Il cannone a rotaia, o più semplicemente, il cannone a rotaia, utilizza un campo magnetico alimentato dall’elettricità per accelerare un proiettile. Sebbene le idee di base alla base della costruzione di un cannone a rotaia siano semplici, lo sparo di un tipico proiettile di cannone a rotaia si traduce in una tremenda forza repulsiva. Il risultato è che
il cannone a rotaia deve essere riparato dopo quasi ogni colpo, il che li rende meno pratici dei proiettili convenzionali. Richiedono inoltre un alimentatore molto grande, in grado di fornire un milione circa di ampere di corrente, rendendo difficile la realizzazione di cannoni ferroviari portatili.
Un cannone a binario è costituito da due binari metallici paralleli saldamente ancorati, collegati a un’alimentazione elettrica. Un proiettile in grado di condurre elettricità è posto tra le rotaie, completando il circuito. Essendo cariche elettricamente, le rotaie metalliche si comportano come elettromagneti, creando un campo magnetico che circola attorno a ciascuna rotaia. Un campo si muove in senso orario attorno al suo binario, l’altro in senso orario, creando un campo magnetico nel mezzo che crea una forza netta parallela ai binari, lontano dall’alimentatore. Il proiettile si comporta come qualsiasi filo carico in un campo elettrico, sperimentando una forza perpendicolare alla direzione della corrente e alla direzione del campo magnetico. Questa è chiamata forza di Lorentz.
Quando la corrente elettrica è molto forte, il proiettile, sottoposto a forze potenti, accelera fino all’estremità del cannone a rotaia di fronte all’alimentatore ed esce attraverso un’apertura. Il circuito, così interrotto, interrompe il flusso di corrente elettrica. Il proiettile deve entrare in contatto fisico con le rotaie durante l’accelerazione. Se il proiettile si muove abbastanza velocemente, il solo attrito può danneggiare seriamente o addirittura vaporizzare le rotaie, in assenza di materiali sufficientemente resistenti. Inoltre, se i binari non sono fissati saldamente a una superficie stabile, possono essere allontanati da potenti energie all’interno del cannone a rotaia.
Molti milioni di dollari sono stati investiti nella ricerca sui cannoni ferroviari da parte dell’esercito degli Stati Uniti e sono stati sviluppati molti prototipi di successo, che possiedono velocità alla volata molto elevate, dell’ordine di 3.5 km/sec (2.17 mps), circa 3 volte più veloci di fucili moderni. Tuttavia, questi progetti richiedono grandi alimentatori e la manutenzione rimane un problema. La Marina degli Stati Uniti ha espresso interesse per i cannoni ferroviari a causa delle loro munizioni non esplosive, ma non sono entrati nell’uso comune. Una soluzione proposta al problema dell’usura dei cannoni ferroviari è l’idea di utilizzare proiettili molto piccoli accelerati a velocità molto elevate, un progetto a volte indicato come fucile ad ago.
I cannoni ferroviari sono stati discussi anche nel contesto di applicazioni pacifiche come i viaggi nello spazio. Un cannone a rotaia molto lungo, o un driver di massa, potrebbe essere utilizzato per accelerare i carichi utili per sfuggire alla velocità a costi molto inferiori a quelli dei razzi chimici. Uno svantaggio è l’elevato investimento iniziale richiesto per costruire un tale driver di massa. Per creare un driver di massa che acceleri un proiettile per sfuggire alla velocità a una velocità accettabile per i passeggeri umani (~2 g), sarebbe necessario un barile di lunghezza ~50 km (30 miglia). Un’altra potenziale applicazione dei cannoni ferroviari potrebbe essere nell’arena della fusione nucleare, dove sono necessarie pressioni e temperature immense per fondere insieme i nuclei atomici.