II. L'explosion des feux d'artifice
Lors de l’explosion, les feux d’artifice émettent un son, une couleur et une forme dans le ciel qui peuvent différer selon la composition de l’artifice.
1. Le bruit
La combustion de la poudre noire fait violemment bouger l’air. Ce phénomène crée le son qui peut être différent selon la manière de fabriquer l’artifice. Par exemple, le spectateur entend un sifflement lorsque la poudre a été tassée dans le tube alors qu’il entend un crépitement lorsqu’on mélange certaines poudres. D’autre part, le bruit du feu d’artifice est aussi dû à la vitesse de réaction entre les composants de la poudre noire. Si cette réaction se fait lentement, le spectateur entend un sifflement continu tandis qu’il entend le son de l’explosion si la réaction se fait rapidement.
De plus lors d’un feu d’artifice, le spectateur entend l’explosion du feu d’artifice après l’avoir vue. Cela s’explique par le fait que la lumière se déplace à 300 000 000 m/s alors que le son se propage à 340 m/s dans l’air. La différence de célérité entre le son et la lumière est liée au milieu de propagation. En effet, la lumière n’a besoin d’aucun support pour se déplacer tandis que le son avance en faisant vibrer des molécules. Si un spectateur est à 900m de l’endroit où sont tirés les feux d’artifice, nous pouvons nous demander en combien de temps le son et la lumière lui parviendront-ils.
D’une part, nous allons calculer le temps que met le son à se propager jusqu’au spectateur.
t= d / v
t est le temps en seconde (s)
d est la distance en mètre (m)
v est la vitesse en mètre par seconde (m/s)
t= 900/340
t= 2,65s
D’autre part, nous allons faire le même calcul pour la lumière.
t= d/v
t= 900/3*108
t= 3*10-6 = 3 μs
Donc, le son de l’explosion parvient en 2,65secondes alors que la lumière arrive en 3 microsecondes au spectateur. Cela montre bien la différence de célérité entre le son et la lumière.
De plus lors d’un feu d’artifice, le spectateur entend l’explosion du feu d’artifice après l’avoir vue. Cela s’explique par le fait que la lumière se déplace à 300 000 000 m/s alors que le son se propage à 340 m/s dans l’air. La différence de célérité entre le son et la lumière est liée au milieu de propagation. En effet, la lumière n’a besoin d’aucun support pour se déplacer tandis que le son avance en faisant vibrer des molécules. Si un spectateur est à 900m de l’endroit où sont tirés les feux d’artifice, nous pouvons nous demander en combien de temps le son et la lumière lui parviendront-ils.
D’une part, nous allons calculer le temps que met le son à se propager jusqu’au spectateur.
t= d / v
t est le temps en seconde (s)
d est la distance en mètre (m)
v est la vitesse en mètre par seconde (m/s)
t= 900/340
t= 2,65s
D’autre part, nous allons faire le même calcul pour la lumière.
t= d/v
t= 900/3*108
t= 3*10-6 = 3 μs
Donc, le son de l’explosion parvient en 2,65secondes alors que la lumière arrive en 3 microsecondes au spectateur. Cela montre bien la différence de célérité entre le son et la lumière.
2. La couleur
Avant les feux d’artifices n’avaient que deux couleurs : or et argent. Il fallut attendre le XIXème siècle pour avoir d’autres couleurs. Désormais, les feux d’artifices comptent environ 15 couleurs différentes. Les couleurs sont obtenues grâce à l’incorporation de sels minéraux à la poudre noire. Lors de la combustion de la poudre noir, le salpêtre ou nitrate de potassium (KNO3) permet la combustion rapide des autres éléments grâce à l’oxygène qu’il contient. Pour connaitre quel sel produit quelle couleur, nous avons réalisé une expérience dans laquelle nous avons versé des sels minéraux sur une flamme vive. Comme nous pouvons le voir dans le tableau ci-dessous, certains de nos résultats ne produisent pas les résultats escomptés. Cela s’explique par le fait que la flamme n’était pas assez chaude. Pour obtenir une lumière colorée, il faut une certaine énergie qui est apportée par l’explosion et l’oxygène de l’artifice.
Couleurs associées aux feux d'artifice
Pour savoir comment une lumière colorée peut être émise, il faut regarder ce qui se passe à l’échelle atomique. Dans un atome, des électrons gravitent autour d’un noyau en se répartissant en couches. En principe, un électron ne change pas de couche et reste à l’état de repos. Cependant, sous l’effet de la chaleur produite lors de la combustion, les électrons captent de l’énergie thermique. Avec cette énergie, l’électron est excité et passe à la couche supérieure. Mais il n’y reste pas puisqu’il cherche à perdre l’énergie emmagasinée précédemment pour revenir au niveau fondamental. En passant à la couche inferieure, il libère cette énergie sous forme lumineuse : un photon c’est-à-dire un grain de lumière. Ce phénomène est connu sous le nom d’émission atomique.
Schéma de l'émission atomique
Nous prendrons l’exemple de l’atome de sodium pour présenter l’émission atomique. Nous cherchons à savoir quelle couleur va être associée à cette émission.
Diagramme energetique de l’atome de sodium
Un électron se désexcite : il passe de la couche E2 à la couche E1 en émettant un photon. Nous cherchons à savoir quelle couleur va être associée à cette émission.
│∆E │= │E1-E2│= │-5.14+3.03│=2.11 eV
1eV= 1.6x10-19J
2.11eV= 3.38x10-19J
Lors du changement de couche, l’énergie libérée est de 3.38x10-19J.
Or : ∆E = h x ν et λ = c/v
h constante de Planck qui est égale à 6,62x10-34 J/s
v est la fréquence en Hertz (Hz)
λ est la longueur d’onde en mètre (m)
c est la célérité de la lumière dans le vide qui est égale à 3x108 m/s
Avec ces relations, on a :
λ = hc / ∆E
λ = 6.62x10-34x3x108 / 3.38x10-19
λ = 5.88x10-7 m
La longueur d’onde est égale à 5.88x10-7 m soit 588nm. Cela correspond à une lumière jaune. Le sodium émet donc du jaune.
Un électron se désexcite : il passe de la couche E2 à la couche E1 en émettant un photon. Nous cherchons à savoir quelle couleur va être associée à cette émission.
│∆E │= │E1-E2│= │-5.14+3.03│=2.11 eV
1eV= 1.6x10-19J
2.11eV= 3.38x10-19J
Lors du changement de couche, l’énergie libérée est de 3.38x10-19J.
Or : ∆E = h x ν et λ = c/v
h constante de Planck qui est égale à 6,62x10-34 J/s
v est la fréquence en Hertz (Hz)
λ est la longueur d’onde en mètre (m)
c est la célérité de la lumière dans le vide qui est égale à 3x108 m/s
Avec ces relations, on a :
λ = hc / ∆E
λ = 6.62x10-34x3x108 / 3.38x10-19
λ = 5.88x10-7 m
La longueur d’onde est égale à 5.88x10-7 m soit 588nm. Cela correspond à une lumière jaune. Le sodium émet donc du jaune.
Raie d’émission et d’absorption du sodium
L’émission atomique s’applique aussi pour tous les autres sels minéraux. Ces différentes émissions peuvent être placées sur le spectre visible.
L’émission atomique s’applique aussi pour tous les autres sels minéraux. Ces différentes émissions peuvent être placées sur le spectre visible.
De plus, les étoiles des feux d’artifice sont des corps incandescents. Cela signifie qu’ils émettent un rayonnement lumineux du fait de leur haute température. Plus une température est élevée, plus la lumière émise se rapprochera des ultraviolets et réciproquement moins la température est élevée, plus la lumière émettra dans le spectre de l’infrarouge. La couleur perçue d’un objet incandescent change ainsi avec sa température. On considère que les étoiles des feux d’artifice peuvent être assimilées à des corps noirs auxquels on peut appliquer la loi de Wien qui relie la température T et la longueur d’onde λmax. Pour appliquer la loi de Wien, nous prendrons l’exemple du sodium, qui a une longueur d’onde égale à 588nm comme nous l’avons vu précédemment.
T= constante de Wien/λmax
T= 2.9x10-3/ 5.88x10-7
T= 4932 K
Dans cette relation, la température obtenue est en Kelvin. La relation entre T en Kelvin (K) et Ɵ la température en degré Celsius (˚C) est :
Ɵ = T-273
Ɵ= 4932-273
Ɵ= 4659 ˚C
Lorsqu’il émet un rayonnement de couleur jaune, la température du sodium est de 4659 ˚C.
T= constante de Wien/λmax
T= 2.9x10-3/ 5.88x10-7
T= 4932 K
Dans cette relation, la température obtenue est en Kelvin. La relation entre T en Kelvin (K) et Ɵ la température en degré Celsius (˚C) est :
Ɵ = T-273
Ɵ= 4932-273
Ɵ= 4659 ˚C
Lorsqu’il émet un rayonnement de couleur jaune, la température du sodium est de 4659 ˚C.
3. Les formes des feux d'artifice
Plusieurs sortes de pièces pyrotechniques existent et chacune produit un effet diffèrent dans le ciel dépendant de la composition ou de la structure de l’explosif. Il existe donc différents types de feux d’artifice avec des formes variantes.
Dans le cas de l’artifice le plus simple, lorsque la bombe explose, les étoiles se dispersent en forme de cercle.
Dans le cas de l’artifice le plus simple, lorsque la bombe explose, les étoiles se dispersent en forme de cercle.
Dans le cas de la pivoine, les étoiles se dispersent en laissant une trace lumineuse et en formant un cercle.
Génerallement de couleur or ou argent, le kamuro est un artifice où les étoiles se dispersent en forme de cercle et en retombant laisent un effet de scintielement. Le kamuro a une durée assez longue.
La chandelle dessine des arabesques dans le ciel.
Le feu de Bengale est une flamme fixe qui dégage une lumière très vive.
Les comètes laissent sur leur trajectoire une traînée lumineuse.
Une étoile est un effet lumineux en forme d'étoile.
Le soleil est un mécanisme rotatif avec un point fixe, composé d’un cadre sur lequel est disposé de petites fusées appelées jets. L’inflammation des jets provoque la rotation de l’ensemble et une gerbe de feu ressemblant au soleil.
La cascade est un assemblage de jets disposés tête en bas qui donne l’impression d’une cascade d’étincelles tombantes.
La fontaine est une pièce pyrotechnique dont le rôle est de projeter une pluie d’étincelles brillantes verticalement ou selon un angle.
Le bouquet est le tableau final d’un feu d’artifice plus complet par rapport au reste du spectacle et qui clôture cet évènement. C’est souvent la pièce la plus attendue et la plus spectaculaire de cette représentation pyrotechnique.
Bouquet du feu d'artifice à Dubaï, qui obtient le titre du plus grand feu d'artifice au monde en 2015