Torres altas, física de fluidos y perdigones de plomo

Jackson Ferry Shot Tower

Jackson Ferry Shot Tower

En 1782 el británico William Watts patentó en el Reino Unido el diseño de lo que sería la primera torre de disparo del mundo. Una torre de disparo (shot tower en inglés) no era otra cosa que una construcción, bastante alta y esbelta, dedicada a la producción de perdigones de plomo para las armas de fuego de la época. Lo curioso de la historia es el proceso que se utilizaba para la fabricación de proyectiles que, lejos de lo que pensaba su ocasional inventor, poco tenía que ver con la casualidad y mucho con la física o mecánica de fluidos.

En una torre de disparo, el plomo se calienta hasta que se funde. Posteriormente se deja caer el líquido fundido a través de un tamiz de cobre desde lo alto de la torre. El plomo se divide en pequeñas porciones al pasar por los orificios del tamiz para, de seguido, caer más de veinte metros a lo largo de la altura de la construcción, hasta terminar en una cuba de agua. Debido al fenómeno físico conocido como tensión superficial, el plomo líquido va formando pequeñas esferas en la caída, mientras se solidifica por enfriamiento. Cuando llega al agua, el perdigón ya formado termina por enfriarse y endurecerse del todo.

Clifton Hill Shot Tower

Clifton Hill Shot Tower

Simple, pero ingenioso. Probablemente William Watts nunca oyó hablar de tensión superficial, fuerzas intramoleculares o velocidad terminal, pero observó y, de la observación, sacó conclusiones y definió procesos. Algo que ha ocurrido desde los albores de la historia.

Una vez fabricados los perdigones, se revisaba su esfericidad dejándolos caer sobre una tabla de madera inclinada y, luego, se ordenaban por tamaños y se pulían con una ligera cantidad de grafito para lubricarlos y evitar su oxidación. Si se deseaban perdigones más gruesos, se cambiaba la rejilla del tamiz por otra con los orificios más grandes. Sin embargo, existía un límite de tamaño máximo condicionado por la altura de la torre, ya que, a mayor tamaño, mayor altura se necesita para el proceso de enfriamiento y esferificado.

Dubuque Shot Tower

Dubuque Shot Tower

William Watts, en el mismo año en que patentó su invento, amplió su casa en Redcliffe, Bristol, para construir la primera de las torres de disparo. Su peculiar descubrimiento vino a suplir a las antiguas técnicas de inyección en moldes, que eras caras, y a las de goteo de plomo fundido sobre un barril de agua (a mano y a baja altura), que producían perdigones con una esfericidad más que cuestionable.

¿Por qué sucede esto? La explicación es bien sencilla. Cuando el plomo fundido pasa a través del tamiz, se convierte en una capa fina, como el agua de un grifo. Al caer después, se rompe en pequeñas gotas (a causa del principio conocido como inestabilidad de Plateau–Rayleigh), y estas gotitas se hacen esféricas debido a la tensión superficial. En la superficie de la gota se produce una tensión por culpa de las fuerzas intramoleculares que actúan entre las moléculas del plomo. Las fuerzas en la gota empujan en todas direcciones, excepto en su superficie, donde sólo tiran a lo largo de ella. Eso produce que la gota “se redondee”.

Coops Shot Tower

Coops Shot Tower

Es exactamente lo mismo que sucede con las gotas de agua al llover. A pesar de la creencia popular, las gotas de lluvia no tienen forma de lágrima, con una parte inferior redondeada y un parte superior terminada en punta. Las gotas de lluvia sufren de la misma tensión superficial que los perdigones de plomo al caer desde las nubes, con lo cual, en principio, son esféricas. Lo que sucede es que, en función del tamaño, la gota no es capaz de superar la presión del aire al caer, por lo que se puede deformar por la parte de abajo ligeramente (o mucho). Tras diversos estudios, se llegó a la conclusión de que existen tres clases de gotas de lluvia en función de su morfología: tipo esfera, tipo pan de hamburguesa y tipo paracaídas (imagen siguiente).

Morfología de las gotas de lluvia

Morfología de las gotas de lluvia

Las gotas de lluvia, por debajo de, aproximadamente, 1 milímetro de diámetro permanecen como esferas al precipitar; por encima de 4,5 milímetros, la presión es tan alta que da vuelta y estira la gotas, formando una especie de paracaídas (con una película delgada de agua ondulante hacia arriba); en tamaños medios, la gota se aplana en su zona inferior por culpa de la presión de aire, permaneciendo esférica en la parte superior donde la presión es menor (termina pareciendo un pan de hamburguesa o una pequeña alubia).

La torre de disparo más alta jamás construida es Coops, que sigue en pie en Melbourne, Australia, en el suburbio de Clifton Hill. Esta estructura de ladrillo fue construida en 1882 y mide, nada más y nada menos, 49 metros de altura. Otra de las torres de disparo más famosas del mundo está en en el condado de Wythe, Virginia (EE.UU), y es conocida como The Jackson Ferry Shot Tower. Comenzó a construirse a finales de la Guerra de Independencia, en esa zona rural, en piedra (con paredes de casi 1 metro de espesor), ya que no era práctico usar ladrillo en la región para una estructura tan alta. Mide 23 metros y fue ubicada en el borde de un acantilado. Utilizaba un pozo subterráneo de la misma longitud que convertía en el doble la altura total de caída de la gota. The Jackson Ferry Shot Tower es la pieza central del Shot Tower Historical State Park, un parque federal protegido.

Sección de la Jackson Ferry Shot Tower

Sección de la Jackson Ferry Shot Tower

Algunas otras torres de disparo que aún perduran pueden ser la Chester Shot Tower, en Boughton (Gran Bretaña), la Drochtersen Shot Tower, en Drochtersen (Alemania), la Phoenix Shot Tower de Baltimore, en Maryland (EE.UU.) o la Taroona Shot Tower, en Hobart (Australia).

Las torres de disparo fueron sustituidas a finales del siglo XIX por las conocidas como “torres de viento“, que utilizaban una ráfaga de aire frío para acortar dramáticamente el enfriamiento de la gota. Hoy en día se han adoptado nuevos métodos para la fabricación de perdigones. Para los más pequeños se usa el método Bliemeister, mientras que los más grandes se producen mediante troquelación y extrusión de cables de plomo. El método Bliemeister aún guarda un cierto parecido con el de Watts, aunque prescinde de sus costosas torres al reducir la altura de la caída a sólo una pulgada (25,4 milímetros). Los perdigones caen sobre un recipiente con agua caliente, ruedan sobre un plano inclinado y, después, continúan cayendo a través del agua caliente durante más o menos un metro. La temperatura del agua se usa para controlar la velocidad de enfriamiento.

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