煙花的物理學原理,它的大小、形狀和顏色是怎麼來的?

「故人西辭黃鶴樓，煙花三月下揚州。」——《黃鶴樓送孟浩然之廣陵》李白

燃放煙花在我國有著悠久的歷史，從古代的詩句中可以看到眾多的文人墨客都對煙花有過描述。在現代的大型活動，或比較重要的節日中，都少不了通過燃放煙花來慶祝的環節。但是當我們看到煙花時，為什麼有些煙花高有些煙花低？為什麼煙花會產生不同的形狀？為什麼煙花有五顏六色的顏色？

所以我們今天要說的是：煙花是如何工作的？它都包含哪些物理學原理。

我們從三種簡單的原料開始：硫磺、木炭和硝酸鉀。

木炭並不是我們家裡使用的煤球，而是有機物（如木材）在被燒焦或被熱解後，所留下的碳殘留物，因為有機物中所有的水分都被帶走後就會剩下碳。硝酸鉀可以從硝土中提取出來，來源包括鳥糞和蝙蝠糞便，還有硝土也會存在於廁所、豬、牛欄屋，庭院的老牆腳，崖邊，巖洞以及不易被雨水衝洗的地面。硫磺可以從天然硫礦製得，或將黃鐵礦和焦炭混和在有限空氣中燃燒製得。

現在我們把這些材料準備好，拿一個研缽和杵，把它們混合在一起，就會得到一種黑色粉末。

這個黑色粉末其實就是火藥。接下來我們只需要的一些氧氣和一個很小的熱源就可以將其點燃。實際上硝酸鉀就是很強的氧化劑，火藥燃燒的氧氣就來源於此，因此煙花甚至可以在沒有氧氣的外星球上燃放。所以，等我們哪天登上火星，可以在火星上來一場煙花表演。

至於點火源，這更簡單，一根火柴足以。

當我們把一切準備就緒，劃根火柴會發生什麼？

瞬間火光四濺，並伴隨「砰」的一聲，如果你跑的慢一點，有可能手還會被燻黃。但是，一個簡單的「爆炸」並不是煙花，這只是煙花的一部分。真正的煙花要比這複雜的多。

想要製作一個好的煙花需要考慮四大要素：高度、大小、形狀和顏色。爆炸的火藥只是後三種情況的催化劑，是一個煙花的開始。

在這四個要素中高度最容易理解。

因為發射煙花的方式和發射炮彈的方式是一樣的！在一個底部封閉的管道中，放入推進火藥，點燃以後就可以利用火藥燃燒產生的高溫氣體將煙花「炮彈」推射出去。

煙花「炮彈」的高度取決於初始速度，煙花越大需要的初始速度越高。一個小型的煙花表演發射的煙花「炮彈」直徑在5釐米到15釐米之間，打出的炮彈高度在60-150米之間。一個大型煙花表演，煙花「炮彈」的直徑高達近1米，這些煙花打出的高度通常超過300米。

煙花「炮彈」在被底座炮筒打出的那一刻，如果一切正常引信就會被點燃，並在上升的過程中燃燒。出於美觀和安全的考慮，我們需要將大型煙花儘可能發射到更高的高度。因為高度越高，煙花就越好看，能看到的人也就越多，而且更加安全，畢竟煙花也是火。

更大的煙花不僅需要更大的升力，還需要更大的爆發力來推動煙花的爆炸！所使用的升力必須足以將煙花發射到上面描述的必要高度，這也解釋了為什麼更大的煙花會發射到更高的高度。

只要煙花「炮彈」不是「啞彈」，只要引信點燃並以適當的速度燃燒，煙火「炮彈」將在其飛行的頂點或附近爆炸。高一些的煙花通常會更大一些，因此會更有美感，也更安全。但是是什麼決定了煙花壯觀的形狀呢？為了找到答案，我們需要了解煙花的內部結構。

煙花的三種基本類型。

煙花有許多不同的風格，但有三個重要的因素，炮彈裡的火藥的類型、裝藥方式和星體。

炮彈裡的裝藥可以是簡單的火藥，也可以是更複雜的炸藥，裝藥方式可以是簡單的一級裝藥（在空中爆炸一次）甚至是多級裝藥（在空中爆炸多次）。另一方面，炮彈裡的星體在爆炸後可以向各個方向發散，產生更為壯觀的美麗景象。

而星體的發射方向和模式取決於煙花的組合方式，每一級的火藥爆炸都可以把星體推到事先設計的模式或方向上。星體在空中的排列方式就產生了我們看到的各種形狀。

在每一級的煙花「炮彈」爆炸時，內部的單個星體都會被點燃。這是煙花最有趣、最壯觀的部分。

而每個星體內部還裝有火藥，為其提供推力，例如使單個星體旋轉、上升或向任意方向推進，這些星體也是煙火中絢麗的光和顏色的來源。

這些星體是如何決定煙花的顏色？最簡單的解釋是不同的元素和化合物有不同的特徵發射譜線。舉個例子，如果把鈉加熱，它會發出特有的黃色光，因為它在588納米和589納米處有兩條非常窄的發射線。(街邊的鈉燈，裡面就充著鈉蒸汽。)

我們有各種各樣的元素和化合物，它們會發出各種各樣的顏色！不同的鋇、鈉、銅和鍶的化合物可以產生覆蓋大量可見光譜的顏色，而煙花中嵌入的不同化合物是我們看到的各種顏色的原因。如下圖所示：

這就是煙花的工作原理，從發射到合適的高度，再到爆炸，再到煙花表演的大小、圖案和顏色！當然，我們唯一沒有提到的是煙花爆炸時會發出的「砰」的聲音，這是最簡單的！

火藥爆炸會產生向外移動的壓力波。在壓力波的前面，壓力會達到非常高的水平，是正常大氣的許多倍。我們聽到的「轟隆」聲僅僅是因為空氣壓力的快速變化的結果，這就是所有的聲音產生原因，一種壓力波。

這就是煙花的物理原理！下次我們在看到煙花表演時，你不僅可以欣賞美麗的景色，還知道了其中的原理。你也可以給你身邊的他/她講一下，煙花為什麼是五顏六色的？為什麼會表現出特定的形狀？說不定，他/她會對你刮目相看。