El Combustible de nuestras armas

27 Ago 2018 Armas 1 comentario

Las pólvoras modernas ¿Sin humo?

Primera Parte del artículo de Eduardo Julio Rodi para Revista Aire Libre

En ésta primera parte iniciaremos el tratamiento de un tema que, aunque presente en las conversaciones de los aficionados al tiro deportivo y la seguridad, no siempre resulta conocido en el detalle que se pretende alcanzar, luego de la lectura de éstas líneas y las de aquellas que se publicarán en el próximo número.

Existen hechos fundacionales en el desarrollo de los sistemas de nuestro interés. Uno de ellos, sin lugar a dudas, es la irrupción de la retrocarga en las armas de fuego de la mano de aquel “casi” armero de Napoleón, Samuel Johannes Pauly. “Cuando no; tenía que ser un suizo”, diría mi Amigo José María Uberti, prestigioso descendiente de la colonia helvética de Santa Fe y presidente del Tiro Federal de San Jerónimo Sud, mientras dictaba la unidad Historia del Desarrollo de las Armas, en el curso de Perito Experto en Armamentos del CEsBa – Centro de Estudios Balísticos Rosario -.

Otra mención que resulta insoslayable a la hora de marcar los hitos fundacionales de la balística, es la participación de aquel científico francés Paul Marie Eugéne Vieille (1.854-1.934) quien en 1884, con apenas treinta años de edad, inventaba la pólvora coloidal o sin humo (en realidad, con menos humo).

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Como en reiteradas ocasiones en la historia de la humanidad, un conflicto armado entre naciones, había servido como catalizador en este avance tecnológico. La terrible derrota sufrida por Francia, en el conflicto con Prusia, gobernada por Guillermo I y su canciller Otto von Bismarck, y que generara la caída del Segundo Imperio Francés y el advenimiento de la Tercer República, motorizó una serie de esfuerzos por modernizar sus sistemas de armas. Vieille, fue un destacado protagonista en esta cruzada. No solo por la invención a la que hacíamos referencia, sino también por la creación de la bomba manométrica para el estudio de las presiones; herramienta fundamental a la hora de la investigación y el desarrollo de la balística interior y de la termodinámica en general.

Los avances científicos son, en general, el resultado de una serie de esfuerzos que se combinan de manera particular para concluir en el resultado final que se observa o analiza. Quiero decir: las tres leyes de Newton seguramente no habrían sido enunciadas por Isaac, sin el invalorable esfuerzo creativo de Galileo Galilei. Y en éste pisano víctima de la Inquisición -con estudios pero sin título académico logrado-, las raíces profundas en la ciencia que habían forjado sus permanentes lecturas sobre Pitágoras, Platón y Arquímedes.

Lo que Galilei y sus mentores fueron para Newton, el químico francés Théophile Jules Pelouze y el suizo Christian Friedrich Schönbein fueron para Vieille. El primero, ya que en 1838 observando la acción del ácido nítrico sobre el algodón y el papel, descubre la nitrocelulosa. Luego, en 1846, el químico suizo Schönbein -otro helvético más, para beneplácito de Uberti- ideando un método industrial para su fabricación.

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A nuestro amigo Paul Marie, “solamente” se le ocurrió que, logrando la estabilización de este material, sumamente sensible y con varios muertos en su haber, a través de un proceso de gelatinización (1), con una mezcla de éter y alcohol, se podía favorecer el empleo en armas portátiles. Y lo logró. Pavada de ingenio.

A éste tratamiento, le agregó una serie de estabilizadores que completaron el trabajo transformando a éste producto, en aceptablemente predecible y estable a pesar del transcurso del tiempo.

A la sustancia química explosiva que obtuvo Vieille, se la denominó “pólvora tipo B” en honor al general Georges Ernest Jean Marie Boulanger, por aquellos años ministro de defensa francés. Resulta ser la primera pólvora moderna que se ha utilizado masivamente; y que tuviera como destino, además, una munición de arma portátil: el fusil modelo 1886, calibre 8 mm Lebel. Con bala diseñada por el Teniente Coronel Nicolás Lebel, director de la Escuela de Tiradores de Elite del Ejército, quien diera con su apellido, el nombre al fusil y a su munición. Vale la pena recordar, que este sistema de arma-cartucho fue producto del trabajo del capitán Desaleux, con el diseño de la vaina partiendo del calibre 11 mm Gras; del coronel Bonnet con un cerrojo diseñado incorporando los dos tetones de acerrojado frontales y opuestos; y del diseño general del fusil, que fueran propuestos por el Coronel Gras.

Conociendo a la Pólvora con poco Humo

Como les comentaba, y sin duda todos ustedes apreciarán en cada visita a las pedanas, la llamada pólvora sin humo no lo es tal. En realidad, este término surge de la odiosa comparación -si las hay- de la emisión generada por las pólvoras negras. Y claro, después de presenciar un disparo de avancarga, o de algún cartucho de finales del siglo XIX cargados con este tipo de mezcla mecánica, cualquier cartucho moderno parece que no emitiera este “querido y disfrutado” fenómeno del tiro.

La razón para que estas modernas substancias “no hagan humo”, es que los productos de su combustión son gaseosos, comparados con el aproximadamente 55 % de elementos sólidos que generan las pólvoras negras. Ergo, el humo es producto de las partículas sólidas en suspensión.

En la primera imagen, se puede observar el humo generado por la combustión de la pólvora negra, desde una culebrina (pequeño cañón de mano que se colocaba en la baranda de los barcos piratas destinada a evitar el abordaje de la embarcación propia y alcanzar buques enemigos a corta distancia) fabricada por Osvaldo Gatto, maestro artesano de la ciudad de Rosario. En la imagen inferior, un disparo con pólvora moderna. Como vemos, si bien la diferencia resulta notable, de todas maneras, existe una emisión de humo durante la combustión de la llamada pólvora sin humo, también producto de los gases del plomo volatilizado cuando se utilizan balas sin gas check o encamisado posterior

He deslizado exprofeso, dos conceptos que dan pie para analizar otra de las diferencias fundamentales entre estos dos nobles representantes de la impulsión de proyectiles. Las pólvoras modernas, o con poco humo, resultan ser sustancias químicas explosivas, cuya definición más ajustada a nuestro tema es: especie química o mezcla de especies químicas, cuya combinación o descomposición da lugar a un brusco desprendimiento de la energía acumulada en el sistema que forma. Se obtienen luego de una reacción química, cuyo proceso resulta irreversible ante métodos de reversión mecánicos normales y que terminan formando una sustancia nueva, diferente de las que le dieron origen.

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Por otro lado, las pólvoras negras, resultan ser una mezcla mecánica de diferentes componentes (no existe la reacción química entre la salitre o nitrato de potasio, el azufre y el carbón), que resulta reversible por el mismo tipo de proceso que la generó. Puedo volver a separar sus componentes, mediante un procedimiento mecánico (por ejemplo de cernido).

Tal es así, que cuando se fabricaban con el antiguo proceso por vía seca (denominada serpentina), partiendo con una mezcla de los tres componentes reducidos a polvo, de ahí su nombre polvo-ra, durante el transporte y almacenamiento, tenían una tendencia a separarse quedando, en la parte baja del tonel, el azufre y el salitre en razón de su densidad y diferente peso.

En el siguiente cuadro, algunas de las ventajas comparativas que se lograron con la aparición de la invención de Vieille.

Las dos variables importantes y que le brindan sus características particulares de funcionamiento, son la composición química, su tamaño y forma del grano. Si bien resulta un aspecto que comparte con las pólvoras negras, dependientes ellas de las mismas cuestiones, en las pólvoras coloidales revisten mayor importancia. Con este fundamento, encontraremos un abanico de combinaciones que nos permiten usos y funcionamientos muy diferentes, con la posibilidad de su empleo desde cañones de gran calibre, hasta cartuchos de armas portátiles de salón o galería.

Para comprender como funcionan estas maravillosas sustancias, veamos una descripción resumida del fenómeno que se genera durante el disparo de un arma de fuego:

La Percusión.

Cuando la cola del disparador de un arma es accionada, los mecanismos correspondientes entran en movimiento y dejan en libertad al percutor el cual, impulsado por el muelle principal, se desplaza hacia delante e incide sobre la cápsula iniciadora. La mezcla explosiva contenida en ésta, recibe una excitación sobre la base de la energía implícita en el golpe, se inicia y detona.

Toda esta acción se realiza en un tiempo que se denomina retardo a la percusión, que depende fundamentalmente de la trayectoria que describe la cadena cinemática de los mecanismos que intervienen en la acción. Es un tiempo pequeño (de 2 a 6 milisegundos) y que tendrá una considerable importancia para el tirador de elite, que apretará la cola del disparador en el momento en que tenga posicionado el blanco. La velocidad con la que el percutor incida en la cápsula, crece en importancia en la medida con la que es capaz de reducir el retardo y, unida a la masa del percutor, establece la energía de percusión aplicando la conocida ecuación de la energía cinética

E = ½ m v² = ½ p/g v²

En cada caso particular ha de ser la adecuada. Caso contrario se corre el riesgo de una falla de iniciación, o la rotura de la copita de la cápsula por una percusión excesiva.

Los valores de energía mínima establecidos para el funcionamiento de las diferentes cápsulas que se utilizan en los sistemas de armamento portátil, se pueden apreciar en el cuadro 2.

La Ignición.

Cuando la sustancia iniciadora, contenida en la copita de la cápsula, es golpeada por el percutor contra el yunque, se produce la detonación a partir de lo cual se inicia la combustión bajo la forma de una deflagración. Esta ignición tiene lugar en un período de tiempo muy pequeño, del orden de dos décimas de milisegundo. A este tiempo se lo conoce como retardo a la ignición. La eficiencia de la misma tiene una dependencia directa con el calor y el largo de llama producida, que han de ser las que correspondan para el tipo de pólvora, el volumen de carga, el tamaño y forma de la cámara de combustión (vaina) y el diámetro de los oídos que comunican ésta con el alojamiento de la cápsula iniciadora.

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La detonación de la sustancia iniciadora de la cápsula debe tener el volumen de generación de gases, longitud de llama, temperatura y presión, suficientes como para introducirse en la carga de pólvora a través de los espacios entre granos, tendiendo a lograr el encendido simultáneo de todos ellos. Esta detonación que transforma entre 20 o 30 miligramos de mezcla explosiva iniciadora, en una centésima de milisegundo, en una masa blanca de gases calientes, es la que produce el fenómeno de ignición, prácticamente instantánea, de la pólvora.

Combustión de la Pólvora. Desarrollo de los Gases.

Cuando la superficie de los granos de pólvora se ha encendido, comienza la producción de gases y con ella, el incremento de la presión interna del sistema. La superficie interior de la vaina y el resto de la pólvora se calienta; aumenta la velocidad de combustión de la pólvora, la cual es dependiente del aumento de la presión, junto con la generación de gases por unidad de tiempo.

Los gases a elevada temperatura y gran presión, aceleran la combustión de los granos. La presión crece súbitamente, las paredes de la vaina se dilatan apoyándose sobre el interior de la recámara y el culote, sobre el plano anterior del cierre. Al retener la recámara a la vaina, firmemente, la expansión se extiende al gollete y la bala queda libre de su sujeción con ella y comienza a moverse impulsada por la presión de los gases en su culote, iniciando su vuelo hacia el estriado.

En este instante, una pequeña porción de los gases se adelantan a la bala en su posición en el ánima y tienden a filtrarse entre el gollete de la vaina y la recámara. Al tomar el rayado, la bala sella su camino hacia delante y de esta manera, quedan confinados detrás de la bala.

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Mientras tanto los granos continúan quemando, la presión de los gases aumentan hasta alcanzar su valor máximo que suele coincidir con el momento de la toma del estriado por parte de la bala. Esto dependerá del grano de pólvora, su tipo (más o menos progresiva) masa y dureza de la bala y la longitud de la zona cilíndrica de la misma; también del grado de forzamiento entre bala y tubo cañón.

Según la bala hace su recorrido por el ánima, la cámara de combustión donde continúa ardiendo la pólvora, aumenta y en determinado momento con la bala, aumentando considerablemente su velocidad, ese incremento de la cámara de combustión le gana la carrera al desarrollo de los gases generados por la combustión: la presión comienza a descender. A pesar de ello, es lo suficientemente importante como para continuar impulsando a la bala hasta que finaliza su recorrido y sale por la boca del arma. Incluso, si la caída de presión no es muy violenta, la velocidad del proyectil aumenta, todavía un poco más, después de salir al exterior, por el último impulso que recibe del fogonazo de los gases que salen detrás de ella. Justamente éste fenómeno, es uno de los fundamentos utilizados por los autores que justifican la existencia de la Balística Intermedia.

Tiempo de Recorrido en el Ánima.

La Bala, que parte del reposo y recorre el ánima, con un movimiento variable acelerado hasta salir por la boca, emplea un cierto tiempo en ese recorrido. El cálculo de ese tiempo podría estimarse, con cierto error, dividiendo la velocidad en boca por la longitud del ánima. La realidad es que la aceleración de la bala es siempre mayor, en la primera mitad del tubo, que en el resto. Esto se debe a que el empuje de los gases es superior en el inicio. Como ya hemos visto en la Figura I, la presión máxima en las armas portátiles, se suele alcanzar al principio de la toma del estriado por parte de la bala. Luego, la aceleración de la bala no responderá a una función lineal, sino parabólica. Datos experimentales permiten estimar, el tiempo de recorrido en el ánima, entre 0,8 y 1 milisegundos para la mayoría de los casos.

Tiempo Total de Desarrollo de la Balística Interior.

Resumiendo los datos brindados en los puntos que anteceden, una idea aproximada del tiempo total del desarrollo de la balística interior de las armas de pequeño calibre portátiles, queda reflejado en el cuadro 3.

Hasta aquí hemos realizado una introducción al tema de las pólvoras propulsivas y al fenómeno que se produce durante el disparo de un arma de fuego.

Si hacés click en la siguiente imagen verás que nos ocupamos de la pólvora y su fabricación. Mientras tanto nos despedimos deseándote “buenos tiros”, y con humo.