这是一个古老的传统：从婴儿到老人，数百万美国人都会在国庆节观看烟花表演。没有什么比坐在毯子上，看着数百次爆炸照亮天空，以纪念你国家的生日更能体现爱国主义了。但烟花是如何工作的呢？
好了，我们来为你提供一些关于最爱国科学的有趣事实：烟火，即爆炸的化学原理。这非常适合在你的国庆节烧烤聚会上炫耀你的聪明才智。
烟花是如何工作的？
烟花是在几个世纪前在中国发明的，虽然它们现在看起来不同，但仍然具有相同的基本组成部分。你可能在现代国庆节表演中看到的烟花是高空弹——这与你在家可能点燃的烟花非常不同（如果你住在一个允许燃放烟花的州）。
高空弹是强大的、多功能的爆炸物和添加化学物质的球体。在外面，你只能看到它们像葡萄柚一样大的纸外壳和引信。但它们的内部却紧密地装满了制造所有让我们着迷的效果所需的单个组件。
烟花最基本的作用是升入天空并爆炸。这只需要两种主要成分：富含氧气的化学物质（称为氧化剂，如硝酸钾）和可燃烧的燃料（通常使用硫磺和木炭）。这些化学物质结合形成黑火药，自中国最早的烟花以来，黑火药一直被用作将弹药发射到空中的推进剂，以及用于实际爆炸的爆裂装药。
高空弹的大部分是由大理石大小的“星光”组成的，这些是制造特定爆炸效果的化学颗粒。爆裂装药填充了弹药内部的其余空间，巧妙地与将弹药推向空中的黑火药分开。毕竟，没有人希望弹药立即爆炸。
为了发射，弹药被放置在一个发射管中，该发射管将其导向正确的方向和角度。当点燃的引信到达弹药底部的提升装药时，燃烧的火药为弹药射入天空提供了动力。火药的量可以控制弹药上升的高度。
与此同时，一根内部引信——从提升装药一直延伸到弹药爆炸体中心——也被点燃，以确定实际爆炸的时间。当引信烧尽时，它会点燃爆裂装药，点燃星光并将它们抛向天空。这些是我们惊叹不已的向外扩张的爆炸。弹药燃烧完毕，返回地面的只剩下烧焦的纸壳残骸（所以别担心， properly-exploded 的烟花不会返回地球并落在你身上）。
现在，让我们来看看这些爆炸本身。我们在国庆节看到过红色、白色和蓝色的烟花，或者在婚礼上看到过心形。如何控制看似不受限制的爆炸的颜色和形状？
颜色实际上来自星光中的化学物质。一些金属化合物在添加能量（例如，来自爆炸）时会发出彩色光。一个方便的化学彩虹指南如下：
- 红色：锶
- 橙色：钙
- 黄色：钠
- 绿色：钡
- 蓝色：铜
- 紫色：锶和铜
- 白色：铝、钛或镁
华盛顿学院的化学名誉教授约翰·康克林（John Conkling）表示，蓝色是最难产生的颜色之一。（可悲的是，康克林已于 2021 年去世，并且最近的烟花表演本月早些时候在马里兰州为纪念他而举行。）
烟花化学的最新进展有助于创造更鲜艳的蓝色（这是成功的国庆节爱国表演的必需品）。
接下来，烟花通过一种令人惊讶的简单技术组装成各种形状和图案：星光被固定在一张纸上，形成所需的图案。想制作一个笑脸？只需用一圈星光，中间再加几个来形成面部特征即可。
康克林说：“这需要大量的测试。”“你必须弄清楚确切的放置方法，以便你在天空中看到的形状或图案是你想要的。”
有时烟花爆炸的方式也很重要。那些在空中只是“砰”地一声的烟花，与那些在消散时噼啪作响的烟花，或者那些在天空中像柳枝一样缓缓划过并慢慢消失的烟花，会产生截然不同的效果。康克林说，这些效果有很多可能性，因此艺术家决定他们想看到什么，然后去找化学家来实现。
“烟花是我们的媒介，就像油漆一样，”Fireworks by Grucci 的总裁兼首席执行官菲尔·格鲁西（Phil Grucci）说。“这是我们用来在天空中创造图像的东西。”
一场火爆的表演
下一步是实际设计和执行表演。这是一项艰巨的任务：设计、测试和设置一场表演可能需要几个月的时间，但在短短 20 分钟的表演时间里，一切都会在夜空中爆炸。投入的时间和人力却毫无痕迹。但在这一行，这就是成功的标志。
格鲁西是 Fireworks by Grucci（一家位于纽约的家族式烟花公司）六代人中的第五代。他目前正为他们的两个高峰活动之一做准备：国庆节。（另一个，你可能猜到了，是新年前夜。）
客户聘请他们作为一站式服务来策划表演。他们在纽约长岛的贝尔波特（Bellport）办公室（还有一个在奥尔巴尼（Albany）以外的工厂）进行设计工作；制造和测试在弗吉尼亚州拉德福德（Radford）的一个租赁陆军弹药厂进行。格鲁西说：“军用炸药与烟火制造有着很好的协同作用。”
接下来，设计师们会去现场考察他们正在处理的空间：是否有水？是否有建筑物？有些场地比其他场地更奇特；Fireworks by Grucci 在迪拜的世界最高建筑哈利法塔（Burj Khalifa）旁边进行过一场表演。场地细节被输入设计软件，然后使用定制的 3D 可视化软件来模拟烟花的设计和计时。他们可以预览从高度到颜色，甚至烟雾的所有内容。格鲁西将单个烟花视为一组成员，设计一场表演的过程需要将这些成员分配到不同时间出现并进行互动的角色中，所有这一切都在一个巨大的舞台——天空——上进行。设计每分钟的烟花表演大约需要两个小时（所以，要规划一场典型的 20 分钟表演，需要 40 个小时，大约一个工作周）。
带着他们的设想，Fireworks by Grucci 的烟火技师能够实际设置排练。表演至少需要三名烟火技师，但团队通常可以达到 250 人。如今，计算机可以精确地处理发射。（情况并非总是如此：以前的方式是用火炬手动点燃引信，之后的方法是使用开关通过电子方式引爆它们。）
格鲁西说：“在准备按下‘开始’按钮之前，有很多需要协调的环节。”
未来光明
未来烟花会是什么样子？回望它们的历史，它们可能不会改变太多：康克林说，虽然化学的进步使得新的效果和更鲜艳的颜色成为可能，但烟花在其数千年的历史中基本保持不变。例如，Fireworks by Grucci 的“像素爆炸”使用微芯片来控制爆炸的高度。研究人员还在努力使烟花产生的烟雾更少，对环境更友好。格鲁西开发了一种新外壳，看起来像塑料，但实际上是一种淀粉基聚合物，可以更快地生物降解。这种新外壳目前在某些情况下已被使用。
康克林说：“这是一个绝对引人入胜的科学领域。”“天空是极限。”
此帖子已更新。最初发布于 2017 年。
