Rifling - Rifling

Rastejamento convencional de um canhão M75 de 90 mm (ano de produção 1891, Áustria-Hungria )
Rifling de uma arma tanque Royal Ordnance L7 de 105 mm .

Em armas de fogo , estrias é usinagem helicoidais ranhuras na superfície interna (furo) de uma arma de tambor com o objectivo de exercer binário e assim transmitir uma rotação de um projéctil em torno do seu eixo longitudinal durante o disparo para estabilizar o projéctil longitudinalmente por conservação do angular impulso , melhorando sua estabilidade aerodinâmica e precisão em relação aos designs de furo liso .

O rifle é frequentemente descrito por sua taxa de torção , que indica a distância que o rifling leva para completar uma revolução completa, como "1 volta em 10 polegadas" (1:10 polegadas) ou "1 volta em 254 mm" (1: 254 mm; às vezes expressa como "1: 25,4" cm, ou unidades semelhantes, geralmente facilmente deduzidas.) Uma distância mais curta indica uma torção "mais rápida", o que significa que, para uma determinada velocidade, o projétil estará girando a uma taxa de giro mais alta.

A combinação de comprimento, peso e forma de um projétil determina a taxa de torção necessária para estabilizá-lo - barris destinados a projéteis curtos e de grande diâmetro, como bolas de chumbo esféricas, requerem uma taxa de torção muito baixa, como 1 volta em 48 polegadas (122 cm ) Os canos destinados a balas longas e de pequeno diâmetro, como as balas de ultra-baixo arrasto, 80 grãos de 0,223 polegadas (5,2 g, 5,56 mm), usam taxas de torção de 1 giro em 8 polegadas (20 cm) ou mais rápidas.

Em alguns casos, o rifling terá taxas de torção variáveis ​​que aumentam ao longo do comprimento do cano, chamadas de torção de ganho ou torção progressiva ; uma taxa de torção que diminua da culatra para o cano é indesejável, uma vez que não pode estabilizar a bala com segurança enquanto ela desce pelo orifício.

Projéteis extremamente longos, como flechas , requerem taxas de torção impraticamente altas para serem estabilizados giroscopicamente e, em vez disso, costumam ser estabilizados aerodinamicamente. Esses projéteis aerodinamicamente estabilizados podem ser disparados de um barril de furo liso sem uma redução na precisão.

História

Raring tradicional de um cano de arma de 9 mm.

Os mosquetes eram de cano liso , armas de grande calibre que usavam munição em forma de bola disparada a uma velocidade relativamente baixa. Devido ao alto custo e à grande dificuldade de fabricação de precisão, e à necessidade de carregar prontamente e rapidamente da boca do cano, as balas de mosquete geralmente caíam com folga nos canos. Consequentemente, ao atirar, as bolas costumavam ricochetear nas laterais do cano quando disparadas e o destino final após deixar a boca do cano era menos previsível. Isso foi combatido quando a precisão era mais importante, por exemplo, ao caçar, usando uma combinação mais justa de uma bola do tamanho de um furo mais próximo e um remendo. A precisão foi melhorada, mas ainda não é confiável para tiro de precisão em longas distâncias.

O rifle de cano foi inventado em Augsburg , Alemanha , em 1498. Em 1520, August Kotter, um armeiro de Nuremberg , aprimorou esse trabalho. Embora o rifle verdadeiro remonte a meados do século 16, ele não se tornou comum até o século XIX.

O conceito de estabilizar o vôo de um projétil girando-o era conhecido na época dos arcos e flechas, mas as primeiras armas de fogo que usavam pólvora negra tinham dificuldade com o rifle por causa da incrustação deixada pela combustão suja da pólvora. As armas de maior sucesso usando rifling com pólvora negra foram os carregadores de culatra , como a pistola Queen Anne .

Desenvolvimentos recentes

Rifling poligonal

Estrias convencional (esquerda) e rifling poligonal (direita). Ambos os tipos de rifling usam um padrão em espiral.
O padrão em espiral (aqui com rifling poligonal) é mostrado.

As ranhuras mais comumente usadas no rifling moderno têm bordas bastante afiadas. Mais recentemente, a espingarda poligonal , um retrocesso aos primeiros tipos de espingarda, tornou-se popular, especialmente em armas de fogo . Os barris poligonais tendem a ter uma vida útil mais longa porque a redução das bordas afiadas do terreno (os sulcos são os espaços que são recortados e as cristas resultantes são chamadas de terreno) reduz a erosão do barril. Os defensores do rifling poligonal também alegam velocidades e precisão maiores. A espingarda poligonal é vista atualmente em pistolas de CZ , Heckler & Koch , Glock , Tanfoglio e Kahr Arms , bem como na Desert Eagle .

Alcance estendido, furo completo

Para tanques e peças de artilharia, o alcance estendido, conceito full bore desenvolvido por Gerald Bull para o obus GC-45 inverte a ideia de rifling normal usando um projétil com pequenas barbatanas que montam nas ranhuras, ao invés de usar um projétil com um leve faixa de direção superdimensionada que é forçada nas ranhuras. Essas armas alcançaram aumentos significativos na velocidade e alcance da boca do cano. Os exemplos incluem o sul-africano G5 e o alemão PzH 2000 .

Rifling de ganho-torção

Uma torção de ganho ou rifling progressivo começa com uma taxa de torção lenta que aumenta gradualmente ao longo do orifício, resultando em muito pouca mudança inicial no momento angular do projétil durante os primeiros centímetros de viagem da bala depois que ele entra na garganta . Isso permite que a bala permaneça essencialmente intacta e ligada à boca da caixa. Depois de envolver o rifle na garganta, a bala é progressivamente submetida a um momento angular acelerado à medida que é impulsionada para baixo do cano. A vantagem teórica é que ao aumentar gradualmente a taxa de rotação, o torque é transmitido ao longo de um comprimento de furo muito mais longo, permitindo que a tensão termomecânica se espalhe por uma área maior em vez de ser focada predominantemente na garganta, que normalmente se desgasta muito mais rápido do que outras partes do barril.

O rifling de ganho-torção foi usado antes e durante a Guerra Civil Americana (1861-65). Os revólveres Colt do Exército e da Marinha empregavam rifles de ganho-torção. O rifling de ganho-torção, entretanto, é mais difícil de produzir do que o rifling uniforme e, portanto, é mais caro. Os militares usaram rifling de ganho-torção em uma variedade de armas, como o20 mm M61 Vulcan Gatling usado em alguns jatos de combate atuais e maiores30 mm GAU-8 Avenger Gatling usado no jato de apoio aéreo A10 Thunderbolt II. Nessas aplicações, permite uma construção mais leve dos barris, diminuindo as pressões da câmara por meio do uso de taxas de torção iniciais baixas, mas garantindo que os projéteis tenham estabilidade suficiente uma vez que saiam do barril. Raramente é usado em produtos comercialmente disponíveis, embora notadamente no Smith & Wesson Modelo 460 (X-treme Velocity Revolver).

Fabricar

Rifling em um canhão francês do século XIX.

Um método antigo de introdução de estrias em um cano pré-perfurado era usar um cortador montado em uma haste de seção quadrada, torcida com precisão em uma espiral com o passo desejado, montada em dois orifícios de seção quadrada fixos. À medida que o cortador avançava pelo cano, ele torcia a uma taxa uniforme governada pelo passo. O primeiro corte foi raso. Os pontos de corte foram gradualmente expandidos à medida que cortes repetidos eram feitos. As lâminas ficavam em ranhuras em um tarugo de madeira que iam sendo empacotadas gradativamente com tiras de papel até que a profundidade desejada fosse obtida. O processo foi finalizado lançando um pedaço de chumbo derretido no barril, retirando-o e usando-o com uma pasta de esmeril e óleo para alisar o furo.

A maioria dos rifling é criada por:

  • cortando uma ranhura de cada vez com uma ferramenta ( estrias corte ou único estrias corte ponto );
  • cortar todas as ranhuras em uma única passagem com uma broca de brochamento progressiva especial ( rifling brochada );
  • pressionar todas as ranhuras de uma vez com uma ferramenta chamada "botão" que é empurrada ou puxada para baixo no cano ( rifling de botão );
  • forjar o cano sobre um mandril contendo uma imagem reversa do rifling e, frequentemente, da câmara também ( forjamento com martelo );
  • fluxo formando a pré-forma do cano sobre um mandril contendo uma imagem reversa do estriamento ( estriamento por formação de fluxo )
  • Usando forças sem contato, como reação química ou calor de fonte de laser para gravar o padrão de estrias ( estriamento de corrosão )
  • Maquine a textura das ranhuras de estrias em uma placa de metal fina e, em seguida, dobre a placa no orifício interno do cano (estrias de revestimento )

As ranhuras são os espaços recortados e as cristas resultantes são chamadas de terras . Essas saliências e ranhuras podem variar em número, profundidade, forma, direção de torção (direita ou esquerda) e taxa de torção. O giro transmitido pelo rifling melhora significativamente a estabilidade do projétil, melhorando o alcance e a precisão. Normalmente, o rifling é uma taxa constante descendo o cano, geralmente medida pelo comprimento de deslocamento necessário para produzir uma única volta. Ocasionalmente, as armas de fogo são encontradas com uma torção de ganho , onde a taxa de giro aumenta da câmara ao cano. Embora as torções de ganho intencionais sejam raras, devido à variação de fabricação, uma leve torção de ganho é, na verdade, bastante comum. Uma vez que uma redução na taxa de torção é muito prejudicial para a precisão, os armeiros que estão usinando um novo cano a partir de uma peça em bruto muitas vezes medem a torção com cuidado para que possam colocar a taxa mais rápida, não importa quão minuciosa seja a diferença, na extremidade do cano.

Construção e operação

Um cano de seção transversal de furo circular não é capaz de dar um giro a um projétil, então um cano estriado tem uma seção transversal não circular. Normalmente, o cano estriado contém uma ou mais ranhuras que percorrem seu comprimento, dando-lhe uma seção transversal semelhante a uma engrenagem interna , embora também possa assumir a forma de um polígono , geralmente com cantos arredondados. Uma vez que o cano não é circular em seção transversal, ele não pode ser descrito com precisão com um único diâmetro. Os furos rifle podem ser descritos pelo diâmetro do furo (o diâmetro através das terras ou pontos altos na estriagem), ou pelo diâmetro da ranhura (o diâmetro entre as ranhuras ou pontos baixos na estriagem). As diferenças nas convenções de nomenclatura dos cartuchos podem causar confusão; por exemplo, os projéteis do .303 britânico são na verdade ligeiramente maiores em diâmetro do que os projéteis do .308 Winchester , porque o ".303" se refere ao diâmetro do furo em polegadas (a bala é .312), enquanto o ".308" "refere-se ao diâmetro da bala em polegadas (7,92 mm e 7,82 mm, respectivamente).

Apesar das diferenças na forma, o objetivo comum do rifle é lançar o projétil com precisão no alvo. Além de dar giro à bala, o cano deve segurar o projétil de forma segura e concêntrica enquanto ele desce pelo cano. Isso requer que o rifling cumpra uma série de tarefas:

  • Ele deve ser dimensionado de forma que o projétil incha ou obture ao disparar para preencher o orifício.
  • O diâmetro deve ser consistente e não deve aumentar em direção ao focinho.
  • A estriagem deve ser consistente ao longo do comprimento do furo, sem alterações na seção transversal, como variações na largura ou espaçamento da ranhura.
  • Deve ser liso, sem arranhões perpendiculares ao furo, para não desgastar o material do projétil.
  • A câmara e a coroa devem fazer a transição suave do projétil para dentro e para fora do estrangulamento.

O rifle pode não começar imediatamente à frente da câmara. Pode haver uma garganta não revirada à frente da câmara, de modo que um cartucho pode ser alojado sem empurrar a bala para dentro do rifling. Isso reduz a força necessária para carregar um cartucho na câmara e evita que uma bala fique presa na espingarda quando um cartucho não disparado é removido da câmara. O diâmetro especificado da garganta pode ser um pouco maior do que o diâmetro da ranhura e pode ser ampliado pelo uso se o gás em pó quente derreter a superfície interna do cano quando o rifle for disparado. Furo livre é um tubo de cano liso com diâmetro de ranhura sem saliências à frente da garganta. O furo livre permite que a bala faça a transição do atrito estático para o atrito deslizante e ganhe momento linear antes de encontrar a resistência do aumento do momento rotacional. O furo livre pode permitir o uso mais eficaz de propelentes, reduzindo o pico de pressão inicial durante a fase de volume mínimo da balística interna antes que a bala comece a se mover para baixo no cano. Barris com comprimento de furo livre excedendo o comprimento estriado são conhecidos por uma variedade de nomes comerciais, incluindo paradoxo .

Quando o projétil é estampado na espingarda, ele assume uma imagem espelhada da espingarda, à medida que as terras empurram o projétil em um processo denominado gravação . A gravura assume não apenas as características principais do furo, como as saliências e ranhuras, mas também as características menores, como riscos e marcas de ferramenta. A relação entre as características do furo e a gravação no projétil é freqüentemente usada em balística forense .

Ajustando o projétil ao furo

Balas militares padrão 7,62 × 39mm 57-N-231 com núcleo de aço - a da esquerda não disparou, a da direita disparou, com as ranhuras de estrias visíveis. Observe que a camada de cobre foi raspada e a jaqueta de aço está exposta nas marcas da ranhura.
Três balas da OTAN de 7,62 × 51 mm recuperadas (ao lado de um cartucho não queimado), mostrando marcas de rifling dando giro no sentido anti-horário
Estilhaços russos de 122 mm (que foram disparados) exibindo marcas de estrias na faixa de condução de liga de cobre em torno de sua base, indicando rotação no sentido horário
Bala de canhão equipada com winglets para canhões estriados por volta de 1860
Concha ogival do sistema La Hitte , 1858, projetada para se engajar com rifles no sentido horário

As armas de fogo originais foram carregadas do cano , forçando uma bola do cano para a câmara. Seja usando um furo estriado ou liso, um bom encaixe foi necessário para selar o furo e fornecer a melhor precisão possível da arma. Para aliviar a força necessária para carregar o projétil, esses primeiros canhões usavam uma bola subdimensionada e um remendo feito de tecido, papel ou couro para preencher o vento (a lacuna entre a bola e as paredes do orifício). O remendo agia como um enchimento e fornecia algum grau de vedação por pressão , mantinha a bola assentada na carga de pólvora negra e mantinha a bola concêntrica com o orifício. Em canos estriados, o remendo também fornecia um meio de transferir o giro do rifle para a bala, já que o remendo é gravado em vez da bola. Até o advento da bola Minié de base oca , que se expande e obtura ao disparar para selar o furo e engajar o rifle, o remendo fornecia o melhor meio de fazer com que o projétil acertasse o rifling.

Em armas de fogo de carregamento por culatra , a tarefa de colocar o projétil no rifle é feita pela garganta da câmara . O próximo é o furo livre , que é a parte da garganta pela qual o projétil viaja antes de começar o rifle. A última seção da garganta é o ângulo da garganta , onde a garganta faz a transição para o cano estriado.

A garganta geralmente tem um tamanho ligeiramente maior do que o projétil, de modo que o cartucho carregado pode ser inserido e removido facilmente, mas a garganta deve ser o mais próximo possível do diâmetro da ranhura do cano. Após o disparo, o projétil se expande sob a pressão da câmara e obtura para se ajustar à garganta. A bala então desce pela garganta e atinge o rifle, onde está gravada, e começa a girar. A gravação do projétil requer uma quantidade significativa de força e, em algumas armas de fogo, há uma quantidade significativa de orifício livre, o que ajuda a manter as pressões da câmara baixas, permitindo que os gases propulsores se expandam antes de serem necessários para gravar o projétil. Minimizar o furo livre melhora a precisão, diminuindo a chance de um projétil distorcer antes de entrar no rifling.

Taxa de torção

Para melhor desempenho, o cano deve ter uma taxa de torção suficiente para estabilizar a rotação de qualquer bala que seria razoavelmente esperado para disparar, mas não significativamente mais. Balas de grande diâmetro fornecem mais estabilidade, pois o raio maior fornece mais inércia giroscópica , enquanto balas longas são mais difíceis de estabilizar, pois tendem a ser muito pesadas e as pressões aerodinâmicas têm um braço mais longo ("alavanca") para agir. As taxas de torção mais lentas são encontradas em armas de fogo carregadas pela boca, destinadas a disparar uma bola redonda; estes terão taxas de torção tão baixas quanto 1 em 72 polegadas (180 cm), ou um pouco mais, embora para um rifle muzzleloader multiuso típico, uma taxa de torção de 1 em 48 polegadas (120 cm) seja muito comum. O rifle M16A2 , que é projetado para disparar a bola 5,56 × 45 mm NATO SS109 e balas traçadoras L110 , tem uma torção de 1 polegada (18 cm) ou 32 calibres. Os rifles AR-15 civis são comumente encontrados com calibres de 1 em 12 polegadas (30 cm) ou 54,8 para rifles mais antigos e calibres de 1 em 9 polegadas (23 cm) ou 41,1 para a maioria dos rifles mais novos, embora alguns sejam feitos com 1 em 7 polegadas ( 18 cm) ou taxas de torção de 32 calibres, as mesmas utilizadas para o rifle M16. Os fuzis, que geralmente disparam balas mais longas e de diâmetro menor, geralmente têm taxas de torção mais altas do que as pistolas, que disparam balas mais curtas e de diâmetro maior.

Expressando taxa de torção

Existem três métodos em uso para descrever a taxa de torção:

O método, tradicionalmente falando, mais comum expressa a taxa de torção em termos de 'viagem' (comprimento) necessária para completar uma revolução completa do projétil no cano estriado. Este método não fornece uma compreensão fácil ou direta de se uma taxa de torção é relativamente lenta ou rápida quando furos de diâmetros diferentes são comparados.

O segundo método descreve o 'deslocamento estriado' necessário para completar uma revolução completa do projétil em calibres ou diâmetros de furo.

Onde:

  • Torção = taxa de torção expressa em diâmetros de furo
  • L = o comprimento de torção necessário para completar uma revolução completa do projétil (em mm ou pol)
  • Furo D = diâmetro do furo (diâmetro das terras, em mm ou pol)

Observe que o curso de torção L e o diâmetro do furo D devem ser expressos em uma unidade de medida consistente, ou seja, métrica (mm) ou imperial (pol.).

O terceiro método simplesmente relata o ângulo das ranhuras em relação ao eixo do furo, medido em graus.

Observe que os dois últimos métodos têm a vantagem inerente de expressar a taxa de torção como uma proporção e fornecer um fácil entendimento se uma taxa de torção é relativamente lenta ou rápida, mesmo quando se comparam furos de diâmetros diferentes.

Taxa de torção e estabilidade de bala

Em 1879, George Greenhill , professor de matemática da Royal Military Academy (RMA) em Woolwich , Londres, Reino Unido, desenvolveu uma regra prática para calcular a taxa de torção ideal para balas de núcleo de chumbo. Este atalho usa o comprimento do projétil, sem levar em consideração o peso ou formato do nariz. A fórmula de Greenhill homônima , usada ainda hoje, é:

Onde:

  • C = 150 (use 180 para velocidades de focinho superiores a 2.800 f / s)
  • D = diâmetro da bala em polegadas
  • L = comprimento da bala em polegadas
  • SG = gravidade específica da bala (10,9 para balas de núcleo de chumbo, que cancela a segunda metade da equação)

O valor original de C era 150, o que resulta em uma taxa de torção em polegadas por volta, quando dado o diâmetro D e o comprimento L da bala em polegadas. Isso funciona a velocidades de cerca de 840 m / s (2800 pés / s); acima dessas velocidades, um C de 180 deve ser usado. Por exemplo, com uma velocidade de 600 m / s (2.000 pés / s), um diâmetro de 0,5 polegadas (13 mm) e um comprimento de 1,5 polegadas (38 mm), a fórmula de Greenhill forneceria um valor de 25, o que significa 1 volta em 25 polegadas (640 mm).

As fórmulas aprimoradas para determinar a estabilidade e as taxas de torção incluem a regra Miller Twist e o programa McGyro desenvolvido por Bill Davis e Robert McCoy.

Um rifle Parrott , usado pelas forças Confederadas e da União na Guerra Civil Americana .

Se uma taxa de torção insuficiente for usada, a bala começará a guinar e então tombar; isso geralmente é visto como "buraco de fechadura", onde as balas deixam buracos alongados no alvo à medida que atingem um ângulo. Uma vez que a bala começa a guinar, qualquer esperança de precisão é perdida, já que a bala começará a desviar em direções aleatórias conforme sua precessão .

Por outro lado, uma taxa de torção muito alta também pode causar problemas. A torção excessiva pode causar desgaste acelerado do cano e, juntamente com altas velocidades, também induzem uma taxa de rotação muito alta que pode causar rupturas da camisa do projétil , fazendo com que projéteis estabilizados por rotação de alta velocidade se desintegrem em vôo. Projéteis feitos de mono metais não podem atingir velocidades de vôo e rotação de forma prática, que se desintegram em vôo devido à sua taxa de rotação. Pó sem fumaça pode produzir velocidades de boca de aproximadamente 1.600 m / s (5.200 pés / s) para projéteis com rotação estabilizada e propelentes mais avançados usados ​​em canhões de tanque de alma lisa podem produzir velocidades de boca de aproximadamente 1.800 m / s (5.900 pés / s). Uma torção maior do que o necessário também pode causar problemas mais sutis com a precisão: qualquer inconsistência dentro da bala, como um vazio que causa uma distribuição desigual de massa, pode ser ampliada pelo giro. As balas subdimensionadas também têm problemas, pois podem não entrar no rifling exatamente concêntricas e coaxiais ao furo, e o excesso de torção exacerba os problemas de precisão que isso causa.

Rotação de bala

Uma bala disparada de um cano estriado pode girar a mais de 300.000 rpm (5 kHz ), dependendo da velocidade da boca da bala e da taxa de torção do cano .

A definição geral da rotação de um objeto girando em torno de um único eixo pode ser escrita como

onde é a velocidade linear de um ponto no objeto em rotação (em unidades de distância / tempo) e se refere à circunferência do círculo que este ponto de medição realiza em torno do eixo de rotação.

Uma bala que corresponda ao rifle do cano de disparo sairá desse cano com um giro

onde é a velocidade do focinho e é a taxa de torção.

Por exemplo, uma carabina M4 com uma taxa de torção de 1 em 7 polegadas (177,8 mm) e uma velocidade de boca de 3.050 pés por segundo (930 m / s) dará à bala um giro de 930 m / s / 0,1778 m = 5,2 kHz (314.000 rpm).

A velocidade rotacional excessiva pode exceder os limites projetados da bala e a força centrífuga resultante pode fazer com que a bala se desintegre radialmente durante o vôo.

Veja também

Referências

links externos

Calculadoras para estabilidade e torção