Fuochi d’artificio: la scienza dietro la magia degli spettacoli pirotecnici

Di spettacoli pirotecnici ne abbiamo visti tanti, sin da bambini. Ma nonostante gli anni, continuiamo a rimenere incantati difronte all’atmosfera che i fuochi d’artificio sono in grado di creare nelle notti di festa. Gran parte del coinvolgimento emotivo è anche dovuto alla curiosità che nasce nell’osservare questo fenomeno: come funzionano i fuochi d’artificio? Qual è il “segreto” del pirotecnico per colorare il fuoco?

Struttura interna di un fuoco d’artificio

I fuochi d’artificio sono detti da terra, aerei o d’acqua a seconda di dove vengono usati.

Nel linguaggio tecnico, il fuoco d’artificio più usato per gli spettacoli aerei è chiamato bomba, di forma sferica:

Parte propulsiva e funzionamento:

• Lift charge (carica di sollevamento o esplosivo di lancio): alla base della bomba si dispone un pacchetto di polvere da sparo che funge sia da carica esplosiva che da propellente. All’esplosione, i gas caldi prodotti sollevano in alto il resto dell’ordigno, contenuto nel guscio (shell). La carica di sollevamento è la prima componente ad esplodere.

• Main fuse (fusibile principale): questo fusibile è a combustione veloce (fast fuse) e serve ad accendere l’esplosivo di lancio. La miccia, avviata manualmente o tramite dispositivi elettronici alla sommità del fuoco d’artificio, percorre il guscio esterno, fino a raggiungere la carica di sollevamento alla base. L’ordigno salta in aria ma il suo nucleo è ancora intatto.

• Time-delay fuse (fusibile a lenta combustione): alla sua esplosione, la carica di sollevamento accende una spoletta, piccolo cilindro di cartone caricato con polvere da sparo molto pressata. Essa si trova a contatto con il nucleo della bomba. La spoletta contiene un fusibile che funge da temporizzatore: esso evita che il nucleo dell’artifizio si accendi a terra. Infatti, la miccia nella spoletta raggiunge la camera di scoppio dopo 2-7 secondi dal lancio, tempo variabile a seconda della grandezza della bomba. Dopo questi pochi secondi, l’ordigno si trova al culmine della sua traiettoria aerea (50-400m).

Parte progettata per l’effetto pirotecnico e funzionamento:

• Exploding charge (carica esplosiva): il nucleo della bomba è definito camera di scoppio. Il suo interno è costituito da polvere da sparo, detta carica esplosiva, e da piccole sfere. A contatto con la spoletta in combustione, la polvere da sparo si infiamma per deflagrazione (=combustione subsonica, avviata per conduzione tramite materiali caldi). Così si accendono anche le sfere, che vengono proiettate in aria, secondo geometrie dipendenti dal modo in cui sono state assemblate.

Ad esempio, quando il fuoco d’artificio è ad involucro sferico e le palline aderiscono al guscio interno della bomba, in aria si realizza un’esplosione colorata perfettamente tonda.

• Stars (stelle): in gergo tecnico, le piccole sfere suddette sono chiamate stelle. Esse sono costituite da: polvere da sparo, sali metallici, additivi e materiali agglutinanti necessari a tenere insieme questi ingredienti (es: gomma arabica, creta, destrina). Le stelle sono l’ultima componente ad esplodere.

I colori e i disegni dei fuochi d’artificio

1. Colori dei fuochi artificiali

I colori dei fuochi artificiali sono dovuti alla presenza di metalli all’interno delle stelle, impastati insieme alla polvere pirica sia in forma elementare che in combinazione come sali.

Quando la miccia raggiunge l’exploding charge, il calore generato dall’esplosione delle piccole sfere eccita gli atomi metallici, che iniziano a vibrare. Il movimento vibratorio atomico ha come risultato un’emissione di radiazioni elettromagnetiche, cioè un’emissione di energia sotto forma di onde. Ognuna di esse è caratterizzata da valori precisi di frequenza, velocità e lunghezza d’onda, grandezze che dipendono dalla natura chimica della sorgente.

–Come fa l’occhio a vedere i colori:

Il colore è la percezione visiva delle varie radiazioni elettromagnetiche comprese nello spettro visibile : esso è il range dello spettro elettromagnetico definito da un determinato intervallo di valori di lunghezze d’onda (tra 380 e 780 nanometri) e di frequenze (tra i 430 ed i 770 THz). Lo spettro visibile comprende, quindi, radiazioni che l’occhio rileva come colori, in una gamma che va dal rosso al violetto.

Ogni elemento metallico, quindi, una volta eccitati i suoi atomi, emette una radiazione che l’occhio rileva come un ben definito colore. Da qui deriva la scelta del pirotecnico, di utilizzare particolari sali metallici, a seconda della coreografia cromatica che vuole comporre:

2. Disegni aerei coi fuochi d’artificio

Nel caso del fuoco d’artificio sferico, preso come modello in questo articolo, le stelle sono disposte in forma concentrica intorno alla camera di scoppio nell’involucro della
bomba.

Quando questa si accende, le stelle in esplosione sono proiettate in aria in modo corrispondente alla disposizione stabilita dal pirotecnico al momento della progettazione dell’ordigno. Così appare la figura di una sfera in rapida espansione, quella che chiamiamo, generalmente, fuoco d’artificio:

Secondo l’effetto desiderato, si possono disporre le piccole sfere in più strati, secondo una diversa configurazione (vedi fig.8), disegni aerei di forma particolare (anelli, cuori…) e in diversi colori.

Per ottenere una sequenza precisa degli strati, si interpongono tra essi dei separatori (cardboard barrier) e fusibili temporizzatori che si accendono in successione all’avanzare della miccia:

Effetto sonoro dei fuochi d’artificio: il fischio

Non esistono composti pirotecnici che una volta igniti producono un fischio o un suono.

Per ottenere il tipico fischio si predispongono alcuni piccoli cilindri di cartone pressato, all’interno delle bombe. Essi hanno un’estremità aperta in modo opportuno, mentre l’altra è tappata con creta o argilla. I cilindri vengono parzialmente riempiti di composti pirotecnici che, all’esplosione, producono una grande quantità di gas ad elevata pressione.

Lo scopo di questi cilindretti è di funzionare come risonatori, per lo stesso principio con cui un flauto a canne emette suoni e fischi: è esperienza comune che, soffiando dentro una canna di bambù tappata ad una sua estremità, si produce un suono dalla frequenza caratteristica. Allo stesso modo avviene all’interno dei cilindri del fuoco d’artificio: i gas prodotti sono canalizzati attraverso questi fischietti (whistles), così da generare il suono sibilante durante il lancio dell’ordigno.

E’ possibile regolare:

• la tonalità del fischio: tramite la scelta della lunghezza del cilindretto
• l’intensità del suono: realizzando una determinata sezione del cilindretto e utilizzando una specifica composizione chimica per riempirlo, alla quale è legata la forza di pressione con cui i gas combusti attraversano il risonatore.