sviluppo della massima pressione avviene quasi subito, prima che il proietto abbia percorso uno spazio apprezzabile; il valore della forza dilaniatrice è molto grande. La curva B si riferisce ad una polvere lenta; la pressione raggiunge il suo massimo valore dopo che il proietto ha percorso uno spazio non trascurabile (tre o quattro calibri) ; il valore della pressione alla bocca è maggiore che nel caso precedente. Il grado di espansione, ossia il rapporto fra il valore massimo e il valore residuo (alla bocca) della pressione è minore. Il rendimento balistico sarà quindi minore in questo caso; perchè esso non diminuisca oltre un certo limite, occorre aumentare la lunghezza dell’anima.

Fig. 116

La curva C si riferisce ad una polvere molto lenta, comunemente (ma impropriamente) detta progressiva; il valore della pressione massima e molto basso, ed è raggiunto dopo che il proietto ha percorso uno spazio ragguardevole; il grado di espansione e il rendimento balistico sono bassi; l’anima deve essere di grande lunghezza. La forza dilaniatrice è però molto minore che nei casi precedenti. I valori della pressione nei vari punti dell’anima, della lunghezza dell’anima stessa, della pressione massima, della velocità iniziale e del rendimento balistico sono legati fra di loro da un complesso di relazioni, di cui occorre studiare bene l’equilibrio che una variazione arbitraria fra i fattori può turbare portando ad inconvenienti di varia specie. I dati occorrenti allo studio (di un conveniente diagramma delle pressioni sono fissati e determinati nelle loro entità e nelle loro influenze reciproche dalla balistica interna; essi sono:

diametro dell’anima (calibro) e lunghezza di essa in Calibri

massa del proiettile;

densità di caricamento (rapporto fra il peso di polvere e il volume iniziale libero)

reazioni chimiche (li esplosione e potenziale della polvere)

densità assoluta della polvere, forma e dimensioni dei grani di polvere.

Quest’ultimo dato è di grande importanza che non appare ad un sommario esame della questione; inoltre, mentre la composizione chimica della polvere è ben orientata su vari tipi ormai conosciuti e non è suscettibile di variazioni molto grandi, l’uso pratico della polvere può invece portare, per errore casuale, ò per tentativi empirici, ad impiegare polvere di granitura non adatta, causando molteplici inconvenienti. Vogliamo quindi accennare alquanto particolarmente alle cause ed alla specie di influenza che la granitura della polvere esercita sull‘andamento del diagramma delle pressioni. Dalla forma geometrica dei grani dipende il rapporto fra la superficie, sulla quale si svolge la combustione, e il peso del grano. L’emissione di gas sarà più o meno rilevante e veloce a seconda che varia detto rapporto. La durata della combustione dei grani dipende dalla metà della dimensione minore (spessore) perché la combustione investe il grano e procede da tutti i lati, dall’esterno verso l’interno di esso. L’entità dell’infiammazione iniziale dipende dalla dimensione dei granuli e dal numero di essi in cui è frazionata la massa della carica. La velocità specifica di combustione infine, dipende in notevole parte dallo stato fisico di coesione della polvere, che si riflette sul valore della sua densità assoluta. Terminiamo questi cenni esponendo le considerazioni seguenti. Conviene dal punto di vista del rendimento balistico clic lo sviluppo delle pressioni sia inizialmente rapido, perchè ciò aumenta il grado di espansione dei gas. Di fronte a questo vantaggio sono però parecchi inconvenienti, e cioè: l’aumento della pressione massima sottopone il metallo della parete della canna e le chiusure ad un maggior tormento; la maggior pressione è accompagnata da più elevata temperatura di esplosione, che determina rapide erosioni del metallo; aumenta in pari tempo l'entità del rinculo, che si ripercuote sulla spalla del tiratore; un valore iniziale elevato della pressione porta a notevoli effetti dinamici, i quali possono produrre il deterioramento e il consumo rapido dell’inizio (della rigatura o del raccordo nelle anime lisce) deformazione o rottura del proiettile, sfuggite di gas e scompiglio nelle cariche a pallini con conseguenti ripercussioni sulle rose, che riescono irregolari. Nelle armi portatili in particolar modo ha una grande influenza sull’andamento del diagramma l’entità della pressione iniziale di forzamento. Ora questa pressione iniziale dipende dalla resistenza che presenta il proietto all’intaglio nella rigatura, o che presenta il cartone del bossolo a svolgere l’orlatura, e la borra a superare il raccordo con l’anima. Questi dati hanno particolare importanza sul modo col quale si sviluppano le pressioni. Può dirsi, riassumendo, che possono regolarsi entro limiti sufficientemente larghi per le applicazioni la forma geometrica dei grani e il forzamento iniziale, in modo da ottenere da una polvere di data natura chimica il diagramma delle pressioni più conveniente. E per converso, si può affermare che non è lecito variare arbitrariamente i fattori sopra esposti, senza produrre perturbazioni dannose agli effetti del tiro. Esercitano una certa influenza sullo sviluppo delle pressioni e quindi sul rendimento balistico e sulla velocità iniziale, la temperatura e il tenore di umidità della polvere, particolarmente per le cartucce da caccia, che possono essere confezionate poco prima dell’impiego e il cui bossolo non è metallico. La temperatura fa variare la velocità specifica di combustione; l’umidità agisce rallentando la velocità di combustione, sottraendo calore di vaporizzazione e diminuendo la temperatura di esplosione: in ultima analisi diminuendo il potenziale della polvere ed il rendimento. Le polveri impiegate nel caricamento delle cartucce a pallottola e a bossolo metallico hanno, se il confezionamento e fatto con cura, un tenore di umidità ben determinato, di cui si tiene conto all’atto del caricamento e che resta costante nell’interno del bossolo. Le polveri da caccia invece risentono direttamente dello stato igrometrico dell’atmosfera, di cui il confezionatore delle cartucce dovrà tener conto, variando il peso della carica.

E.Mori - V.Golino estratto dal loro libro di balistica