Во многих странах мира люди отмечают начало года пиротехникой. Новый год встречают фейерверки, ракеты и большой профессиональный фейерверк. Это правда, что химические реакции запускают фейерверки. Но сами эффекты — от полета ракет до взрыва, треска и воя до ярких красок — вызваны физическими явлениями.
В начале фейерверка происходит запуск фейерверковых ракет. Для того, чтобы они выстрелили в небо, метательный заряд воспламеняется чёрным порохом. По мере того, как дымный порох сгорает снизу вверх в трубчатой ракете, образуются газы, которым дается выход. Расширяющаяся газовая смесь — в основном азот, окись углерода и двуокись углерода — стекает через сопло под высоким давлением и создает восходящую тягу: «Новогодняя ракета» взлетает и летит — иногда даже на высоту до 100 метров — в ночное небо.
А для чего нужна деревянная палочка на новогодних ракетах? Это отнюдь не только облегчает запуск ракеты из пустой бутылки, но и обеспечивает необходимый баланс: стержень удерживает центр тяжести ниже метательного заряда — иначе ракета опрокинется и изменит траекторию в неуправляемом способ.
Свист и вой
Пока новогодняя ракета поднимается в воздух, часто можно услышать свист. Несколько тысяч небольших взрывов в секунду, которые быстро следуют друг за другом, ответственны за эти свистки, которые также издает воздушный ревун. Подобно флейте, эти небольшие взрывы заставляют столб воздуха внутри фейерверка быстро вибрировать, создавая слышимый свистящий звук. В зависимости от состава топлива, длины и диаметра корпуса можно добиться различных тонов и акустических эффектов.
А потом наступает взрыв
Затем на заданной высоте раздается громкий хлопок, и ракета-фейерверк взрывается. Хлопок — это слышимое, то есть акустическое явление: звук. Звуковые волны — это колебания давления, распространяющиеся в среде — в случае пиротехники в воздухе. Такие колебания давления часто вызываются вибрирующими объектами, такими как струны скрипки или кожухи барабанов. Однако, в то время как эта форма звука обычно меняется медленно, взрыв — это резкое событие: сильное и резкое колебание давления, которое быстро стихает. В пиротехнике это внезапное колебание давления всегда вызывается быстрым процессом горения, при котором газы образуются и расширяются со взрывом.
Никаких светящихся эффектов без электронов
Будь то стационарный фейерверк на земле или ракеты в небе: пожалуй, самое красивое в пиротехнике — это красочные световые эффекты. После динамики — ракетного движения — и акустики — взрыва — здесь вступает в игру атомная физика. Фейерверки генерируют температуры до 1500 градусов по Цельсию — и этого тепла достаточно, чтобы, в частности, «возбудить» атомы металлов. Чтобы понять, что именно это означает, нам нужно взглянуть на структуру материи.
Все вещества состоят из атомов. Атомы, в свою очередь, имеют тяжёлое ядро, состоящее из нейтронов и протонов. Это окружено более лёгкими электронами, которые отвечают за химические свойства вещества. Это можно ясно объяснить с помощью атомной модели Бора. Хотя это и не совсем верно, с его помощью можно понять основные эффекты: согласно этой модели электроны располагаются в оболочках вокруг ядра атома. В каждой оболочке может находиться только определенное количество электронов - и в целом электроны максимально приближены к ядру, в физическом плане: в самом низком энергетическом состоянии.
Если к атому подводится энергия извне — например, через тепло, — электрон может перепрыгнуть на внешнюю оболочку, и атом «возбуждается». Однако это состояние недолговечно, и поэтому электрон возвращается на исходное место через короткое время — в пределах миллиардных долей секунды. Он излучает ранее поглощенную энергию в виде электромагнитного излучения, то есть в виде света с цветом, возникающим в результате разницы энергий между оболочками.
Красочное зрелище
Цвет света, образующегося во время этого процесса, зависит от соответствующего химического элемента. И это именно то, что используют фейерверки: они создают разные цвета из разных материалов. Щелочные металлы оказались особенно подходящими, поскольку они легко возбуждаются при обычных температурах фейерверков. Однако щелочные металлы обладают высокой реакционной способностью и поэтому должны использоваться в пиротехнике в виде химических соединений, например солей. Натрий, например, очень бурно реагирует с водой и поэтому используется только в виде хлорида натрия, то есть в виде поваренной соли. В фейерверках он дает желтый свет.
Чтобы добиться очень ярких световых эффектов, пиротехники используют алюминий, магний и титан в виде порошка — эти металлы горят ослепительно белым светом.
Все зависит от смеси
Конечно, недостаточно смешать порох, соли металлов и другие вещества, запрессовать их в ёмкость и приделать запал. Профессиональный фейерверк иногда может иметь необычайно сложную структуру. Прежде всего, ингредиенты должны быть максимально чистыми, так как даже небольшое количество примесей меняет цвета эффектов свечения. Кроме того, никакие остатки не должны мешать горению и не должно быть слишком много дыма.
Тщательное разделение фейерверка контролирует последовательность эффектов: во-первых, метательное топливо, как в ракете, или эжекторный заряд, как в профессиональной шаровой бомбе, запускает фейерверк в воздух. Затем взрыватель с задержкой воспламеняет заряд разложения в нужный момент. При этом она также зажигает фактические элементы эффектов, которые затем разлетаются во все стороны и, надеюсь, вызывают много «Ох» и «Ах» у публики. В зависимости от расположения и наполнения эффекторных элементов могут создаваться самые разнообразные световые явления, сопровождающиеся акустическими эффектами.
Напоследок предостережение: даже если пиротехнические изделия бывают иногда довольно сложными по конструкции, может прийти в голову немного поэкспериментировать с чёрным порохом и солями металлов. Но вы определенно должны оставить его в покое. Потому что, особенно когда разные вещества спрессованы вместе, они могут нагреваться и воспламеняться сами по себе — с опасными последствиями. Так что: если фейерверки, то пожалуйста профессионально.
5.8М
