烟花爆炸的科学解释

这是一个古老的传统：数百万美国人，从婴儿到老人，都会在 7 月 4 日观看烟火表演。没有什么比坐在毯子上，看着数百个爆炸照亮天空，庆祝国家生日更爱国的事情了。但是烟火是如何产生的呢？

好吧，我们来告诉你一些关于最爱国科学的有趣事实：烟火技术，爆炸的化学反应。这非常适合在 7 月 4 日烧烤时炫耀你的智慧。

烟花是如何产生的？

烟花是几百年前在中国发明的，虽然现在看起来不同，但它们的基本成分仍然相同。你在现代独立日庆典上看到的烟花是空中烟花弹——这与你可能在家里放的烟花大不相同（如果你住在允许燃放烟花的州）。

空中炮弹是威力强大、用途广泛的炸药球，里面装有添加的化学物质。从外面看，你只能看到柚子大小的纸壳和引信。但它们的内部却塞满了制造出让我们着迷的所有效果所需的各个部件。

烟花最基本的功能就是升上天空并爆炸。这只需要两种主要成分：一种富含氧气的化学物质（称为氧化剂，如硝酸钾）和一种燃料（通常使用硫磺和木炭）。这些化学物质结合在一起形成黑火药，自最早的中国烟花以来，黑火药就被用作将炮弹发射到空中的推进剂，以及实际爆炸的炸药。

空中炮弹的主要成分是弹珠大小的“星形”化学弹丸，它们能产生特定的爆炸效果。爆炸药填充了炮弹的剩余空间，巧妙地与将炮弹推向空中的黑色火药隔开。毕竟，没人希望炮弹立即爆炸。

发射时，炮弹被放在一个迫击炮中，迫击炮是一个可以引导炮弹以正确方向和角度发射的管子。当点燃的引信到达炮弹底部的发射药时，燃烧的火药为炮弹提供了射向天空的动力。火药的量可以控制炮弹的上升高度。

同时，内部引信（从发射药到炮弹炸药中心）也被点燃，以计算实际爆炸时间。当引信燃烧到尽头时，它会点燃爆炸药，点燃星星并将它们抛向天空。这些是向外扩展的爆炸，我们对此赞叹不已。炮弹燃烧殆尽，剩下的只有烧焦的纸壳残骸（所以不用担心，正确爆炸的烟花不会返回地球并落在你身上）。

现在，让我们看看这些爆炸本身。我们在 7 月 4 日见过红色、白色和蓝色的烟花，或者在婚礼上看到心形烟花。你如何控制看似不受约束的爆炸的颜色和形状？

这些颜色实际上来自恒星中的化学物质。一些金属化合物在加入能量（例如爆炸）时会发出彩色光。以下是化学彩虹的简便指南：

• 红色：锶
• 橙色：钙
• 黄色：钠
• 绿色：钡
• 蓝色：铜色
• 紫色：锶和铜
• 白色：铝、钛或镁

华盛顿学院名誉化学教授约翰·康克林 (John Conkling) 表示，蓝色是最难调出的颜色之一。（遗憾的是，康克林于 2021 年去世，本月初在马里兰州举行了一场烟花表演，以纪念他。）

烟花化学方面的最新进展有助于创造出更加鲜艳的蓝色色调（这是成功展示七月四日爱国主义的必要条件）。

接下来，烟花通过一种出奇简单的技术组装成各种形状和造型：将星星按照所需图案的形状贴在一张纸上。想做一张笑脸吗？只需在中间放一圈星星，再在中间放几颗，形成面部特征即可。

“这需要大量的测试，”康克林说。“你必须弄清楚如何精确地放置它们，以便天空中呈现出你想要的形状或图案。”

有时烟花爆炸的方式也很重要。在空中爆炸的烟花产生的效果与噼啪作响并消散的烟花或像柳枝一样在空中划出弧线并慢慢消散的烟花非常不同。这些效果有很多种可能，所以艺术家要确定他们想要看到什么，然后去找化学家来实现它，康克林说。

Fireworks by Grucci 总裁兼首席执行官 Phil Grucci 表示：“烟花是我们的媒介，就像绘画一样。我们用它在天空中创造图像。”

激情澎湃的表演

下一步是实际设计和执行表演。这是一项艰巨的任务：设计、测试和设置显示屏可能需要数月时间，但只需 20 分钟的表演时间，一切都会在夜空中绽放。投入的时间和人力一无所获。但在这个行业，这是成功的标志。

Grucci 是参与纽约家族烟花公司 Fireworks by Grucci 的六代人中的第五代人。他目前正在为公司两个高峰活动之一做准备：7 月 4 日。（另一个，正如你可能猜到的，是除夕。）

客户聘请他们作为一站式服务商来组织演出。他们在位于纽约长岛贝尔波特的办公室进行设计工作（在奥尔巴尼以外也有一个工厂）；制造和测试在弗吉尼亚州拉德福德的一家租赁陆军弹药厂进行。“军用炸药与烟火制造有着很好的协同作用，”格鲁奇说。

接下来，设计师们会到现场查看他们正在工作的空间：有水吗？有建筑物吗？有些场地比其他的更奇怪；Grucci 的烟花在迪拜世界最高建筑哈利法塔旁进行了一场表演。场地细节被输入设计软件，然后使用定制的 3D 可视化软件模拟烟花的设计和时间。他们可以预览从高度到颜色甚至烟雾的一切。Grucci 将单个烟花视为一个角色阵容，设计表演的过程需要将这些角色安排在不同的时间出现并互动的角色中，所有这些都在一个巨大的舞台——天空中完成。设计每分钟的烟花表演大约需要两个小时（因此，要策划一场典型的 20 分钟表演，需要 40 个小时，或大约一个工作周的时间）。

怀着这样的愿景，Fireworks by Grucci 的烟火技师们能够真正地安排好烟火表演。演出至少需要三名烟火技师，但团队通常可以有 250 人以上。如今，计算机可以精确控制烟火发射。（情况并非总是如此：以前的方式是用手电筒点燃引信，后来的方法是使用开关以电子方式点燃它们。）

格鲁奇说：“要想按下‘开始’按钮，需要经过很多活动部件。”

未来是光明的

未来的烟花会是什么样子？回顾烟花的历史，它们可能不会有太大变化：康克林说，尽管化学方面的进步使烟花有了新的效果和更鲜艳的颜色，但烟花在数千年的历史中基本上保持不变。例如，格鲁奇的“像素爆炸”烟花使用微芯片来控制爆炸高度。研究人员还试图让烟花烟雾更少、更环保。格鲁奇开发了一种看起来像塑料的新盒子，但实际上是一种淀粉基聚合物，可以更快地生物降解。这种新盒子现在正在某些情况下使用。

“这绝对是科学领域中令人着迷的领域，”康克林说道。“前途无量。”

这篇文章已更新。它最初于 2017 年发布。