Começa Com Um Estrondo

Retrocesso quinta-feira: A física dos fogos de artifício

Crédito da imagem: usuário Draper do Wikimedia Commons, de fogos de artifício em Prescott Valley, AZ.

A anatomia e a ciência do que é necessário para um show tão espetacular.

Comemore a independência de sua nação explodindo uma pequena parte dela. – Verão de 4 pés 2; Os Simpsons

Para aqueles de vocês que não são dos EUA ou do Reino Unido, este próximo sábado é o dia em que minha nação comemora o nascimento de sua independência ao se rebelar contra a Grã-Bretanha. (Ou seja, com sucesso rebelando-se contra a Grã-Bretanha. Estou olhando para você, Austrália!)

A maneira mais comum de comemorar o nosso Dia da Independência? Literalmente, explodindo uma pequena parte dele. Refiro-me à tradição de fogos de artifício .

Como eles funcionam? Sempre que você faz a pergunta de como e se refere a um fenômeno físico, está fazendo uma pergunta feita sob medida para Ciência !

Você começa com três ingredientes simples: enxofre, carvão e uma fonte de nitrato de potássio. O carvão, neste caso, é não a briquetes que você usa em sua grelha, que muitas vezes não contém carvão real, mas é o resíduo de carbono deixado para trás pela matéria orgânica (como madeira) depois de carbonizada (ou pirolisada), tendo toda a água removida. O nitrato de potássio é encontrado em fontes como excrementos de pássaros ou guano de morcego. Pegue um almofariz e um pilão, misture-os e o que você obterá é um pó fino e preto.

Crédito da imagem: os ingredientes para o básico de um fogo de artifício, ou como fazer pólvora. De Ulrich Bretscher de http://www.musketeer.ch/blackpowder/homemade_bp.html .

Pólvora , na verdade. Tudo o que você precisa agora é um pouco de oxigênio – facilmente encontrado na fonte de nitrato de potássio (o que significa que os fogos de artifício funcionarão até mesmo em planetas sem oxigênio em sua atmosfera) – e uma pequena fonte de calor. Para o calor, é necessário tão pouco que até um fósforo aceso serve.

O que acontece quando você junta tudo?

Crédito da imagem: Francisco Schmeda Ochipinti do flickr, via https://www.flickr.com/photos/franschmeda/4239918138/ .

A boa notícia é que você terá uma explosão, acompanhada por um ensurdecedor estrondo som. Mas por mais divertido que isso seja, uma simples explosão dificilmente é um fogo de artifício! Com certeza é papel de um fogo de artifício, mas o negócio real exige muito mais.

Afinal, se você já viu um, sabe que as quatro principais coisas que fazem um bom fogo de artifício são altura , Tamanho , forma e Cor . A própria explosão é o catalisador para os três últimos, mas esse é apenas o ponto de partida. Acontece que a física tem algo a dizer sobre cada um deles: a altura, o tamanho, a forma e a cor do seu fogo de artifício!

A altura é a mais fácil de explicar, então vamos começar por aí.

Crédito da imagem: NOVA Online, via http://www.pbs.org/wgbh/nova/fireworks/anat_nf.html .

A maneira como você lança um fogo de artifício é basicamente a mesma maneira que você lança uma bala de canhão de um canhão! Você coloca uma carga de elevação entre o fogo de artifício real e o fundo de um tubo/tubo forte e fechado e o acende, impulsionando o fogo de artifício para cima.

Quão alto você quer que ele vá depende apenas da velocidade inicial do seu fogo de artifício, que é quase sempre maior para fogos de artifício maiores . Um pequeno show de fogos de artifício pode ter projéteis de 2″ (5 cm) a 6″ (15 cm) de diâmetro sendo lançados, que atingem uma altura de 200 a talvez 500 pés (60–150 m). Mas um grande show de fogos de artifício, como o que acontece todos os anos perto da Estátua da Liberdade em Nova York, usa fogos de artifício com projéteis de até dois ou três pés de diâmetro (até quase um metro), e esses fogos de artifício geralmente atingem altitudes de mais de 1.000 pés (300 metros).

Crédito da imagem: Leo of fwallpapers, via http://fwallpapers.com/view/fireworks-statue-liberty-new-york .

Uma vez que o lançamento inicial acontece, o fusível do próprio fogo de artifício - se tudo correr corretamente - agora está aceso e queima à medida que sobe. Por razões estéticas e de segurança, você lança os fogos de artifício maiores para uma altitude maior. (Estética porque mais pessoas podem vê-los em altitudes mais altas; segurança porque, bem, há fogo ali no nome por um motivo!)

A física desempenha um papel central com a Tamanho de seus fogos de artifício também, porque um fogo de artifício maior não só requer uma carga de sustentação maior, mas uma carga explosiva maior para impulsionar o interior para fora! A quantidade de carga de sustentação que você usa deve ser suficiente para lançar os fogos de artifício às altitudes necessárias descritas acima, e isso explica por que maior fogos de artifício são lançados para mais alto altitudes.

Crédito das imagens: Thinkquest (2011); descontinuado em 2013 via https://gitso-outage.oracle.com/thinkquest .

Contanto que eles não sejam inúteis (ou seja, desde que o fusível acenda e queime corretamente), seus fogos de artifício explodirão no ápice de seu voo ou perto dele. Os mais altos são geralmente maiores, resultando em, bem, esteticamente agradáveis (e novamente, mais seguro ) fogos de artifício. Mas o que determina sua espetacular formas que eles entrem? Para descobrir isso, precisamos entrar na anatomia de um fogo de artifício.

Crédito da imagem: os três tipos básicos de fogos de artifício; fonte original desconhecida.

Os fogos de artifício vêm em muitos estilos diferentes, mas os dois elementos importantes, uma vez que seu fogo de artifício foi lançado no ar com o fusível aceso, são o carga de explosão e a estrelas .

O carga de explosão pode ser tão simples quanto mais pólvora, ou pode ser um explosivo mais complicado (ou até mesmo de vários estágios). As estrelas, por outro lado, são o que realmente se espalha em muitas direções, produzindo a bela exibição que todos estamos acostumados a ver. Quando o fusível queima até o ponto em que a chama atinge a carga de explosão, a carga acende!

Essa ignição, dependendo de como o fogo de artifício é montado em primeiro lugar, enviará as estrelas para qualquer padrão ou direção para a qual foi projetada.

Crédito da imagem: Bev & Lyle em TravelPod.

Quando a explosão ocorre, as temperaturas ficam tão quentes que as estrelas individuais que estavam contidas dentro acender . É aqui que – para mim – acontece a parte mais interessante dos fogos de artifício.

Além de qualquer propulsão ou combustível (opcional) existente dentro dessas estrelas, como a capacidade de fazê-las girar, subir ou empurrar em uma direção aleatória, as estrelas também são a fonte do luz e Cor encontramos em nossos fogos de artifício.

Crédito da imagem: DarkMyRoad of http://www.darkmyroad.org/2006/07/on-fireworks-and-other-events-ive-missed/ .

Como essas estrelas são responsáveis por Cor ? Embora existam alguns avanços recentes (abordado em excelentes detalhes por Janet Stemwedel em 2007), a explicação mais simples é que diferentes elementos e compostos têm diferentes linhas de emissão características. Por exemplo, se você pegar um pouco de sódio e aquecê-lo, ele emite um brilho amarelo característico, por causa de suas duas linhas de emissão muito estreitas em 588 e 589 nanômetros. (Você provavelmente está familiarizado com eles de lâmpadas de rua de sódio.)

Crédito da imagem: Sooz de Pixdaus, através http://pixdaus.com/sodium-vapour-street-lamps-in-the-fog-fog/items/view/37490/ .

Nós temos uma grande variedade de elementos e compostos que emitem uma grande variedade de cores! Diferentes compostos de Bário, Sódio, Cobre e Estrôncio podem produzir cores que cobrem uma vasta gama do espectro visível, e os diferentes compostos inseridos nas estrelas dos fogos de artifício são responsáveis por tudo o que vemos. Alguns notáveis são mostrados abaixo no espaço de cromaticidade.

Crédito da imagem: Reema Gondhia, via http://www.ch.ic.ac.uk/local/projects/gondhia/lightcolour.html .

E é assim que os fogos de artifício funcionam, desde o lançamento, até a altura adequada, a explosão, o tamanho, o padrão e a cor do show espetacular que eles dão! A única coisa que não cobrimos, é claro, é o ESTRONDO som que fazem. Mas isso é o mais simples de tudo!

A explosão da explosão de pólvora cria uma onda de pressão em movimento para fora. Na frente dessa onda, essa pressão atinge níveis muito altos, muitas vezes superiores aos da atmosfera normal. O estrondo que você ouve é simplesmente a rápida mudança na pressão do ar, que é tudo o que o som – uma onda de pressão – realmente é.