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nov 28

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Avancarica: energia cinetica e velocità

Nel precedente articolo avete visto cos’è un moschetto ad avancarica, come veniva ricaricato nell’esercito inglese e vi siete fatti un’idea della sua precisione.
Sul discorso precisione e accuratezza, che non sono sinonimi nel linguaggio scientifico e nemmeno in balistica, tornerò in futuro. Adesso preferisco mostrarvi le prestazioni delle armi da fuoco in termini di energia cinetica, velocità e peso del proiettile. In una parole: letalità. Perché colpire il bersaglio è importante, ma ammazzarlo lo è di più.

Prima di tutto: l’energia cinetica
L’energia cinetica è l’energia che un corpo possiede in virtù del suo movimento. Un corpo in moto è in grado di compiere lavoro in quanto esso è in moto. Per dirla in modo semplice in un proiettile l’energia viene dissipata in attrito con l’aria, calore ceduto per attrito all’impatto, spinta sul corpo colpito (magari entrandogli dentro) ecc…
Chi non ha mai visto in un film l’effetto di un fucile a pompa su un giubbotto antiproiettile? L’eroe viene investito da una scarica di pallettoni, tutti dotati della loro quota di energia cinetica, e finisce al suolo. Il giubbotto ha retto e gran parte dell’energia cinetica dei pallettoni se ne è andata spingendo l’eroe nel tentativo di penetrare gli strati di kevlar, mentre una piccola quota si è tramutata in calore per attrito con il giubbotto.

La formula, in versione semplificata, è

Le unità di misura sono quelle del Sistema Internazionale: chilogrammi per la massa m e metri al secondo per la velocità v. L’energia cinetica si misura in joule (J).
Come potete vedere l’energia raddoppia al raddoppiare della massa e quadruplica al raddoppiare della velocità.

I test sulle armi antiche
Alcuni dati ricavati da Krenn durante i test condotti sulle armi presso l’arsenale di Graz, in Austria, possono aiutare la comprensione di quanto fossero potenti i moschetti ad avancarica. La velocità a otto metri è riportata per mostrare il rapido decremento rispetto a quella misurata alla bocca.

Tipo di Arma Periodo Calibro Canna V (bocca) V (8 metri) E (bocca)
(mm) (mm) (m/s) (m/s) (J)
Carabina a ruota ’600 18,1 675 392 371 2463
Pistola a ruota 1620 12,3 480 438 - 917
Moschetto a ruota 1595 17,8 1000 456 435 3125
Moschetto a miccia ’600 15,1 760 449 428 1752
Moschetto da posta 1580 20,6 1655 533 514 6980
Moschetto a pietra 1700 18,4 955 467 446 3735
A paragone…
Pistola Glock 17 1980 8,8 114 360 - 518
Fucile d’Assalto Steyr AUG 1977 5,56 508 990 - 1764
Enorme moschetto da posta
Calibro 27 mm, lunghezza 228 cm, canna 169 cm, peso 19 kg (senza base).

 

Sfruttando la formula dell’energia cinetica è possibile ottenere il peso in grammi dei proiettili e, essendo tutti sferici e di piombo, ci vuole poco a derivarne il calibro effettivo rispetto a quello dichiarato dalla canna.
Ad esempio il Moschetto a Pietra spara un proiettile del peso di circa 34 grammi, ovvero una sfera di piombo del diametro di 17,9 mm pari a 0,704 pollici. Essendo la canna nominalmente da 18,4 mm (0,724 pollici) la regola dei 2-4 centesimi di pollice di gioco è confermata.

Notate anche come, essendo le velocità piuttosto simili, sia importante il peso del proiettile per l’energia finale. Ad esempio i due moschetti a miccia e a ruota hanno velocità alla bocca simili (456 e 449 m/s), ma il proiettile di quello di calibro maggiore dispone di molta più energia cinetica (3125 contro 1752).
Il peso del proiettile della canna da 17,8 mm (0,70 pollici) è di ben 30 grammi, mentre quello della canna da 15,1 mm (0,594 pollici) è di solo 17 grammi circa.

Krenn ha testato le armi di Graz usando moderna polvere nera in grani di dimensione uniforme (corned powder). Questo genere di polvere, umidificata e poi seccata, veniva impiegata fin dal XVI secolo. Il vantaggio rispetto alla classica polvere nera fine prodotta a secco (serpentine powder) sta nella maggiore rapidità di produrre gas grazie all’ossigenazione dei grani: la velocità risulta aumentata di un terzo e l’energia cinetica di oltre la metà.

L’arma di Graz con la maggiore velocità alla bocca è stata il moschetto da posta da 533 m/s, mentre la più lenta è stata una pistola di inizio ’700 con appena 385 m/s. Le velocità alla bocca cadono entro un range piuttosto piccolo: dieci su tredici sono tra 400 e 500 m/s. La velocità del suono è 330 m/s.

Questi dati austriaci cozzano con i precedenti di J.C. Benton. La polvere usata nei test austriaci era moderna e di ottima qualità, ma questo non basta a spiegare le alte velocità riscontrate. Benton rilevava che un fucile francese del Settecento (un Charleville, forse?) aveva una velocità alla bocca di 320 m/s. Tutte le armi dell’Ottocento testate da Benton, fucili rigati e pistole, avevano velocità alla bocca tra 232 e 292 m/s.
Il mistero è facilmente svelato se si rileva la quantità di polvere usata da Benton: come molti tiratori del diciannovesimo secolo usava una dose di polvere pari all’11% del peso del proiettile.
Benjamin Robins, il pioniere della balistica e inventore del pendolo balistico, riportò una velocità di 509 m/s a 25 piedi dalla bocca del moschetto caricato con polvere pari a circa metà del peso della palla.
Benton, infatti, quando testò un fucile per il tiro sportivo di altissima qualità usando polvere al 46% del peso della palla ottenne una velocità di 579 m/s.
Storicamente le armi da fuoco ad avancarica, prima dell’Ottocento, venivano caricate con una dose di polvere tra un terzo e metà del peso della palla. Le velocità rilevate da Krenn possono quindi essere considerate molto affidabili come indicatori delle reali velocità dei proiettili sparati secoli fa.

Riflessioni finali
Per uccidere un uomo non serve un proiettile dotato di molta energia cinetica (500 Joule hanno sufficiente potere d’arresto per contrastare un’aggressore) ma se serve che voli distante e magari bisogna anche fargli penetrare una corazza è meglio che ne abbia in abbondanza. I proiettili sferici hanno un pessimo drag coefficient (coefficiente di resistenza aerodinamica) per cui rallentano rapidamente e risentono molto dell’effetto Magnus durante il volo, per cui anche la stabilità della traiettoria si compromette in fretta.
C’è poco da divertirsi: rispetto a un proiettile oblungo di forma conica che ruota su se stesso sono molto svantaggiati. Perdono velocità rapidamente e di conseguenza anche energia cinetica e quota. Ma sulle corte distanze la massa di piombo e il calibro enorme li rendono devastanti.

ATTENZIONE!
Si consiglia la lettura, anche per capire meglio gli svantaggi delle palle sferiche e la loro naturale propensione alla derivazione orizzontale nel tiro, del nuovo articolo sulla Armi a Percussione dell’Ottocento.

Prossimamente
Baionette
Considerazioni sulla precisione delle armi da fuoco antiche
Armature

Permalink link a questo articolo: http://www.steamfantasy.it/blog/2007/11/28/avancarica-energia-cinetica-e-velocita/

18 comments

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  1. Balrog82

    Bell’articolo, Eccellenza. Tecnico ma non tecnicistico.
    Una cosa non ho colto: qual è il criterio seguito nella scelta della quantità di polvere nella camera? Risparmio di polvere (tanto come avete dimostrato, anche nel precedente articolo, se non si spara[va] ad obiettivi prossimi non c’è alcuna certezza di abbattere l’avversario)? O problemi tecnici, tipo evitare il surriscaldamento dell’arma?

    Un’altra cosa: quanto era effetto del caso la detonazione della carica in camera di scoppio senza espulsione del proiettile (per intenderci, lo scoppio del fucile/cannone alla cartone animato)?

    Grazie dell’eventuale risposta.

  2. Il Duca di Baionette

    La quantità di polvere molto elevata venne ereditata dal Seicento, quando si poteva ancora trovare armature addosso ai nemici (corazze su picchieri e cavalieri, spesse anche 2,5-4 mm in ferro). Inoltre nel Seicento la pratica diffusa, come in teoria rimase fino alla fine del Settecento, era di sparare su più file a turno partendo dalla distanza massima (150 metri circa) e proseguendo fino al contatto, di norma con un’avanzata aggressiva (la fila avanza, fa fuoco, quella dietro avanza superandola e fa fuoco ecc… come una specie di rullo compressore)
    I moschettieri di Gustavo Adolfo II di Svezia potevano mantenere un fuoco a raffica continuo con, mi sembra, solo sei file di tiratori.
    I moschettieri di Federico il Grande, cento anni dopo, potevano mantenere un volume di fuoco ininterrotto sfruttando solo tre file di profondità.
    Per mantenere il fuoco letale sulle lunghe distanze servono proiettili molto veloci, quindi cariche robuste. Un proiettile sferico decelera tipicamente di 2,5 m/s per metro nei primi otto metri (tre volte peggio di un proiettile moderno). Solitamente nei primi cento metri ha perso metà della sua energia cinetica. Un poderoso proiettile da 3800 J iniziali si è ridotto così a 1800 J scarse, incapaci di penetrare una spessa corazza. Ridurre la carica da 1/3-1/2 del peso a 1/9 riduce la letalità iniziale di 3 volte e accorcia di molto il tiro utile.

    Questo sistema portava un immenso spreco di colpi dato che solo una minuscola percentuale andava a segno in un duello di fanteria a distanza, tanto che alla battaglia di Chotusitz (1742) i prussiani spararono qualcosa come 650mila proiettili tra cannoni e moschetti (stime di Mauvillon) e fecero solo 2500 morti tra i nemici austriaci (e altrettanti feriti, per un totale di 5000 perdite per Mauvillon… 7000 secondi wikipedia, ma non so che fonte usi).
    260 proiettili per ogni morto, pari a circa 15 libbre di piombo a testa. O mettendola in modo più ottimista: 130 proiettili per ogni “perdita” austriaca.
    Distribuiti tra i prussiani (28000) furono 23,21 colpi a testa, artiglieria inclusa. Non è molto, in fondo, considerando che un tipico soldato portava appresso 50-60 cartucce tra zaino e cartucciera.

    La pratica della singola scarica a bruciapelo (dai quindici ai due metri!) di tutte le file (due, di norma) per poi lanciarsi alla baionetta approfittando del caos generato se ricordo bene entrò in auge con gli inglesi, che la utilizzarono con successo in India e contro i Francesi.
    E’ una pratica che richiede molto coraggio per trattenere il fuoco fino all’ultimo istante, ma può essere devastante, da rotta completa del nemico investito. Anche perché, appunto, sparare più di due-tre scariche è solo uno spreco di colpi: ne bastano una o due a media distanza (entro i settanta-cinquanta metri) e quella finale, poi è la baionetta a decidere lo scontro.
    Culloden ne dà un buon esempio: niente ferma una carica di scozzesi armati di spade e lance come una scarica a bruciapelo. :-)
    Se si passa a questo tipo di combattimento, invece del fuoco a raffica, e il nemico smette di portare armature allora si possono usare anche cariche di polvere inferiori: in fondo non servono 3800 J alla bocca per abbattere un uomo a cinquanta metri, ne bastano anche 1500… soprattutto se pensiamo che la riduzione delle cariche è anche accompagnata dall’uso di palle minié e altre forme di proiettili oblunghi, con un migliore drag coefficient.

    Le armi da fuoco antiche, moschetti e cannoni, erano molto robuste nel Settecento. Le esplosioni avvenivano in pratica solo per surriscaldamento, dovuti a decine di colpi sparati consecutivamente che indebolivano il metallo surriscaldato e lo rendevano più cedevole. Nel Cinquecento-Seicento ancora la fusione dei cannoni era “acerba” (ferro delicato, sensibile alla frattura, fusioni poco ottimizzate) e non si potevano sostenere lunghi periodi di fuoco consecutivo, ma nel Settecento i cannoni inglesi potevano sparare senza fermarsi per tutta la battaglia, ogni 20-30 secondi, giusto il tempo di ricaricare i pezzi da campo. Il bronzo è anch’esso un’ottima soluzione per resistere elasticamente alle esplosioni delle cariche, ma costa molto di più e pesa di più della fusione in ferro.

    Potrei provare a fare un articolo apposito su queste cose, ho del materiale specifico distribuito su due o tre libri.

  3. Simone

    Ottimo post veramente ben scritto, chiaro e pieno di informazioni interessanti. Complimenti!

    Simone

  4. Il Duca di Baionette

    Grazie, Simone.
    Seguo da tempo il tuo blog. :-)
    Presto ci saranno nuovi articoli sulle armi da fuoco antiche.

  5. Andrea

    mi dici dove trovi queste informazioni interessantissime?
    grazie

  6. Il Duca di Baionette

    Vari libri e, sparpagliate, qualcosina anche sul web nei siti in inglese. In questo caso specifico mi sono affidato interamente ai libri.

    Tutti i dati dei test di Krenn vengono da The Knight and the Blast Furnace del dottor Alan Williams, ma vengono citati (e forse riportati, se ricordo bene) anche in Weapons & Warfare in Renaissance Europe di Bert Hall (nel capitolo sulla balistica dell’anima liscia).

    Le citazioni dei risultati discordanti di Benton e Robins (e il motivo) vengono sicuramente dal libro di Hall, questo lo ricordo.

  7. Gianpiero

    Che dire : complimenti vivissimi per il sito !
    Pochi altri hanno informazioni cosi’ dettagliate e ben esposte. Trasuda di passione per quel che scrivi è ricco di dettagli che difficilmente si trovano in rete.

  8. Il Duca di Baionette

    Grazie.
    Se non li hai già letti ti consiglio gli articoli sulla resistenza delle armature e quello sugli archi lunghi, i miei lavori migliori.

  9. Tom Levesque

    I’m a reenactor from the USA, and I’m looking for the drill commands in Italian for miccia. I’m sorry for not speaking Italian. Grazie!

  10. Il Duca di Baionette

    @Tom:
    I sent you an e-mail. ^_^

  11. Ivan il teribbile

    Vostra grazia, intendo da subito complimentarvi per il vostro sito, veramente bello, farete mai un articolo sulla balistica in generale?

  12. Il Duca di Baionette

    No, troppi argomenti distinti tra loro (balistica interna -pirobalistica-, esterna e terminale) e pressoché impossibili da riassumere in modo utile.
    Pensavo, un paio di anni fa, di farne uno sulla balistica terminale riguardo la sola componente del comportamento dei proiettili nella carne (profili delle ferite ecc…), per dare un’introduzione che risponda ai dubbi più comuni. Con dei riferimenti storici a dove si siano originati, sopravvivendo e mutando nel tempo le loro giustificazioni, certi “miti” come l’adorazione cieca della velocità del proiettile. Forse un giorno la farò.

  13. Ivan il teribbile

    Se non è troppo disturbo potreste consigliare qualche buon sito dove un iNiorante come me potrebbe iniziare a studiarla sul serio?

  14. Il Duca di Baionette

    Qui è un buon inizio: http://www.earmi.it/balistica/default.htm

  15. Ivan il teribbile

    Grazie infinite, ci passerò sicuramente qualche ora, potete indicarmi anche qualcosa che parli accuratamente di ferite da arma da fuoco?

  16. Il Duca di Baionette

    Uhm, penso che nell’ordine si potrebbe provare a leggere questi:
    http://www.firearmstactical.com/wound.htm
    http://rkba.org/research/fackler/wrong.html
    http://web.archive.org/web/20110602200258/http://www.uthr.org/SpecialReports/Military_rifle_bullet_wound_patterns.htm
    (solo che mo che il dominio è sparito sono saltate le immagini, ma puoi rifarti andando qui: http://www.firearmstactical.com/wound.htm alle immagini divise per calibro)

    Su quell’atrocità dell’indice di abbattimento:
    http://www.firearmstactical.com/undeniable-evidence.htm
    http://www.firearmstactical.com/marshall-sanow-statistical-analysis.htm
    http://www.firearmstactical.com/marshall-sanow-discrepancies.htm

    Per iniziare proprio dalle basi, credo sia ok.

  17. Ivan il teribbile

    Ti amo, grazie.

  18. reno

    Articolo e Link eccezionali.
    Grazie Duca !

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