花火の爆発科学を解説

これは古くからの伝統です。乳幼児から高齢者まで、何百万人ものアメリカ人が 7 月 4 日の花火大会に参加します。毛布の上に座って、国の誕生日を祝って何百もの花火が空を照らすのを見ることほど愛国的なことはありません。しかし、花火はどのように行われるのでしょうか。

さて、私たちは、最も愛国的な科学である花火、つまり爆発の化学についての楽しい事実を皆さんにお伝えします。独立記念日のバーベキューで賢さを披露するのにぴったりです。

花火はどのように機能するのでしょうか?

花火は何世紀も前に中国で発明されましたが、見た目は今とは違っていても、基本的な要素は同じです。現代の独立記念日の花火大会で見られる花火は空中発射花火で、自宅で打ち上げる花火とはまったく異なります (花火が許可されている州に住んでいる場合)。

エアリアル シェルは、爆発物と添加化学物質が入った強力で用途の広い球体です。外側に見えるのはグレープフルーツ大の紙製のケースと導火線だけです。しかし、その内部には、私たちを魅了するあらゆる効果を生み出すために必要な個々の部品がぎっしり詰まっています。

花火の最も基本的な役割は、空に舞い上がり爆発することです。そのために必要なのは、酸素を豊富に含む化学物質（硝酸カリウムなどの酸化剤として知られる）と燃焼燃料（硫黄と木炭がよく使用されます）という 2 つの主な成分だけです。これらの化学物質が混合されて黒色火薬が形成され、これは中国の初期の花火の頃から、空に花火の殻を発射するための推進剤として、また実際の爆発の起爆剤として使用されてきました。

空中砲弾の大部分は、ビー玉大の「星」、つまり特定の爆発効果を生み出す化学ペレットで構成されています。爆発する薬は砲弾の残りの空間を満たし、砲弾を空中に飛ばす黒色火薬とは巧みに分離されています。結局のところ、砲弾がすぐに爆発することを望む人は誰もいません。

発射時には、砲弾は臼に入れられます。臼は砲弾を正しい方向と角度に向ける管です。点火した導火線が砲弾の底にある揚力剤に達すると、燃える火薬が砲弾を空に打ち上げる推進力を与えます。火薬の量によって砲弾がどれだけ高く上がるかが制御されます。

一方、内部の導火線（花火の揚力剤から砲弾の爆発塊の中心まで伸びている）にも点火して、実際の爆発のタイミングを計る。導火線が燃え尽きると、炸裂剤に点火し、星々に火をつけて空に放り出す。私たちが感嘆するのは、外側に広がる爆発だ。砲弾は燃え尽き、地面に戻ってくるのは紙の砲弾の焦げた残骸だけだ（だから心配しないで、きちんと爆発した花火は地球に戻ってあなたの上に落ちることはない）。

さて、これらの爆発そのものを見てみましょう。7 月 4 日の独立記念日の赤、白、青の花火や、結婚式でのハートの花火を見たことがあるでしょう。一見無制限に見える爆発の色と形をどのように制御するのでしょうか。

色は実際には星の中の化学物質から生じます。金属化合物の中には、エネルギーが加えられると（爆発などにより）色のついた光を発するものもあります。虹の化学物質についての便利なガイドを以下に示します。

• 赤：ストロンチウム
• オレンジ：カルシウム
• 黄色: ナトリウム
• 緑：バリウム
• 青：銅
• 紫: ストロンチウムと銅
• 白: アルミニウム、チタン、マグネシウム

ワシントン大学の化学名誉教授ジョン・コンクリング氏は、青は最も生成が難しい色の一つだと語った。（残念なことに、コンクリング氏は2021年に亡くなり、今月初めにメリーランド州で彼を偲んで花火大会が開催された。）

花火化学の最近の進歩により、より鮮やかな青色が作り出せるようになりました（独立記念日の愛国心をうまく表現するには必須です）。

次に、驚くほど簡単なテクニックで花火をさまざまな形や構成に組み立てます。つまり、希望するパターンの形の紙に星を貼り付けるのです。笑顔を作りたいですか? 顔の特徴を形成するために、星を円形に並べ、中央にさらにいくつか追加します。

「多くのテストが必要です」とコンクリング氏は言う。「空に望む形や模様が実現されるように、どのように配置するかを正確に考え出さなければなりません。」

花火の爆発の仕方も、時には重要です。空中でポンと弾ける花火は、消えていくときにパチパチと音を立てる花火や、柳の枝のように空を弧を描きながらゆっくりと消えていく花火とはまったく異なる効果を生み出します。これらの効果には多くの可能性があり、アーティストは自分が見たいものを決め、それを実現するために化学者のもとへ行きます、とコンクリング氏は言います。

「花火は絵の具のように、私たちにとっての媒体です」とFireworks by Grucciの社長兼CEO、フィル・グルッチ氏は言う。「花火は空に絵を描くために使うものです。」

熱いパフォーマンス

次のステップは、実際にショーを設計して実行することです。これは大変な仕事です。ディスプレイの設計、テスト、セットアップには何ヶ月もかかりますが、ショータイムのわずか 20 分ですべてが夜空に打ち上げられます。それに費やされた時間と人的資源は跡形もありません。しかし、このビジネスでは、それが成功の証なのです。

グルッチ氏は、ニューヨークの家族経営の花火会社「Fireworks by Grucci」に携わってきた 6 世代のうちの 5 代目です。現在、同会社が誇る 2 つのピーク イベントの 1 つである独立記念日に向けて準備を進めています (もう 1 つは、ご想像のとおり大晦日です)。

顧客はショーを企画するためのワンストップショップとして彼らを雇います。彼らはニューヨーク州ロングアイランドのベルポートにあるオフィスでデザイン作業を行い（アルバニー郊外にも施設があります）、製造とテストはバージニア州ラドフォードにある陸軍の弾薬工場を借りて行っています。「軍用爆発物は花火製造と素晴らしい相乗効果を発揮しています」とグルッチは言います。

次に、デザイナーは現場に行き、作業する空間を確認します。水はありますか? 建物はありますか? 場所によっては、他の場所よりも奇妙な場所もあります。Fireworks by Grucci は、ドバイで世界一高いビルであるブルジュ ハリファの横でショーを行いました。場所の詳細が設計ソフトウェアに入力され、カスタム 3D 視覚化ソフトウェアを使用して、花火のデザインとタイミングをシミュレートします。高さから色、煙まで、すべてをプレビューできます。Grucci は、個々の花火を登場人物のキャストと見なしており、ショーを設計するプロセスでは、これらの登場人物を、巨大なステージ、つまり空で異なる時間に現れ、相互作用する役割に配役する必要があります。花火ショーの 1 分を設計するのに約 2 時間かかります (したがって、一般的な 20 分間のショーを計画するには、40 時間、つまり約 1 週間の作業が必要です)。

Fireworks by Grucci の花火師たちは、自分たちのビジョンを念頭に置いて、実際にルーチンをセットアップすることができます。公演には最低 3 人の花火師が参加しますが、クルーは 250 人以上になることも珍しくありません。最近では、コンピューターが正確に打ち上げを処理します。(昔はそうではありませんでした。古い方法は、トーチを使って手動で導火線に火をつけ、その後はスイッチを使って電子的に点火する方法になりました。)

「『開始』ボタンを押す準備ができるまでには、多くの可動部品が必要です」とグルッチ氏は言う。

未来は明るい

花火は将来どうなるのでしょうか。歴史を振り返ると、あまり変わらないかもしれません。コンクリング氏によると、花火は化学の進歩により新しい効果やより明るい色が可能になったものの、数千年にわたる歴史の中で基本的に同じままでした。たとえば、グルッチの「ピクセルバースト」の花火は、爆発の高さを制御するためにマイクロチップを使用しています。研究者たちは、煙が少なく環境に優しい花火を作ることも試みています。グルッチは、プラスチックのように見えるが実際にはより早く生分解するデンプンベースのポリマーである新しいケースを開発しました。この新しいケースは現在、いくつかのケースで使用されています。

「これは本当に興味深い科学分野です」とコンクリング氏は言う。「可能性は無限大です。」

この投稿は更新されました。元々は 2017 年に公開されました。