Si dice spesso che uno dei principali vantaggi, di qualsiasi arma ad aria compressa, è il fatto di non avere rinculo. Tale dichiarazione ovviamente non è vera, ogni arma ne ha un po', ma nella maggior parte dei casi è così piccolo da poter essere considerato insignificante. Nel libro di Mr. Wesley, (L. Wesley “Air-Guns & Air-Pistols”) egli racconta di un'avventura divertente con una carabina ad aria compressa di grosso calibro, il cui il rinculo era abbastanza grande da atterrarlo. Nelle carabine odierne di piccolo calibro funzionanti a molla, il peso del proiettile è così piccolo che non può essere sentito il rinculo quando si spara. In realtà, la piccola quantità di rinculo, che comunque esiste, è di solito mascherata completamente dalla reazione del pistone, che accelera all'interno del cilindro, e che poi rimbalza indietro sul cuscino d'aria.

Un altro punto da sottolineare a proposito del rinculo, sul quale spesso si fa confusione, è il momento in cui esso si verifica effettivamente. Si dice spesso che l'arma non si muove fino a quando il proiettile non lascia la canna. Ancora una volta questa affermazione non è vera. Il movimento all'indietro dell'arma inizia nel momento stesso in cui il proiettile inizia il suo movimento all'interno della canna. Al fine di rendere questo concetto il più chiaro possibile, immaginate un'arma costruita con il materiale più leggero disponibile, caricata con un proiettile realizzato con la sostanza più pesante possibile. È perfettamente ovvio che l'istante dello sparo, l'arma cercherà di spostarsi all'indietro rispetto al proiettile e che il rinculo sarà iniziato in quel preciso istante, e non aspetterà certo che il proiettile lasci la canna, a dispetto di un sacco di argomentazioni che asseriscono il contrario.

In un fucile sportivo che impiega una cartuccia ad altissima pressione, c'è un effetto razzo provocato dall'energia emessa dai gas non appena questi fuoriescono dal vivo di volata. Questo aggiunge al rinculo dell'arma una ulteriore impennata, simile al calcio di un mulo, ma è irrilevante nel mondo delle armi ad aria compressa.

C'è una terza causa di rinculo, che ancora una volta può essere ignorata per quanto riguarda le armi ad aria compressa. Quando il pallino accelera all'interno della canna, causando rinculo, la quantità di aria che lo spinge ha una certa massa e pertanto deve provocare anch'essa un rinculo.

Facciamo un po' di teoria sull'argomento; perché dovrebbe verificarsi il rinculo a tutti i costi? Tutto nasce dalla terza legge di Newton della Dinamica, la quale afferma: "per ogni azione c'è una reazione uguale e contraria". Abbiamo già stabilito che ci sono tre fattori coinvolti. Il primo è l'accelerazione del pallino dal suo stato di riposo alla velocità che raggiunge appena esce dalla canna dell'arma. Il secondo è l'esplosione dell'aria alla bocca subito dopo che questa espelle il pallino. Ciò è chiaramente visibile nella figura 9.8. Il terzo è l'accelerazione dell'aria aal'interno della canna dietro al pallino, la cui velocità si deve presumere essere circa la metà di quella di uscita del proiettile. Ma ancora una volta ribadiamo che il rinculo derivante da questa piccola quantità di aria non ha alcun effetto misurabile sulle armi che sono oggetto della discussione.

Ora consideriamo il primo di questi tre elementi, ovvero la reazione all'accelerazione in avanti del pallino. Per la Terza legge di Newton, la pressione che spinge il pallino in avanti dentro la canna è esattamente uguale alla pressione che spinge l'arma all'indietro, causando il rinculo, e possono entrambi agire solo per il tempo in cui il pallino rimane in canna. Ora, dal principio di conservazione della quantità di moto, la velocità del pallino in avanti, in metri al secondo, moltiplicato per la sua massa è uguale alla velocità che acquista l'arma all'indietro in metri al secondo, moltiplicata per la sua massa.

Se:

M = massa dell'arma
m = massa del proiettile
V = velocità dell'arma
v = velocità del proiettile

Allora per la legge di conservazione della quantità di moto:

m · v = M · V

quindi:

da cui abbiamo:

dove:

W = peso dell'arma
w = peso del pallino

Siccome g è costante e agisce indistintamente sia sull'arma che sul proiettile.

Allora:

da cui:

Ora possiamo calcolare la velocità del rinculo, e quindi l'energia impartita all'arma dalla reazione dall'accelerazione del pallino.

Peso dell'arma (W) = 6.625 Ibs. = 29.5 N = 3 Kg
Peso del pallino cal .22 (w) = 0.00214 Ibs. = 0.0095 N = 0.00097 Kg = 0.97 g
Velocità del pallino (v) = 430 ft/sec. = 130.7 m/s

Sostituendo i valori:

Dall'equazione dell'energia:

Dove W è il peso e V è la velocità dell'arma.

In unità metriche decimali:

Si tratta ovviamente di una quantità molto piccola ed insignificante di energia, se confrontata con l'energia totale immagazzinata nella molla, o se paragonata a quella del moto del pallino. Può pertanto essere omessa dalla maggior parte dei calcoli di un'arma ad aria compressa, poiché altre variabili, come la forma del pallino, sono molto più significative.

Essendo persone pratiche, non potevamo lasciare lo studio sul rinculo ad un livello puramente matematico, così abbiamo preparato la carabina in maniera da poter effettuare un esperimento pratico. L'abbiamo sospesa con due set di cavi al momento dello sparo, in modo tale che la canna fosse rimasta allo stesso livello durante l'oscillazione provocata dal rinculo. Poi abbiamo fissato un puntatore al lato dell'arma e collocato una scala in una posizione fissa accanto ad essa. A questo punto si è trattato semplicemente di fotografare la scala e il puntatore al momento dello sparo per determinare l'importo esatto del rinculo. Abbiamo sparato con la carabina per mezzo di un elettromagnete montato sul calcio, con il solenoide posizionato in modo che il movimento del grilletto non avesse alcun effetto sulla lettura del rinculo.

Dopo lo sparo, l'arma ha oscillato all'indietro e in avanti come un pendolo, dal momento che la lunghezza dei cavi di sostegno era nota, la quantità di oscillazione poteva essere calcolata facendo ricorso all'applicazione di un po' di matematica, in modo da ricavare quanta energia fosse stata utilizzata per il rinculo. E' evidente dall'equazione (1) che un pallino leggero di calibro 0.177 produrrà meno oscillazione e pertanto meno rinculo, rispetto ad un pallino calibro 0,22 più pesante. Dai nostri esperimenti abbiamo ricavato che un pallino calibro 0,22 (5,5 mm) da 15 grani di peso (0,97 g), ha prodotto un'oscillazione di 0,4 pollici (1 cm) sulla nostra carabina dal peso di 6.625 Ibs (3 Kg), quando è stata sospesa da corde di 22 pollici (56 cm) di lunghezza.

Distanza CB = (y+x) = 22 pollici
Siccome il triangolo ABD è un triangolo rettangolo, per il teorema di Pitagora:

Ora questa è un'equazione di secondo grado in y. Se applichiamo la soluzione ben nota per le equazioni di secondo grado, vale a dire:

Poiché y è l'altezza massima a cui è stata sollevata la carabina, l'energia potenziale che aveva a questa altezza era uguale al suo peso moltiplicato per questa altezza.

Ripetiamo il calcolo con le unità del sistema metrico decimale:

Che è all'incirca il valore ottenuto utilizzando le misure imperiali, a meno di piccoli aggiustamenti dovuti alla conversione di unità di misura.

Così, questa è la quantità totale di energia utilizzata per spingere la carabina all'indietro, ricavata dall'esperimento. È così piccola che può essere trascurata quando si considerano le perdite di energia nel suo complesso. Tuttavia, è interessante notare che questo valore è leggermente più grande di quello a cui eravamo giunti prima, usando il calcolo matematico, per la sola reazione dovuta al moto del pallino. La differenza tra i due valori probabilmente è stata prodotta “dall'effetto razzo" provocato dall'aria dopo che il pallino ha lasciato la bocca. Il rinculo molto piccolo causato da questo effetto può ovviamente essere solo determinato per via sperimentale e non può essere rilevato dal tiratore.

Abbiamo quindi deciso di cercare di isolare "l'effetto razzo" mediante un esperimento pratico. Abbiamo fatto un freno di bocca da montare sulla volata della canna. Questo dispositivo, utilizzato sulle armi militari per ridurne il rinculo, inverte il flusso dei gas che fuoriescono dalla bocca. Nella nostra versione, il freno era un'estensione della canna, che ne aumentava la lunghezza di circa due pollici (5 cm). Tre piccoli fori erano stati realizzati nella canna con un angolo di 30° e posizionati in modo che il flusso dell'aria fosse deviato all'indietro. La vampa di uscita dell'aria si verifica, naturalmente durante il breve momento in cui il pallino transita nell'extra di due pollici della canna. Tuttavia, i risultati sono stati deludenti, probabilmente e giustamente, a causa della relativamente bassa pressione e basso volume di aria transitata presso la volata dell'arma. Avevamo sperato di essere in grado di rilevare una differenza nell'oscillazione della carabina sospesa nelle due condizioni, con freno di bocca montato e senza. Ma le letture sono state tutte troppo simili l'una rispetto l'altra senza alcuna differenza distinguibile. Così è la vita del ricercatore.

Il rinculo, a cui ci si riferisce parlando di armi ad aria compressa, in realtà è causato dall'azione e dalla reazione del pistone, ed è stato volutamente ignorato fino a questo punto. Questo perché il contraccolpo causato dalle parti in movimento dell'arma non è un vero rinculo, almeno non nel senso comunemente accettato della parola. Questo infatti è un movimento dell'arma all'indietro, seguito immediatamente da un movimento in avanti. Il movimento all'indietro inizia nell'istante di rilascio del pistone, perché alla stessa maniera in cui la molla spinge il pistone in avanti, deve necessariamente spingere il resto dell'arma all'indietro. Ora nel nostro caso particolare ci sono voluti al pistone circa diciassette millisecondi per compiere l'intero tragitto nel cilindro. Ad un certo punto, prima di arrivare in fondo al cilindro, viene violentemente rallentato dal cuscino d'aria, e questa decelerazione del pistone viene impartita anche al resto dell'arma sotto forma di un improvviso movimento in avanti, che arriva così in fretta, dopo il precedente movimento all'indietro, da produrre il "contraccolpo" tipico delle armi ad aria compressa.

Come già accennato nel capitolo sul pistone, abbiamo potuto verificare che la forza del contraccolpo cresce, aumentando il peso del pistone.

Questo scatto avanti è particolarmente evidente quando viene montato sul cilindro della carabina un cannocchiale di puntamento. Dopo ben pochi colpi si noterà che l'ottica si è spostata all'indietro lungo il cilindro (opponendosi al contraccolpo in avanti dell'arma). Si deve pertanto prestare attenzione a garantire che l'ottica risulti sempre saldamente ancorata agli attacchi.

Vale la pena considerare per un attimo, il motivo per cui sia sempre necessario lubrificare una macchina. Quando le superfici scivolano a vicenda, senza che vi sia interposta alcuna forma di lubrificazione, si dice che funzionano “a secco”. La resistenza allo scivolamento in queste condizioni è proporzionale alla forza con cui sono premute tra loro le due superfici a contatto. Anche il materiale di cui sono fatte le superfici ha influenza sulla resistenza allo scorrimento e sulla forza di attrito. L'attrito è causato da due fattori; la temporanea saldatura delle creste a contatto di entrambe le superfici e l'interferenza tra le creste di una superficie con i solchi dell'altra.

Quando le superfici sono lubrificate, vengono introdotte condizioni differenti e l'attrito tra di loro risulta notevolmente ridotto, in quanto diventa dipendente dalle proprietà del lubrificante, piuttosto che dal materiale di cui sono fatte le superfici. La proprietà dell'olio che influenza la resistenza al movimento di una superficie rispetto ad un altra è principalmente la sua viscosità. Questo fattore determina la facilità con cui gli strati del lubrificante scivolano sugli altri strati vicini.

Un buon lubrificante deve mantenere la sua viscosità e la sua composizione generale per lungo tempo. Tuttavia, sotto l'influenza dell'aria, la maggior parte degli oli ossidano e si deteriorano. Questo problema deve essere accuratamente soppesato dagli appassionati di armi ad aria compressa, dal momento che la maggior parte dei punti di lubrificazione sulle loro armi sono a contatto con l'atmosfera. L'olio dovrebbe pertanto essere in grado di mantenere la sua condizione originale per lunghi periodi, anche a contatto con vento e pioggia. Un grasso lubrificante può essere descritto come un olio in sospensione all'interno di un agente aggregante, nella stessa maniera in cui una spugna immagazzina acqua. La consistenza del grasso dipende dal tipo di sostanza aggregante usata, ma come per l'olio, la sua viscosità dipende dalla temperatura. Inoltre i grassi ossidano ad alte temperature o all'esposizione prolungata all'atmosfera.

Sebbene l'effetto diesel provochi un aumento della velocità, e di primo acchito si potrebbe pensare che questo rappresenti un vantaggio, in realtà si tratta di un fenomeno incontrollabile e pertanto dannoso per la precisione del tiro. Anche se fosse possibile controllare il dieselling in modo da riuscire a produrre un aumento uniforme della velocità, ci sarebbe ben poco di guadagnato dal momento che l'arma cesserebbe di essere un'arma ad aria compressa, per diventare a tutti gli effetti un'arma da fuoco. Inoltre, quando si provoca l'affetto diesel all'interno di un fucile, l'olio bruciato nel cilindro forma fuliggine e un residuo gommoso capace di ridurre la velocità del pistone. Le stesse particelle di fuliggine prodotte, produrrebbero in seguito un ulteriore aumento dell'effetto diesel.

Abbiamo voluto vedere ciò che realmente accade all'interno del cilindro nel momento in cui si verifica l'effetto diesel, così abbiamo rimosso il trasduttore di pressione e lo abbiamo sostituito con un tappo di perspex. Sparando con la carabina eccessivamente oliata in una stanza buia, abbiamo potuto constatare con soddisfazione come la spina venisse tutta illuminata da un lampo bianco brillante, che stava ad indicare che si era verificato l'effetto diesel. Il suono dell'arma e la lettura del cronografo hanno confermato quello che abbiamo osservato a vista.

I lubrificanti al bisolfuro di molibdeno (MoS2) sono ampiamente usati per quasi tutte le applicazioni. Tuttavia, quando devono essere utilizzati sul pistone e all'interno del cilindro di un'arma ad aria compressa, è necessario prestare una grande attenzione nella scelta di un lubrificante all'interno del quale, il MoS2 sia sospeso in un olio il cui punto di infiammabilità sia sufficientemente elevato da evitare l'effetto diesel. Il "Moly" che si acquista per utilizzare sull'automobile non è adatto a questo utilizzo. All'interno di questi lubrificanti è presente la giusta quantità di MoS2, ma devono essere utilizzati i prodotti specifici per aria compressa.

Una cosa che tutti i lubrificanti MoS2 hanno in comune è che essi non possono essere maneggiati perché sporcano molto, e pertanto sono adatti solo per superfici interne, che non possano essere toccate con le mani durante l'utilizzo dell'arma.

L'olio al silicone, d'altra parte, è molto pulito e ha eccellenti proprietà di anti-diesel. Avendo un alto punto di infiammabilità, sarebbe un lubrificante ideale per le guarnizioni di cuoio del pistone, ma queste sono le sue uniche qualità. Non è un lubrificante metallo su metallo e pertanto non è adatto all'uso sulle parti in movimento, per il pistone o per la molla.

Una miscela di olio al bisolfuro di molibdeno e silicone rappresenterebbe un buon compromesso ma è difficile mantenere la polvere di molibdeno in sospensione nell'olio, in quanto tende a separarsi. E rimane sempre il problema del maneggio di questa sostanza nera.

Facendo riferimento all'inizio del presente capitolo, è chiaro che scegliere un tipo o un altro di lubrificante è di fondamentale importanza. Nel corso degli anni abbiamo incontrato molti appassionati che hanno le proprie idee riguardo al miglior lubrificante o al "mix" di lubrificanti per l'utilizzo sulle armi ad aria compressa. La scelta finale sembrerebbe essere una questione di gusto personale, supportata dall'esperienza, dal momento che ogni tipo di lubrificante commerciale ha i propri particolari vantaggi e svantaggi.

Di tutti questi lubrificanti, molti pochi sono adatti per l'uso all'interno di un cilindro di un arma ad aria compressa. Durante il nostro programma di esperimenti con gli oli, ci siamo resi conto che ci sono alcuni sofisticati lubrificanti sintetici, non facilmente disponibili, che soddisfano i requisiti degli appassionati di armi ad aria compressa. Questi lubrificanti, ricavati da oli sintetici, hanno in generale una gamma molto più ampia di applicazione, e quando si tratta di alta pressione e temperatura, alcuni di questi producono risultati di gran lunga superiori agli oli minerali.

Lavorando in collaborazione con una importante compagnia petrolifera, siamo riusciti a trovare un ottimo lubrificante sintetico che viene prodotto in forma di gel. Questo ha proprietà lubrificanti molto buone e anche un punto di infiammabilità molto alto. Grazie alle sue proprietà peculiari, il gel forma uno strato su tutta la superficie di lavoro producendo una lubrificazione buona e di eccezionale durata che aderisce perfettamente. Avendo un alto punto di infiammabilità, l'effetto diesel è quasi inesistente, e qualsiasi eccedenza di gel che trafila davanti al pistone esegue una funzione molto utile di lubrificazione per il pallino dentro la canna. Questo gel tuttavia non deve essere utilizzato in unione ad un normale olio minerale, perché questo ne comprometterebbe le proprietà. Questo non dovrebbe essere un problema dal momento che da solo soddisfa tutti i requisiti richiesti ad un lubrificante per armi ad aria compressa, incluse le proprietà di lubrificante metallo su metallo e antiruggine.