Conceptos Básicos: el Joule y los calculos de velocidad

Antes de iniciar con la explicacion de este concepto basico, quiero comentarles que para la redaccion de este articulo necesite de la ayuda de mi hermano (estudiante de ingeniería industral y con conocimientos frescos de matematicas y fisica), la discusion de las formulas que a continuacion analizaran fueron realizadas durante la tarde del dia 24 de diciembre del presente 2008 (por cierto feliz navidad a todos), continuando la resolucion de los problemas durante la cena de navidad, para concluir justo ahora 25 de diciembre de 2008 a las 3 de la mañana con la publicacion de este post. Asi que les pido por favor que aprecien este articulo de manera especial por que estuvimos analizando la mejor forma de explicar los conceptos y colocar ejemplos ilustrativos.

Comencemos por definir el concepto de Joule…

Como ya vimos en el articulo anterior, muchas armas de aire tienen una medida de velocidad (fps o m/s).
Sin embargo, existe otra medida que define la energía o “potencia” de salida (en boca de cañon) de la municion, determinado asi de manera inversamente proporcional la velocidad en fps o m/s.

Curiosamente como veremos, esto de la energia inicial es directamente proporcional al impacto final de la municion, es decir, la municion pega mas fuerte en el blanco si hay mayor energia de salida (esto es directamente proporcional); pero la velocidad de salida disminuye segun se va incrementando la energia de salida (a esto me refiero con inversamente proprocional), mas adelante les explicare a detalle.

La definicion de Joule (J) se determina como la unidad del Sistema Internacional (metrico decimal) para energía, trabajo y calor. Se define como el trabajo realizado por la fuerza de 1 newton en un desplazamiento de 1 metro.

Toma su nombre hispanizado a “Julio” en honor al físico James Prescott Joule, por lo que es también muy común utilizar la palabra Julio en lugar de Joule, término que se usa en otros idiomas, como el inglés.

Sin embargo, al tomar en cuenta el Joule como medida de energía o potencia para los rifles de aire comprimido o CO2, hacemos referencia a la unidad de trabajo de 1 Newton * 1 Metro, definamos que es un Newton para empezar:

En física, un newton o neutonio (N) es la unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades, nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su trabajo en la mecánica clásica.

Se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 Metro sobre Segundo al cuadrado, a un objeto cuya masa es de 1 kg. Es una unidad derivada del Sistema metrico decimal, que se compone de las unidades básicas como Kilogramo por Metro Sobre Segundo al cuadrado.

Ahora bien… ¿Para que me sirve un Joule?

El joule en el tiro deportivo nos permitira determinar los fps de nuestras armas segun el peso de nuestra municion (de ahi que 1 Newton tenga relacion con los kilogramos y estos a su vez con los Joules), pero, ¿como hacer eso?, para poder entenderlo haremos uso de formulas matematicas aplicadas a la fisica y nomenclaturas sencillas que espero puedan comprender… Comencemos…

Primero que nada conozcamos ciertas equivalencias de medida entre el sistema ingles y el sistema metrico decimal:

Valores Iniciales:

Los valores a tomar en cuenta para realizar los cálculos correspondientes son los siguientes:

1 gramo = 15.432 granos (grains)
*(El grain es usado muy comunmente como unidad de peso para los diabolos en rifles de aire)

1 Joule = 0.738 Pies-Libra (ft-lbs)

1 Metro / Segundo = 3.28 Pies / Segundo (fps)
*(Como ya se vio anteriormente, los fps son empleados como unidad de velocidad inicial para los diabolos en rifles de aire)

Nomenclatura:

La nomenclatura empleada para realizar los cálculos son simples y corresponden a lo siguiente:

E = Jules (J)
*(Recuerden, 1 Jule es una medida de energia, equivalente a 1 Newton por 1 Metro de distancia para mover 1 Kg de peso en 1 Segundo)

m = Masa del diabolo en kilogramos (kg)
*(Es simple obtener los kilogramos de un diabolo, basta solo con dividir el peso en gramos del diabolo entre 1000; en caso de tener solo el peso en grains dividir el peso en grains del diabolo entre 15.432 y luego dividir el resultado entre 1000)

v = Velocidad inicial en metros sobre segundo (m/s)
*(En caso de tener solo pies sobre segundo y querer obtener metros/segundo se dividen los fps entre 3.28; para obtener pies por segundo teniendo metros/segundo solo basta multiplicar los m/s por 3.28)

Ahora veamos las formulas que requeriremos para realizar los calculos

Formula de calculo para energía de salida en cañón
(Sirve para calcular Joules de energía saliente)

Formula de calculo para velocidad inicial de salida en cañón
(Sirve para calcular metros / segundo iniciales desde el cañón)

Para despejar todas las dudas al respecto de estas formulas, les redacte unos ejemplos prácticos 100% reales, realizados para mi rifle y diabolos actualmente usados.

Ejemplo 1 (calculo para energía de salida en cañón)

El rifle hammerli 850 airmagnum tiene indicado de fabrica una velocidad de 655 fps para diabolos de 5.5mm con peso aproximado de 14 grains. Con estos datos, la fuerza en Joules resultante es de: 18.08 Joules.

Por que:

14 grains
————— = 0.907 gramos
15.432 grains

0.907 gramos
——————- = 0.000907 Kilogramos
1000 gramos

655 fps
———– = 199.69 m/s
3.28fps

*NOTA.- Como referencia, el diabolo JSB Jumbo MATCH de 5.5mm tiene 13.7 grains de peso, con lo cual se encuentra dentro del rango para obtener los 655 fps indicados de fabrica con aproximadamente 17.69 Joules de salida.

Ejemplo 2 (calculo para velocidad inicial de salida en cañon):

El rifle hammerli 850 airmagnum tiene una energía máxima estimada de 18.72 joules; con estos datos y utilizando diabolo JSB Jumbo Straton de 5.5mm con peso de 16.5 grains, la velocidad en pies por segundo alcanzada es de 613.83 fps.

Por que:

16.5 grains
————— = 1.069 gramos
15.432 grains

1.069 gramos
——————- = 0.001069 Kilogramos
1000 gramos

Calculadora de Energía/Velocidad en Sistema Metrico Decimal y Sistema Inglés

Existe una aplicacion que permite hacer calculos de la velocidad y energia de un rifle (sea de CO2, Resorte o PCP) en funcion del peso del diabolo empleado y otra variable (si se ingresa peso del diabolo y velocidad se obtiene energia; si se ingresa peso del diabolo y energia se obtiene velocidad), de click aqui

Espero se haya logrado comprender, en cualquier caso, este articulo tal como todos los demas tiene una seccion para comentarios donde podran ingresar sus preguntas y las ire respondiendo a la brevedad, saludos!

19 comentarios

  1. [...] en articulos anteriores sobre el calculo de la velocidad en funcion de los joules (ver articulo: http://tirodeportivo.wordpress.com/2008/12/25/conceptos-basicos-el-joule-y-los-calculos-de-velocidad…) tomando en cuenta un diabolo pesado de unos 15.5 grains (1.004 gramos aproximadamente) nos da una [...]

  2. Felicidades xxleopardoxx, buen post;

    Respecto a este solo tengo una inquietud a ver si me puedes aclarar y es respecto a las mediades descritas en el Post.
    Entiendo que el joule es una medidad de energia, pero, existe algun tipo de relacion por ejemplo para determinar la fuerza de impacto.

  3. Buena pregunta, ya que al parecer estan confundidos con los conceptos, en realidad el joule es el trabajo realizado por la fuerza de 1 newton en un desplazamiento de 1 metro como ya leiste, de ahi puedes sacar la relacion de impacto, si tomas el parametro de la distancia, la friccion y otros elementos, podras obtener la fuerza de impacto. En realidad no conozco una formula especifica que considere todos los factores, sin embargo la energia en un ambiente ideal (sin friccion y todos los elementos externos) es la que se produce con los parametros descritos en las formulas del articulo puramente, asi pues cuando me refiero a “energia en boca de cañon” si no existiera friccion entonces esa misma energia se transportaria hasta el lugar del impacto, entonces lo unico que debes de restarle para calcular la fuerza de impacto en un ambiente con viento, calor, etc, seria el factor externo (como ya dije: friccion, temperatura, etc). Los francotiradores profesionales hacen calculos al respecto pero mas que nada para la direccion del impacto, no tanto para la fuerza, aunque conozco algunos que si logran aproximarse a “determinar” la fuerza del impacto final (aunque “determinar” es muy incierto).

  4. tienen muy buena imformacion,ojala pueda encontrar informacion de otos trmas en esta misma pagina web gracias por la informacion me fue de mucha utilidad

  5. Asi es elias, la informacion de este sitio la he ido redactando poco a poco pero de manera sustancial para que los temas sean de utilidad amplia para todos. Ojala encuentres lo que buscas, y si no lo encuentras, en la seccion de proxima publicacion puedes colocar una solicitud de tematica a tocar en el blog y con gusto la investigare.

  6. El chairgun es un programa de balistica que ingresando algunso datos basicos, determina la distancia y la energia con que llega a el cada tipo de diabolo

  7. alejandro, asi es, chairgun es uno de los mejores programas que permiten hacer pruebas matemáticas al respecto del tiro y sus efectos segun el tipo de municion, potencia de rifle, etc, lo mejor es que es freeware, por ahi anda un tutorial del camarada “cerbatana” que pertenece a un club de airgun con nuestros congeneres de españa

  8. buenisimo

  9. Gracias stefani, trato de poner lo mejor en este blog para que auxilie a resolver sus dudas.

  10. Muy interesantes sus respuestas……..quisiera saber que tipo de balines y su respectivo peso necesito para mi PCP Evanix Blizzrad S10 cal. 5.5mm, tiene para un llenado de 200 Bar. Gracias por la respuesta.

  11. MUY BUENOS SUS COMENTARIOS.
    JAIMETM

  12. unaduda como se despejalos joules un ejemplo

  13. fernando es aljebra basica, checate un libro de matematicas

  14. Un saludo, todos los calculos son muy buenos , pero cual seria el calculo de la potencia necesaria para:
    50julios-1500fps-30grain= ¿Energia necesaria?.
    Todos vienen dados por el Fabricante.
    pero y el calculo de por ejemplo volumen de aire y que presion, siempre contado el volumen del cañon,y apartir del el necesario para que se propulse el proyectil fuera del cañon.
    y la presion necesaria para que el balin teniendo 30grain,consiga 50 julio depotencia,y alcance una velocidad de salida del cañon de 500metros por segundo.
    Gracias (necesito un poco de ayuda)

  15. q les gusta ccnn oye esa es mi materia favorita pro no es para tanto

  16. hablen algo kmo de revistas o eso . pro ya q ustedes c entienden

  17. como convierto 1275.5 joules a pies sobre libra

  18. Estaba buscando información sobre los julios a los que llega, una escopeta del calibre 20 en la caza. Y he acabado en vuestra pagina. A ver si me podéis resolver la duda. Datos del cartucho: calibre 20/70 29gr perdigón del nº 6 (el cartucho trae unos 241 perdigones. En el caso de la munición, ¿se toma como referencia los 29 gramos del cartucho?,¿o hay que dividir esos gramos entre el nº de perdigones?.
    ¿O estas formulas no valdrían en este caso? Llevo tiempo preguntándolo en varios sitios y nadie me ha sabido contestar. Muchas Gracias.

  19. Adolfo, todos los calculos se hacen en Grains no en gramos, verificalo y podras aplicar las formulas sin problemas :)

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