Balistica

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Introduzione

Balistica Scienza che studia il moto di corpi lanciati attraverso lo spazio. La balistica si occupa delle traiettorie dei proiettili sparati da cannoni o da altre armi, ma anche della caduta libera delle bombe e del volo autopropulso dei razzi.

Il movimento di un proiettile, dall’istante dello sparo sino all’impatto sul bersaglio, viene suddiviso in tre fasi distinte, cui corrispondono aree specifiche della balistica; si distinguono così: 1) la balistica interna, che tratta del moto di un proiettile mentre questo è ancora nella canna dell’arma; 2) la balistica esterna, che considera il movimento del proiettile dal momento in cui esce dalla canna all’istante in cui entra in contatto con il bersaglio; e 3) la balistica terminale, che descrive l’effetto del proiettile sul bersaglio.

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Balistica interna

La balistica interna studia le condizioni di temperatura, pressione e volume dei gas prodotti all’interno dell’arma dalla combustione della carica esplosiva del proiettile; essa tratta anche del lavoro svolto dall’espansione di questi gas sulla canna, eventualmente sul suo affusto, e sul proiettile. Alcuni degli elementi critici coinvolti nello studio della balistica interna sono la relazione fra il peso della carica e il peso del proiettile; il calibro; la dimensione, la forma e la densità ottimali dei grani di polvere della carica di sparo; i connessi problemi di pressione minima e massima alla bocca della canna.

L’ingegnere britannico Benjamin Robins (1707-1751) eseguì, nella prima metà del XVIII secolo, un gran numero di esperimenti di balistica interna, tanto che per le sue scoperte è considerato il padre della moderna artiglieria; esperimenti più recenti confermano gran parte delle conclusioni di Robins, ma forniscono risultati diversi riguardo alle temperature e alle pressioni massime nella canna dell’arma.

Alla fine del XVIII secolo il fisico Benjamin Thompson fece il primo tentativo di misurare la pressione generata dalla polvere pirica: il resoconto dei suoi esperimenti fu riconosciuto all’epoca come il più importante contributo alla balistica interna dato fino a quel tempo.

Nel 1760 balistici francesi determinarono la relazione tra velocità iniziale del proiettile e lunghezza della canna misurando la velocità di un colpo di moschetto, e tagliando un tratto di canna prima di misurare la velocità del colpo successivo. Utilizzando i risultati di questi esperimenti e le nuove acquisizioni della chimica e della termodinamica, fu possibile risolvere gran parte dei problemi della balistica interna, determinando un insieme di formule precise per esprimere le importanti relazioni tra velocità iniziale, peso e forma del proiettile; peso, tipo e granulometria della carica di polvere; pressione e temperatura nella canna; dimensioni della camera della polvere e lunghezza della canna.

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Balistica esterna

La traiettoria di un proiettile, dal momento in cui esso lascia la canna al momento in cui raggiunge il bersaglio, è determinata da elementi come la forma, il calibro, il peso, la velocità iniziale, la rotazione, la resistenza dell’aria e la gravità.

Fino alla metà del XVI secolo si credeva che i proiettili si muovessero in linea retta dalla canna al bersaglio e che le granate di mortaio descrivessero una traiettoria composta da due segmenti di retta raccordati da un arco di cerchio. Il matematico italiano Tartaglia sostenne che nessuna parte della traiettoria di un proiettile poteva essere data da un segmento di retta, e che la traiettoria era tanto più simile a una retta quanto maggiore era la velocità del proiettile; in seguito Galileo provò che nel vuoto un proiettile descrive una traiettoria parabolica; infine, la legge di gravitazione universale formulata da Isaac Newton permise di spiegare le ragioni del moto curvilineo dei proiettili. Newton determinò per via teorica la quantità di moto trasferita dal proiettile alle particelle d’aria.

Per determinare la velocità di un proiettile dopo che esso ha lasciato la canna è possibile adottare due metodi equivalenti: misurare la quantità di moto del proiettile, oppure il tempo impiegato dal proiettile per coprire una distanza data. Il primo metodo è il più vecchio, e in passato, quando i proiettili erano piccoli, le velocità basse e le gittate brevi, i risultati erano sufficientemente precisi per la maggior parte degli usi pratici.

Il pendolo balistico, usato per misurare la quantità di moto dei proiettili, fu sviluppato intorno al 1743 dal già citato Benjamin Robins, il primo studioso che intraprese una sistematica serie di esperimenti per determinare la velocità dei proiettili. Il pendolo consisteva di una massiccia lastra di ferro a cui veniva fissato un blocco di legno destinato a ricevere l’impatto di un proiettile; il pendolo era liberamente sospeso a un asse orizzontale. Il blocco, colpito dal proiettile, si spostava descrivendo un arco che poteva essere facilmente misurato. Conoscendo l’arco, nonché le masse del proiettile e del pendolo, la velocità del proiettile poteva essere determinata per mezzo di un semplice calcolo. Il pendolo balistico, che era in grado di sopportare solo l’impatto di palle da moschetto, fu poi sostituito da altri strumenti basati su principi diversi.

Per determinare la velocità di un proiettile misurando il tempo necessario a percorrere una traiettoria di lunghezza nota, furono progettati vari dispositivi; nel 1840 il fisico britannico Charles Wheatstone ebbe l’idea di usare l’elettricità per misurare piccoli intervalli di tempo: l’intuizione condusse allo sviluppo del cronografo, un dispositivo per rilevare il tempo necessario a un proiettile per passare tra due schermi.

Le formule e le tabelle per la balistica esterna di ogni nuovo tipo di arma da fuoco sono comunque più o meno empiriche; affinché i congegni di mira possano essere tarati con precisione, è necessario che esse vengano verificate per via sperimentale.

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Balistica terminale

Le leggi che governano l’impatto del proiettile sul bersaglio sono l’oggetto del terzo ramo della balistica. Come la balistica interna ed esterna, anche quella terminale comprende molte formule empiriche. Gli studi teorici e gli esperimenti riguardano la penetrazione, la frammentazione, la detonazione, la forma della carica e i connessi fenomeni esplosivi (effetti incendiari compresi).