Balistica: La onda del choque
Una revisión sobre su importancia en las armas de fuego portátiles y su relación con la medicina legal
Cuando apretamos la cola del disparador de un arma de fuego portátil, larga o corta, cargada convenientemente, varios hechos suceden en ella en un vertiginoso transcurrir, siendo su estudio patrimonio de la llamada Balística Interior. Dentro de los hechos más destacados se pueden mencionar, para ser breve: la explosión del fulminante, la deflagración de la pólvora y la inmediata generación de gases, el movimiento de la bala, el retroceso del arma y su evidencia subjetiva: "la patada"; la producción de llamas, humo, y finalmente la salida del proyectil por la boca de fuego. Todo lo mencionado ocurre en menos de 4 milésimas de segundo, tiempo absolutamente imperceptible para el ojo humano.
Pero también otros acontecimientos balísticos, no menos trascendentes, se producen una vez que el proyectil abandona el cañón, los cuales son igualmente invisibles al ojo del hombre pero no así para las cámaras fotográficas o de filmación preparadas para poder captarlos y mostrarnos un proyectil "congelado" en su raudo vuelo, una nube de gases o una onda de choque, teñidas deliberadamente de hermosos colores, mientras se desplazan y expanden por el aire. Pero estos acontecimientos pertenecen ahora a la llamada Balística Intermedia, zona contendida y discutida por algunos autores, donde ocurren importantes eventos físico-químicos y que se ubicaría, como antes dijera, fuera de la boca de fuego del arma, extendiéndose por algunos centímetros, entre los límites de la mencionada Balística Interior y el comienzo de la llamada Balística Exterior. En esta zona interpósita, todo lo que acontece es aparentemente instantáneo, sin solución de continuidad, excepto cuando se observan con aparatología y técnicas especiales que nos permiten visualizarlos y estudiarlos.
Pero, refiriéndome al título de esta nota, es en ese terreno de la Balística Intermedia, a la cual considero de justificada existencia, donde se produce la formación de la denominada " Onda de Choque", que en honor a la verdad no es lo único en suscitarse cuando se dispara un arma de fuego, pero si es uno de los más importante, revistiendo, incluso, jerarquía destacada para la llamada Balística de Efectos o Forense, que es donde brega la Medicina Legal y a la que yo, personalmente, llamo "Balística Biomédica-Legal" porque es estudiada por las Ciencias Médicas para comprobar, determinar y mensurar las alteraciones biológicas (la lesión o herida) y la de los tejidos siderados que la rodean, producida y observable tanto en seres humanos vivos como en cadáveres, por la acción de proyectiles de armas de fuego, con el objeto trascendente de aportar datos de relevancia para el importante funcionamiento de la Ley, detrás de la cual, dicen, se oculta la soberana Justicia.
No existe una definición precisa de " onda de choque", pero si se la puede describir y, así, teóricamente, conocerla y comprenderla. Ella es una onda de presión, transparente, igual que el medio donde se produce: el aire, siendo éste un sistema heterogéneo, o sea discontinuo, formado por aire puro (nitrógeno, oxígeno, etc), por vapor de agua y polvo en suspensión. También es transparente la onda sónica o acústica que se produce durante el disparo, pero que se diferencia de la onda de choque, porque no son iguales por variadas características.
La onda de choque es un tenuísimo frente de ondas producido por una onda de compresión, que sería un pico de presión repentino seguido de una súbita caída de la misma y que se forma cuando la velocidad del proyectil es superior a la del sonido en el aire. O sea, es un empuje rápido y continuo del aire que rodea al proyectil y cuya intensidad depende de la cantidad de energía liberada al aire, la cual se encontraría contenida en un espacio muy reducido como sería el cañón del arma de fuego cuando se produce el disparo. "La mencionada compresión produce un pico de presión repentino, seguido de una súbita caída de presión, originando con ello el mencionado frente de onda , en el cual se suceden múltiples choques o colisiones moleculares a escala manométrica".
Para la Física, una "colisión o choque" es un evento donde dos cuerpos o partículas se aproximan entre si durante un breve intervalo de tiempo y por ello producen una fuerza impulsiva que, redundando, impulsan a las partículas y a las moléculas de aire, manteniéndose la energía de la onda , en este caso, no constante, ya que parte de ella se transforma en energía térmica, parte en energía elástica de deformación y otra parte en energía rotacional.
Pero creo conveniente explicar que se llama nano en física. Un nanómetro es una millonésima parte de un milímetro (10-9m). Un glóbulo rojo de la sangre humana mide por lo menos cinco mil nanómetros de diámetro. En una cabeza de alfiler caben cómodamente 900 millones de nanopartículas.
"¿Y qué tienen de especial las nanopartículas?, su tamaño y nada más. Cuando los materiales son fragmentados hasta la nanoescala sus propiedades físicas cambian radicalmente. Debajo de la escala de 50 nanómetros dejan de tener aplicabilidad las leyes de la física newtoniana que asociamos con los macro-objetos que vemos y tocamos en nuestro diario vivir y son reemplazadas por las de la física cuántica. Características como color, dureza, reactividad química y conductividad eléctrica pueden variar entre objetos en nanoescala y objetos de mayor tamaño, aunque ambos estén hechos de la misma sustancia. Una sustancia que es azul puede tornarse roja al ser rebanada en pedazos de sólo unos cuantos nanómetros de espesor. También una sustancia relativamente inerte a nivel químico y eléctrico, en grado nano puede aumentar su respuesta reactiva tanto química como eléctricamente"
Algunos autores afirman que no ha sido posible visualizar las nanoestructuras hasta que se ha contado con microscopios especiales.
Ya dije que las ondas de choque son transparentes como el aire, pero se pueden evidenciar por las alteraciones que producen en el medio ambiente, lo que las hace visibles, o bien por procedimientos técnicos específicos como la fotografía ultrarrápida, la cinematografía ultrarrápida, la videografía digital ultrarrápida o el radar Doppler, que utilizan técnicas muy diferentes a los antiguos procedimientos como la "estrioscopía", utilizada por August Toepler a mediados del siglo XIX; el "método umbrascópico" que descubriera Robert Hooke hace más de tres siglos o el "método umbrascópico retrorreflector" creado por Harold E. Doc Edgerton, famoso por inventar la lámpara electrónica de destello y sus fotografías ultrarrápidas. Con la nueva tecnología se puede, ahora, estudiar estos fenómenos no sólo en el limitado espacio de un laboratorio sino también a mayor escala, al aire libre. También, se utiliza la simulación en computadora para el estudio de las ondas de choque balísticas de pequeños proyectiles de armas de fuego dotados de velocidades supersónicas.
De acuerdo a la opinión de algunos autores, "el fenómeno de emisión de ondas de choque balísticas por proyectiles de pequeño calibre a velocidades supersónicas es bastante relevante en aplicaciones de localización automática de francotiradores".
"Cuando estas ondas de choque están disponibles, hacen posible la estimación de los principales parámetros balísticos del evento del disparo, tales como la velocidad del proyectil, su trayectoria y rango, el coeficiente de arrastre, y por supuesto, la ubicación del origen del disparo utilizando adecuados modelos de software de dinámica de fluidos computacional".
Ernst Mach, utilizando el método estrioscópico, estudió en la década de 1880, el desplazamiento de las ondas sónicas ocasionadas por el pasaje de un proyectil de arma de fuego viajando por el aire a mayor velocidad que la del sonido, "las cuales siguen al proyectil como la ola de la estela de una lancha rápida".
El obtener, por primera vez en el mundo, una imagen física de un fenómeno transparente, tal como puede verse en la FOTO N° 1, permite, a partir de esa fecha, comprender más fácilmente el estudio de las complicadas alteraciones de la dinámica de los fluidos (el gas es un fluido, como también lo es el agua) que se producen por el pasaje de un proyectil de arma de fuego a gran velocidad, en un medio transparente como es el aire.
Foto 1: La primera fotografía de ondas de choques oblicuas de una bala que viaja a velocidad supersónica fue tomada por Ernst Mach y Peter Salcher en la década de 1880 (foto del lado izq.), donde se puede observar la semejanza entre las ondas de choque oblicuas y las ondas producidas en la superficie del agua por la marcha rápida de una familia de patos (foto de un cuadro, a la derecha)
Foto 2: La fotografía ultrarrápida permite captar el instante de la descarga de un rifle del calibre .30-06 (7.62 mm). La exposición rápida toma al proyectil cuando sale del cañón a unos 2,5 mach, pero normalmente no son visibles la onda de choque esférica de boca y las ondas de choque oblicuas que siguen al proyectil
La onda de choque, a la salida de la boca de fuego, tiene una forma esférica, y como ya vimos, la origina un proyectil que viaja a velocidad supersónica o sea mayor a la del sonido, la cual se estima en 340 metros por segundos, 1.200 km/h, o 1,0 Mach. A medida que esta onda avanza su intensidad decrece rápidamente, haciéndose estable, o sea constante, al llegar a la velocidad del sonido (ver FOTO Nº 2).
Según se puede comprobar, al salir el proyectil por la boca del cañón se producen dos grandes fenómenos:
a) uno de características visibles, como es la salida de humo y llamas (también gases, pero no se ven sino sus efectos sobre elementos cercanos a la boca de fuego), productos de la combustión de la pólvora
b) otro audible, como es la detonación
Este último estaría conformado por dos hechos, que si bien para la Balística Intermedia son diferentes, en la realidad se perciben al unísono. Ellos serían la sumatoria de la onda de choque producida por la salida de un proyectil que supera la velocidad del sonido y el otro, la brusca irrupción de gases que le siguen al proyectil y que con una velocidad superior a la del propio misil (o sea mayor a la del sonido) pasan de un medio de muy alta presión, como es en el interior del cañón del arma, a un medio de baja presión, cual es el medio gaseoso (la atmósfera) que rodea al arma.
Cuando el proyectil no supera la barrera del sonido, la detonación sería producida principalmente por los gases que siguen a la salida del proyectil, si bien éste produciría la suficiente perturbación de los fluidos que lo rodean como para seguir siendo importante en su génesis.
En la cercanía de una explosión, la onda de choque se propaga a una velocidad varias veces superior a la del sonido y puede alcanzar, en casos de grandes explosiones, presiones de 10 o más atmósferas, pudiéndose observar los efectos devastadores para el ser humano, animales o edificios. A la propagación de la onda de choque le sigue un "viento" de breve duración pero de muy elevada intensidad, igualando a la "bola de fuego" que se origina en la explosión, la cual se dilata muy rápidamente empujando el aire hacia adelante. La velocidad del viento puede llegar a ser de 1,3 Mach, y por lo tanto mucho más rápido que los veloces vientos de un importante tornado.
En las explosiones atómicas, por ejemplo, la onda de choque rompe los edificios, y luego los fragmentos son "barridos" por el fuerte viento que le sigue, convirtiendo a los escombros en metralla. La metralla se comporta en la práctica como una lluvia de balas supersónicas, aceleradas importantemente en todas las direcciones desde el foco de la explosión por la fuerza de arrastre aerodinámico que es ejercida por la rápida expansión del gas.
Las ondas de choque también poseen otras características que las diferencian de las ondas sónicas o acústicas, y ello es que: a) las ondas de choque son supersónicas, b) tienen mayor intensidad y energía y c) además, producen alteraciones de gran magnitud pero de breve duración en la presión, densidad y temperatura del aire que se haya frente a la onda , aunque el espesor de la misma sea de sólo unos nanómetros.
Cuando una onda de choque de considerable magnitud e intensidad halla en su camino a una persona, el paso de ésta por el cuerpo humano causa graves lesiones conocidas en Medicina Legal como "Blast Injury", donde "injury", en inglés, significa: "herida, lesión o daño".
Siguiendo al Profesor Emilio Bonnet, el "blast" (en inglés) se puede traducir como:
"ráfaga, golpe de aire, sacudida o golpe", y el "blast injury" se puede definir como: "el conjunto de lesiones contusas de cualquier índole provocadas por los trenes de ondas resultantes de la explosión de proyectiles de gran poder, sea en el aire, en el agua o en la tierra. La explosión en ambientes cerrados (habitación, refugios subterráneos, casamatas) es mucho más grave que al aire libre. Por lo demás, los órganos sólidos no son vulnerados, siéndolo solamente los huecos o cavitarios".
Continuando con el Dr. E. Bonnet, tenemos que: "la onda explosiva en cualquiera de estos medios determina tres acciones: a) el desplazamiento brusco de una determinada masa de aire, de agua o de tierra b) un efecto positivo o de empuje hacia delante de dicha masa; c) un efecto negativo de succión por parte de la misma. La acción traumática es particularmente producida por los efectos positivo y negativo de la onda : el primero es de aplastamiento y el segundo de arrastre, ambos con lesiones que les son propias".
Según el Prof. Osvaldo Raffo, "la onda expansiva o blast es el efecto mecánico con fuerza de choque que produce en el ambiente la brusca liberación de energía generada por el explosivo. Se propaga en forma de onda con sentido radial y centrífuga desde el sitio del estallido. Su desplazamiento es superior a la velocidad del sonido, con fenómenos de reflexión, desviación o convergencia. La onda explosiva tiene un efecto inicial positivo, también llamado de "empuje o ciclón", que desplaza bruscamente el aire, el agua, la tierra o cualquier objeto que se oponga a la fuerza del estallido, y un efecto negativo de "succión o vendaval", de menor intensidad pero de mayor duración que el efecto positivo. La propagación de la onda mecánica pierde intensidad a medida que se aleja del sitio del estallido; de allí su velocidad retardada y no constante, como la que tiene la onda explosiva".
Otros autores, expertos en el estudio de estas ondas, aseguran que los cambios de presión que ocasiona una onda de choque pueden ser muy nocivos para el organismo humano, especialmente cuando es intensa y, por ejemplo, si viaja a Mach 2, produce un pico de presión o sobrepresión de 4,5 atmósferas, lo suficiente como para producir una lesión completa del aparato auditivo humano y otras serias lesiones orgánicas.
Cuando se dispara un arma de fuego de grueso calibre en un lugar cerrado, se produce una onda acústica que supera fácilmente los 60 a 70 decibeles (dB) que son los que se generan en una conversación normal entre personas. En estos casos, si el ruido supera los 110 dB se produce, en el individuo, una sensación dolorosa a pesar de producirse unos picos de presión de sólo unas cienmilésimas de atmósfera.
Cuando la onda de choque esférica se va propagando en el aire, alejándose de la boca de fuego del arma, va perdiendo intensidad, pero si el proyectil es supersónico, sobrepasa esta onda esférica y continúa su vuelo seguido por una serie de ondas oblicuas, constituyendo el llamado "tren de ondas", y que toman la apariencia o forma de un cono, donde el proyectil se ubica en el vértice del mismo. Este es el llamado "Cono de Mach", característico de los proyectiles que viajan a velocidades supersónicas. (Ver FOTO N° 3).
Foto 3: Simulación computacional en 2-D de una onda de choque balística. Calibre del proyectil 7,62 mm, velocidad: 860 m/s.
Parte 2: