Le concept de balle sous-calibrée est intimement lié à l'évolution des armes à feu et à la recherche d'une efficacité accrue. Pour bien comprendre la définition d'une balle de calibre 16 sous-calibrée, il est nécessaire de revenir sur les principes fondamentaux de la balistique intérieure et de la conception des canons.
On appelle élément moteur d'une arme ce qui lui apporte l'énergie nécessaire à son fonctionnement. Les agents moteurs capables d'apporter à une arme l'énergie nécessaire à son fonctionnement sont variés :
C'est la propulsion à l'aide de substances explosives qui est majoritairement utilisée d'où l'appellation armes à feu. Si ce n'est peut-être pas la plus simple, elle est devenue la plus pratique et permet le fonctionnement aussi bien d'armes de forte puissance que d'autres de faible volume et facilement transportables.
Le principe était simple : de la poudre à très haute température, un projectile / cible, le projectile quitte le canon, évidemment, une cible placée à une certaine distance. C'est un domaine complexe. Le lieu où se produit l'explosion de la poudre est appelée culasse. La partie interne des canons appelée "âme" se présente généralement sous deux aspects : lisse ou rayée de manière hélicoïdale, à pas constant ou variable.
La forme des projectiles a changé avec le temps. Historiquement, les premiers projectiles étaient en plomb et de forme sphérique. Les canons étaient lisses. Une ancienne livre de plomb (489,5 g) était utilisée pour fabriquer ces balles. En 1476, les canons étaient à canon lisse. Lors de leur trajet dans le canon lisse, les balles sphériques, de par leur conception, étaient soumises à des forces de frottements dissymétriques et variables d'un tir à l'autre. Elles sortaient du canon en étant animées d'un mouvement de rotation sur elles-mêmes qui, par interaction avec l'air, faisait sortir leur trajectoire du plan de tir.
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L'idée fut donc, puisque "effet" il devait y avoir, de le prévoir en imposant une rotation, ou pas, au projectile grâce à des rayures hélicoidales ou rectilignes. Dans le cas de rayures hélicoidales, la trajectoire sortait toujours de la trajectoire mais on savait dorénavant de quelle manière et en quelle proportion. Dans le cas d'un canon rayé, la trajectoire sortait du canon, tout au long de sa trajectoire.
Les agents moteurs sont utilisés à des fins de propulsion, selon le régime de la déflagration. La poudre est soumise à une combustion, c'est à dire une réaction d'oxydoréduction active, composée de salpêtre (13ème siècle), utilisée comme moyen de propulsion dans les bombardes, ou parfois de sodium, de soufre et de charbon de bois. Cette composition a perduré pendant plus de cinq siècles, jusqu’à ce que M. Schönbein découvre la nitrocellulose.
Il faut garder à l'esprit que la poudre noire est d'un usage relativement délicat. En effet, c'est une substance explosive dont la vitesse de transformation est de l'ordre de 900 m/s soit proche de la limite séparant classiquement les explosifs progressifs fonctionnant dans le mode de la déflagration, dont font partie les poudres, et les explosifs brisants qui, eux, se transforment dans le mode de la détonation.
Les poudres modernes, qu’elles ne soient pas vraiment sans fumée, sont à base de nitrocellulose et ont un meilleur rendement énergétique. Pour augmenter la stabilité de la poudre, on ajoute une troisième base, la nitroguanidine. La poudre est conditionnée sous forme de grains de formes variées. La surface des grains est un facteur déterminant : plus la surface des grains est grande, plus la quantité de gaz se dégageant en un temps donné est élevée. La forme géométrique qui présente la surface minimale est la sphère. Les poudres modernes, grâce à leurs formulations, sont plus stables et permettent d'obtenir des pressions plus élevées supportables par les aciers modernes présentant des caractéristiques mécaniques importantes.
L’arme utilise une amorce placée au culot de l’étui. Une percussion sur cette amorce va générer des flammes incandescentes qui vont enflammer la poudre, et c'est à partir de cet instant que le coup part. La combustion de la poudre n’est jamais complète, et peuvent interférer en certains points, sur le culot du projectile. Le projectile est choisi pour s'adapter aux rayures, relativement profondément dans sa chemise, et les pressions maximales sont atteintes avant le mouvement du projectile.
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L'étanchéité devant être assurée entre le projectile et l'âme du tube, les frottements sont importants. Dans les canons rayés, il existe également des frottements projectiles/rayures. Dans les canons, l'auteur décompose les frottements en leurs différentes composantes. La force résultante de tous les frottements qui s'oppose à l'avancée du projectile est appelée FR.
Les phénomènes, notamment ceux concernant la production des gaz et leurs actions sur le projectile, sont complexes. La combustion de la poudre n'est pas instantanée. Le problème peut néanmoins se simplifier en partie en considérant d'une part que les gaz constituent un milieu continu, à savoir qu'un élément infinitésimal (particule) de gaz contient une grande quantité de molécules et d'autre part en faisant l'hypothèse d'une densité de gaz uniforme de la culasse au culot du projectile.
Le projectile est soumis à des forces. On en fait l'addition (vectorielle) afin d'obtenir une résultante que l'on nommera FR pour force de résistance à l'avancement. Elle sera dirigée vers l'arrière et évidemment opposée à la force FG due à l'action, sur le culot, de la pression engendrée par les gaz, qui est dirigée, elle, vers l'avant. Ces deux forces peuvent, à leur tour, être additionnées vectoriellement pour donner une force résultante appliquée au projectile que l'on appellera FP.
Les frottements dans le canon ne sont pas constants. Ils sont particulièrement importants au moment de la prise de rayures et de leurs gravures dans la chemise du projectile ou la ceinture s'il s'agit d'un obus. Cependant, une fois ce passage difficile effectué, on peut admettre, sans nuire à la généralité, l'hypothèse qu'ils sont constants, ou prendre une valeur moyenne, pour le reste du trajet dans le canon.
Nous souhaitons aboutir à une relation où la place de chaque paramètre nous permettra de comprendre comment il agit sur la vitesse de sortie du projectile. À ce niveau d'étude, peu nous importe la manière dont ce paramètre varie finement. L'important est de comprendre comment il agit globalement. Nous nous plaçons donc dans l'optique d'une analyse qualitative.
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On a vu que notre étude débute une fois que la prise des rayures a eu lieu et qu'à partir de ce moment nous considérons les frottements comme constants. Nous avons déjà admis l'hypothèse que les gaz constituent un milieu continu et présentent une densité uniforme de la culasse au culot du projectile.
Dès lors on peut envisager une pression moyenne dans le canon qui nous est donnée en connaissant la vitesse de sortie du projectile et la longueur du canon. La relation ci-dessus présente l'avantage que la force moyenne* FGmoy peut être réellement calculée dès lors que l'on connait la masse du projectile, sa vitesse à la bouche et la longueur du canon. * Nota : Il faut prendre garde qu'introduire une force moyenne implique de facto une pression moyenne. Il faut bien comprendre que ces hypothèses n'ont qu'une seule utilité : la compréhension du phénomène. Il ne faudrait pas utiliser ces valeurs moyennes dans le calcul de la résistance d'une arme. En effet, les moyennes ont tendance à lisser les courbes à "raboter" les pics et combler les creux.
Cette équation est le résultat de calculs mathématiques. Il est important de comprendre qu'elle nous donne des informations concernant l'influence de certains paramètres sur la vitesse du projectile à la bouche de l'arme. Il ne faudrait pas la considérer comme une fonction donnant la variation de la vitesse du projectile dans le canon. D'ailleurs, ni le temps, ni la distance n'apparaissent dans l'équation. Pour faire simple, il ne faut pas trop lui en demander.
La difficulté intervient lorsque nous envisageons le cas où FG < FR. C'est notamment le cas lorsque, dans des canons trop longs pour la puissance de la munition, la vitesse du projectile passe par un maximum puis décroît. On observe d'ailleurs ce phénomène sur certains lanceurs de balles de défense déclinés en version "canon(s) long(s)" et "canon(s) court(s). Dans cette éventualité, notre équation nous envoie dans un monde imaginaire mathématiquement parlant. En effet, dans ce cas le terme sous le radical est négatif et il n'y a pas de solution dans l'ensemble des nombres réels. Le domaine d'existence de notre relation commence à zéro et, ces préliminaires posés, on peut voir quelles sont les informations qu'elle nous fournit.
On peut éviter ce problème d'existence d'une solution à notre relation en s'affranchissant des frottements. Dans notre raisonnement on part du principe que la force FG due à la pression est supérieure aux frottements.
Si l'on analyse mathématiquement l'équation 2 ou 3, on en déduit que la vitesse du projectile à la sortie de du canon est d'autant plus élevée que la pression moyenne, la section du culot du projectile et la longueur du canon sont elles-mêmes élevées. Si cette équation est intéressante pour la compréhension du phénomène, il faut néanmoins, on l'a déjà dit, la remettre dans le contexte physique, définir ses limites au sens balistique et analyser chacun des paramètres.
On va régler tout de suite le sort de la section du culot A et de la masse du projectile mp : ce sont des valeurs constantes. La pression moyenne P ne peut pas être constante. Même en régime adiabatique (pas d'échange avec l'extérieur) le volume à l'arrière du projectile croît en même temps que ce dernier se déplace vers l'avant et la pression diminue forcément, une fois que toute la poudre est brûlée (Figure II-3/2). La longueur du canon L ne peut pas être aussi grande que l'on veut. Il y a une longueur optimum au delà de laquelle la force, générée par la pression des gaz, qui accélère le projectile, devient plus faible que les forces de frottement tendant à le freiner.
Au delà d'une certaine longueur de canon la vitesse de sortie du projectile diminue. Elle peut même devenir nulle, le projectile restant dans le canon. D'où l'intérêt d'utiliser la bonne vivacité de poudre en fonction de la longueur du tube. On évite ainsi un gaspillage d'énergie (toute la poudre brûle avant la sortie du projectile) et, en même temps, le projectile sort avec sa vitesse maximum (Figure II-3/2).
Revenons sur la section du culot A et de la masse du projectile mp. On constate que, tous les autres paramètres étant fixés, si l'on augmente la section du culot du projectile en ne modifiant pas ou très peu sa masse, on obtient une vitesse à la bouche plus élevée. Jusqu'à maintenant nous avons envisagé l'action de la force FG due aux gaz comme faisant avancer le projectile vers la bouche de l'arme en luttant comme les frottements.
Sur sa trajectoire la stabilité du projectile est assurée par effet gyroscopique. La vitesse de rotation ω à la bouche de l'arme peut être obtenue à l'aide de deux formules. On utilise l'une ou l'autre selon que l'on connaît le pas des rayures ou leur angle α par rapport à l'axe du canon.
Précisons que l'accélération de rotation existe dès la prise des rayures. Il n'est point nécessaire que le projectile ait parcouru une distance équivalente à un pas des rayures pour avoir sa vitesse de rotation définitive. D'ailleurs, dans les formules ci-dessus, la longueur du canon n'intervient pas. En clair, deux projectiles ayant la même vitesse à la bouche ont la même vitesse de rotation qu'il soient tirés dans un canon de 2 pouces ou 4 pouces dès lors que les deux canons de longueur différente sont rayés au même pas, par exemple de 25 cm.
La quantité de mouvement du projectile et des gaz à la bouche de l'arme sont les deux facteurs principaux intervenant dans le phénomène de recul de l'arme. Quand nous parlons de ces quantités de mouvement "à la bouche", il faut entendre juste avant que le projectile ne quitte le canon.
Contrairement au calcul de la quantité de mouvement du projectile qui est aisé car nous connaissons, par la mesure, sa vitesse à la bouche de l'arme, nous ne pouvons pas mesurer la vitesse de la veine gazeuse. Si l'on souhaite un calcul qui ne soit pas trop compliqué, on doit envisager quelques hypothèses simplificatrices. En effet, une analyse de ce qui se passe dans le canon à l'arrière du projectile nous amène à la constatation suivante.
On garde l'hypothèse simplificatrice de l'homogénéité de la veine gazeuse et on la découpe, perpendiculairement à l'axe du canon, en tranches très fines ; on saucissonne cette veine gazeuse en tranches aussi fines que l'on veut et on regarde ce qui se passe. Il est clair que la tranche de gaz au contact du culot du projectile à la même vitesse que ce dernier mais la tranche de gaz au contact de la culasse ou du fond de l'étui à une vitesse nulle. Entre ces deux tranches extrêmes, toutes les autres ont une vitesse différente selon leur position dans le canon.
On résout cette dificulté en considérant non plus la vitesse de chacune des tranches de gaz mais celle du centre de gravité de la veine gazeuse. La position du centre de gravité de la veine gazeuse doit être connue puisque c'est sa variation qui donne sa vitesse.
Bien qu'un peu moins courant que les calibres 12 et 20, le calibre 16 est toujours utilisé par certains chasseurs. Offrant une puissance intermédiaire entre le 12 et le 20, il peut être préféré par ceux qui recherchent un compromis entre la puissance et le recul.
Pour la chasse au sanglier, au cerf ou au chevreuil, les calibres 12 et 16 sont plus adaptés. Les cartouches à balles (slug) sont constitués d'un projectile unique en plomb destiné, en général, à la chasse au gros gibier. Le projectile est sous calibré pour être plus efficace dans un fusil à canon non choké. Les balle type sauvestre et fier sont des "sous calibré" par exemple une fier 12 est en faite de calibre 16 mais ensaboté dans du plastique qui offrera moins de contraintes au passage du rétreint des choke .
Le choix d'une balle de calibre 16 sous-calibrée dépend donc de plusieurs facteurs, notamment le type de gibier chassé, la distance de tir et les préférences personnelles du chasseur. Comprendre les principes de la balistique intérieure et les caractéristiques des différents calibres permet de faire un choix éclairé et d'optimiser ses performances à la chasse.
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