關(guān)于球狀煙花的幾個(gè)物理問題

曹艷如

每當(dāng)節(jié)日來臨，人們都有燃放煙花的習(xí)慣，不同效果的煙花裝點(diǎn)著黑暗的夜空，有的如盛開的菊花，有的如一串串紅燈籠，有的如靈動(dòng)的蜈蚣……隨著煙花制作和發(fā)射技術(shù)的改進(jìn)，將不同煙花的效果組合起來，讓人更有一種享受視覺盛宴的美好體驗(yàn)。

看似高科技的煙花，讓人感覺有些神秘，它的基本原理是什么？它為何會(huì)展示不同的效果？重力的作用會(huì)對煙花的效果有影響嗎……諸如這樣的問題常讓人迷惑不解。事實(shí)上，煙花的原理遠(yuǎn)沒有我們想象的那樣神秘，煙花燃放效果最基本的形狀是球形，絕大多數(shù)的效果都是從此演變或組合而成的，本文就針對球形的煙花談?wù)勂渲械膸讉€(gè)物理問題。

一、球狀煙花的基本原理是什么？

球狀煙花的基本構(gòu)造如圖1所示，其中發(fā)射藥由爆發(fā)力較大的火藥填充而成。點(diǎn)燃引線后，發(fā)射藥起爆，并同時(shí)點(diǎn)燃效果件的延期引線，火藥爆炸的能量將煙花效果件（圖中為球狀）從發(fā)射筒中射出。如果把煙花比喻成火箭，發(fā)射藥就起到了一級火箭的推動(dòng)作用。在煙花效果件到達(dá)空中預(yù)定的高度后，延期引線會(huì)將煙花效果件內(nèi)部的開爆藥點(diǎn)燃，猶如二級火箭工作，效果件被炸開，將效果件內(nèi)部的亮珠向各個(gè)方向爆開并燃燒，由于亮珠內(nèi)摻雜著不同的金屬元素，燃燒時(shí)產(chǎn)生焰色反應(yīng)，就會(huì)出現(xiàn)不同的色彩效果。而亮珠的集體燃燒，則展示著煙花的整體效果。

二、發(fā)射藥量的多少?zèng)Q定于什么？

發(fā)射藥爆炸時(shí)間極短，瞬間將其化學(xué)能轉(zhuǎn)化為煙花效果件的動(dòng)能，假設(shè)能量在轉(zhuǎn)化的過程中沒有能量損失，則有：

如果忽略空氣阻力，煙花效果件上升過程中，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能，由機(jī)械能守恒定律可得：

聯(lián)立以上兩式可得，發(fā)射藥起爆需要放出的能量為：

由此可見，煙花效果件的質(zhì)量越大、需要上升的最大高度越高，需要的火藥能量也越多，因此發(fā)射火藥的數(shù)量必須與效果件的質(zhì)量和要求發(fā)射的高度相匹配。當(dāng)然，發(fā)射藥起爆時(shí)，化學(xué)能與煙花效果件的動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)化并非為100%，煙花效果件升空時(shí)，也不可避免地要受到空氣阻力作用而消耗一定的能量。因此，煙花在制作時(shí)，起爆藥量的多少還要考慮到能量的損耗情況。

三、延時(shí)引線的長度怎樣確定？

如果忽略空氣阻力，煙花效果件的上升過程可以看作以初速度ν₀做豎直上拋運(yùn)動(dòng)，由速度公式：

0=ν₀-gt

可得煙花效果件的上升時(shí)間：

t=ν₀/g

如果延時(shí)引線燃燒的平均速度為ν，且要求在最高點(diǎn)引爆煙花效果件，則延時(shí)引線的長度為：

所以，煙花效果件需要上升的高度越高，需要的引線長度越長。不過，煙花效果件爆炸的時(shí)刻不一定是它處在最高點(diǎn)的時(shí)刻，也可能是在它下落的某個(gè)時(shí)刻，同時(shí)，煙花效果件運(yùn)動(dòng)時(shí)還會(huì)受到空氣阻力的作用，所以延長引線的長度還要結(jié)合實(shí)際情況具體調(diào)整。

四、亮珠爆開后，其效果受重力的影響嗎？

下面我們來討論最簡單的理想化情形——完全相同的亮珠在煙花效果件的球殼內(nèi)球形對稱放置，如圖2所示。

某一時(shí)刻，煙花效果件在空中被延時(shí)引線點(diǎn)燃爆炸時(shí)，所有的亮珠幾乎都獲得了相同大小的初速度，這個(gè)速度是相對于煙花效果件的中心而言的。如果忽略空氣阻力，每一個(gè)亮珠均做拋體運(yùn)動(dòng)，有的豎直上拋，有的斜拋，也有的是平拋……每一個(gè)亮珠均只受到重力作用，加速度均為g，任意兩個(gè)亮珠的相對加速度均為零，因此任意一個(gè)亮珠相對于效果件中心的運(yùn)動(dòng)均為勻速運(yùn)動(dòng)（如圖3所示），相對于其他任意一個(gè)亮珠的運(yùn)動(dòng)也均為勻速運(yùn)動(dòng)。所以，無論從哪個(gè)角度，我們所觀察到的都是一個(gè)逐漸擴(kuò)大的球體，從不同角度觀察到的平面效果都是一個(gè)美麗的圓，也就是說煙花的球形效果不受重力的影響。

不過，來自空氣的阻力是不可避免的，亮珠在燃燒的過程中，質(zhì)量越來越小，所受的重力也越來越小，當(dāng)其所受的空氣阻力與其重力比較不可忽略時(shí)，不同亮珠的加速度不再相同，煙花的形狀也不再是一個(gè)球形。

五、怎樣改變煙花的效果？

改變亮珠在效果件球殼內(nèi)的相對擺放位置，就可以改變煙花的形狀效果。例如，僅在過球心的某一切面上放置關(guān)于圓心對稱的相同的亮珠，最終的效果就是一個(gè)圓環(huán)，好似項(xiàng)鏈一般。如果在此切面上將相同的亮珠擺放成五角星或笑臉的形狀（如圖4所示），效果件爆炸時(shí)，相對中心距離不同的亮珠被推出及點(diǎn)燃的時(shí)刻不同，最后就可以出現(xiàn)五角星或笑臉的形狀。

不過，由于觀察者通常是仰望天空觀察煙花的效果的，所以煙花效果件在爆開前，亮珠所在的平面最好是水平面，這樣就可使得每個(gè)亮珠均從同一高度開始做初速度大小相等的平拋運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離中心散開，展示出預(yù)設(shè)的環(huán)形效果。

然而，煙花效果件在升空時(shí)，通常會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，難以保證其爆炸時(shí)放置亮珠的那個(gè)面是水平面，怎么辦呢？為此，煙花的制作者想到一個(gè)簡單的辦法，利用物理學(xué)中的穩(wěn)定平衡解決了問題，將效果件分成上下兩個(gè)半球（如圖5所示），在下方的半球配重大，上方的半球配重輕，即上方物質(zhì)的密度小于下方物質(zhì)的密度，這樣制作的效果件就像一個(gè)不倒翁一樣，放置在地面上靜止時(shí)，總是密度大的那一半在下面。將亮珠擺放在兩半球接觸的那個(gè)平面內(nèi)，當(dāng)效果件升空時(shí)，由于空氣阻力的作用，到最高點(diǎn)時(shí)它會(huì)停止旋轉(zhuǎn)，然后在空中平穩(wěn)下落，其較重的那個(gè)半球位于下方，這樣就達(dá)到了亮珠在爆炸前其空間定位為同一水平面的目的。這時(shí)候再引爆效果件，煙花的形狀效果就比較完美了！

由于亮珠的燃燒時(shí)間、亮度、顏色等都是可以調(diào)節(jié)的，只要改變其中的任意一個(gè)因素，就可以改變煙花的其他效果。例如，增大每個(gè)亮珠的質(zhì)量，就可以增加運(yùn)動(dòng)過程中的燃燒時(shí)間，再加上視覺暫留的效應(yīng)，我們的眼睛就可以觀察到，它在燃燒時(shí)好像拖著一個(gè)長長的尾巴，此時(shí)，煙花的整體效果就不再是一個(gè)個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的圓，而是線狀構(gòu)成的球形效果，好似一朵盛開的球形花朵（如圖6所示）。再如，在制作亮珠時(shí)，使其本身就_6裹著多層效果，它們在燃燒時(shí)，就可以先顯現(xiàn)一種效果，第一層熄滅后緊接著就點(diǎn)燃第二層效果，進(jìn)而就可以達(dá)到多次綻放的效果。如果將多個(gè)煙花組合起來，煙花的效果會(huì)更加豐富多彩！

綜上所述，煙花的原理并不復(fù)雜，只要我們擁有一顆勇于探究的心，善于利用相關(guān)科學(xué)知識去解釋，一切都不是那么神秘。endprint