GLI ARBALETE LUNGHI IN COMPOSITO

Da qualche mese le pagine della nostra bella rivista sono caratterizzate da inserzioni pubblicitarie e da tests su una nuova generazione di fucili a propulsione elastica il cui fusto è realizzato con materiali innovativi. Squadriamo in lungo e in largo le fotografie per carpire minuziosamente tutti i minimi dettagli: ci sono modelli davvero attraenti esteticamente e fantastichiamo come bambini dinanzi ad una vetrina natalizia. Chissà come spareranno? E’ evidente che il mercato è in fermento e ciò crea, ad esempio per chi scrive, uno stato di agitazione psico motoria da non credere: scendere in acqua con un’arma adornata da un affusto prezioso e ricercato che ha l’obiettivo di migliorare le prestazioni balistiche di un sistema che perde le sue origini nelle pieghe del tempo, procura sempre un intimo e gradevole compiacimento. Fino a pochi decenni orsono ci immergevamo con rozze pinne in gomma, mute piuttosto rigide, maschere e aeratori spartani, e ci sembrava già di toccare il cielo con un dito; ora il futuro letteralmente ci stupisce con le proposte di fine millennio. I progressi di questo secolo in campo tecnologico sono stati a dir poco strabilianti e le migliorie adottate nel corso degli anni hanno contribuito ad innalzare notevolmente il comfort, la sicurezza, le performance dell’equipaggiamento subacqueo. I siliconi, le leghe metalliche, i tecnopolimeri addittivati, le nuove mescole di elastomeri sono entrati prepotentemente nel nostro corredo ma la vera rivoluzione è determinata senza ombra di dubbio dall’impiego di materiali compositi e cioè da prodotti innovativi ottenuti dalla sinergia di due elementi differenti ma che allo stesso tempo si complementano: una matrice resinosa termo indurente e delle fibre di rinforzo alliganti. I componenti “subacquei” che fino ad oggi hanno beneficiato maggiormente del materiale composito sono state senza ombra di dubbio le pinne dotate di pala in fibra di carbonio, novità che ha stregato un’ampia schiera di apneisti: si sono rivelate leggere, scattanti, assai performanti.

Quando si osservano da vicino si notano le bellissime e affascinanti trame nere del tessuto esterno e sembra incredibile che un materiale così “strano” e adoperato con uno spessore così ridotto donino alla falcata una spinta tanto potente. Sono sottili, flessibili e ritornano nella posizione originale con un’elasticità che ha del miracoloso: possibile che questo prodotto così speciale si possa usare pure per costruire affusti rigidissimi? Che cosa ci riservano i tubi degli arbalete che impiegano lo stesso materiale? In effetti i compositi stanno mettendo in subbuglio vari settori dell’industria: la loro “ecletticità” strutturale permette di adeguarsi alle più disparate esigenze costruttive apportando delle migliorie e dei benefici davvero significativi in distretti assai disparati. In alcuni campi si sostituiscono ai metalli e la tendenza è quella di allargare ulteriormente gli orizzonti di sperimentazione poiché i vantaggi che possono offrire nel rapporto peso/resistenza non hanno praticamente paragoni terreni; l’unica barriera che ne frena l’espansione a largo raggio è data dai costi di produzione che per il momento non si possono ancora definire del tutto popolari.

L’ingegno umano non è mai pago e sbirciando qui e là ha notato che l’attrezzatura di un pescatore rivela dei margini di miglioramento e d’intervento notevoli. Qualche “geniaccio” avrà sicuramente pensato: perché non provare ad impiegare il composito anche per qualche altro elemento a stretto uso venatorio?

Si sta avvicinando la fine dell’estate e dalla sacca dei fucili si estraggono con cura i “gingilli” lunghi. In questo periodo il clamore dei villeggianti si affievolisce e i cacciatori esperti sanno che sotto la superficie marina è tempo di grandi battaglie.

I pesci pelagici assommano sul cappello delle secche e visitano con insolita frequenza i branchi di mangianza che si aggirano anche su molti capi e propaggini costiere. Gli atleti lungimiranti controllano le armi e in previsione di arpionare grosse ricciole o addirittura qualche pescione ancora più massiccio, decidono di montare aste di buon peso e elastici che consentano di scagliarle lontane con una buona dose di efficienza letale. Non si può correre il rischio di aspettare tutto l’anno la preda sognata una notte sì e una no, e vedersela poi fuggire sotto il naso perché la freccia in dotazione non ce la fa a trapassare il denticione o la ricciola da trentacinque chili! Le domande che ci assillano si dipanano tra il dubbio e lo sconcerto: - Il fucile che ho in pugno sarà adeguato?

L’asta sarà troppo leggera? La 6 millimetri si spezzerà di nuovo all’altezza della prima tacca alla reazione inusitata e ai contorcimenti della bestia? Gli elastici da 16 millimetri saranno eccessivamente molli e si troveranno in difficoltà al cospetto di dardi da 7 millimetri? Avrò sparato troppo lontano? Il circolare di supplemento incrementerà la gittata e la penetrazione a fine corsa?

Finché il centodieci o il centoquindici montano le gomme e l’asta di serie tutto fila a gonfie vele ma poi, quando si tenta di “peparli” un pochino, al fine di assoggetarli alle nostre esigenze spicciole, iniziano le grane. Le cronache dei circoli subacquei e delle combriccole di amici “assatanati” sono piene di storie in cui i protagonisti hanno dato fondo all’ingegno, e talvolta alla cospicua pecunia, per elaborare il proprio fucile ad elastici. Ricordo distintamente le serate e anche le nottate passate a rodermi il fegato perché il fusto del mio 110 si imbarcava come la chiglia di un gozzo. Non fu sufficiente provare decine e decine di soluzioni alternative: dovetti sostituire prima il tubo e poi “taroccare” sia la testata che l’impugnatura (vedi pag. 54 - Arriva Slaks - P. S. Dicembre 97).

L’arbalete è un fucile di concezione semplicissima e i primi modelli conosciuti nella storia furono realizzati completamente in legno. Il legno è un materiale naturale stupefacente: immaginate la resistenza del fusto di un albero e quali carichi riesce a sopportare: una notevole altezza, il peso grave dei rami, delle fronde. L’architettura del tessuto, le fibre lignee sono disposte in modo tale da non presentare cedimenti o rotture nei punti fondamentali: il cuore del sistema è rigido, robustissimo seppure attraversato da miliardi di micro passaggi, di cavità adibite al transito della linfa e dei liquidi. Poi c’è il fatto che quasi tutti i legni possiedono un peso specifico inferiore a quello dell’acqua quindi significa che galleggiano magnificamente, qualunque sia il volume adottato. Ciò spiega perché dai primordi e fino a pochi anni fa si è continuato a costruire tutti gli arbalete in legno. Ancora oggi c’è chi crede fermamente in un arma indeformabile realizzata con essenze vegetali esotiche e non sono pochi gli appassionati nostrani che lavorano di lima e di pialla per realizzare il loro statuario archibugio. Negli Stati Uniti c’è un famoso cacciatore subacqueo, tale Terry Maas, che ha la passione di pescare dei pesci pelagici enormi. Le sue prede oceaniche abituali sono: tonni, marlin, wahoos, carangidi eccetera, animali di svariate decine di chili per non dire di svariati quintali. I suoi fucili sono divenuti un mito mondiale poiché sono fatti artigianalmente con tavole di legno spesse una quindicina di centimetri, e lunghe più di un metro e mezzo: il manufatto finale è impressionante per dimensioni e forme.

Questo cannone pesante una decina di chili viene armato con quattro o cinque elastici circolari e l’asta è un tondino d’acciaio di quasi due metri di lunghezza per oltre un centimetro di diametro: la velocità e la massa d’urto del proiettile sono di una violenza e di un’efficacia distruttiva inimmaginabile. Sorvolando sugli arnesi che trascendono la realtà oggettiva del mediterraneo c’è da dire che il legno è un materiale “vivo” e a meno di non procedere con lavorazioni complesse di ebanisteria e con verniciature super accurate esiste sempre il rischio che con il passare dei giorni il nostro affusto normale si “muova”, si deformi, si pieghi, imputridisca. Forse questo è stato il motivo principale che ha spinto l’uomo a ricercare nuovi materiali per assemblare l’arbalete. Il calcio, ottenuto inizialmente incurvando a fiamma un’estremità del fusto ligneo è stato stampato a parte: si è preferita un’impugnatura in lega metallica e successivamente fusa in tecnopolimero addittivato, entrambi elementi insensibili alle incurie degli agenti meteo marini e facilmente riproducibili in serie. L’affusto vero e proprio è l’anima del fucile, il fulcro che permette al sistema di propulsione elastica di esprimersi al meglio: dal legno che purtroppo non garantiva durate protratte nel tempo si è passati al tubo di metallo, dapprima di sezione minuta per poi passare al diametro classico di 28 o in casi rari di 30 millimetri. La lega di alluminio è stata scelta principalmente per la sua leggerezza tale da consentire un buon compromesso tra rigidità meccanica e ingombri: un cilindro di un metro e quindici, spesso un millimetro, sigillato e reso stagno alle due estremità (pieno di aria), galleggia senza problemi (il peso specifico dell’alluminio è di circa 2,78 g/cm3 e tra i metalli di uso comune è tra quelli con il peso specifico minore: le leghe di titanio si aggirano sui 4,45/4,50 g/cm3 mentre per l’acciaio inossidabile 18/8 il peso specifico è di circa 7.93 g/cm3). Il problema della resistenza alla corrosione è stato ottimamente bypassato con un trattamento di ossidazione anodica. Dove si cela, allora, la spinosa questione che affligge gli affusti che superano il metro di lunghezza e perché si è cercata una soluzione nei materiali compositi?

Gli elastici sono migliorati molto rispetto al passato: il diametro è progressivamente salito conseguentemente ai chili di spinta che possono accumulare e poi scaricare sull’asta con un alto livello qualitativo. Ci sono delle gomme che restituiscono più di 50/60 chilogrammi di spinta per non parlare di doppie coppie particolarmente “cattive”. La tendenza a montare elastici sempre più esasperati ha fatto affiorare gli anelli deboli del contesto balistico. L’arbalete ha dovuto sobbarcarsi un onere grave a cui non sempre è stato in grado di far fronte. I punti critici che si evidenziano in molte armi lunghe sotto carico sono: la flessione decisa nella porzione delicatissima che collega l’impugnatura al tubo, nella parte poco dopo l’innesto e, per alcuni modelli proprio sfortunati, nel bel mezzo dell’affusto. Queste debolezze si pagano soprattutto in termini di restituzione della potenza accumulata: il sistema disperde energia al momento cruciale dello sparo. Gli elastici che avevamo teso con sforzo significativo non proiettano la freccia con altrettanta veemenza. Troppo spesso si da la colpa delle scarse prestazioni alle gomme: secondo noi la questione sta proprio nell’affusto cedevole che assorbe energia propulsiva. Non ci dilungheremo a spiegarvi correttamente il fenomeno dal punto di vista fisico ma vi invitiamo a confermarne i principi compiendo un facilissimo test in acqua: sparate con due arbalete lunghi identici, ad esclusione di un prototipo equipaggiato con un fusto rigido. Assicuratevi che le aste siano di peso e lunghezza pari così come la coppia di elastici adottata. Noi abbiamo verificato che su una sagoma di compensato marino la freccia scagliata dal fucile elaborato penetrava maggiormente rispetto all’altra. La misurazione successiva con un calibro ha confermato scientificamente l’impressione visiva con uno scarto di parecchi millimetri di profondità tra un foro e l’altro.

Per ovviare alle pecchie sopracitate si può aumentare lo spessore del tubo in alluminio o ancora meglio il diametro esterno ma con la possibilità esistente di sostituirli con dei materiali più leggeri e più rigidi… La risposta definitiva potrebbe arrivare definitivamente proprio dai nuovi fucili in composito. Come avete potuto dedurre dall’apposito e approfondito riquadro le varie ditte di attrezzatura subacquea hanno a disposizione un materiale eccezionale: è assai più leggero dell’alluminio e, ribadendo l’importanza di un accorto procedimento di lavorazione, anche parecchio più robusto. Il fusto in composito ben realizzato non si flette neppure sotto carichi molto elevati e soprattutto non comporta aggravi ponderali; si possono stampare tubi molto lunghi in assoluta sicurezza. Se il composito è stato realizzato sottovuoto non teme problemi di osmosi (assorbimento d’acqua dello stratificato) poiché le fibre e la resina fanno corpo unico e non lasciano filtrare intimamente liquidi. Così come non devono preoccupare urti sugli scogli o durante un eventuale trasporto in barca perché i progettisti hanno disposto delle pelli protettive esterne che resistono ad impatti molto forti. Qualche annetto fa si vendevano già dei tubi in carbonio ma non si sono diffusi capillarmente poiché sembravano derivati dalle canne da pesca e non erano perfetti per i pescatori subacquei. Ora sembra che il mercato si sia impegnato a fondo e ci sono in commercio affusti validi che promettono grandi cose. Un aspetto che riteniamo importante è quello che finalmente hanno visto la luce armi, prodotte da ditte artigianali e non, studiate dall’impugnatura alla testata. Infatti i collegamenti tra gli affusti in composito e le restanti porzioni in tecnopolimero devono essere verificate da specialisti poiché sono importantissime. E’ inutile possedere un tubo durissimo in composito e poi vederlo flettere comunque all’altezza dell’impugnatura o addirittura assistere a delle lesioni strutturali del prezioso ricambio nei punti di accoppiamento. Il fai da te potrebbe rivelarsi una delusione sonante se non si conoscono i metodi di congiungimento idonei. Il composito si può verniciare con una bomboletta spray nei colori mimetici preferiti con un ottimo ancoraggio sul supporto a differenza della difficoltà di adesione riscontrata sull’alluminio anodizzato. Con della resina componente o con molti altri tipi di collanti è possibile attaccare degli sgancia sagole supplementari, dei gadget a scelta. Il composito è un materiale che si può modellare in maniera splendida, con disegni e forme disparate: la strada è quindi aperta anche a geometrie impensabili da realizzare con dei metalli tradizionali. Con dei calcoli appropriati si possono prevedere le zone di massima sollecitazione e le altre in cui non serve una resistenza meccanica elevatissima, risparmiando ulteriormente sul peso; oppure si possono plasmare dei fusti con soluzioni idrodinamiche intelligenti, per favorire il brandeggio e l’assetto in fase di sparo. L’ultima opzione potrebbe essere quella di realizzare degli interi fucili completamente in composito. La Cressi Sub con il suo bel Apache Carbon, ha dimostrato le potenzialità che offre il materiale composito. Cosa ci riserverà la concorrenza agguerrita nei mesi a venire?

I Compositi. Addentrarsi nel mondo dei materiali compositi, e nello specifico per reperire informazioni dettagliate sugli affusti tubolari degli arbalete, non si è rivelata un’attività facile e scontata: abbiamo dovuto effettuare parecchie ricerche bibliografiche e solo grazie alla collaborazione di un paziente addetto ai lavori siamo riusciti a far luce sul misterioso alone tecnico che avviluppa le matrici, le resine, le fibre speciali e i sofisticati metodi di lavorazione. Qualche produttore ordina gli affusti oltralpe e non dispone quindi di esaurienti dati esplicativi altri mantengono un certo riserbo. Il composito è nato per soddisfare le richieste esigentissime dell’ambiente aeronautico per poi diffondersi rapidamente in svariati campi: aerospaziale, industriale, medico, sportivo (ciclismo, motociclismo, automobilismo, nautica, eccetera). L’obiettivo primario, che vige tuttora, è quello di realizzare dei particolari eccezionali soprattutto in termini di riduzione del peso (densità), confermando però le irrinunciabili caratteristiche meccaniche, chimiche, dinamiche e di resistenza nel tempo. I compositi possono garantire livelli qualitativi di gran lunga superiori ai materiali isotropi convenzionali.

La possibilità di creare un materiale da costruzione con un rapporto peso/resistenza assolutamente innovativo era un aspetto assai appetibile per i progettisti mondiali d’inizio secolo. Negli Stati Uniti furono depositati i primi studi e brevetti sui compositi sin dal lontano 1916 ma solo alla fine degli anni 50 furono impiegati sperimentalmente. Per definizione i materiali compositi sono costituiti da una matrice, che può essere di natura plastica, metallica, o ceramica (in relazione prevalentemente alla temperatura d’impiego), a cui vengono incorporate delle fibre lunghe o delle semplici particelle corte di rinforzo. La matrice ha il compito fondamentale di impregnare correttamente le fibre, di ripartire i carichi e gli impatti esterni, di sopportare le abrasioni, l’umidità, le divisioni dell’amalgama, lo scivolamento tangenziale delle stesse fibre, eccetera. Le matrici plastiche più in voga appartengono alla classe delle resine termoindurenti: Poliestere, Vinilestere, Acriliche, Fenoliche, caratterizzate da discrete proprietà meccaniche, duttilità, facile processabilità; possiedono un peso specifico (g/cm3) oscillante tra l’1,1 e l’1,4. Dove si ricercano prestazioni meccaniche eccezionali viene usata una matrice in resina Epossidica dotata di caratteristiche globali nettamente superiori alle altre resine (tra l’altro non è igroscopica) ma anche di un impegnativo e complesso processo produttivo per impiegarla correttamente.

Per rinforzare adeguatamente la matrice si adoperano preferibilmente delle fibre lunghe reperibili sotto forma di tessuti, nastri mono o pluri assiali, lamine, fili, e in diverse tipologie di materiali più o meno pregiati come il vetro, il carbonio, la fibra aramidica (la casa produttrice, la Du Pont, registrò quest’ultima sotto il nome commerciale di Kevlar®), il polietilene ad alte prestazioni (HP-PE), eccetera. Queste fibre hanno un peso specifico che varia dall’1,56 g/cm3 del carbonio alta resistenza (HS) all’1,96 del carbonio ad altissimo modulo (UHM), al Kevlar® 1,44. Le fibre sono anisotrope e cioè presentano proprietà diverse a seconda della direzione d’orientamento dello sforzo quindi richiedono un attento studio progettuale per offrire la massima espressione meccanica ottenibile. Con un materiale composito, quindi, si realizzano particolari eccezionali nei riguardi di sollecitazioni dirette rivolte in un determinato senso ma, per assurdo, limitate quando la sollecitazione non giunge dalla direzione prevista dalla disposizione delle lamine di tessuto. Quasi tutte le fibre possiedono delle straordinarie caratteristiche fisico – meccaniche, sia riferite alla densità sia in senso assoluto, di molto superiori ai metalli tradizionali ad esempio per il carico di rottura a trazione e il modulo elastico longitudinale, e nobilitano ulteriormente la matrice in cui vengono inglobate. Infatti la bontà del manufatto in composito non si affida esclusivamente al tipo di fibra adottata ma è una sorta di media, di interazione tra: qualità della resina, qualità del rinforzo, percentuali di miscelazione, sinergia di accoppiamento, orientamento e disposizione delle fibre, e soprattutto di metodo e soluzioni legati al processo produttivo. Senza uno di questi elementi anche la più costosa e pregiata fibra darà vita ad un composito che non si potrà definire avanzato, ossia in grado di sfruttare in modo completo le caratteristiche peculiari di peso/ resistenza delle fibre impiegate.

Lo standard per formare un prototipo in composito, il ciclo classico adoperato come riferimento in aeronautica, prevede l’utilizzo di uno stampo: è l’unico metodo riconosciuto internazionalmente che riesce ad esaltare al massimo tutto il potenziale del composito; esistono anche altre soluzioni, notevolmente più economiche, tipo l’avvolgimento dei fogli attorno ad un mandrino che ruota e il successivo riscaldamento di una guaina termoretraibile, eccetera, che però non assicurano identica valenza qualitativa. Vediamo come si svolge il ciclo aeronautico. All’interno della conchiglia di uno stampo è distribuita la resina epossidica, catalizzata e fluidificata per mezzo di un diluente specifico: gli strati di tessuto vengono deposti in maniera che l’ordito risulti ben immerso e intriso dalla resina della matrice e sistemati secondo delle linee e direzioni precise. Nel ciclo aeronautico non occorre sovrapporre decine di strati per ottenere un prodotto robusto ma è sufficiente procedere con esattezza di metodo per ottenere il composito con il più basso peso possibile e la migliore prestazione meccanica. Una volta che le fibre sono ordinate si infila lo stampo in autoclave: qui vengono compattate e coese insieme alla matrice in maniera omogenea, ottimale, mediante alti valori pressori (kg/cm2); il pezzo si polimerizza poi ad alta temperatura. A fine ciclo la temperatura oscillerà tra i 120/130 gradi (alcune resine speciali di ultima generazione, le epossidiche flessibilizzate o le polimidiche, abbisognano di temperature di transizione vetrosa che oltrepassano i 250/300 gradi) e la pressione compattatrice di circa 7/9 atmosfere, a seconda degli strati di fibre presenti.

Come nasce la fibra di carbonio. La fibra di carbonio nasce per pirolisi: sotto ad un arco voltaico di 3000 gradi C° si fanno transitare materiali organici come il nylon, la cellulosa, il poliacrilonitrile, eccetera. Queste sostanze, prima di fondere, si trasformano chimicamente e, possedendo un alto numero di atomi di carbonio e un basso numero di atomi molecolari d’ossigeno, possono dare origine ad un sottilissimo capillare nero, la fibra di carbonio (93/95% di materiale allo stato puro). In un trefolo di 0.5 millimetri di sezione ci sono circa 3000 filamenti. I paesi produttori principali sono gli Stati Uniti, il Giappone, la Gran Bretagna, la Germania, la Francia. La fibra di carbonio viene poi comunemente tessuta e si presenta con diversi tipi di ordito, versi direzionali, densità e talvolta è ibridata con altre fibre (vetro, aramidiche): l’unidirezionale ha tutte le fibre lunghe disposte in un unico verso, altre sono intrecciate perpendicolarmente o multidirezionalmente, alcuni tessuti contengono tantissime lamine in carbonio in un ristretta area, altri minori, eccetera. Esiste una famiglia particolare di tessuti che vengono impiegati per usi speciali e per grandi superfici di applicazione (scafi per off shore, chiglie da regata, componenti per aerei, telai da formula 1, eccetera): i pre – peg o pre impregnati. Vengono spalmati di resina direttamente dalla società produttrice e trasportati in camion frigoriferi a – 20 C° tra due fogli parietali di plastica che li proteggono da eventuali contaminazioni esterne: si garantisce la stesura ottimale del velo di resina, l’uniformità di distribuzione sull’ordito e l’assenza di bolle d’aria. La fibra di carbonio può essere ulteriormente trafilata e passata in un forno a 2500 C° per isolare la costosissima fibra di grafite, che arriva a possedere un contenuto di carbonio del 99%. In commercio esistono più di 60 tipi di fibra di carbonio dalle proprietà meccaniche e dai costi molto differenti: si va dalle 150/200 mila lire al chilo sino ai 5.000.000 e più per specialissime lastre di grafite per usi aerospaziali.

Testi di Emanuele Zara & Lucia Notarangelo