Lo sparapatate

LO SPARAPATATE
A opera di Parenti
Amoroso Giuseppe
Gianluigi,
Bianco
Francesco
e
Struttura
Lo sparapatate o Potato Gun è un Mini-Bazooka artigianale che consente
grazie
alla
pressione
generata
dalla
combustione di gas, di sparare piccoli oggetti
che tappano l’unica via di fuga mobile. Lo
sparapatate è costituito da due tubi in PVC di
lunghezza e diametro diverso: il tubo più lungo
e con il diametro maggiore costituisce la
camera di combustione dove avviene la
reazione chimica, quello più lungo e stretto
invece è la canna nella quale viene inserito il
"proiettile" e che permette che questo prenda
una direzione ben precisa (più la canna è lunga
più il lancio assume una direzione precisa. I due
tubi vengono attaccati in genere con della colla
inserendo tra i due pezzi una riduzione per
poter unire i due tubi di diverso diametro e
l’estremità aperta
della camera di
combustione
viene chiuso
con un tappo necessariamente filettato per far
sì che ad essere sparato sia il proiettile e non
il tappo stesso. L' elemento più complicato e
importante è l’accensione che utilizza per
generare la combustione una scintilla o la
fiamma di un accendino (preferibilmente viene
usata una scintilla, come nel nostro caso, per cui
tratteremo solo di questo metodo). Si possono usare
dei pulsanti venduti in ferramenta che generano una scintilla semplicemente
schiacciandoli oppure, come nel nostro caso,
inserendo due viti nella camera di combustione le
cui punte all' interno devono risultare molto vicine
ma senza toccarsi; esternamente le viti sono
collegate con due semplici cavi di rame ai poli
positivo e negativo di un accendino da cucina
piezoelettrico. La scintilla viene ottenuta grazie
all’accendino che, comprimendo un cristallo al suo
interno, permette di sfruttare la proprietà del cristallo stesso di generare una
differenza di potenziale.
Sparo
Dopo aver inserito una mela o una patata (preferibile perché essendo più dura
è più difficile che si disintegri una volta uscita dalla canna dopo lo sparo) e
averla spinta all' interno fino a trovarsi a 4-5 centimetri dalla camera, si spruzza
una piccola quantità di gas infiammabile (ad esempio un deodorante per
ambienti) e si richiude velocemente il tappo facendo in modo che non esca il
gas dalla camera. Per sparare non resta altro che premere sull' accensione.
Principio di funzionamento
Come suddetto lo sparo è possibile grazie alla combustione di un gas
infiammabile per cui appare ovvio che i principi della termodinamica
regolino il funzionamento dello sparapatate (principi alla base di tutte le armi
da fuoco moderne). Per sparare abbiamo utilizzato un deodorante per
ambienti gas che ha tra i sui componenti un idrocarburo a 4 atomi di carbonio
che si ossida per la presenza di ossigeno (per questo è importante far
arieggiare bene la camera di combustione prima di effettuare uno sparo) per
cui nel momento in cui scatta l’accensione avviene la combustione. A questo
punto entrano in gioco le reazioni termodinamiche secondo le leggi dei gas
perfetti.
Con gas perfetto (o ideale) si intende un modello che segue esattamente
determinate leggi e al quale un gas reale si avvicina quando:
 la densità è molto bassa;
 la temperatura è lontana dalla temperatura di liquefazione.
A queste condizioni si avvicina sufficientemente la miscela gassosa della nostra
camera di combustione prima dello sparo per cui le considerazioni successive
valide per i gas perfetti sono applicabili alla nostra miscela.
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Per capire la reazione è importate specificare cosa siano le coordinate
termodinamiche cioè le tre grandezze fisiche in grado di fornire informazioni
sullo stato interno del sistema (costituito dal gas) in maniera da poterne
descrivere il comportamento. Esse sono la temperatura, la pressione e il
volume.
Il principio secondo cui lo sparapatate può funzionare è espresso dall'
equazione di stato dei gas perfetti:
p V=n R T
dove p è la pressione, V il volume, n il numero di moli, R la costante universale
dei gas e T la temperatura assoluta.
Nell' equazione di stato dei gas perfetti sono contemporaneamente
sintetizzate: la legge di Boyle e Mariotte, la prima legge di Gay Lussac e la
seconda legge di Gay Lussac da cui risulta che nelle trasformazioni isocore,
cioè con volume costante (come nel nostro caso dato che il volume della
camera di combustione chiusa dal tappo da una parte e dal proiettile dall' altra
è sempre lo stesso), la pressione è direttamente proporzionale alla
temperatura assoluta.
Per questo nel momento in cui avviene la combustione la temperatura all'
interno della camera aumenta repentinamente raggiungendo livelli molto alti
e lo stesso avviene per la pressione essendo direttamente proporzionale alla
temperatura cosicché la spinta esercitata contro tutti i lati della camera riesce
a spostare solo la parte mobile rappresentata dal proiettile che quindi viene
spinto ad una fortissima velocità.
Il rinculo
In tutte le armi da fuoco (sparapatate compreso) si verifica il fenomeno del
rinculo cioè quel movimento dell’arma in direzione opposta a quella presa dal
proiettile nel momento dello sparo, utilizzata poi nelle armi automatiche per
espellere il bossolo e ricaricare l’arma. Questo fenomeno è una conseguenza
della legge della conservazione della quantità di moto che afferma che se
un sistema è isolato la quantità di moto totale si conserva. Il sistema
sparapatate-proiettile è isolato in quanto ha relazioni trascurabili con
l’ambiente esterno ed essendo fermo prima dello sparo la sua quantità di moto
totale è pari a 0. Perciò nel momento in cui il proiettile acquista velocità, la
quantità di moto totale è diversa da 0 per cui lo sparapatate deve acquistare
velocità in modo tale che la sua quantità di moto bilanci quella acquisita dal
proiettile.
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Il moto del proiettile
Lo sparapatate, pur essendo potente, considerando che è uno strumento
artigianale e per di più estremamente semplice non è neanche lontanamente
comparabile con una vera arma da fuoco. Di conseguenza, con un po' di
attenzione, si può direttamente osservare la traiettoria della patata (o altro).
Risulta piuttosto evidente quindi che la traiettoria è una parabola e si parla
quindi di moto parabolico.
Infatti se immaginiamo che il proiettile si muova esattamente in piano senza
deviazioni di sorta siamo in grado di scomporre in ogni momento la traiettoria
secondo due direzioni: parallela e perpendicolare. La componente parallela
si muove di moto rettilineo uniforme in quanto su di essa non agisce alcuna
forza durante il moto (attrito non considerato); sulla componente
perpendicolare invece agisce la forza peso (sempre senza considerare l’attrito)
per cui si muove di moto uniformemente accelerato con un’accelerazione
uguale a quella di gravità. Si può quindi affermare che il moto del proiettile è
parabolico e in quanto tale per avere la gittata massima bisogna inclinare lo
sparapatate di 45 gradi rispetto al suolo. Noi cercando di avvicinarci il più
possibile a tale inclinazione siamo riusciti ad ottenere una gittata di quasi 100
metri.
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