Propiedades de Presion (PSI) en Armas de CO2

En el poco tiempo que tiene su servidor investigando temas para la redaccion de articulos propios en esta bitacora, asi como para la re-edicion de articulos que encuentro en otros sitios, se han logrado determinar las diferentes caracteristicas de las armas de tiro deportivo sin polvora; ya se han descrito en otros articulos los tres tipos basicos de armas sin polvora que son: Resorte/Piston, PCP y CO2; en ellas se han definido las diferencias notables de energia en boca de cañon de cada tipo de arma y se han analizado las formulas matematicas aplicadas en la fisica del tiro deportivo para calcular las velocidades alcanzadas por los diabolos en funcion de esa energia, asi mismo, se analizo el caso contrario para determinar la energia en virtud de una velocidad dada (ver articulos anteriores). Sin embargo, aun queda una interrogante al respecto de la energia en boca de cañon que aplica especificamente a las armas de CO2 y PCP, esto es el famoso PSI.

PSI son las siglas del acronimo ingles «Pounds per Square Inch», esta es una unidad de presión cuyo valor equivale a 1 libra por pulgada cuadrada (traduccion literal de Pounds per Square Inch), lo cual equivale mas o menos a la fuerza de empuje de 453 gramos por cada 2.54cm cuadrados.

Las Armas de CO2 al ser Liquido/Gas encapsulado en tanques a presion, asi como las armas de PCP al ser respectivamente de Aire Precomprimido tambien a presion en tanques, tienen comportamientos relacionados en cuanto a ese almacenamiento y al aumento del espacio existente entre los atomos una vez dentro del tanque, generando asi el comportamiento de empuje hacia el exterior mencionado en la definicion de PSI.

En este articulo pondremos especial atencion a las armas de CO2 por tener un comportamiento mucho mas interesante que de las armas de PCP, sin embargo, en articulos posteriores se definiran las caracteristicas de PSI en Armas de PCP.

Hace algunos años un servidor dio seguimiento (por motivos que no se detallaran) a unas pruebas de la U.S. Navy (La Naval Estadounidense) con respecto al comportamiento del CO2, derivado de esas investigaciones se obtuvo una grafica muy ilustrativa que da solucion a una pregunta basica de los tiradores con armas de CO2:

¿Por que un Rifle de CO2 en Ocasiones Dispara con mucha fuerza y en otras con poca fuerza?

Para resolver esta esta pregunta, como se comentó requeriremos de la siguiente grafica:

Para ver en tamaño completo de Click Aqui

Muchas personas afirman que el CO2 siempre mantiene un mismo PSI y que no es posible aumentarlo o disminuirlo, en ocasiones esto lo mencionan por la ignorancia de las propiedades del CO2 aunque esas afirmaciones tiene cierta explicacion digamos logica y «relativa», ¿relativa a que? pues a diversos factores que intervienen como por ejemplo la temperatura y al porcentaje de llenado del tanque, tal como se describe a continuacion:

Factores que Intervienen en los PSI de un arma de CO2

Factor 1 .- CO2 ¿Liquido o Gas?

El CO2 como ya se ha mencionado en otros articulos, a temperatura ambiente (30°C) es un gas no inflamable (recordemos que en un gas los atomos se distancian mas entre si, obteniendo menor densidad en peso, pero mayor espacio ocupado), sin embargo, es un gas que por caracteristicas propias guarda una temperatura muy baja y estas bajas temperaturas se hacen notar aun mas cuando el gas es sometido a presion, convirtiendolo en liquido casi al instante por la disminucion de la temperatura y por que al someter atomos de gas a presion estos disminuyen su distancia entre si obteniendo mayor densidad en peso pero menor espacio ocupado. A este proceso se le denomina quimicamente como «Licuefacción de los gases» y se define propiamente como el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado gaseoso al líquido, por acción de la temperatura y el aumento de presión, llegando a una sobrepresión elevada.

De esta manera para hacer pasar la forma gaseosa de CO2 hacia un tanque es necesario aplicarle presion, esta presion convierte el gas en liquido y por ende lo que se almacena en el tanque es propiamente CO2 liquido.

Una vez dentro del tanque (y tomando en cuenta que se encuentra a temperatura ambiente de 30°C), el CO2 liquido estabiliza sus atomos y cierta parte de ese liquido encapsulado retorna al estado gaseoso por efecto de la temperatura (regularmente el gas ocupa la parte mas alta del tanque por cuestiones de que es menos denso que el liquido), sin embargo, dado que el gas ocupa mas espacio que el liquido, solo una parte del contenido del tanque se convierte en ese gas mientras que la otra parte permanecera en forma liquida hasta que exista espacio para convertirse en gas nuevamente (este espacio se obtendra segun se va liberando gas del tanque en cada disparo).

Ahora bien, gracias a que la mencionada parte liquida del tanque se expande a forma gaseosa, se genera una presion hacia afuera del tanque, y esto a su vez permite precisamente obtener los PSI que propulsan los diabolos.

Factor 2 .- El porcentaje de llenado en un tanque de CO2

De forma particular el porcentaje de llenado optimo en un tanque de CO2 (sea cual sea su peso por las propiedades del CO2 que mas adelante se detallaran) para mantener su «estabilidad» en los PSI debera encontrarse dentro del rango de 40% a 90 % del total del tanque (ver grafica), lo cual se traduce practicamente en que mientras el tanque de CO2 contenga mas del 40% del mencionado elemento, los psi salientes seran estables (tomando en cuenta una temperatura fija); una vez que el tanque se encuentra por debajo del 40% el espacio para que el CO2 liquido se convierta en gas es sumamente amplio (60% o mas espacio libre), esto disminuye obviamente la presion ejercida hacia afuera del tanque por que precisamente en este punto ya casi no habra mas co2 liquido que requiera ocupar espacio en forma de gas.

Factor 3.- Temperatura del CO2

Como ya se explico en otros articulos, la temperatura verdaderamente afecta las condiciones del CO2, esto en virtud de que tiene puntos de estado liquido y de estado gaseoso muy proximo, de tal manera que en virtud de que se emplea la mezcla gaseosa para generar la presion, entre mas calor tengamos, mas liquido pasa a gas y por ende mas PSI por efecto gaseoso expandido dentro del tanque; esto se puede ejemplificar con el clasico globo de fiesta que se deja al sol, es decir, cuando el aire del interior del globo se calienta este ultimo al ser flexible tiende a inflarse mas, sin embargo en el caso del tanque de CO2 al no ser flexible, cuando se expande el gas genera mayor presion almacenada (de hecho en este punto debo apuntar que no es recomendable calentar el tanque contenedor por medios externos ya que el gas se expandiria excesivamente y no soportaria la presion interna, de manera que reventaria al igual que lo haria el globo pero con mucha mas peligrosidad dada la mayor presion almacenada y el material de construccion del tanque).

Esto comprueba que en un tanque de CO2 nunca se sostendra la misma cantidad de psi a distintas temperaturas; esto se debe basicamente al punto tan bajo de ebullicion del CO2, es decir, a mayor temperatura existira el cambio de liquido a gaseoso, en este cambio los atomos se separan y ocupan mas espacio en un ambiente cerrado como lo es el tanque de CO2 causando aumento de presion, por ende, a mayor presion mayor cantidad de psi.
Sin embargo en el caso contrario, cuanto mas baja la temperatura mas cerca estaremos de convertir ahora el gas en liquido, lo cual disminuye la presion en el tanque y por ende los psi de salida disminuyen en el arma (ver grafica).

Factor 4.- Enfriamento de Cañon por Paso de Gas CO2

Finalmente, algo que se tiene que explicar en conjunto con la grafica, es el cambio de temperatura al contacto externo, es decir, una cantidad de CO2 encapsulada a un porcentaje fijo y a una temperatura fija mantendra teoricamente sus psi estables, sin embargo, al salir del contenedor (es decir del tanque) sufre cambios de temperatura por elementos externos que hacen variar severamente el comportamiento del gas, ejemplifiquemos:

*Supongamos que el CO2 esta encapsulado al 70% en un tanque a una temperatura de 70°F (21°C)
*Supongamos tambien que nuestros disparos los hacemos a intervalos de 5 segundos cada uno (es decir disparamos cada 5 segundos).
-El primer disparo que salga por el cañon del arma en virtud del % de llenado (factor 2) y de la temperatura (factor 3), expulsara CO2 aproximadamente a 850psi (ver grafica)
-El segundo disparo posiblemente salga a los mismos psi o con perdida de presion minima
-Sin embargo, el tercer disparo habra tenido una disminucion que puede ir de 50psi hasta 100 psi, es decir, el tercer disparo posiblemente saldra a 750psi unicamente… ¿a que se debe?, la respuesta es simple, el gas que sale por el cañon causa un enfriamiento del mismo, el CO2 es un gas que al ser presurizado disminuye su temperatura (como ya se estudio en el factor 1), por ende el proceso de salida de gas desde el tanque hacia el cañon del arma causa un enfriamiento casi instantaneo, cayendo la temperatura del cañon desde los 70°F (21°C) originales, hasta los 60°F (15°C), esto ocasiona que el gas liberado pierda presion al contacto con el cañon por enfriamiento.

Existen casos extremos donde entre mas rapidos sean los disparos el rendimiento cae dramaticamente, por ejemplo,tomando los datos del ejemplo anterior pero aplicado a una pistola co2 ahora con intervalos de disparo de 0.5 segundos, la temperatura del cañon puede caer hasta de los 70°F originales hasta 50°F en los primeros 10 disparos, lo que equivale a perder cerca de 400psi en escasos 5 segundos.

Pero esto no queda ahi, ya que tomando en cuenta el factor 1, la liberacion espontanea de CO2 con intervalos cortos de disparo que causan enfriamiento ocasionan tambien que comience a salir un volumen mayor de CO2 en cada disparo, por que al enfriarse el gas este disminuye la distancia entre sus atomos ocasionando que haya mas peso en menos espacio saliendo por el tanque, lo cual quiere decir que si antes consumiamos 2 gramos de CO2 en un disparo ahora estaremos consumiendo 4 o hasta 6 gramos de CO2 en cada disparo.

Recomendacion… Dispare a intervalos de entre 5 y 10 segundos, tome su tiempo, es triple beneficio: obtiene una cantidad estable de psi, ahorra CO2 al no enfriar de subito el cañon, y aunque no relacionado con el co2 el tiempo permite un mejor apunte al objetivo antes de disparar.

¿Un Tanque de CO2 de mayor peso (ejemplo 9oz) tiene mayor PSI que un tanque de menor peso (ejemplo 88gr)?

La respuesta es NO, definitivamente NO IMPORTA EL PESO DEL TANQUE, solo importa el porcentaje de llenado del mismo ya que las propiedades del CO2 se mantienen sea cual sea la magnitud de peso del tanque;a final de cuentas el porcentaje es individualmente proporcional al tamaño de tanque.

Lo que si es muy cierto es que entre mas grande sea el tanque mayor tiempo mantendra un PSI promedio (esto se traduce en mayor numero de tiros con el mismo PSI de presion), dado que en un tanque mas grande cada disparo consume menos porcentaje que en un tanque pequeño, ejemplo:

*Supongamos que un arma de CO2 consume por disparo 2 gramos de CO2 con una temperatura ambiente constante, ahora bien:
-En un tanque de 9oz (aproximadamente 255 gramos), tendriamos teoricamente 127 disparos, tomando en cuenta esto cada disparo equivale a quitarle 0.78% de CO2 al tanque (esto por que 2 gramos es el 0.78% de 255 gramos, ¿se entiende?).
-Ok, ahora, si en un tanque de 88gr tenemos teoricamente 44 disparos, cada disparo equivale a quitarle 2.27% de CO2 al tanque (ahora 2 gramos es el 2.27% de 88gr).

Ok, ahora tomando en cuenta los datos del ejemplo y lo descrito en este articulo, la realidad es que a los 79 tiros en el tanque de 9oz habriamos consumido el 60% del tanque (quedando en el tanque el 40% que es a partir de donde disminuyen los psi), a partir del tiro 80 empezaremos a experimentar una disminucion de la presion en el tanque por efecto del % de llenado (Factor 2).
Para el caso del tanque de 88gr, a los escasos 26 tiros habremos consumido el 60% del tanque (quedando en el tanque el 40% que es a partir de donde disminuyen los psi) y a partir del tiro 27 tendriamos la disminucion de presion por el efecto del % de llenado.

Como se puede observar, los numeros no son proporcionales ya que un tanque de 9oz «rinde» mas tiros por porcentaje que uno de 88gr independientemente de que son de diferente peso, esto de la No Proporcionalidad se comprueba con una simple regla de tres:

88 – 26
255 – *75
———-
255 – 79
88 – *27

Con estas dos simples reglas de tres se comprueba que los numeros no son proporcionales y se logra ver que a mayor peso de tanque mayor rendimiento; en el caso del tanque de 9oz, nos da teoricamente 4 tiros mas que el de 88gr.

Obviamente para este ejemplo son pocos los tiros de diferencia por la magnitud de diferencia del tanque (comparamos solo 9oz vs 88gr), de manera tal que al comparar tanques de 20oz con el de 88gr las diferencias son aun mas notables, ahi les dejo de tarea la comprobacion de rendimiento comparado para 20oz Vs 88gr.