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“故人西辞黄鹤楼,烟花三月下扬州。”——《黄鹤楼送孟浩然之广陵》李白
燃放烟花在我国有着悠久的历史,从古代的诗句中可以看到众多的文人墨客都对烟花有过描述。在现代的大型活动,或比较重要的节日中,都少不了通过燃放烟花来庆祝的环节。但是当我们看到烟花时,为什么有些烟花高有些烟花低?为什么烟花会产生不同的形状?为什么烟花有五颜六色的颜色?
所以我们今天要说的是:烟花是如何工作的?它都包含哪些物理学原理。
我们从三种简单的原料开始:硫磺、木炭和硝酸钾。
木炭并不是我们家里使用的煤球,而是有机物(如木材)在被烧焦或被热解后,所留下的碳残留物,因为有机物中所有的水分都被带走后就会剩下碳。硝酸钾可以从硝土中提取出来,来源包括鸟粪和蝙蝠粪便,还有硝土也会存在于厕所、猪、牛栏屋,庭院的老墙脚,崖边,岩洞以及不易被雨水冲洗的地面。硫磺可以从天然硫矿制得,或将黄铁矿和焦炭混和在有限空气中燃烧制得。
现在我们把这些材料准备好,拿一个研钵和杵,把它们混合在一起,就会得到一种黑色粉末。
这个黑色粉末其实就是火药。接下来我们只需要的一些氧气和一个很小的热源就可以将其点燃。实际上硝酸钾就是很强的氧化剂,火药燃烧的氧气就来源于此,因此烟花甚至可以在没有氧气的外星球上燃放。所以,等我们哪天登上火星,可以在火星上来一场烟花表演。
至于点火源,这更简单,一根火柴足以。
当我们把一切准备就绪,划根火柴会发生什么?
瞬间火光四溅,并伴随“砰”的一声,如果你跑得慢一点,有可能手还会被熏黄。但是,一个简单的“爆炸”并不是烟花,这只是烟花的一部分。真正的烟花要比这复杂得多。
想要制作一个好的烟花需要考虑四大要素:高度、大小、形状和颜色。爆炸的火药只是后三种情况的催化剂,是一个烟花的开始。
在这四个要素中高度最容易理解。
因为发射烟花的方式和发射炮弹的方式是一样的!在一个底部封闭的管道中,放入推进火药,点燃以后就可以利用火药燃烧产生的高温气体将烟花“炮弹”推射出去。
烟花“炮弹”的高度取决于初始速度,烟花越大需要的初始速度越高。一个小型的烟花表演发射的烟花“炮弹”直径在5厘米到15厘米之间,打出的炮弹高度在60-150米之间。一个大型烟花表演,烟花“炮弹”的直径高达近1米,这些烟花打出的高度通常超过300米。
烟花“炮弹”在被底座炮筒打出的那一刻,如果一切正常引信就会被点燃,并在上升的过程中燃烧。出于美观和安全的考虑,我们需要将大型烟花尽可能发射到更高的高度。因为高度越高,烟花就越好看,能看到的人也就越多,而且更加安全,毕竟烟花也是火。
更大的烟花不仅需要更大的升力,还需要更大的爆发力来推动烟花的爆炸!所使用的升力必须足以将烟花发射到上面描述的必要高度,这也解释了为什么更大的烟花会发射到更高的高度。
只要烟花“炮弹”不是“哑弹”,只要引信点燃并以适当的速度燃烧,烟火“炮弹”将在其飞行的顶点或附近爆炸。高一些的烟花通常会更大一些,因此会更有美感,也更安全。但是是什么决定了烟花壮观的形状呢?为了找到答案,我们需要了解烟花的内部结构。
烟花的三种基本类型。
烟花有许多不同的风格,但有三个重要的因素,炮弹里的火药的类型、装药方式和星体。
炮弹里的装药可以是简单的火药,也可以是更复杂的炸药,装药方式可以是简单的一级装药(在空中爆炸一次)甚至是多级装药(在空中爆炸多次)。另一方面,炮弹里的星体在爆炸后可以向各个方向发散,产生更为壮观的美丽景象。
而星体的发射方向和模式取决于烟花的组合方式,每一级的火药爆炸都可以把星体推到事先设计的模式或方向上。星体在空中的排列方式就产生了我们看到的各种形状。
在每一级的烟花“炮弹”爆炸时,内部的单个星体都会被点燃。这是烟花最有趣、最壮观的部分。
而每个星体内部还装有火药,为其提供推力,例如使单个星体旋转、上升或向任意方向推进,这些星体也是烟火中绚丽的光和颜色的来源。
这些星体是如何决定烟花的颜色?最简单的解释是不同的元素和化合物有不同的特征发射谱线。举个例子,如果把钠加热,它会发出特有的黄色光,因为它在588纳米和589纳米处有两条非常窄的发射线。(街边的钠灯,里面就充着钠蒸汽。)
我们有各种各样的元素和化合物,它们会发出各种各样的颜色!不同的钡、钠、铜和锶的化合物可以产生覆盖大量可见光谱的颜色,而烟花中嵌入的不同化合物是我们看到的各种颜色的原因。如下图所示:
这就是烟花的工作原理,从发射到合适的高度,再到爆炸,再到烟花表演的大小、图案和颜色!当然,我们唯一没有提到的是烟花爆炸时会发出的“砰”的声音,这是最简单的!
火药爆炸会产生向外移动的压力波。在压力波的前面,压力会达到非常高的水平,是正常大气的许多倍。我们听到的“轰隆”声仅仅是因为空气压力的快速变化的结果,这就是所有的声音产生原因,一种压力波。
这就是烟花的物理原理!下次我们在看到烟花表演时,你不仅可以欣赏美丽的景色,还知道了其中的原理。你也可以给你身边的他/她讲一下,烟花为什么是五颜六色的?为什么会表现出特定的形状?说不定,他/她会对你刮目相看。
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李论科学

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星问答计划创作者,优质科学领域创作者
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