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[[Archivo:Railgun-es.svg|thumb|240px|Diagrama esquemático de un arma de railesrieles]]
[[Archivo:German railgun Bild 3.gif|thumb|Diagrama mostrando el corte de un cañón de riel alemán]]
== Descripción general ==
El funcionamiento del arma se basa en el principio del motor homopolar: un par de conductores paralelos (los railesrieles) son alimentados por una corriente eléctrica. El proyectil se coloca haciendo contacto con ambos, para cerrar el circuito. La corriente que se produce interactua con los fuertes campos magnéticos generados por el paso de la electricidad a través de los conductores y esto acelera el proyectil linealmente en la dirección de los railesrieles.
La idea original de este dispositivo fue la de usarlo para disparar proyectiles a alta velocidad con fines militares. Sin embargo resulta difícil usarlo como arma debido a la enorme cantidad de energía requerida para funcionar con un mínimo de eficiencia y debido a que el espacio que ocupan las fuentes de alimentación y condensadores que utilizan para generar el campo magnético hace que sea muy difícil de transportar para la infantería. Aún así la [[Armada de Estados Unidos]] anunció una prueba realizada el 31 de enero de 2008 con el fin de equipar a sus naves con este tipo de armas.<ref>
Durante la [[Segunda Guerra Mundial]] la idea fue resucitada por Joachim Hänsler de la Oficina de Armamentos alemana, y se propuso un cañón antiaéreo eléctrico. Para fines de 1944 se había trabajado lo suficiente en el campo teórico como para permitir al Comando Antiaéreo de la [[Luftwaffe]] emitir una especificación, la cual incluía una velocidad de 2.000 m/s y un proyectil conteniendo 0,5 kg de explosivos. Las armas serían montadas en baterías de 6 cañones disparando 12 disparos por minuto y se utilizaría el montaje existente del [[12,8 cm FlaK 40]]. Nunca se construyó. Cuando la documentación fue descubierta después de la guerra despertó mucho interés y se hizo un estudio más detallado, finalizando con un informe de 1947 que concluyó que era teóricamente factible, pero cada cañón necesitaría energía suficiente como para iluminar la mitad de Chicago.<ref name=hogg/>
Durante 1950, [[Mark Oliphant|Sir Mark Oliphant]], un [[físico]] [[Australia|australiano]] y primer Director de la [[Escuela de Investigación de Ingeniería y Ciencias de la Física]] en la nueva [[Universidad Nacional de Australia]], inició el diseño y construcción del [[generador homopolar]] mas grande del mundo (500 MJ). Esta máquina fue usada para alimentar un cañón de railesriel de gran escala que fue usado como instrumento científico.
== Teoría y construcción ==
[[Archivo:Electric gun.jpg|thumb|right|Cañón eléctrico en ''Modern Mechanics'', junio de 1932]]
Un cañón de rail consiste en dos [[railriel]]es de metal [[paralelo]]s (de ahí el nombre) conectados a un suministro de [[corriente eléctrica]]. Cuando un [[proyectil]] [[conductor eléctrico|conductor]] es insertado entre los railesrieles (en el extremo conectado a la fuente de corriente), éste completa el circuito. Los electrones fluyen del terminal negativo de la fuente de energía al railriel negativo, cruza el proyectil, baja por el railriel positivo, y vuelve al suministro de corriente.
Esta corriente transforma al cañón de railriel en un [[electroimán]], creando un potente campomagnético alrededor de los railesrieles hasta la posición del proyectil. El campo magnético circula alrededor de cada conductor según la [[regla de la mano derecha]]. Dado que la corriente está en dirección opuesta a lo largo de cada railriel, el campo magnético neto entre los railestrielest ('''B''') es dirigido verticalmente. En combinación con la corriente ('''I''') que cruza el proyectil, esto produce una [[fuerza de Lorentz]], que acelera el proyectil a lo largo de los railesrieles. Existen también otras fuerzas que empujan el railriel en otros sentidos, pero debido a que éstos están montados firmemente, no pueden moverse. El proyectil se desliza a lo largo de los railesrieles, desde el extremo que está conectado al suministro de energía, hacia el otro.
Un enorme suministro de energía eléctrica, del orden de los millones de [[amperioampere]]s crearán una tremenda fuerza en el proyectil, acelerándolo a velocidades de varios [[kilómetro]]s por segundo (km/s). 20 km/s han sido alcanzados con proyectiles pequeños inyectados dentro del cañón de railriel. A pesar que estas velocidades son teóricamente posibles, el calor generado al propulsar los proyectiles es suficiente para erosionar los railesrieles rapidamente. Debido a esto, sería necesario reemplazar los railesrieles frecuentemente, o utilizar materiales resistentes al calor que puedan ser conductores para producir el mismo efecto.
=== Consideraciones en el diseño del cañón de railriel ===
==== Materiales ====
Los railesrieles y los proyectiles deben ser construido de materiales fuertes y [[Conductor eléctrico|conductores]]; los railesrieles deben sobrevivir a la violencia de un proyectil [[Aceleración|acelerado]], y al calor producto de las fricciones y el paso de la corriente eléctrica. La fuerza de retroceso que se ejerce sobre los railesrieles es igual y opuesta a la fuerza que impulsa el proyectil. La ubicación de la fuerza de retroceso es aún objeto de debate. Las ecuaciones tradicionales predicen que la fuerza de retroceso actúa en la "recámara" del cañón.
Otra escuela de pensamiento invoca la [[Ley de Ampère]] y afirma que actúa a lo largo de los railesrieles (que es su eje más fuerte).<ref>[http://adsabs.harvard.edu/abs/2001PhRvE..63e8602C Reply to ``Electrodynamic force law controversy''<!-- Bot generated title -->]</ref> Los carriles también se repelen entre ellos a través de una fuerza lateral causada por el campo magnético, al igual que el proyectil. Los railesrieles necesitan sobrevivir a esto sin doblarse, y deben estar montados en forma segura.
==== Consideraciones de diseño ====
La fuente de energía debe ser capaz de entregar una corriente muy grande, sostenida y controlada, por un lapso de tiempo utilizable. La medida más importante de la eficacia de la fuente de energía es la corriente que puede entregar. En febrero de 2008, la mayor energía conocida y utilizada para la propulsión de un proyectil de un cañón de railriel fue de 32 millones de [[julios]].<ref>[http://www.technologyreview.com/Infotech/20164/?nlid=857 Electromagnetic Railgun Blasts Off]</ref> La fuente de energía más utilizada en cañones de railriel son los [[condensador]]es y el [[alternador de pulsos compensado]], que son cargados poco a poco de otras fuentes de energía continua o mediante un [[generador de Van de Graaff]].{{Fact|date=October 2008}}
Los railesrieles deben soportar enormes fuerzas de repulsión durante el disparo, y estas fuerzas tienden a empujarlos en dirección contraria y lejos del proyectil. Cuando se incrementa la holgura entre el proyectil y los railesrieles se forman [[Arco eléctrico|arcos eléctricos]], lo que provoca la rápida vaporización y daños en la superficide de los railesrieles y en los aislantes. Esto limitaba a los primeros investigadores a un único disparo entre reparaciones del cañón de railriel.
La inductancia y la resistencia de los railesrieles y de la fuente de energía limita la eficiencia de un diseño de cañón de railriel. Actualmente, diferentes tipos de railesrieles y configuraciones de cañones están siendo probados, siendo los más notables los de la [[Armada de Estados Unidos]], el [[Instituto de Tecnología Avanzada]] y [[BAE Systems]].
==== Disipación del calor ====
Enormes cantidades de calor son generadas por la electricidad que fluye a través de los railesrieles, así como también por la fricción del proyectil al abandonar el dispositivo. El calor creado por la fricción puede ocasionar la dilatación de los railesrieles y el proyectil, aumentando aún más el calor por fricción. Esto provoca tres problemas principales: la fusión de los equipos, disminución de la seguridad del personal y la detección por las fuerzas enemigas.
Como se explica brevemente más arriba, las fuerzas involucradas en el lanzamiento de este tipo de dispositivos requieren un material muy resistente al calor. De lo contrario los railesrieles, el cañón y todo el equipo conectado se fundirán o se dañarán irreparablemente.
En la práctica los railesrieles son, junto con todos los componentes del cañón de railriel, erosionados con cada disparo; y los proyectiles pueden ser objeto de algún grado de ablación también, y esto puede limitar la vida del cañón de railriel, en algunos casos severamente.<ref>[http://www.powerlabs.org/railgun.htm PowerLabs Rail Gun!<!-- Bot generated title -->]</ref>
=== Fórmula matematica ===
En la física del cañón de railriel, la magnitud del vector fuerza puede determinarse por la [[Ley de Biot-Savart]] y como resultado de la [[Fuerza de Lorentz]]. Puede derivarse matematicamente en términos de la permeabilidad constante (<math>\mu_0</math>), el radio del railriel (el cual se asume de sección circular) (<math>r</math>), la distancia entre los centros de los railesrieles (<math>d</math>) y la corriente en [[ampére]]s (<math>I</math>) como sigue:
<br /><br />
Se puede demostrar de la ley de Biot-Savart que el campo magnético a una distancia <math>s</math> de un cable conductor semi-infinito por el que pasa una corriente está dado por:
:<math>F = IdB_{\text{avg}} = \frac{\mu_0 I^2}{ 2\pi} \ln{ \frac{d-r}{r}}</math>
La fórmula esta basada asumiendo que la distancia (<math>l</math>) entre el punto donde la fuerza (<math>F</math>) es medida y el comienzo del railriel es mayor que la separación de los railesrieles (<math>d</math>) por un factor de alrededor de 3 o 4 (<math>l>3d</math>). Se asumen otras simplificaciones; para describir las fuerzas en forma más precisa, la geometría de los railesrieles y del proyectil deben ser consideradas.
== Cohetería ==
Se está estudiando el lanzamiento de cohetes asistidos electrodinámicamente.<ref>Uranga ''et al.'' (2005) [http://pdf.aiaa.org/preview/CDReadyMASM05_666/PV2005_1449.pdf "Rocket Performance Analysis Using Electrodynamic Launch Assist"] ''Proceedings of the 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit'' (10-13 January 2005: Reno, Nevada)</ref> Las aplicaciones espaciales de esta tecnología implica bobinas electromagnéticas especialmente formadas e imanes superconductores.<ref>Advanced Magnet Lab, Inc. (2008) [http://magnetlab.com/space "Space and Defense"] ''magnetlab.com''</ref> Se utilizan [[materiales compuestos]] para estas aplicaciones.<ref>Advanced Magnet Lab, Inc. (2008) [http://magnetlab.com/technology/direct-double-helix/ "Direct Double-Helix"] ''magnetlab.com''</ref>
== El cañón de railesriel como arma ==
[[Archivo:German railgun Bild 4.gif|thumb|Dibujos de un proyectil de cañón eléctrico]]
Se comenzó a investigar con el cañón de railesriel disparando [[proyectil]]es que no contenían explosivos, pero con velocidades extremadamente altas: 3.500 m/s (aproximadamente [[Número Mach|Mach]] 10 al nivel del mar) o más (para comparación, el [[fusil M16]] calibre [[5,56×45 mm OTAN|5,56x45mm]] tiene una velocidad en boca de 930 m/s, y el [[FN FAL]] calibre [[7,62x51mm OTAN|7,62x51mm]], 840 m/s), lo cual le da una energía cinética igual o superior a la generada por un proyectil con explosivo de mayor masa. Esto permite trasnportar mayor munición y eliminar el riesgo de acarrear explosivos en un [[tanque]] o un [[buque de guerra]]. Además, al disparar a mayor velocidad tiene más alcance, con menor caida de la bala y menor desviación por el viento, pasando por alto el coste y las limitaciones físicas de las armas convencionales – "''los límites de la expansión de los gases prohíben lanzar un proyectil no asistido a velocidades mayores de 1,5 km/s y alcances superiores a los 80 km en un sistema de arma convencional.''"<ref>{{cite paper |last=Adams |first=LCDR David |title=Naval Railguns Are Revolutionary |date=2003 |url=http://edusworld.org/ew/ficheros/2004/railguns.pdf }}</ref>
Si fuera posible construir un arma automática de tiro rápido con esta tecnología, el cañón de railesriel tendría otras ventajas agregadas a la velocidad de tiro. El mecanismo de disparo de un arma de fuego convencional debe mover y acomodar el proyectil y la carga propulsora, mientras que en un cañón de railesriel sólo es necesario mover el proyectil. Además, el cañón de railriel no necesita extraer una vaina servida de la recámara, por lo que puede colocarse una munición fresca inmediatamente después de hacer el disparo.
=== Pruebas ===
[[Archivo:Railgun usnavy 2008.jpg|thumb|right|250px|Prueba de disparo con un arma de railriel en el Centro Naval de Guerra de Superficie (Surface Warfare Center) en enero de 2008. Se disparó un proyectil de 3,2 kg a 2.520 m/s, generando 10,64 megajoules.]]
Se han construido y disparado modelos a escala real, incluyendo un cañón de 90 mm y 9 [[megajulios]] de energía cinética con gran éxito, desarrollado por el [[DARPA]] de [[Estados Unidos]]. Aún deben resolverse problemas de desgaste del railriel y del aislante antes que el cañón de railesriel comience a reemplazar la artillería convencional. Probablemente el más antiguo sistema consistente y exitoso fue construido por la [[Defence Research Agency]] del Reino Unido en el [[Dundrennan Range]] en [[Kirkcudbright]], [[Escocia]]. Este sistema ha estado funcionando durante más de 10 años y como campo de pruebas de [[balística]] intermedia, externa y terminal, estableciendo varias marcas de masa y velocidad.
El VTI de [[Yugoslavia]] (VTI, Instituto de Tecnología Militar) desarrolló, en un proyecto llamado EDO-0, un cañón de railesriel de 7 kJ de energía cinética, en 1985. El proyecto EDO-1, sucesor del anterior, se creó en 1987, usando proyectiles con una masa de 0,7 g alcanzando velocidades de 3.000 m/s, y con una masa de 1,1 g alcanzaba velocidades de 2.400 m/s. Usaba un "cañón" de 70 cm. De acuerdo con los que trabajaron en él, con otras modificaciones fue capaz de alcanzar una velocidad de 4.500 m/s. El objetivo era alcanzar una velocidad de 7.000 m/s. Al día de hoy, es considerado un secreto militar.
Las Fuerzas Armadas de [[Estados Unidos]] están financiando los experimentos con los cañones de railesriel. En el Instituo de Tecnología Avanzada de la [[Universidad de Texas en Austin]], se desarrolló un cañón de railesriel militar con capacidad de enviar un proyectil anti-blindaje de [[tungsteno]] con una energía cinética de nueve megajoules.<ref>{{cita web |url=http://www.iat.utexas.edu/emsys.html |título=EM Systems |editorial=University of Texas }}</ref> 9 MJ es suficiente energía para enviar un proyectil de 2 kg a 3 km/s; a esa velocidad un dardo de [[tungsteno]] u otro material denso puede penetrar facilmente un [[tanque]], e incluso atravesarlo de lado a lado.
El Centro Naval de Guerra de Superficie (Surface Warfare Center), División Dahlgren, de Estados Unidos, a mostrado un cañón de railesriel de 8 MJ disparando proyectiles de 3,2 [[kilogramo|kg]] en octubre de 2006, como prototipo de un arma de 64 MJ que será emplazada a bordo de los buques de guerra de la [[US Navy|Marina]]. El principal problema de la Marina al implementar un cañón de riel, es el desgaste del arma, debido al inmenso calor generado en el disparo. Se espera que estas armas sean lo suficientemente potentes como para hacer un daño algo mayor al producido por un [[misil]] [[BGM-109 Tomahawk]] a una fracción de su costo.<ref>{{cita web |url=http://fredericksburg.com/News/FLS/2007/012007/01172007/251373 |título=A missile punch at bullet prices |apellido=Zitz |nombre=Michael |fechaacceso = 2007-01-17 <!-- originally 01-17-2007 --> |fecha=2007-01-17 <!-- originally 01-17-2007 --> |editorial=Fredericksburg.com }}</ref> Desde entonces, BAE Systems ha enviado un prototipo de 32 MJ a la Marina.<ref>{{cita web |url=http://www.popularmechanics.com/technology/military_law/4231461.html |título=World's Most Powerful Rail Gun Delivered to Navy |apellido=Sofge |nombre=Erik |fechaacceso = 2007-11-15 <!-- originally 11-15-2007 --> |fecha=2007-11-14 <!-- originally 11-14-2007 --> |editorial=Popular Mechanics }}</ref>
Debido a alta velocidad inicial que se puede alcanzar con un cañón de riel, hay interés en usarlos contra [[misil]]es de alta velocidad.{{Fact|date=July 2009}}
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