Balistica: La onda del choque
Primera parte:
2° parte de una revisión sobre su importancia en las armas de fuego portátiles y su relación con la medicina legal
Todo lo anteriormente explicado nos lleva ineludiblemente a referirnos a las armas de fuego. Si bien el tema de las ondas de choque es materia debatible, de las imágenes ultrarrápidas del momento del disparo pueden obtenerse conocimientos útiles, no sólo a la Balística, sino a la medicina en general y a la medicina forense en particular.
En mi opinión, dejando de lado las grandes explosiones, en el caso de disparos con arma de fuego portátil a muy corta distancia, es evidente, según se explica en el desarrollo de este artículo, que la onda de choque tiene que participar obligadamente (junto con los gases y otros elementos) en las características de la herida. Ello será fácil de observar en los disparos a boca apoyada, o distancia cero según el Dr. Raffo, o en disparos muy próximos a la superficie corporal, especialmente si ésta se halla desprovista de ropa que la proteja.
Sin duda que del calibre, características del cartucho utilizado, velocidad del proyectil y tipo de arma empleada, larga o corta, tendrán las heridas como las antes mencionadas características particulares, que posibilitarán reconocerlas y diferenciarlas.
Foto (A)
Foto (B)
Fotos (A) y (B): "Las técnicas de estrioscopía en color y de umbragrafía en blanco y negro, aunque recogen una información similar, resaltan detalles complementarios. Una fotografía estrioscópica en color con un microsegundo de exposición (Foto A) aprehende un instante del disparo de una pistola de competición del calibre.22. La onda de choque en el aire y la bala transónica han abandonado la boca del cañón, seguidas de los gases propulsores. La onda expansiva de boca es el estampido que se oye cuando se dispara un arma. Hacia el lado derecho de la imagen se aprecia la convección térmica que sube desde el arma y la mano del tirador. Una toma ultrarrápida de vídeo umbragráfico (Foto B) muestra el disparo de un solo cartucho de una metralleta AK-47, con su onda esférica de boca y la bala que arrastra consigo las ondas de choque oblicuas".
Manzo Sal, en un artículo de su autoría, dice que: "Es la velocidad de arribo al blanco que posee el proyectil lo que definitivamente determinará la gravedad de la lesión en los tejidos impactados. De acuerdo a la velocidad que pueda tener el proyectil, estos pueden clasificarse en: subsónicos, transónicos y supersónicos". "Para cada velocidad el aire se comporta de manera diferente: en los proyectiles subsónicos la resistencia del aire es prácticamente nula, ya que las capas de aire se abren sin ofrecer resistencia, generándose delante del proyectil unas ondas de choque con forma esféricas que se desplazan a la velocidad del sonido, o sea a una velocidad mayor que el mismo proyectil".
"En los proyectiles que viajan a velocidad del sonido (sónicos), la resistencia opuesta por el aire al avance del proyectil (resistencia aerodinámica) constituye una verdadera barrera (barrera del sonido o sónica) debido a que el proyectil se traslada más rápido de lo que las moléculas del aire tardan en separarse. Esto hace que el aire, justo delante de la ojiva, forme por compresión de las moléculas del medio aéreo una especie de "funda o cofia gaseosa", más densa, que lo envuelve totalmente y que recibe el nombre de frente de onda u onda de cabeza y que constituye la llamada onda de choque que se mueve en forma de ondas esféricas, a velocidad del sonido, y que se acumulan o "amontonan" delante de la nariz del proyectil".
"A las velocidades transónicas o supersónicas el proyectil avanza a mayor velocidad que el frente de ondas, siendo las ondas esféricas superadas por el proyectil quedando estas ondas por detrás y constituyen así un frente de ondas lineales con forma de cono, estando el proyectil en el vértice de este cono, que se denomina Cono de Mach".
"Esto puede verse representado en el Gráfico Nº 8 que se presenta a continuación, en el cual la primera imagen (A) corresponde a un frente de ondas sonoras en proyectiles subsónicos; la segunda (B) a un frente de ondas en proyectiles a la velocidad del sonido y transónicos; y la tercera (C) a un frente de ondas sonoras en proyectiles supersónicos".
"Es de destacar que las velocidades antes descriptas a las que puede viajar el proyectil, tendrán gran importancia en la configuración del trayecto o canal de la herida (Cavidad Permanente), de lo que dependerá la gravedad de la misma".
"En las velocidades superiores al sonido, el proyectil ingresa al organismo precedido por la cofia o funda gaseosa que forma la onda de cabeza, y la mantendrá durante toda su trayectoria mientras dure su velocidad superior a la del sonido. Cuando este proyectil ingrese al cuerpo humano, luego de atravesar la piel, arrastrará consigo esa "funda gaseosa" que se dispersará dentro del organismo con gran fuerza centrífuga y que sumado al trauma producido por la acción directa del desplazamiento del proyectil (unido a su movimiento de giro) producirá una gran transferencia de movimiento a las partículas o moléculas de los tejidos y líquidos que rodean la trayectoria del mismo, produciéndose el desplazamiento de esas partículas impactadas y creándose así el fenómeno de cavitación durante y después del pasaje de la bala".
En los proyectiles subsónicos, según este autor, no se formaría el efecto cavitación a lo largo del canal permanente de la herida.
Debo destacar que la opinión de este autor sobre el efecto de la onda sónica en el mecanismo de las heridas, es puesta en duda por otros reconocidos especialistas en el tema.
Gráfico Nº 8:
Propagación de un Frente de Ondas Sonoras
Según Gary Settles, "las investigaciones forenses de residuos de pólvora, heridas de bala a quemarropa, protección acústica de tiradores y localización de franco tiradores, pueden beneficiarse de la observación y el estudio de las ondas de choque y fenómenos afines".
Producido el disparo, en los primeros milisegundos se producen numerosas alteraciones de los fluidos gaseosos que rodean la boca de fuego del arma. Tal es así que para algunos autores "durante los primeros milisegundos, la evolución del campo de flujo de un disparo resulta bastante complicada".
El primer fenómeno en hacerse visible es la salida de la onda de choque por la boca del cañón impulsada por la bala, a la que sigue de forma inmediata la salida del correspondiente proyectil. Seguidamente vienen los gases propulsores, que resultan de la deflagración de la pólvora, los cuales al salir de un lugar con alta presión (el interior del cañón) y al estar en contacto con un medio de baja presión, de sólo 1 atmósfera, se expanden muy rápidamente. Esta rápida expansión de los gases que salen del cañón, apartan bruscamente el aire que los rodea y se comportan produciendo una explosión, al generar una intensa onda de choque esférica llamada "onda expansiva de boca" y que es la más importante productora de la detonación que se oye al disparar. Aunque las ondas de choque de las explosiones al aire libre poseen simetría esférica, sus reflexiones en los objetos vuelven mucho más complejas sus configuraciones.
Foto N° 4: Simulación por ordenador de una imagen estrioscópica que se generó a partir de una resolución numérica de las ecuaciones de movimiento; imita la salida del cañón de una bala supersónica, modelada aquí como un cilindro. La toma estrioscópica ultrarrápida de imágenes confirma las simulaciones de este tipo, las cuales, a su vez, han realizado grandes aportaciones al campo de la dinámica de fluidos.
La mencionada onda de boca se expande rápidamente, mientras que el proyectil, que viaja a una velocidad supersónica se adelanta a la onda de choque esférica arrastrando detrás de ella ondas de choque oblicuas, las cuales serían la causantes de un ruido semejante a un chasquido agudo y que podríamos percibir si el misil pasara a cierta distancia de nuestros oídos. (ver foto N° 5).
Foto N° 5: Estriograma a escala natural que muestra la descarga de un revólver Magnum del .44. Se ven dos ondas de choque esféricas, una centrada en la boca del arma (la onda de boca) y una segunda centrada en el cilindro. Junto al borde izquierdo se ve la bala supersónica. Esta arma produce un destello luminoso en la boca y una nube de productos de la combustión de la pólvora que envuelve las manos del tirador. Las imágenes ultrarrápidas ayudan a los expertos forenses a descubrir de qué modo se forman los vestigios o trazas de pólvora que quedan en las manos cuando se dispara un arma de fuego.
Foto N° 6: ?Con imágenes de video ultrarrápidas se aclaran las diferencias entre el disparo de una pistola del .45 (izquierda) y el disparo de la misma arma equipada con silenciador. Sin éste, los gases de la pólvora se expanden lateralmente cuando salen por la boca detrás del proyectil, provocando una intensa onda expansiva que se percibe como un fuerte estallido. Con el silenciador, se reduce la expansión lateral, se debilita la onda expansiva y se percibe un ruido de chorro, más parecido a un siseo que a una detonación?.
Utilizando las modernas técnicas antes mencionadas para captar imágenes "congeladas" del momento del disparo, es como puede estudiarse la acción de los silenciadores que se colocan en la boca del cañón. (Ver foto N° 6)
Las fotografías ultrarrápidas con las técnicas y aparatología moderna que permiten registrar los disparos a mayor escala que con los viejos métodos, "no sólo captan la onda expansiva de boca, sino también la interacción de esa onda con el tirador. Es así que pueden estudiarse las interacciones del gas propulsor con las manos del tirador, el comportamiento dinámico de los gases de las distintas armas de fuego y muchos otros fenómenos de interés en balística".
Es de este modo como puede estudiarse por primera vez, según relata un autor, la acción de los silenciadores en la boca de fuego del arma. "Se creía, dice el mismo autor, que los silenciadores frenan y enfrían el gas propulsado cuando pasa por la boca del cañón. Pero la umbragrafía ultrarrápida revela otro efecto: el silenciador canaliza la expansión lateral del gas propulsor hacia delante, en forma de chorro supersónico; así se reduce la intensidad de la onda de boca, pero genera un ruido de chorro. En otras palabras, parte del estallido se convierte en siseo, lo que aminora el nivel de sonido de 10 a 20 decibeles, o más. Con la toma ultrarrápida de imágenes de flujos y la aplicación de los principios de la dinámica de gases pueden conseguirse mejoras en el diseño de silenciadores". (Ver foto N° 6)
Empleando una técnica con lámpara de destello de un microsegundo, no se observan la onda de choque ni otros detalles de la dinámica de los gases pero si como reaccionan los tejidos blandos al paso de un proyectil supersónico. (Ver foto N° 7)
"Es así posible observar que los impactos balísticos ultrarrápidos no suelen producir orificios limpios en los blancos: arrancan fragmentos de los materiales quebradizos y desorganizan los tejidos blandos".
Foto N° 7: Foto obtenida con una exposición de un microsegundo de un plátano iluminado directamente, que revela lo que ocurre cuando lo atraviesa un proyectil del calibre .22 LR. Muestra como pueden ser de destructivos para los tejidos blandos y las sustancias celulares los proyectiles de gran velocidad y las ondas de choque que lo acompañan.
Si tenemos en cuenta que de la intensidad de una explosión podemos deducir o, al menos inferir, que magnitud y trascendencia tendrá una onda de choque, podemos imaginarnos, haciendo un simple ejercicio mental, cual será la producida por un disparo de este enorme cañón alemán autopropulsado L 52, de 155 mm. Podemos ver que una oscura y densa nube de humo con forma de hongo, mezclada con partes del fogonazo, provenientes todos de la deflagración de la pólvora, rodea la boca de fuego del arma. El proyectil disparado puede verse, fácilmente, emergiendo de esa nube, seguido de un "chorro" de gases incandescentes. (ver foto N° 8)
Foto N° 8
Pero el lector, puede también gozar de la tecnología antes mencionada observando sucesivas fotografías (del número 1 al 6) del momento del disparo de un arma de fuego, ya que las imágenes que vienen a continuación poseen un colorido realmente hermoso, y, al mismo tiempo, nos permite estudiar, siguiendo un orden cronológico, la dinámica de las ondas que se mencionaran precedentemente.
El arma que se verá en estas fotografías es un revólver Smith Wesson, modelo 29, en calibre .44 mágnum, con un cañón de 2,5 pulgadas de largo y con un compensador de gases, próximo a la boca del tubo-cañón, tipo "Power Port". La elección de este arma se basa en que posee un diseño con varias "aberturas" o espacios que permiten el fácil escape del gas que se origina por la deflagración de la pólvora. Estos espacios son: 1) la boca de fuego, 2) el existente entre la cara anterior de las recámaras y el cono de forzamiento, donde comienza el cañón, y, 3) el compensador de gases del cañón.
Al mirar las fotografías ultrarrápidas donde se observan las dilatadas nubes de gas y las evidentes ondas de choque, debe tenerse "in mente" que las mismas poseen tres dimensiones y que la ondas de choque, por consiguiente, en un determinado momento son esféricas, y se las puede representar mentalmente como si fueran un redondo globo inflado o una burbuja de jabón.
La visión "congelada" o estática de los eventos que se suceden vertiginosamente y en ordenada sucesión a nivel de la boca de fuego del arma, invisibles para los ojos del ser humano, se han captado utilizando un flash con una velocidad de medio millonésimo de segundo, lo que detiene el movimiento de los fenómenos mencionados con absoluta fidelidad.
El lector, al ver estas imágenes obtenidas en sólo un microsegundo de tiempo, no podrá obviar, seguramente, justipreciar la delicada y fascinante belleza de las mismas.
Foto Nº 1
Aquí se muestra a la detonación en estado incipiente. La bala todavía no ha abandonado el cañón y justamente en frente a la boca del mismo, se observa una pequeña nube en forma de hongo (a), la cual está formada por el aire que ha sido expulsado fuera del cañón por la bala o proyectil en su rauda carrera hacia el blanco. La velocidad de esta pequeña columna de aire es enorme y ha creado su propia onda de choque (b), la cual se visualiza claramente como un arco blanco a la cabeza del hongo. Mirando cuidadosamente arriba de la boca de la recámara del tambor podemos ver el comienzo de una segunda onda de choque (c), la cual pareciera descansar, a la derecha, sobre la parte alta del puente del revólver. Esta pequeña onda de choque se ha formado alrededor de los gases que están comenzando a salir del tambor, por la boca o cara anterior de los alvéolos del mismo.
Foto Nº 2
Aquí el proyectil (d) ya dejó el cañón y se ha alejado de él casi 5 centímetros (2 pulgadas), siendo prácticamente imposible de poder verlo debido a que está ubicado en una oscura banda vertical la cual se halla rodeada por los gases que se están expandiendo. La pequeña columna de aire en forma de hongo (a) se ha movido hacia adelante y se convirtió, más exactamente, en dos líneas verticales imprecisas, las cuales están todavía impulsando hacia adelante su pequeña onda de choque (b). Esta onda es aquí visible como una especie de prominencia sobre la onda de choque mayor (a), la cual domina la imagen. Esta gran onda (e) es el resultado de la increíble violencia con que los gases se han expandido desde el tambor.
También podemos ver el gas (f) que ha impulsado la bala a través del cañón y que está ahora atravesada por el proyectil. El proyectil, aquí está cabalgando a lo largo del área oscura que constituye el centro del cono de gas. Otra nube de gas, más sutil y menos diferenciada, es visible arriba del cañón, pero está enmascarada por el fogonazo que emerge, en dirección ascendente, de la boca o ventana del compensador de gases del cañón. Esta nube de gas se ha expandido verticalmente y ha creado una onda de choque secundaria (h) la cual aquí sólo se puede observar parcialmente.
Mientras ocurre todo lo anterior, una tercera nube de gas (i) aparece escapando de la boca del tambor. Parte de esta nube es posible de ser observada directamente por arriba del mencionado cilindro, y parte es visible debajo de la barra eyectora y del arco de guardamontes. Haciendo un esfuerzo mental tratando de imaginar, como antes dijese, estos acontecimientos en sus tres dimensiones, veremos que así como el gas que sale por la boca de fuego toma una forma de cono, esta nube es vagamente discoidea, ya que los gases se expanden en los 360 grados desde la boca de las recámaras del tambor.
En esta área hay algunos fogonazos provenientes de la boca del cañón, los cuales pueden ser identificados por su luz de grácil apariencia. No deben ser confundidos éstos con el gas, el cual aparece con una tonalidad más oscura y de color azulado, en las otras fotos que se verán más adelante.
Foto N° 3
Las nubes de gases han comenzado a perder gran parte de su velocidad o impulso, y el proyectil (d) se hace ahora fácilmente visible alcanzando el frente de la nube (f). La onda de choque principal enfrente de la nube de gas (e) es también mucho menos intensa.
Las mencionadas nubes han crecido mucho en tamaño y ya han perdido sus formas características. La onda originada en el compensador de gases Power Port (h) se ha extendido lejos, quedando fuera del área de la imagen.
Foto N° 4
Aquí el proyectil, debido a su velocidad, ha quedado lejos del gas, que está detrás, obviamente, y la onda de choque queda considerablemente fuera del área de la imagen.
Foto Nº 5
Para poder capturar y "detener" al proyectil en su vertiginoso vuelo, fue menester, en esta fotografía, sacar el arma del campo visual, de manera tal que la boca de fuego del arma está aproximadamente a 1 metro del proyectil, aproximadamente unas 40 pulgadas.
(Agregado del autor: aquí la onda de choque tiene una forma oblicua o de cono, debido a que la velocidad del proyectil supera la barrera sónica, y por detrás del proyectil puede observarse una zona de turbulencia con forma de estela, que se produce por el "efecto de succión" que produce la base plana del misil y que el aire trata de llenar, haciéndose este fenómeno de "succión" más viable cuando su velocidad es transónica, o sea aproximadamente de 470 m/s, y mayor aun cuando la velocidad es subsónica, o sea por debajo de los 340 m/s, porque al aire le es más fácil ocupar el citado vacío).
Foto Nº 6
Aquí la onda de choque que produjo el proyectil se ha desarrollado y expandido totalmente. La distancia entre la boca de fuego del arma y el proyectil es de 95 pulgadas, aproximadamente unos 2,5 metros.
(Agregado del autor: detrás de la base del proyectil, todavía con velocidad supersónica, puede observarse una turbulencia en forma de estela y una zona con forma discoidea y color blanquecino que podría corresponder a la formación de una condensación de la humedad y, también, a una onda de choque en la base del proyectil, lo que dificulta el "efecto succión" antes mencionado. Para mejor comprensión ver foto N° 9 y su comentario, más abajo).
La importancia del aludido "efecto succión", en Balística Exterior, es que contribuye a la retardación del proyectil. Efecto, como ya vimos, de menor importancia en los misiles que superan la barrera del sonido.
Finalmente, cuando el proyectil ya haya volado suficientemente lejos, su velocidad habrá a decrecido progresivamente y sus ondas de choque se irán disipando proporcionalmente a esta pérdida de velocidad. Y así, de esta manera, ocurrirá gradualmente, hasta que se detenga totalmente el vuelo de este poderoso misil del .44 Mágnum.
Foto Nº 9
Un avión de caza F/A-18 Hornet, de EE.UU. en vuelo supersónico, en el momento de superar la barrera del sonido, y que va dejando tras de sí signos de las ondas de choque. Estas ondas comprimen bruscamente el aire que rodea al aparato, el aire se expande rápidamente y se produce una condensación visible de la humedad. La representación de la condensación tiene aquí la forma del denominado "Cono de Mach".
Se denomina explosión sónica, boom sónico o estampido sónico al componente audible de la onda de choque provocada por un avión cuando sobrepasa Mach 1.
Los estampidos sónicos disipan enormes cantidades de energía, lo que produce un ruido muy semejante al de una explosión. Típicamente el frente de choque puede alcanzar los 167 megavatios por metro cuadrado (MW/m²), y pueden incluso exceder los 200 decibelios (dB).
Debido a la formación de la onda de choque se produce un súbito descenso de la presión en la vecindad del ápice motriz, lo que sobreviene en una brutal disminución de la temperatura en toda el área circundante. En condiciones de elevada humedad ambiental el vapor de agua atmosférico se condensa repentinamente en minúsculas gotas de agua, lo que forma una nube de inusuales características.
Las imágenes ultrarrápidas que permiten estudiar el comportamiento de distintos proyectiles de armas portátiles, como también a las ondas de choque producidas, se ha convertido en un medio trascendental en muchos campos de la ciencia, tanto en el pertinente a la medicina (donde las ondas de choque ya se utilizan para romper cálculos renales desde el exterior del cuerpo, tal como se hace en la llamada "litotriticia extracorpórea"; además se utilizan también en los tratamientos de fisioterapia), como en el procesado de materiales, construcción de edificios y de grandes aviones, para que puedan soportar mejor las explosiones que se producen, por ejemplo, en los atentados por acción de grupos terroristas
"Las ondas de choque tienen gran importancia en la física e ingeniería modernas, las operaciones militares, el procesado de materiales y la medicina. Su estudio nos ha enseñado mucho acerca de las propiedades de los gases y de las reacciones de los materiales cuando reciben inyecciones bruscas de energía; ha contribuido también al desarrollo de los láseres de gas y al estudio de la dinámica de plasmas".
Por razones de seguridad y comodidad se emplean en las investigaciones de laboratorio cargas explosivas reducidas, o sea gramos de sustancia explosiva, las cuales, junto con las ventajas que proporcionan las nuevas técnicas en imagenología, abren nuevas perspectivas en el estudio de las ondas de choque y de las explosiones. (ver foto N° 10)
Foto Nº 10
"Los umbragramas de dos pequeñas cargas explosivas muestran los peligros de la fragmentación. Se utilizaron cargas explosivas de 1 gramo de triperóxido de triacetona (TPTA) encapsulada. Su ignición eléctrica produjo unas ondas de choque esféricas que se registraron mediante exposiciones de 1 microsegundo cuando cada una tenía alrededor de un metro de diámetro. A la izquierda, la cápsula se fragmenta en grandes trozos que salen proyectados, tras la onda de choque, a una velocidad próxima a la del sonido. En la imagen de la derecha, los fragmentos son mucho más pequeños y viajan a velocidades supersónicas por delante de la onda de choque principal. En las explosiones a escala natural, esos fragmentos son tan mortíferos como una lluvia de balas".
"El estudio de estas ondas, que tan destructoras pueden ser, nos facilita la cuantificación de las explosiones que las originan y permite mejorar la resistencia de edificios y aviones ante su embestida".
Para finalizar, agregaré lo que dice Settles Gary, un especialista en estos temas de las Ciencias Físicas: "el futuro aguarda numerosas aplicaciones novedosas de estos experimentos".