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Como funcionam as armas de fogo?

Créditos na imagem


Será que alguma outra invenção mudou tanto a história como os explosivos? Assim como o poder atrás de bombas e mísseis, explosivos químicos tornaram possível a maioria das grandes guerras dos últimos 1000 anos e ainda continuam o fazendo. Antes da invenção da pólvora, o primeiro explosivo, as pessoas tinham de lutar com seus inimigos no campo de batalha com armas brancas, como espadas e lanças. Hoje, você não precisa nem estar vendo o seu inimigo para atacá-lo. Mas, embora mísseis modernos sejam incrivelmente sofisticados, a ciência básica e a tecnologia por trás deles é praticamente a mesma que a usada quando eles foram inventados.


O que há dentro de uma bala?

Simplified drawing of a bullet showing the outer casing, primer, powder propellant, and bullet with full-metal jacket.

Balas são como pequenos fogos de artifício arranjados em três seções:
Primeira seção (ou cápsula de percussão): funciona justamente como uma bomba de São João. Um pequeno fogo que ocasiona uma imensa explosão;
Segunda seção (parte principal): constitui-se de um explosivo químico chamado de propelente, geralmente pólvora ou nitrocelulose. O seu papel é dar poder ao projétil da arma ao projétil, acelerando-o;
Terceira seção: a parte da frente da bala é um cilindro de metal que atinge o alvo e penetra pelo ar enquanto gira. Por ser pequeno, de material denso e veloz, é capaz de penetrar quase qualquer coisa.

Como as armas acionam uma bala?


Balas e mísseis se parecem entre si quando relacionado às formas e tamanhos. Com 21,8 metros de comprimento, um dos maiores mísseis intercontinentais, o US Airforce LGM-118A Peacekeeper, é três vezes maior do que um vagão de trem.
Mas ele funciona da mesma forma que uma pistola e um rifle. Mesmo que tenham dimensões diferentes, os três objetos citados possuem, se assim posso dizer, quase todos os mecanismos interiores semelhantes. Ao pressionar o gatilho, uma parte responsável pela conexão com o cão faz ele ir para trás e, através de uma mola, ele “salta”, dando um impacto na espoleta (especificamente, na primeira seção). Esse impacto causa um pequeno fogo, que queima o propelente da segunda seção e dá força ao projétil (terceira seção).
O intervalo de tempo entre o acionamento do gatilho e o lançamento da bala vai depender se a arma é se ação simples ou ação dupla (ou, até mesmo, de ação híbrida, que é uma mistura das duas). Na primeira, o gatilho simplesmente solta o cão (que pode ser armado, por exemplo, com o dedo); enquanto na segunda, ele o arma e o solta.
Particularmente, há um aparato (chamado de câmara) na maioria das pistolas e em outras armas de sistema automático e semi-automático que, ao se aproveitar da queima do propelente e da consequente liberação de um gás, recua com a pressão a cerca de 300 m/s, fazendo a cápsula da bala saltar. Quando ela salta, outra munição preenche o local, a partir de uma mola presente no cartucho que a impulsiona. Veja o vídeo:



O que acontece quando você atira?

Só relembrando, de forma resumida, o que foi falado na postagem anterior:
Ao pressionar o gatilho, uma parte responsável pela conexão com o cão faz ele ir para trás e, através de uma mola, ele “salta”, dando um impacto na espoleta. Esse impacto causa um pequeno fogo, que queima o propelente e dá força ao projétil. Algumas armas possuem um mecanismo que expulsa o cartucho através do gás pressurizado formado pelo tiro.
Os propelentes químicos em uma bala de arma curta não são projetados para explodir de repente, todos de uma vez: caso isso acontecesse, provavelmente, o atirador seria morto. Ao invés disso, eles devem começar a queima de uma forma relativamente lenta, então, a bala poderá se movimentar suavemente pelo cano. Eles só pegam fogo mais rápido na medida em que a bala acelera, dando uma força de impulso máxima e gradativa. As armas com cano mais longo precisam de um processo mais lento do que as de cano curto, já que são preparadas para distâncias maiores e, desta forma, precisam de mais impulso.
À medida que a bala sai da arma, a pressão da explosão é imediatamente solta e, devido à Lei da Ação e Reação, há um recuo.. Quando o gás da explosão se forma, ele tem de escapar por algum local, então, ele joga a arma no sentido oposto com o mesmo impacto do tiro.

Como um projétil viaja?

Firing a recoilless gun
Os canos das arma possuem pequenas ranhuras que têm o objetivo de fazer os projéteis girarem em torno de si enquanto perfuram o ar. Funciona como um giroscópio, girando teimosamente na mesma direção e, consequentemente, mantendo o mesmo caminho. Se você tentar inclinar um giroscópio enquanto ele gira, ele tentará resistir a qualquer força aplicada.
A partir do exemplo, podemos inferir que, ao girar, a pequena peça metálica adquire uma maior precisão, por ser mais difícil de ser tirada do caminho. Nós chamamos essa ideia de inércia ou estabilidade.
Nós achamos que os projéteis voam em linhas perfeitamente retas, porém, mesmo girando, várias forças dissipativas diferentes agem em cima dele, de forma a desviar ligeiramente o seu caminho. A longas distâncias, principalmente. Os principais obstáculos que devem ser enfrentados ao dar um tiro de precisão são a resistência do ar, a gravidade, o recuo excessivo e até a rotação da Terra (que interfere por meio da força de Coriolis*).
* Quando um projétil é atirado, ele, por um momento, viaja de forma a não acompanhar a rotação da Terra. Então, ela age sobre o objeto, fazendo-o desviar de caminho. Para ficar mais fácil de entender, imagine a mesma situação com o vento. Agora, considere a ação que vento exerce como a força inercial que a rotação terrestre exerce.


Por que um projétil causa danos?


Todo objeto que se move tem um momento, que é o produto da sua massa e velocidade. Quanto mais rápido algo se move e quanto mais pesado ele é, mais momento terá. Um caminhão que se move vagarosamente tem muito momento por conta da sua massa, enquanto projéteis têm o mesmo caráter por conta da velocidade. E, pelo fato deles irem muito rápido, também têm uma grande quantidade de energia cinética.
O dano causado por um tiro ocorre a partir do momento em que o pedaço metálico lançado transfere a sua energia ao que foi atingido. Quanto mais rápido o momento se anula, mais força ele produz. Uma bala de fuzil que demora 1/10 de segundo para parar produz tanta força quanto um caminhão que demora 10 segundos para entrar em repouso. Imagine ser atingido por um caminhão e você terá a ideia do porquê de tanto dano.

Photo of bullet hole in an airplane fuselagePhoto of shell damage in an airplane fuselage

O quão rápido e o quão longe?


Na teoria, você pode calcular o quão longe um projétil está indo usando as equações de movimento baseada nas Três Leis de Newton. Se você souber o quão rápida ele é e assumir uma velocidade constante, é relativamente fácil calcular a distância que alcançará, que é dita pela medida da velocidade horizontal multiplicada pelo tempo.
Como você saberia o tempo? Você pode trabalhar com isso a partir do movimento vertical. Então, calcula-se a velocidade vertical e, logo após, o tempo de estadia no ar usando a aceleração gravitacional. Uma vez que você tem o tempo, você pode saber o quão longe o projétil viajou horizontalmente.
Agora, se você calcular tudo, terá um resultado surpreendente. Quando os projéteis de fuzil saem do cano, eles tipicamente têm uma velocidade inicial, que vai de 2000 km/h a 4500 km/h. Se você colocar números assim nas equações, você irá achar um projétil que, se atirado a um ângulo de 45°, poderá viajar 100-150 km. É claro que isso é impossível para uma arma desse calibre: o máximo já alcançado foi 4 km.
Então, como explicar isso? Fácil! Quanto mais rápido o objeto viaja, mais resistência do ar ele sofre. Para projéteis de alta velocidade, a resistência do ar é o quadrado da velocidade.
Embora projéteis pesados (como de artilharia) sejam grandes e volumosos, eles viajam sofrendo uma imensa resistência do ar, então, para se ter uma grande precisão, precisar-se-ia atirar a uma distância 1/4 a 1/2 menor que a de alcance teórico.

Como funciona um silenciador?

Os silenciadores funcionam a partir de um princípio muito simples!
Imagine um balão! Se você estourar um balão com uma agulha, ele fará um  alto barulho. Mas, se você secá-lo até o fim, ele fará menos barulho. Essa é a ideia básica de um silenciador de armas.
Como falamos lá no início, o tiro cria um pulso de gás pressurizado. A pressão força a bala pelo cano da arma. Quando ela sai, é como se estivéssemos abrindo uma garrafa. A pressão atrás do projétil é imenso, então, o barulho é muito grande.
O silenciador colocado no final do cano tem um volume bem maior. Quando ocorre o disparo e o gás é liberado, ele se expande pelo aparato. Então, a pressão decai significativamente. Essa queda deve-se à diminuição da velocidade de expansão externa do gás, que dirige-se a câmaras localizadas no silenciador.
Entretanto, muitos especialistas alertam que uma bala que viaja a uma velocidade supersônica não pode ser silenciada, já que o projétil transpassa a barreira do som ao viajar. O silenciador, então, apenas removeria o barulho do tiro, mas não o barulho do voo da bala.
Para saber o som de uma arma disparando com um silenciador. Veja o vídeo:


E, caso houver mais interesse, preste atenção nesse único e impressionante silenciador para escopetas:


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