Взрывная наука фейерверков, объяснение

Зажгите их.

Отредактировано 2023-07-08
фейерверк над водойПонимание того, как что-то работает, делает это еще более прекрасным.

Это вековая традиция: Миллионы американцев, от младенцев до пожилых людей, посещают фейерверки на Четвертое июля. Нет ничего более патриотичного, чем сидеть на одеяле и смотреть, как сотни взрывов озаряют небо в честь дня рождения вашей страны. Но как работают фейерверки?

Мы готовы вооружить вас забавными фактами о самой патриотичной науке: пиротехнике, химии взрывов. Она идеально подходит для демонстрации умных способностей на барбекю Четвертого июля.

Как работают фейерверки?

Фейерверки были изобретены много веков назад в Китае, и хотя сейчас они выглядят по-другому, они все еще имеют те же фундаментальные компоненты. Фейерверки, которые вы можете увидеть на современном празднике Четвертого июля, представляют собой воздушные снаряды - они сильно отличаются от фейерверков, которые вы можете запустить дома (если вы живете в штате, где разрешены фейерверки, то есть).

Авиационные снаряды - это мощные и универсальные шары со взрывчаткой и добавлением химических веществ. Снаружи все, что вы можете увидеть, - это бумажный корпус размером с грейпфрут и взрыватель. Но внутри они плотно набиты отдельными компонентами, необходимыми для создания всех завораживающих нас эффектов.

Самая главная обязанность фейерверка - подняться в небо и взорваться. Для этого требуется всего два основных ингредиента: химическое вещество, богатое кислородом (известное как окислитель, например, нитрат калия), и топливо для горения (часто используются сера и древесный уголь). Эти химические вещества объединяются в черный порох, который со времен самых первых китайских фейерверков использовался в качестве горючего для запуска снаряда в воздух и в качестве разрывного заряда для собственно взрыва.

Основная часть воздушного снаряда состоит из "звезд" размером с мрамор, химических гранул, которые создают специфический эффект разрыва. Разрывной заряд заполняет все остальное пространство снаряда, разумно отделенное от черного пороха, который поднимает его в воздух. В конце концов, никто не хочет, чтобы снаряд сразу же взорвался.

Для запуска снаряд помещается в мортиру - трубу, которая направляет его в нужном направлении и под нужным углом. Когда зажженный фитиль достигает подъемного заряда в основании снаряда, горящий порох придает снаряду импульс для выстрела в небо. Количество пороха позволяет регулировать высоту подъема снаряда.

Между тем, внутренний фитиль, идущий от подъемного заряда к центру взрывчатой массы снаряда, также был зажжен для отсчета времени взрыва. Когда фитиль догорает до конца, он поджигает разрывной заряд, воспламеняя звезды и выбрасывая их в небо. Это и есть те расширяющиеся наружу взрывы, от которых мы ахаем и охаем. Снаряд сгорает, и на земле остаются лишь обугленные остатки бумажной оболочки (не волнуйтесь, правильно взорванный фейерверк не вернется на Землю и не упадет на вас).

фейерверкЯркие точки, выбрасывающиеся наружу, - это воспламенившиеся звездные гранулы, вылетающие из взорвавшегося заряда. GIPHY

Теперь давайте посмотрим на сами эти взрывы. Мы видели красные, белые и синие фейерверки на Четвертое июля или сердца на свадьбах. Как контролировать цвет и форму, казалось бы, безудержного взрыва?

На самом деле цвета появляются благодаря химическим веществам в звездах. Некоторые соединения металлов излучают цветной свет, когда к ним добавляется энергия (например, в результате взрыва). Ниже приведен удобный путеводитель по химической радуге:

По словам Джона Конклинга, заслуженного профессора химии Вашингтонского колледжа, синий цвет - один из самых сложных в производстве. (К сожалению, Конклинг скончался в 2021 году, и в начале этого месяца в его честь в Мэриленде было проведено недавнее фейерверк-шоу).

Последние достижения в области химии фейерверков помогли создать более яркие синие оттенки (что необходимо для успешной демонстрации патриотизма на Четвертое июля).

Далее фейерверки собираются в различные формы и образования с помощью удивительно простой техники: звезды прикрепляются к листу бумаги в форме желаемого рисунка. Хотите сделать смайлик? Просто выложите круг из звезд с несколькими дополнительными в центре, чтобы сформировать черты лица.

"Это требует много испытаний", - сказал Конклинг. "Вы должны понять, как именно их разместить, чтобы форма или узор на небе были такими, какими вы хотите их видеть".

Иногда важно и то, как взрывается фейерверк. Фейерверки, которые просто взрываются в воздухе, создают совсем другой эффект, чем те, которые трещат, угасая, или те, которые медленно угасают, извиваясь в небе, как ветви ивы. Существует множество возможностей для создания таких эффектов, поэтому художник определяет, что он хочет увидеть, и обращается к химику, чтобы это произошло, сказал Конклинг.

"Фейерверк - это наше средство, как краска", - говорит Фил Груччи, президент и генеральный директор компании Fireworks by Grucci. "Это то, что мы используем для создания образов в небе".

Огненное выступление

Следующий шаг - собственно разработка и проведение шоу. Это непростая задача: на разработку, тестирование и установку шоу могут уйти месяцы, но всего за 20 минут шоу все это взрывается в ночном небе. От времени и трудозатрат не остается и следа. Но в этом бизнесе это признак успеха.

Груччи - пятое поколение из шести поколений, участвующих в работе Fireworks by Grucci, семейной компании по производству фейерверков в Нью-Йорке. В настоящее время он готовится к одному из двух пиковых событий - Четвертому июля. (Второе, как вы уже догадались, это Новый год).

Клиенты нанимают их как единое целое для организации шоу. Проектные работы они выполняют в своем офисе в Беллпорте, Нью-Йорк, на Лонг-Айленде (у них также есть предприятие в окрестностях Олбани); производство и испытания проводятся на арендованном военном заводе боеприпасов в Рэдфорде, штат Вирджиния. "Военные взрывчатые вещества имеют большую синергию с пиротехническим производством", - говорит Груччи.

Затем дизайнеры выезжают на место, чтобы осмотреть пространство, с которым им предстоит работать: Есть ли вода? Есть ли здания? Некоторые места более странные, чем другие; компания Fireworks by Grucci устроила шоу в Дубае на стороне Бурдж-Халифа, самого высокого здания в мире. Детали площадки заносятся в программу проектирования, а затем для моделирования дизайна и времени проведения фейерверка используется специальное программное обеспечение для 3D-визуализации. Они могут предварительно просмотреть все - от высоты до цвета и даже дыма. Груччи думает об отдельных фейерверках как об актерах, а процесс разработки шоу требует распределения этих персонажей по ролям, которые появляются в разное время и взаимодействуют, и все это на огромной сцене - небе. На разработку каждой минуты шоу фейерверков уходит около двух часов (таким образом, чтобы спланировать типичное 20-минутное шоу, требуется 40 часов, или примерно одна рабочая неделя).

Имея свое видение, пиротехники из Fireworks by Grucci могут на самом деле подготовить представление. В представлениях участвуют минимум три пиротехника, но часто в команде может быть до 250 человек. В наши дни запусками точно управляют компьютеры. (Так было не всегда: Старый способ заключался в том, что запалы зажигались вручную, с помощью факела, а последующий - с помощью переключателей, чтобы запустить их электронным способом).

"Есть много движущихся частей, чтобы добраться до точки, когда вы готовы нажать кнопку "поехали", - говорит Груччи.

Светлое будущее

Как могут выглядеть фейерверки в будущем? Оглядываясь на свою историю, можно сказать, что они не сильно изменятся: По словам Конклинга, за свою тысячелетнюю историю фейерверки в основном остались прежними, хотя достижения в области химии сделали возможными новые эффекты и более яркие цвета. Например, в фейерверке "пиксельные всплески" Груччи используются микрочипы для управления высотой взрыва. Исследователи также пытаются сделать фейерверки менее дымными и более экологичными. Груччи разработал новый корпус, который выглядит как пластиковый, но на самом деле является полимером на основе крахмала, который быстрее разлагается. Этот новый корпус уже используется в некоторых случаях.

"Это абсолютно интригующая область науки", - сказал Конклинг. "Небо - это предел".