球状烟花中的动力学知识何老师说物理

一、球状烟花的构造和工作流程

球状烟花的构造

球状烟花的构造图

如图1所示:一个球状烟花分别由发射筒、引信、延时引信、发射药弹和效果件组成。

球状烟花内效果件的构造图

如图2所示:效果件是球状烟花的核心部件,分别由开爆药弹和发光亮珠,以及它们之间连接的引信组成。

发光球珠的构造图

如图3所示:一个发光亮珠内包含氧化剂、粘合剂、发光剂和发色剂等。发光剂主要由单质金属镁和铝组成,它们燃烧会有耀眼的白光发出,发色剂则有各种盐类化合物和VC材料构成,如产生红色火焰的氯化锶,产生绿色火焰的氯化钡、氧化钡,以及产生蓝色火焰的氯化铜等,橙色和紫色火焰则是利用光谱复合规律得到的,如用红光和黄光可配成橙光,用红光和蓝光可配制成紫光等。

2.烟花的工作流程

点燃发射筒外部引信,引信燃烧后引燃发射药弹,发射药弹内的火药剧烈燃烧,将一部分化学能转化为效果件的动能,效果件获得动能后高速上升,到达最高点后开始下降。在效果件上升到最高点或者下降到某一时刻,延时引信引燃开爆药弹,开爆药弹爆炸后产生的高温使得发光球珠中的发光剂和发色剂达到燃点,从而产生强光和颜色,形成烟花效果。

“层状”球状烟花图“心形”球状烟花图

二、球状烟花中的动力学知识

1.效果件平动问题

如果把效果件看作“质点”,它将只做平动,则由动力学知识可知:

上升过程:如果不考虑空气阻力,效果件在重力作用下做竖直上抛运动;考虑空气阻力,效果件会做加速度减小的减速运动,到达最高点时,速度变为零。

下降过程:如果不考虑空气阻力,效果件在重力作用下,做自由落体运动;考虑空气阻力,效果件将做加速度减小的加速运动,最终可能以“收尾速度”,做匀速直线运动。

效果件升空效果图

2.效果件转动问题

如果把效果件看作“刚体”,它既要平动又要转动。

由于效果件是刚体,又不是严格对称图形,加之受到空气阻力和重力力矩作用,会绕其质心发生转动。为了能够让发光球珠工作时,形成预设的图形,要求效果件爆炸时能够处于不转动的“平稳状态”,能够让发光球珠处在某一便于观赏的界面内。为了达到这一目的,效果件要做成下半部分重,上半部分轻的,即效果件的下半部分密度大于上半部分,这样做的目的就是依据物体处于稳定平衡时,重心越低越稳定,就如“不倒翁”的原理,这样在效果件开爆药弹爆炸前,效果件在下落过程中处于相对稳定的平动状态。

3.发光亮珠的运动:开爆药弹爆炸后,发光亮珠获得较高的初速度,将会向四面八方开始运动,由于这个过程中内力远大于外力,效果件内各亮珠的总动量守恒,发光亮珠开始会以效果件中心为参考点,向四围做匀速直线运动,从而在整体上来看,形成球状烟花形状。

球状烟花效果图



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