I. La fabrication des feux d'artifice
1. Impossible sans poudre noire
La poudre noire est utilisée dans les feux d’artifice pour ses propriétés chimiques et physiques mais aussi pour son faible coût économique. La poudre noire est composée de 75% de salpêtre, 10% de soufre et 15% de charbon. Cependant, il existe d’autres dosages de poudre noire qui modifient les caractéristiques explosives de cette poudre.
Poudre noire
La poudre noire devient explosive après une combustion. L’équation de la combustion de la poudre noire est la suivante :
2KNO3 + 3C + S → K2S + 3CO2 + N2
Dans ce cas, 2 molécules de nitrates de potassium KNO3 réagissent avec un atome de soufre S et trois atomes de carbone C. Cette réaction libère beaucoup de gaz notamment du dioxyde de carbone CO2 et du diazote N2. Ces gaz rendent la poudre noire explosive. Les résidus solides de la combustion sont appelés « calamine ». En outre, la vitesse de la combustion de la poudre noire est due aux caractéristiques des grains. Par exemple, plus les grains sont petits, plus cette réaction sera lente. Il en est de même pour la densité des grains : plus la poudre noire est comprimée, plus la combustion se fera rapidement. D’autre part, la combustion de la poudre noire est sous la forme du triangle du feu.
2KNO3 + 3C + S → K2S + 3CO2 + N2
Dans ce cas, 2 molécules de nitrates de potassium KNO3 réagissent avec un atome de soufre S et trois atomes de carbone C. Cette réaction libère beaucoup de gaz notamment du dioxyde de carbone CO2 et du diazote N2. Ces gaz rendent la poudre noire explosive. Les résidus solides de la combustion sont appelés « calamine ». En outre, la vitesse de la combustion de la poudre noire est due aux caractéristiques des grains. Par exemple, plus les grains sont petits, plus cette réaction sera lente. Il en est de même pour la densité des grains : plus la poudre noire est comprimée, plus la combustion se fera rapidement. D’autre part, la combustion de la poudre noire est sous la forme du triangle du feu.
Triangle de feu
Le combustible rassemble le soufre et le carbone. Ces éléments sont brûlés et permettent d’apporter de l’énergie tout au long de la combustion. Le comburant est l’oxygène contenu dans le nitrate de potassium et dans l’air : il permet la combustion du combustible. Habituellement, le comburant est seulement l’oxygène contenu dans l’air alors que dans la combustion de la poudre noire, l’oxygène est aussi apporté par le nitrate de potassium (KNO3). L’énergie d’activation est la quantité d’énergie nécessaire pour démarrer la combustion. Elle est fournie par le dispositif d’allumage, dans le cas des feux d’artifice. La combustion est donc basée sur 3 élements qui sont le combustible, le comburant et l’énergie d’activation. De plus, la combustion de la poudre noir est une oxydoréduction qui produit de la chaleur. L’oxydoréduction est un échange d’électrons entre l’oxydant et le réducteur. L’oxydant reçoit des électrons du corps qui s’oxyde et le réducteur cède des électrons au corps qui est réduit. Dans le cas des feux d’artifice, l’oxydant est le nitrate de potassium et les réducteurs sont le soufre et le carbone.
2. La propulsion d'un feu d'artifice
Pour propulser une bombe c’est-à-dire la partie de l’artifice qui contient les effets pyrotechniques, l’artificier utilise un tube en carton ou en fibre de verre appelé mortier. Tout d’abord, il allume la mèche qui met feu à la chasse, une réserve de poudre noire propulsive. En brûlant, la chasse émet des gaz qui sont emprisonnés entre la base du mortier et la bombe. Ces gaz ne peuvent pas se détendre et font alors pression sur les éléments qui l’entourent. La pression est tellement forte que la bombe va être expulsée du mortier.
Auparavant, les artificiers déclenchaient les feux d'artifice manuellement avec une lance d’allumage. Cependant cela était dangereux car ils devaient s’enfuir en courant. Grâce à l'avancée technologique, il leur est possible aujourd'hui d'utiliser des systèmes télécommandés à distance. Ils utilisent des inflammateurs électriques qui créent une étincelle et mettent alors feu à la mèche.
Auparavant, les artificiers déclenchaient les feux d'artifice manuellement avec une lance d’allumage. Cependant cela était dangereux car ils devaient s’enfuir en courant. Grâce à l'avancée technologique, il leur est possible aujourd'hui d'utiliser des systèmes télécommandés à distance. Ils utilisent des inflammateurs électriques qui créent une étincelle et mettent alors feu à la mèche.
3. Les différents composants d'un feu d'artifice
Les bombes des feux d’artifice peuvent avoir différentes formes, par exemple, la coque de la bombe peut être cylindrique ou sphérique. Leurs diamètres est de 20 mm pour les plus petites et de 1200 mm pour les plus grosses. Pour fabriquer une bombe, il est nécessaire de porter des gants antistatiques car la moindre étincelle d’électricité statique pourrait provoquer une explosion. Pour créer un décalage entre le lancement et l’explosion du feu d’artifice, le pyrotechnicien utilise un tube appelé espolette. Quand la chasse explose, elle met feu à l’espolette qui se consume pendant l’ascension. Lorsque l’espolette est totalement consumée, elle allume la charge d’éclatement qui est une réserve de poudre noire. La charge d’éclatement fait alors exploser la bombe. L’explosion allument toutes les étoiles c’est-à-dire des billes de matières pyrotechniques. Les étoiles sont les éléments qui dessinent le motif de l’artifice dans le ciel.
Schéma d'une bombe
Il est possible de créer une forme géométrique dans le ciel avec une bombe : l’artificier place les étoiles dans la bombe selon le dessin qu’il souhaite obtenir et lors de la déflagration, les billes conservent le motif. Par exemple, s’il souhaite avoir un cœur il place les étoiles en forme de cœur dans la bombe.
Bombe en forme de cœur
Les différents artifices ne créent pas la même forme dans le ciel. Il existe différents type de feux d’artifice, qui diffèrent visuellement et dans leur composition. Nous allons prendre l’exemple de la chandelle, du compact et de la fusée pour montrer leur particularité.
D’une part, la chandelle est un tube en carton composé d’un empilement de plusieurs bombes ou comètes, qui sont des variantes de la bombe. Lorsque la mèche à action lente de la chandelle est allumée, elle enflamme la première réserve de poudre. Après l’inflammation de la poudre, une bombe est éjectée. Durant l’ascension, la mèche rapide se consume et elle fait exploser la première bombe. La mèche lente continue de se consumer et la seconde bombe est éjectée hors du tube. Ce processus recommence jusqu'à la dernière bombe.
Schéma de la chandelle
D’autre part, le compact est un assemblage de mortier en forme de losange, de carré ou de rectangle. Le compact peut comporter huit à plus d'une dizaine de tubes possédant chacun au moins une bombe ou une comète. Après l’allumage du premier mortier, la première bombe ou comète est envoyée dans les airs et explose. Ensuite le deuxième mortier est mis à feu et propulse la bombe. Ce fonctionnement recommence pour tous les mortiers.
Schéma du compact
Enfin, la fusée est un tube attaché à une tige qui stabilise sa trajectoire. La base de ce tube est composée de poudre propulsive. Quant à la tête de la fusée, elle contient les effets pyrotechniques. Lorsque la poudre propulsive explose, elle crée un gaz qui produit une force vers le haut ce qui autopropulse la fusée, qui explose en l’air.
Schéma d'une fusée