曹艷如

每當節(jié)日來臨，人們都有燃放煙花的習慣，不同效果的煙花裝點著黑暗的夜空，有的如盛開的菊花，有的如一串串紅燈籠，有的如靈動的蜈蚣……隨著煙花制作和發(fā)射技術的改進，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。

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？它為何會展示不同的效果？重力的作用會對煙花的效果有影響嗎……諸如這樣的問題常讓人迷惑不解。事實上，煙花的原理遠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談其中的幾個物理問題。

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。點燃引線后，發(fā)射藥起爆，并同時點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作用。在煙花效果件到達空中預定的高度后，延期引線會將煙花效果件內(nèi)部的開爆藥點燃，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，燃燒時產(chǎn)生焰色反應，就會出現(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)射藥量的多少決定于什么？

發(fā)射藥爆炸時間極短，瞬間將其化學能轉(zhuǎn)化為煙花效果件的動能，假設能量在轉(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，其動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，由機械能守恒定律可得：

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。當然，發(fā)射藥起爆時，化學能與煙花效果件的動能之間的轉(zhuǎn)化并非為100%，煙花效果件升空時，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，起爆藥量的多少還要考慮到能量的損耗情況。

三、延時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做豎直上拋運動，由速度公式：

0=ν₀-gt

可得煙花效果件的上升時間：

t=ν₀/g

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

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刻不一定是它處在最高點的時刻，也可能是在它下落的某個時刻，同時，煙花效果件運動時還會受到空氣阻力的作用，所以延長引線的長度還要結(jié)合實際情況具體調(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。

某一時刻，煙花效果件在空中被延時引線點燃爆炸時，所有的亮珠幾乎都獲得了相同大小的初速度，這個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，每一個亮珠均做拋體運動，有的豎直上拋，有的斜拋，也有的是平拋……每一個亮珠均只受到重力作用，加速度均為g，任意兩個亮珠的相對加速度均為零，因此任意一個亮珠相對于效果件中心的運動均為勻速運動（如圖3所示），相對于其他任意一個亮珠的運動也均為勻速運動。所以，無論從哪個角度，我們所觀察到的都是一個逐漸擴大的球體，從不同角度觀察到的平面效果都是一個美麗的圓，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，當其所受的空氣阻力與其重力比較不可忽略時，不同亮珠的加速度不再相同，煙花的形狀也不再是一個球形。

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于圓心對稱的相同的亮珠，最終的效果就是一個圓環(huán)，好似項鏈一般。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，相對中心距離不同的亮珠被推出及點燃的時刻不同，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，這樣就可使得每個亮珠均從同一高度開始做初速度大小相等的平拋運動，遠離中心散開，展示出預設的環(huán)形效果。

然而，煙花效果件在升空時，通常會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，難以保證其爆炸時放置亮珠的那個面是水平面，怎么辦呢？為此，煙花的制作者想到一個簡單的辦法，利用物理學中的穩(wěn)定平衡解決了問題，將效果件分成上下兩個半球（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不倒翁一樣，放置在地面上靜止時，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平面內(nèi)，當效果件升空時，由于空氣阻力的作用，到最高點時它會停止旋轉(zhuǎn)，然后在空中平穩(wěn)下落，其較重的那個半球位于下方，這樣就達到了亮珠在爆炸前其空間定位為同一水平面的目的。這時候再引爆效果件，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因素，就可以改變煙花的其他效果。例如，增大每個亮珠的質(zhì)量，就可以增加運動過程中的燃燒時間，再加上視覺暫留的效應，我們的眼睛就可以觀察到，它在燃燒時好像拖著一個長長的尾巴，此時，煙花的整體效果就不再是一個個點構(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，使其本身就_6裹著多層效果，它們在燃燒時，就可以先顯現(xiàn)一種效果，第一層熄滅后緊接著就點燃第二層效果，進而就可以達到多次綻放的效果。如果將多個煙花組合起來，煙花的效果會更加豐富多彩！

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