Фейерверки — это не просто яркие вспышки в ночном небе, которые мы видим на Новый год или другие праздники. Это настоящее искусство, в котором переплетаются химия, физика и многовековые традиции. В этой статье мы погрузимся в мир фейерверков: от их изобретения в Древнем Китае до современных технологий. Мы разберём, как создаются эти красочные шоу, почему фейерверки взрываются, как пиротехники добиваются нужного цвета и формы, и даже узнаем, что происходит, когда что-то идёт не так.
История фейерверков: От бамбука до чёрного пороха
История фейерверков начинается более 2000 лет назад в Китае. Первые прототипы фейерверков были далеки от того к чему мы привыкли сейчас. В те далекие времена люди развлекали себя закидыванием куска бамбука, с закрытыми концами в костер. При нагревании воздух и влага внутри бамбука расширялись, что приводило к взрыву с громким хлопком. Китайцы верили, что этот звук отпугивает злых духов, и использовали такие "фейерверки" в ритуалах.
Позже, примерно в IX веке, китайские алхимики случайно изобрели чёрный порох, пытаясь создать эликсир бессмертия. Они усовершенствовали технологию, добавив этот порох в бамбук. И вуаля - взрывы громче и зрелищнее. Так появились первые настоящие фейерверки. Чёрный порох стал основой всех пиротехнических шоу, а его рецепт с тех пор почти не изменился.
Чтобы понять, как работает порох, давайте разберём его состав. Классический рецепт включает три ингредиента:
- Нитрат калия (KNO₃) — 75%. Его добывали из птичьего или летучемышьего помёта, который после растворения в воде образовывал белые кристаллы. Он поставляет кислород для реакции.
- Уголь — 15%. Это топливо, которое сгорает, выделяя энергию. Уголь лучше других форм углерода (например, графита), потому что его пористая структура позволяет компонентам лучше смешиваться.
- Сера — 10%. Она снижает температуру реакции, выступая как "запал", который ускоряет горение.
Когда эти компоненты смешивают и поджигают, происходит бурная реакция. Нитрат калия выделяет кислород, уголь сгорает, а сера помогает реакции начаться быстрее. Но, не всё так просто. Важно еще соблюсти пропорции. Если порох грубо измельчён, реакция протекает медленно. А вот фабричный порох, где частицы очень мелкие, сгорает практически мгновенно, создавая мощный взрыв.
Физика взрыва: Почему фейерверки такие громкие?
Чтобы фейерверк взорвался, порох нужно спрессовать. Если его просто поджечь на открытом воздухе, то получится знатная "дымовуха", но салют не взорвётся. Взрыв происходит, когда порох плотно "заперт", например, в картонной оболочке. Это увеличивает концентрацию реагентов, удерживает тепло и давление, что ускоряет реакцию.
Этот принцип лежит в основе работы салютов. Каждый фейерверк состоит из оболочки, внутри которой находится порох и так называемые "звёздки" — небольшие шарики, которые создают свет и цвет. Под оболочкой находится заряд чёрного пороха, который выстреливает фейерверк из мортиры (пластиковой или металлической трубы) на высоту до 250 метров. Например, 8-дюймовый фейерверк может подняться на высоту около 240 метров. 16-дюймовые снаряды, начинены килограммами пороха, чтобы запустить их ещё выше.
Когда фейерверк достигает пика своей траектории, срабатывает второй заряд внутри оболочки, разрывая её и поджигая "звёздки". Именно этот взрыв мы видим в небе, сопровождаемый громким звуком. Интересно, что пиротехники слышат два взрыва: первый — при запуске из мортиры, второй — в небе, когда фейерверк раскрывается.
Цвета и формы: Химия и искусство
Одна из самых завораживающих особенностей фейерверков — их цвета. Они создаются благодаря квантовой механике. В "звёздки" добавляют химические вещества, которые при горении выделяют свечение определённого цвета. Когда звездка сгорает, энергия от огня поднимает электроны в атомах этих веществ на более высокий энергетический уровень. Когда электроны возвращаются на свой прежний уровень, они испускают свет с определённой длиной волны, которая соответствует цвету.
Вот несколько примеров:
- Медь (Cu): Даёт синий цвет. Однако, как показали эксперименты в видео, для яркого синего нужна высокая температура, иначе цвет может быть зеленоватым.
- Кальций (Ca): Создаёт оранжевый оттенок.
- Барий (Ba): Даёт зелёный цвет.
- Калий (K): Испускает фиолетовый свет, хотя его сложнее увидеть в смеси с другими цветами.
Чтобы добиться нужного эффекта, звёздки покрывают тонким слоем мелкого чёрного пороха — "праймером". Это помогает им загореться, так как цветные составы часто имеют высокую температуру воспламенения.
Форма фейерверка зависит от того, как звёзки расположены внутри оболочки. Например:
- Пион — классический круглый фейерверк, где звёздки равномерно распределены по всей оболочке.
- Медуза — верхняя часть оболочки заполнена звёздами, образующими купол, а снизу добавлены крупные звёздки, которые создают "щупальца".
- Призрачные фейерверки — звёзды покрывают слоями разных химикатов, чтобы они меняли цвет в полёте, создавая эффект перехода, например, от красного к зелёному.
Для равномерного взрыва в центре оболочки размещают "разрывной заряд" — порошок, смешанный с рисовой шелухой. Шелуха делает смесь зернистой, что позволяет огню быстро распространиться, одновременно поджигая все звёздки и создавая мощный взрыв.
Запалы и безопасность: Как всё это запускается?
- Запалы — важная часть фейерверков, которая обеспечивает их точный запуск и взрыв в нужный момент. Самый простой запал — это "чёрный фитиль" (black match), представляющий собой хлопковую нить, пропитанную порохом. Он горит медленно, примерно 2–3 секунды на дюйм. Но если его обернуть в бумагу, он превращается в "быстрый фитиль" (quick match), который сгорает со скоростью 30–100 метров в секунду.
- Для задержки взрыва в небе используют "Бикфордов шнур" (тайм фьюз). Это жёсткий фитиль с пороховым сердечником, окружённый слоями ткани и асфальта, которые делают его водонепроницаемым. Такой запал горит внутри оболочки, пока фейерверк поднимается, и поджигает разрывной заряд точно в момент, когда снаряд достигает пика.
- Современные фейерверки часто запускают с помощью электрических запалов. Кнопка посылает ток по проводу к электрическому спичечному элементу, который нагревается и вызывает реакцию. Это позволяет запускать целые серии фейерверков с безопасного расстояния.
Безопасность — ключевой аспект. При профессиональных шоу зона вокруг мортир огораживается, а зрители находятся на безопасном расстоянии. Но даже при соблюдении всех правил случаются сбои. Например, фейерверк может не подняться в воздух, а взорваться прямо в мортире. Чтобы избежать последствий от таких сбоев, мортиры сделаны из пластика, который при нестандартной сработке заряда не разлетается на осколки.
Подводный фейерверк? Почему не работают как на воздухе?
Интересный вопрос? Казалось бы, порох содержит всё необходимое для горения — топливо и окислитель, — и не нуждается в воздухе. Но проблема в том, что вода быстро отводит тепло, необходимое для реакции и огонь гаснет.
Однако существуют водонепроницаемые фитили, такие как "виско-фитиль", используемый в бытовых фейерверках. Для защиты от влаги, он покрыт лаком и может гореть даже под водой. Это дает возможность запускать салюты в сложных условиях, например, на воде или в дождь.
Несмотря на возможность сделать водонепроницаемые фитили, фейерверки запущенные под водой теряют свою зрелищность. Вода быстро отводит тепло, замедляя горение пороха и "звёздок", из-за чего взрывы становятся вялыми или вовсе гаснут. Высокая плотность воды приглушает звук, делая хлопки тише, а свечение от цветных звёздок рассеивается, из-за чего цвета выглядят тусклыми. Кроме того, давление воды может деформировать оболочку фейерверка, нарушая симметрию взрыва. В воздухе же газы свободно расширяются, свет ярко сияет, а звук громко разносится, создавая тот самый эффект, который мы так любим.
А с вами был Тех.
Палец вверх если статья понравилась.
Не забывайте подписаться на канал, чтобы не пропустить новые публикации.
Приглашаю в мою группу Вконтакте.