Mecanismos de disparo: Un componente fundamental
por Josetxo Errondosoro

Aunque parezca obvio decirlo, la primera cuestión que deberá resolver cualquiera que se enfrente a la tarea de diseñar un fusil de pesca submarina será la definir los objetivos perseguidos. Después, ineludiblemente, todo deberá estar apropiadamente dimensionado porque de ello dependerá el factor más importante, la seguridad del arma, donde el mecanismo de disparo tiene un papel determinante. Conozcamos mejor esta pieza fundamental y a veces mal valorada.

Antes de nada, considero importante hacer unas reflexiones. Nadie vea en ellas una postura paternalista o un intento de salvar las apariencias, sino la expresión de una profunda preocupación. Desde mi punto de vista, el mecanismo de disparo es, sin duda, la parte más importante de un fusil. Nunca debemos olvidar que este sencillo utensilio de pesca es un arma y que su mecanismo de accionamiento es el que hace que funcione; en consecuencia, de él dependen los aspectos más importantes de su seguridad. A pesar de ello, hay pescadores que no son demasiado conscientes de ello y que realizan "mejoras" en sus fusiles que no están exentas de peligro. Lo sé bien porque he sido uno de ellos. Quizás por nuestras propias inquietudes o incluso animados por las cosas que se publican, cada vez es más habitual que los mecanismos se manipulen para disminuir su recorrido o que se utilicen en un fusil cuya potencia instalada lo hace trabajar en su límite de rotura. Algunas veces medios de comunicación como Internet tampoco ayudan mucho. Cualquiera puede divulgar información en un instante por todo el mundo. En este sentido, también cada vez son más los pescadores que cuando exponen y respaldan técnicamente sus modificaciones se amparan en que en tal o cual página Web o foro de internautas alguien hace las cosas así o incluso más extremas. ¿Nos hemos parado a pensar qué formación, experiencia o trabajos de desarrollo amparan a estas personas? La verdad es que es difícil obtener información de calidad. No es mi intención criticar a nadie, sino que con estas reflexiones deseo impulsar una cultura en la que se tome plena conciencia de lo que nos traemos entre manos. Si además puedo aportar datos verdaderamente útiles, mejor.

Principio de funcionamiento

A pesar de que a primera vista pueda parecer otra cosa, los principios de funcionamiento de los mecanismos de disparo de nuestros fusiles son muy parecidos: dos levas, tres en algún caso, siempre de metal la que actúa sobre la varilla y de plástico o metal la segunda, la que nosotros actuamos con el dedo, la del gatillo. Tal como se puede observar en la figura 1, que representa a uno de los sistemas más comunes y que he adoptado para mis desarrollos, la varilla queda trabada entre la leva principal y la caja del mecanismo, imposibilitando su desplazamiento a pesar de la fuerza Fg ejercida por las gomas. A su vez, la leva principal está trabada en un rebaje del gatillo que impide que gire sobre su eje de pivote, descargando sobre el punto de contacto una fuerza Fc proporcionalmente menor según la relación d1/d2. En el momento de realizar el disparo el pescador desplaza el gatillo y en un punto determinado de su recorrido éste libera la leva principal, que gira liberando a su vez la varilla. Según la Física, la fuerza que deberá ejercer el dedo Fd es la parte proporcional, según la desmultiplicación d3/d4, de la fuerza de rozamiento generada en el punto de contacto gatillo-leva principal, Fr=k·Fc (1). El resultado, muy simplificado, es el que se muestra en la figura 1, donde la fuerza que se necesita ejercer sobre el gatillo es directamente proporcional a la fuerza de las gomas Fg, a los brazos de palanca d1 y d3 y al coeficiente de rozamiento k (cuanto mayores sean estas magnitudes mayor será el esfuerzo a hacer para disparar); y es inversamente proporcional a los brazos de palanca d2 y d4 (cuando mayores sean estas magnitudes menor será Fd). Este cálculo desprecia factores que tienen su importancia, el más evidente la fuerza del muelle, y hace simplificaciones groseras a la hora de estudiar la aplicación de fuerzas y momentos de giros, pero el resultado tiene suficiente aproximación y sirve para explicar de forma sencilla esta cuestión. Supongo que la mayoría de los lectores estará de acuerdo en que para una revista como la nuestra es suficiente.

Parecidos pero diferentes

Si todo es tan sencillo como seguir una fórmula, y además en ella los factores más evidentes en juego empleados por los distintos fabricantes son parecidos, ¿por qué los mecanismos tienen un comportamiento tan diferente según la empresa que los diseña? Para una fuerza de tracción estándar (2) los hay que necesitan sólo 400 gr para dispararse y otros que necesitan más de 5 kg. Con los recorridos pasa algo parecido. Y qué decir de los límites de rotura (3): unos escasamente sobrepasan 100 kg mientras otros resisten más del doble. Es necesario un análisis más profundo para explicarlo. Para ello debemos fijar nuestra atención en los puntos A y B de la figura 1.

Límite de rotura

Absolutamente todos los mecanismos comerciales que he probado con la intención de buscar su límite de rotura han fallado por el punto A de la leva principal. Es sencillo entender el motivo: la pieza suele estar fabricada en chapa plegada o en un bloque sólido, este último normalmente de acero inyectado, y ambos casos en materiales blandos (10-12 Rc de dureza como mucho); en cambio, la varilla es de un acero templado muy duro (39-47 Rc) y, a medida que aumentamos la fuerza de tracción, su talón acaba deformando la zona de contacto con la leva principal hasta el punto que arrastra el material que la retiene. Entonces es cuando la varilla sale sola. En el caso de la leva de chapa plegada, la resistencia que opone el material es la que ofrece una fina pared de metal en forma de "U" invertida y apenas se superan los 105 kg de límite de rotura; mientras que el caso de la sólida hay mucho más material enfrentado, llegando la rotura por encima de los 180 kg. En estos últimos, dependiendo de la geometría del diente de enganche, se obtienen mediciones que rondan los 240 kg.

Sensibilidad

La energía que necesitamos descargar sobre un gatillo para que se produzca el disparo, una función de la fuerza aplicada sobre él durante todo su recorrido y que nosotros llamamos sensibilidad, es algo mucho más evidente de evaluar que el límite de rotura. Al primer disparo tenemos una buena idea sobre lo que tenemos entre manos. Pero ¿por qué se dan diferencias tan importantes entre unos modelos y otros? La desmultiplicación del gatillo, es decir, la relación entre los diferentes brazos de palanca, puede explicar algunas, pero otras, como las que se dan en el punto indicado como B en la figura 1, no son tan evidentes. En el desarrollo de la fórmula simplificada se ha mencionado que la fuerza que se descarga en este punto es Fc y que en consecuencia la fuerza a vencer por el gatillo es k·Fc. Primero, para que esto se cumpla, Fc debe estar alineada con el eje de pivote del gatillo y no siempre es así (ver figura 2), por lo que a la fuerza a aplicar al gatillo habrá que añadirle la necesaria para vencer el del momento Fc·d5. Segundo, porque el factor k, que hemos definido como constante, depende de los materiales que se encuentran en contacto y además puede variar a mayor o menor con el uso (ver encuadre El conocimiento contemporáneo de la fricción). Otro punto en el que se dan diferencias importantes es el recorrido, que viene principalmente condicionado por la distancia que se mantienen en contacto la leva principal y el gatillo en el punto B y su correspondiente proyección hasta el punto de aplicación de la fuerza Fd. Sobre este aspecto, considero que a medida que aumenta la energía que es capaz de cargar el fusil hay que aumentar el recorrido. Esta es una opinión generalizada entre las personas que utilizan armas muy potentes. No se trata sólo de que el fusil se dispare de forma involuntaria sino de que todo el cuerpo del pescador esté preparado para recibir el tremendo retroceso que se puede llegar a producir, siendo necesario además utilizar una técnica de disparo adecuada. De otra forma se pueden dar accidentes importantes sobre quien dispara el arma, sobre todo si el talón del fusil golpea al pescador. Personalmente, opino que para un doble goma con 80 ó 90 kg de tracción debería disponer de unos 4 mm.

Magnitudes en juego

Al hilo del argumento que planteaba en la presentación del artículo, y puestos en el papel de diseñadores, digamos que deseamos un fusil de gomas para pescar grandes peces en el azul. Normalmente pescaremos con una visibilidad elevada y, en estas condiciones y por el tipo presas, el disparo deberá alcanzar eficazmente objetivos lejanos. Entonces, digamos que deseamos lanzar una varilla de 9 ó 10 mm, que puede pesar más de 1 kg, a 7 m de distancia. Siempre teniendo en cuenta las proporciones adecuadas entre la masa de la varilla y la del fusil, para que la varilla golpee y atraviese con energía suficiente una presa, seamos optimistas, de 100 kg por una de sus partes duras, estimo que deberíamos propulsarla con unas gomas que pueden requerir entre 180 y 200 kg de esfuerzo de carga. No sé si parece algo excesivo, pero éstos fueron los objetivos y las correspondientes magnitudes que planteé al diseñar un fusil para la pesca en el azul.

El factor principal: la seguridad

Planteada la tarea, la primera pregunta que surgía era evidente: ¿qué mecanismo sería capaz de soportar esa fuerza de tracción con los márgenes de seguridad que considero apropiados? La respuesta no parecía fácil en el mercado europeo, sobre todo si lo que se deseaba fabricar era un fusil monocasco cuyo mecanismo debía estar integrado en su estructura. Así fue cómo nació la idea de diseñar y construir un mecanismo indestructible bajo estas especificaciones tan extremas. Lo más sencillo resultó el propio diseño, pues desde hace décadas que se está utilizando configuraciones similares a la planteada en la figura 1, la opción escogida; otra cuestión más peliaguda era escoger los materiales a emplear, siendo la leva principal el escollo más importante. Después de estudiar las posibles opciones, la elección fue un acero inoxidable martensítico, el AISI 420, que una vez templado puede alcanzar una dureza de 52 Rc. Así parecía difícil que la varilla, en mi caso también de un acero tratado (AISI 301) y que alcanza 47 Rc, pudiera dañar esta pieza. A priori, mecánicamente la seguridad parecía garantizada.

El segundo factor

Los gatillos de los fusiles comerciales están diseñados de forma que cubran holgadamente los límites de seguridad, también a la hora de accionarlos. Como se ha mencionado otras veces, un mecanismo demasiado sensible y de poco recorrido es peligroso en manos inexpertas porque es fácil provocar el disparo de forma involuntaria; pero lo contrario, si es duro y de mucho recorrido, a pesar de ser muy seguro, afecta mucho a la precisión de los disparos, pues las posibilidades de mover el fusil aumentan cuanta más fuerza se deba hacer, y cuanto más recorrido el tiempo de respuesta será superior. Si además se suman estos dos últimos factores, el resultado puede ser un desastre, sobre todo si se dispara a piezas en movimiento. Con todo ello en mente, para la tracción de gomas planteada, 200 kg, al menos para empezar las pruebas parecía razonable tener que ejercer una presión máxima de 3 kg con un recorrido que debía rondar 5 mm. Después, en función del comportamiento de los materiales en los ensayos, ya habría tiempo de ajustar estos parámetros. Ahora, la cuestión más difícil que se planteaba era escoger el material del gatillo, pues, después de los ensayos realizados por encargo del artesano italiano Giorgio Dapiran, había podido comprobar que cuando la leva principal y el gatillo eran de metal blando la tendencia era a que el mecanismo poco a poco requiriese más energía para ser accionado, algo que también él había notado en el agua. Daba igual que a la obligada leva principal de acero (12 Rc, en aquel caso) fuera combinada con un gatillo del mismo material o incluso con otras de bronce. La solución por la que optó el italiano fue la de usar un gatillo en un material plástico de alta densidad muy resistente y de bajo coeficiente de fricción, el Polizene, que daba la sensibilidad requerida mientras que garantizaba una vida útil de más de 2000 disparos. Volviendo al origen de estas cábalas, la primera idea fue fabricar un gatillo con el mismo material de la leva principal, pero la incertidumbre sobre el resultado y el coste de la pieza me hicieron tomar un camino similar al del italiano. Sólo que el material plástico empleado fue otro, Ertalyte, que tiene avalado su comportamiento con un empleo industrial habitual en soluciones donde se requiere dureza, gran resistencia al desgaste, ser térmicamente estable, tener bajo coeficiente de rozamiento y, algo muy importante también, tener un comportamiento difícil de superar en el agua, manteniendo sus características geométricas a pesar de pasar muchas horas a remojo. Esto último parece poco significativo, pues para muchos un plástico es muy parecido a otro, pero realmente es un mundo de innumerables variables. Por poner un ejemplo que nos afecta y que todos entenderemos, ¿cuántos hemos comprado un carrete de plástico que en la tienda giraba limpiamente y que al poco usarlo se agarrotaba? ¿cuál es el problema? Casi siempre sucede que el material empleado absorbe agua y se hincha. También se puede producir una deformación por temperatura.

Prototipos

No quisiera desanimar a nadie, pero construir tres prototipos con las características mencionadas ha sido una larga y costosa odisea. Lo más sencillo resultó el diseño, tanto en la geometría como en los materiales; lo difícil fue conseguir algunos de esos materiales, como el AISI 420, y que alguna empresa quisiera cortar las piezas con la precisión requerida. Resumiendo, más de cinco meses de trabajo para tener entre manos tres mecanismos completos montados sobre una sólida caja de acero inoxidable AISI 304 de 1'5 mm de espesor, con una leva principal que, después de ser mecanizada en frío y de un tratamiento térmico posterior, alcanzó una dureza de 51 Rc, un gatillo de Ertalyte de color blanco (existe también en negro pero su uso industrial es bajo y es difícil y costoso conseguirlo), al que hay que añadir unas pocas piezas más como los pasadores (AISI 304), el muelle y poco más. El momento de la verdad llegó con las pruebas en el banco, donde los primeros resultados fueron los siguientes: para 52 kg de tracción, la fuerza a ejercer sobre el gatillo fue de 720 gr con un recorrido de 5'8 mm; para 200 kg de tracción, 2'67 kg con un recorrido de 5'7 mm. Después de una serie de 100 disparos a plena carga, la fuerza requerida y el recorrido sufrieron un merma de aproximadamente un 5 % y un 3% respectivamente, en cuanto al límite de rotura, los más de 380 kg que se consiguen en el banco no han sido suficientes para producir la más mínima mella en las piezas; la leva principal apenas denotaría el enorme trabajo realizado si no fuera porque se mostraba levemente pulida en el punto de contacto con la varilla.

El momento de la verdad

Los aspectos fundamentales de los prototipos estaban garantizados y el funcionamiento era el esperado, pero aún faltaba las pruebas reales en el agua, otro gran problema por las dificultades que plantea construir un gran fusil de madera para soportar con suficiencia las magnitudes que se plantean, con los materiales y las técnicas apropiadas y a un precio razonable, se entiende. Fue Víctor Abellán quien me ofreció su inestimable colaboración y la opción de dar un importante paso adelante, montado uno de estos mecanismos en un fusil de dos gomas que él estaba construyendo. La cuestión no era tanto saber el comportamiento mecánico propiamente dicho, pues las pruebas en el banco eran el mejor aval al respecto, sino que lo importante era valorar el comportamiento del conjunto en las duras condiciones del ambiente marino. Sobre todo ahora me preocupaba la posible deterioro y pérdida de características mecánicas por oxidación de las piezas de acero y el comportamiento del gatillo. Para el caso, adapté la respuesta del mecanismo a las características del fusil Abellán, unos 90 kg de carga. El resultado fue que para accionar el gatillo se requería 1'2 kg y 4 mm de recorrido. Para terminar esta larga historia de peripecias y cifras, sólo me resta por mencionar que el comportamiento se ha mostrado excelente, que al primer prototipo de fusil, que ha sido probado durante meses, le ha seguido otro construido para mi uso particular (ante el buen comportamiento, el gatillo ha sido ajustado aún más, 650 gr de tracción para 2'8 mm de recorrido), donde estoy comprobando personalmente todo, y que antes de final de año espero instalar el tercer prototipo en su destino original, un gran fusil específicamente diseñado para pescar grandes presas. Pronto, más información y pruebas para quien esté interesado.

La fricción: historia breve

Desde sus más remotos orígenes, el ser humano ha utilizado técnicas para mejorar la fricción en sus utensilios. Sabemos, por ejemplo, que en el Paleolítico los vástagos o brocas que usaban los taladros construidos para hacer agujeros o encender fuego estaban alojados sobre una especie de casquillos fabricados con cuernos o huesos. Quizás son más conocidas las técnicas utilizadas por civilizaciones muy posteriores. Por poner un ejemplo que llama la atención, de sólo unos miles de años antes de nuestra era, dentro de una tumba egipcia se han encontrado restos de grasas animales en los ejes de las ruedas del carro que se empleó para transportar el sarcófago. Se pueden dar otros muchos ejemplos históricos, pero no fue hasta el Renacimiento (siglo XV d.C.) cuando realmente se empezó a estudiar el fenómeno de la fricción de una forma más científica. Fue al genio de Leonardo da Vinci a quien se le tiene que atribuir este mérito, pues dedujo las leyes físicas que afectaban al deslizamiento de un bloque rectangular sobre una superficie plana. Él fue quien habló por primera vez del concepto de coeficiente de fricción como la relación entre la fuerza de fricción y el peso del objeto. Paradójicamente, su trabajo no tuvo influencia histórica, pues sus cuadernos de notas tardaron siglos en ser publicados. No fue hasta el año 1699 cuando el físico francés Guillaume Amontons redescubrió las leyes de la fricción. Suyas son los dos enunciados más conocidos al respecto, que, utilizando palabras corrientes, dicen: el primero, que la fuerza de fricción que se opone al deslizamiento entre dos superficies en contacto es directamente proporcional a la fuerza que mantiene juntas a dichas superficies; el segunda, que la superficie aparente de contacto no afecta a la fricción. Casi un siglo después, otro físico francés, Charles Coulomb, verificó las dos primeras leyes y añadió una tercera, que dice que: una vez ha comenzado a moverse un objeto, la fuerza de fricción es independiente de la velocidad, dejando claras las diferencias entre las fricciones estática y dinámica.

El conocimiento contemporáneo de la fricción

Se han tenido que esperar muchos años, en concreto hasta comienzos del pasado siglo XX, para tener un mejor conocimiento de la fricción. Fue gracias a los avances tecnológicos cuando se pudo analizar mucho mejor lo que sucede a una escala microscópica en la zona de contacto de dos superficies que deslizan entre sí, naciendo en los años 60 una nueva Ciencia que tiene en cuenta todo tipo de disciplinas, como física, propiedades de los materiales, mecánica de sólidos y fluidos, química, termodinámica y otras: la Tribología (4). Por ejemplo, a pesar de que un metal pueda parecer limpio y pulido, ahora sabemos que su superficie está compuesta por asperezas y también que encima de su superficie existen unas microcapas o juntas formadas debido a factores externos, como pueden ser las carecterísticas del mecanizado, la temperatura y la formación de óxido; ambas características juegan un papel determinante sobre el rozamiento. Las asperezas pueden ser asimiladas a la orografía que presentan las superficies en contacto, crestas y valles más o menos profundos en función de los materiales y de la calidad del mecanizado de las piezas. Como es fácil imaginar, en el área real de contacto es mucho menor que el área aparente, porque es prácticamente imposible que el perfil orográfico de las dos piezas en contacto sea totalmente plano: una cresta a veces se apoyará sobre otra, entonces la fuerza de rozamiento en ese punto tenderá a cumplir las leyes generales enunciadas; pero otras, encajarán un valle y una cresta, y la fuerza necesaria para vencer el rozamiento en ese punto será muy superior a la estimada anteriormente pues las fuerzas en juego son diferentes a las del primer caso (se llaman esfuerzos cortantes). Tampoco se deben olvidar el importante efecto de las microcapas que cubren toda la superficie de los materiales, pues sobre la base del material en cuestión se superponen otra capa endurecida del mismo, resultado del mecanizado o de un tratamiento, y varias capas blandas adheridas a la anterior, compuestas por aceites y grasas, óxido, gases y vapor de agua. El resultado es que en ausencia de lubricantes externos estas microcapas hacen un trabajo similar, siempre que la fuerza aplicada entre los puntos en contacto no supere determinados valores y no la destruya. Un fenómeno en el que afecta todo lo hasta ahora explicado y que es más difícil de entender es lo que se llama "contacto adhesivo". Se observa claramente en los mecanismo de nuestros fusiles cuando el gatillo y la leva principal son de materiales metálicos blandos similares y la fuerza de contacto Fc es elevada: en seco, el gatillo al principio dispara bien pero poco a poco se vuelve más duro y, por fin, la respuesta es irregular, alternándose fases más o menos duras pero siempre oponiendo mucha resistencia. El fenómeno es debido a que en el punto B de contacto los materiales no soportan bien la presión a la que se les somete. Superándose sus límites elásticos, los materiales se deforman permanentemente, destruyéndose de paso las microcapas que las cubren, incrementándose también mucho el área real de contacto para que los materiales puedan soportar la carga aplicada. En esta situación se generan contactos que requieren esfuerzos cortantes muy superiores. Esto es lo que se llama contacto adhesivo, pues los materiales se comportan como si se hubiera aplicado un pegamento entre ellos. A simple vista se observan los resultados: surcos de todo tipo en las piezas que deslizan e incluso partículas de material que de una pasan a la otra (lo último se observa muy bien cuando se utiliza un gatillo de bronce con una leva principal de acero inoxidable).

Soluciones para los mecanismos de disparo

Como se ha mencionado en el artículo, se puede optar por varias soluciones para el punto B de contacto de nuestros mecanismos. Si las fuerza Fc es baja o media, un gatillo de plástico o de acero blando con una leva principal de acero blando pueden ser unas buenas soluciones desde el punto de vista técnico y de coste. Dependerá mucho de las características del plástico elegido y de la carga Fc, pero con esta elección el gatillo tendrá un consumo que deberá ser tenido en cuenta, sobre todo con cargas elevadas (disminución de la fuerza a aplicar al gatillo y merma del recorrido). Con el gatillo de acero blando apenas habrá consumo pero empezarán a afectar los fenómenos adhesivos. A tenor de la teoría, la opción más robusta, y cara, parece la de utilizar piezas bien mecanizadas de acero templado, que significa unas superficies con poca rugosidad (reduce los esfuerzos cortantes) y un material de límite elástico muy alto (eleva el umbral de carga en el que aparecen los fenómenos adhesivos). Esta última es la que aún no he probado.

Notas:

(1) Fuerza de fricción o rozamiento: para arrastrar un objeto sobre una superficie horizontal se observa que es preciso aplicar una fuerza paralela a esa superficie. Evidentemente, la fuerza a aplicar tiene que ser la suficiente para vencer a la fuerza que se opone al movimiento. Esta última es la que se denomina fuerza rozamiento o fuerza de fricción, y su magnitud depende de la naturaleza del contacto entre la dos superficies (que se expresa con un coeficiente, k en nuestro caso) y de la fuerza con la que se aprietan una contra la otra. De ahí la expresión empleada, Fr=k·Fc (2) Fuerza de tracción estándar: Hacía tiempo que quería explicar de dónde viene esta definición, que es personal. Es muy sencillo. Cuando construí el banco de ensayos no podía medir con precisión la presión que estaba aplicando a los cilindros que tiran de la varilla ni la fuerza real que hacían éstos. Entonces fijé la presión aproximadamente según unos cálculos y la medí con manómetro poco preciso. Cuando pude medir correctamente todo, resultó que la presión aplicada era de 2'3 bar y que correspondía a 52 kg de tracción. Como ya había medido muchos mecanismos en esas condiciones y me parecía una situación muy realista, a partir de entonces he utilizado los mismos baremos para las pruebas. (3) Límite de rotura: considero como tal la fuerza de tracción que se necesita ejercer a la varilla para que ésta salga del mecanismo sin accionar el gatillo. De todas maneras, fuerzas inferiores cercanas a este límite fatigan el material de la leva principal y también pueden producir un disparo accidental tras usar el mecanismo un poco. Considero que un margen seguridad apropiado es el que soporta sin destruirse por lo menos el doble de las condiciones máximas de uso. (4) Tribología: se define como la Ciencia y Tecnología que estudia el rozamiento entre los cuerpos sólidos con el fin de producir mejor deslizamiento y menor desgaste de ellos.

Josetxo Errondosoro