De fysica van Firebending
De fysica van Avatar: The Last Airbender en The Legend of Korra
Laten we onze reis naar de fysica van het buigen voortzetten met het element van macht, vuur.
Ik raad je aan om mijn eerste drie posts over de fysica van Avatar en Korra te lezen, als je dat nog niet gedaan hebt. Dat is belangrijk om de rest van deze serie te begrijpen.
Het eenvoudigste wat vuurmeesters kunnen doen, is dingen verhitten. Er is zelfs aangetoond dat ze dit doen zonder vlammen te produceren. Volgens onze hypothese dat stuurders gebruik maken van elektriciteit en magnetisme, kunnen we hieruit afleiden dat vuurmeesters dit doen door een elektrische stroom te laten lopen door het materiaal dat ze verhitten. Aangezien elektriciteit niet met perfecte efficiëntie door de meeste materialen gaat, wordt een deel van de elektrische energie van een stroom thermische energie die de omgeving verwarmt.
Warmte Absorptie en Omleiding
Naast het verwarmen van objecten, kunnen vuurmeesters ze ook afkoelen. Dit doen ze waarschijnlijk door op atomair niveau elektrische ladingen aan te brengen die de beweging van de deeltjes van een stof afremmen. Dit lijkt erg op de manier waarop watermeesters water bevriezen tot ijs. De energie van de afkoelende atomen moet ergens heen, dus wordt ze omgezet in kinetische energie van de deeltjes die de elektrische velden creëren. De vuurmeesters zouden dan deze geladen deeltjes van het te koelen materiaal weg kunnen bewegen, en warmte met zich mee kunnen dragen. Om de deeltjes van het te koelen materiaal te kunnen beïnvloeden door elektrische velden, zouden de stuurders ze eerst moeten opladen door ionisatie. Bewegende ladingen creëren een magnetisch veld, en een veranderend magnetisch veld creëert een elektrische stroom. Daarom zou de verandering in beweging van de geladen deeltjes een elektrische stroom kunnen opwekken die energie bevat, die de vuurstuurders dan voor hun sturing zouden kunnen gebruiken. Dit verklaart waarom vuursturen sterker is in aanwezigheid van veel hitte zoals tijdens de terugkeer van Sozins komeet.
Vuurstuurders zouden deze techniek ook kunnen gebruiken om hun eigen vlammen te koelen. Veel van de atomen in vlammen zijn al geïoniseerd en zouden al gevoelig zijn voor elektrische velden. Aangezien atoomkernen massiever zijn dan elektronen, kunnen juist geplaatste elektrische velden hen afremmen terwijl zij de elektronen sneller en in nieuwe richtingen duwen. Het afremmen van de kernen zou de vlammen afkoelen, maar de minuscule elektronen zeer snel laten bewegen. Aangezien thermische energie evenredig is met massa, zouden de elektronen die een hoge temperatuur hebben, de vlam niet noodzakelijk heet maken. Het zou echter een vlam blijven omdat de materiestaat nog steeds een gedeeltelijk plasma zou zijn. Vuurmeesters zullen hun vlam willen afkoelen tijdens de training om hun tegenstanders niet te verbranden. Hier is een video over het creëren van koude gedeeltelijke plasma’s:
Het creëren, behouden en intensiveren van vuur
Vuursturen is uniek omdat vuur niet zozeer een fysieke substantie is, maar een voortdurende chemische reactie. De vlammen die je ziet, zijn de producten van de reactie tussen een brandstofbron en zuurstof. De vlam is heet en zichtbaar omdat een deel van de energie die was opgeslagen in de chemische bindingen van de reactanten, vrijkomt in de vorm van warmte, licht en geluid. Als we begrijpen wat vuur is, kunnen we daaruit afleiden dat vuurmeesters vuur maken in drie stappen. Eerst gebruiken zij nauwkeurig geregelde elektrische stromen om kooldioxide, waterstof en zuurstofmoleculen in de lucht te ioniseren. Daarna gebruiken zij elektrische velden om de geïoniseerde atomen te recombineren met de vrije elektronen en nieuwe moleculen te vormen. De botsingen tussen de deeltjes die deze moleculen vormen, geven deze een hoge kinetische energie, wat betekent dat zij de nodige energie hebben om spontaan te ontbranden. Uiteindelijk ontbranden de moleculen die uit de ionen zijn gevormd spontaan en worden kooldioxide en waterdamp. Deze reactanten zijn wat je ziet in de vlammen. De moleculen die de vuurmeesters vormen voor de verbranding zijn waarschijnlijk alkanen, zoals methaan en propaan, maar ook andere koolwaterstoffen, zoals aardolie, plus zuurstof en water als afvalproduct. Deze verklaring betekent dat vuurmeesters de brandstof voor hun vuur letterlijk uit het niets maken. Hier volgt een voorbeeld van een van de mogelijke reacties die vuurmeesters zouden kunnen veroorzaken:
Nu is het belangrijk dat we het hebben over het soort verbranding dat plaatsvindt. Gebaseerd op de kleuren van vuur die we in Avatar zien, lijkt het erop dat de meeste vuurmeesters onvolledige verbranding gebruiken. Dit is verbranding waarbij de reactie niet genoeg zuurstof krijgt en geel of rood brandt. Deze vlammen zijn minder heet dan die van volledige verbranding, waarbij het vuur wel genoeg zuurstof krijgt en blauw brandt. Blauwe vuursturing wordt dus bereikt met volledige verbranding en geeft meer warmte af dan gewone vuursturing. De gele of rode kleur van onvolledige verbranding is het resultaat van fijne deeltjes van de stof die verbrand wordt, die opstijgen zonder te reageren en gloeien als gevolg van gloeiing. Gloeien is wanneer een voorwerp warmte-energie uitstraalt in de vorm van zichtbaar licht. Om dit de gele, oranje en rood-oranje kleuren van vuur te geven die we in Avatar en Korra zien, zouden de vuurmeesters veel koolwaterstoffen moeten maken die in staat zijn om gloeiende temperaturen te bereiken zonder te ontbranden tijdens onvolledige verbranding.
Het probleem met onvolledige verbranding is dat het koolmonoxide produceert, dat gevaarlijk is voor mensen in hoeveelheden die groot genoeg zijn. Vuurmeesters kunnen dit omzeilen door hun nauwkeurige beheersing van het elektromagnetisme te gebruiken om zuurstof en koolmonoxide te dwingen te reageren en kooldioxide te vormen. Het type volledige verbranding dat door blauwe vuurmeesters wordt gebruikt, produceert waterdamp. Waterdamp is een broeikasgas, dat de vlammen helpt warmte over te dragen, maar slecht is voor het milieu. Vuurmeesters kunnen dit omzeilen door een elektrische stroom door de waterdamp te leiden. Dat zou het breken in waterstof- en zuurstofmoleculen via een proces dat elektrolyse heet.
Verplaatsen, vormen en afbuigen van vuur
Nu weten we hoe vuurmeesters vuur maken, maar hoe zijn ze in staat om de vorm en beweging ervan te controleren? Het antwoord is eigenlijk vrij eenvoudig en heeft te maken met de aard van vlammen. Vlammen zijn gedeeltelijke plasma’s, wat betekent dat sommige atomen geïoniseerd zijn als gevolg van de energie die vrijkomt bij de verbranding. Omdat vlammen ionen bevatten, kunnen zij door elektrische stromen worden beïnvloed. Wanneer een elektrische stroom door een vlam loopt, bewegen de positieve ionen in de vlam in de richting van de inkomende stroom en de negatieve ionen in de richting van de uitgaande stroom. Hierdoor ontstaat een soort vlindervorm in de vlam:
Door deze eigenschap van vlammen te gebruiken, kunnen we ons voorstellen dat een bewegend circuit langs een vlam zou slepen, en terwijl de vlam beweegt, verandert de vuurstuurder voortdurend de plaats waar hij de verbranding creëert, zodat de vlam niet dun wordt uitgespreid. Dit soort vuursturen kan worden gevisualiseerd met dit diagram:
Vlammen kunnen ook in slechts één richting worden afgestoten of aangetrokken door een elektrisch veld aan te brengen. Hier is een video waarin dat effect wordt gedemonstreerd:
Als deze processen nauwkeurig genoeg worden toegepast, kan een vuurmeester met controle over de elektriciteitsstroom de vlammen vrijwel in elke gewenste richting sturen. Dit geldt voor de vlammen die zij zelf produceren, maar ook voor vlammen die op natuurlijke wijze ontstaan of door andere stuurders worden geproduceerd.
Een veel voorkomend beeld dat we zien bij gevechten tussen vuurmeesters, zijn de vlammen die worden geproduceerd door de ene bender die tegen de vlammen van de ander duwt. Ik vermoed dat wat hier echt gebeurt, is dat vuurmeesters de richting veranderen waarin de elektrische stromen vloeien die ze creëren. Ze doen dit om de magnetische velden van elk circuit zo te richten dat ze hetzelfde zijn als de meeste circuits die de andere vuurmeester in zijn vlammen creëert. De magnetische velden van de circuits zouden elkaar dan grotendeels afstoten, uit elkaar bewegen en de vlammen met zich meeslepen. Dit effect zou ertoe leiden dat de vlammen op elkaar lijken te duwen.
Sterke elektrische stromen kunnen vlammen daadwerkelijk doven, zodat vuurmeesters bestaande branden zouden kunnen blussen. De atomen van de vlammen blijven geïoniseerd, zelfs nadat de vlam is gedoofd, zodat vuurmeesters ook in staat zouden zijn om de beweging van rook te controleren.
Combustionbending
Nu we weten hoe het gewone vuursturen werkt, kunnen we ons gaan verdiepen in geavanceerde technieken. Een van die technieken is “combustionbending”, een enigszins misleidende naam omdat bijna alle “firebending” een vorm van verbranding zou zijn. Hoe dan ook, vuursturen lijkt een straal van hitte, heet gas of plasma af te vuren, rechtstreeks naar een geconcentreerd punt, zodat het in één keer uitzet. Mijn hypothese is dat deze straal eigenlijk waterstofvuur is, dat minder fel brandt dan andere vuren en moeilijker te zien is. Maar als het vuur minder heet is, hoe kan het dan zulke grote explosies veroorzaken? Ik denk dat zoveel waterstofvuur zo snel wordt geproduceerd en dan zo snel wordt verplaatst dat het kleine volume waarin het terechtkomt voor het explodeert een extreem hoge druk en thermische energie heeft. Het vuur wordt met vuursturen in kleine ruimtes samengebald, zodat het drukverschil tussen de compacte vlammen en de omringende lucht een krachtige schokgolf veroorzaakt wanneer de vlammen vrijkomen.
De ringen die we uit de straal zien springen terwijl deze zich verplaatst, zouden vuur kunnen zijn dat ontsnapt in de lucht met lagere druk. Misschien moeten vuurstuurders wat vuur laten ontsnappen, anders vindt de explosie te vroeg plaats.
Vuurvoortstuwing
Vuurvoortstuwing werkt ongeveer zoals ik in een eerder bericht heb beschreven hoe watervoortstuwing werkt. Eerst laadt een vuurmeester zijn eigen lichaam op met elektriciteit om de ionen in de vlammen af te stoten. Dan produceren zij vlammen die snel van hun lichaam worden afgestoten. Ze gebruiken de methode die we eerder hebben vastgesteld om het vuur te keren, zodat het alleen kan ontsnappen in de richting die de vuurmeester wenst. Dit is hoe ze sturen. Terwijl het vuur de ene kant op schiet, wordt de geladen Vuurmeester de andere kant op geduwd dankzij Newton’s derde wet van beweging. Ik ben vooral blij dat ik een verklaring voor deze beweging heb kunnen bedenken, want het is een veelgebruikte truc voor pyrokinetische krachten en het is geweldig!
Fire Whirls
Fire whirls zijn echte gebeurtenissen die meestal voorkomen bij bosbranden. Ze ontstaan doordat hete lucht die uit het vuur opstijgt, zo snel beweegt dat er een sterke wind ontstaat. Meer lucht stroomt in de stijgende kolom en voegt hoekmomentum toe waardoor het vuur gaat draaien. Zo zien ze er in het echt uit:
Vuurwervelingen branden heter dan normale vuren omdat ze meer zuurstof aanzuigen. Vuurmeesters die zulke wervelvlammen maken, ontketenen een hoop energie. Niet alleen dat, de aanvallen zouden meer momentum hebben omdat ze meer massa zouden aantrekken en zich snel zouden uitbreiden langs de as van de rotatie.
Vuurwervelingen kunnen echter ook worden gebruikt om tegenstanders indirect aan te vallen door sterke vlagen van hete wind te creëren. Een vuurmeester kan ervoor kiezen om dit te doen om het gebied dat in zijn aanval terechtkomt te vergroten of om een tegenstander terug te duwen zonder hem te verbranden. We zien dit gebeuren in de aflevering Zuko Alone, waar Zuko een vuurwervel creëert die zijn tegenstander terugduwt zonder hem te verbranden. Later gebruikt hij een soortgelijke beweging in een trainingsgevecht met Aang.
Lichtopwekking en -omleiding
We hebben al gezegd dat vuurstuurders elektrische stromen moeten genereren om te kunnen vuursturen. Aangezien bliksem ontstaat als gevolg van elektriciteit die door lucht beweegt, zou het produceren van bliksem betekenen dat er een voltage moet worden geproduceerd dat hoog genoeg is om de elektrische weerstand van lucht te overwinnen. Vuurstuurders kunnen dit echter veel gemakkelijker doen door verlichting door hun vlammen te sturen. Aangezien vlammen gedeeltelijk geïoniseerd zijn, is het eigenlijk gemakkelijker om elektriciteit door een vlam te sturen dan door lucht. Deze video demonstreert het effect:
Als vuurmeesters elektriciteit door vlammen sturen om bliksem te produceren, verklaart dit hoe ze in staat zijn de beweging ervan door de lucht te controleren en om te buigen. Bliksem omleiden betekent gewoon dat je een pad van vlammen creëert waar de elektriciteit doorheen kan reizen. Dit verklaart ook waarom de personages in de show überhaupt op licht kunnen reageren. Bliksem in de natuur gaat met 200.000 mijl per uur (veel te snel om te ontwijken of te zien aankomen). Vuurmeesterbliksem lijkt veel trager te gaan dan natuurlijke bliksem, waarschijnlijk omdat de vlammen waar de bliksem doorheen gaat niet zo snel gaan. De bliksemaanvallen die we in de show zien zijn geen enkele blikseminslag, maar herhaalde bliksemflitsen, die elk zo ver mogelijk reizen voor ze geen vuur meer hebben om doorheen te gaan. De bliksem bereikt zijn doel pas als de vlammen hun doel hebben bereikt. Dit concept verklaart ook waarom de bliksem in de show vloeibaar en tastbaar lijkt, wat we eigenlijk zien zijn vlammen die grote hoeveelheden elektriciteit geleiden.
Misschien zien we de vlammen zelf niet omdat ze niet bijzonder helder zijn. Een zwakke vlam zoals die van een waterstofvuur zou nog steeds beter elektriciteit geleiden dan lucht. Bij waterstofvuren zijn minder atomen betrokken dan bij andere soorten verbranding, dus is er minder energie nodig om ze te creëren. Vuurmeesters zouden zwakkere vlammen willen gebruiken om richting aan te steken, zodat ze energie konden sparen voor het opwekken van de bliksem zelf. Elk licht dat het waterstofvuur zou afgeven zou worden overstemd door de helderheid van de bliksem die erdoorheen beweegt.
Het maken van verschillende kleuren vuur
Ik heb het al gehad over de vier hoofdkleuren van vuur in de show -geel, oranje, rood-oranje en blauw- en zou dit gedeelte niet eens hebben opgenomen als dit niet was gezien:
Hier zien we de originele vuurmeesters rode, gele, oranje, groene en paarse vlammen produceren. Gewoonlijk nemen vlammen ongewone kleuren aan door het materiaal dat wordt verbrand. De eenvoudigste verklaring is dat de draken chemicaliën uitdrijven die het vuur deze kleuren geven. Echter, Zuko maakt later dezelfde kleuren vuur in het canon stripboek Smoke and Shadow. Dus dit kleuren van vuur moet iets te maken hebben met hoe het vuur wordt gebogen en niet met wat er wordt verbrand. Ik kan twee manieren bedenken waarop dit gebeurt.
- De draken beheersen de temperatuur van de vlammen zo goed met behulp van elektromagnetische velden dat ze regio’s in het vuur kunnen creëren die op verschillende temperaturen branden zonder dat er warmte tussen hen stroomt. Deze verschillende delen van de vlam zouden verschillende frequenties van licht uitstralen, vergelijkbaar met de rode, blauwe en groene pixels op een computerscherm. In dit geval zouden de pixelvlammen blauw, rood, oranje en geel licht uitstralen. Er zou geen groen of paars licht worden uitgezonden. Iedereen die kijkt, ziet alleen een mengeling van blauw en rood of blauw en geel en zijn hersenen interpreteren dat als respectievelijk paars of groen. Dit is het minder waarschijnlijke scenario omdat het waarschijnlijk een veel krankzinniger hoeveelheid energie zou vergen om het voor elkaar te krijgen.
- De draken gebruiken elektromagnetische krachten om de energieniveaus van vrij zwevende elektronen in de vlammen te controleren. Verschillende materialen produceren vlammen van verschillende kleuren omdat hun atomaire structuur slechts elektronen toestaat om in energie met bepaalde hoeveelheden te veranderen. De hoeveelheid energie die elektronen verliezen, bepaalt de frequentie van het uitgestraalde licht. Wanneer elektronen van atomen worden losgemaakt, krijgen zij toegang tot een veel groter aantal energieniveaus en kunnen zij meer verschillende lichtfrequenties uitzenden. Als vuurmeesters de energie van elektronen rechtstreeks kunnen beïnvloeden met elektromagnetisme, kunnen zij de exacte frequentie van het uitgezonden licht bepalen, mogelijk inclusief kleuren als groen en violet. Dit is de meest eenvoudige en waarschijnlijke optie.
Energie putten uit de Zon
Ik heb al gezegd hoe vuurmeesters energie kunnen putten uit de hitte om hen heen, dus is het logisch dat hitte die van de Zon komt hen kracht kan geven. Ik denk ook dat het mogelijk is dat vuurmeesters energie rechtstreeks uit zonlicht kunnen halen. Als de quasideeltjes die de stuurders uitzenden, reageren met fotonen van licht, kunnen ze energie winnen. Die energie kan dan via elektromagnetische inductie naar een vuurmeester worden overgebracht. De geëxciteerde quasideeltjes zouden veranderende magnetische velden voortbrengen die elektrische stromen met nuttige energie produceren. Vuurmeesters worden dan een soort fotovoltaïsche cellen, die lichtenergie omzetten in elektrische energie. Vuurmeesters moeten in staat zijn deze energie op te slaan, anders zouden ze ’s nachts niet kunnen buigen. Dat ze niet meer kunnen buigen tijdens een zonsverduistering slaat nergens op, omdat ze dan ’s nachts ook niet meer zouden kunnen buigen als de aarde tussen hen en de zon staat. Laten we dat maar wijten aan geestenmagie.
Dat is het einde van onze kijk op de fysica van vuursturen.
In mijn volgende post zal ik de fysica van het luchtsturen onder de loep nemen. Laat me zoals altijd weten hoe ik mijn hypotheses uit dit bericht kan verbeteren of beter kan uitleggen. See you next time.
Works Cited
DiMartino, M. D., & Konietzko, B. (Schrijvers). (2010, 30 juni). Avatar: The Last Airbender. Nickelodeon.
DiMartino, M. D., & Konietzko, B. (Schrijvers). (2012, 14 april). De Legende van Korra . Nickelodeon.
Konietzko, B., & Yang, G. L. (n.d.). Avatar: The Last Airbender: Smoke and Shadow Part One. Dark Horse Comics.
Steele, Z. (2020, augustus 05). De fysica van Avatar: The Last Airbender en The Legend of Korra. Retrieved August 05, 2020, from https://medium.com/whiteboard-to-infinity/the-physics-of-avatar-the-last-airbender-and-the-legend-of-korra-1c212efb4b9a
Steele, Z. (2020, August 05). De fysica van Avatar: The Last Airbender en The Legend of Korra. Op 05 augustus 2020 ontleend aan https://medium.com/whiteboard-to-infinity/the-physics-of-avatar-the-last-airbender-and-the-legend-of-korra-1c212efb4b9a
Reich, H. (producent). (2011, 11 september). Wat is vuur? . Retrieved August 5, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=1pfqIcSydgE
Hahn, E. (n.d.). Eric Hahn. Op 5 augustus 2020 ontleend aan https://www.elgas.com.au/blog/1585-why-does-a-gas-flame-burn-blue-lpg-gas-natural-propane-methane
Alkanes. (2020, 14 juli). Op 05 augustus 2020 ontleend aan https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Supplemental_Modules_(Organic_Chemistry)/Hydrocarbons/Alkanes
Alkanes. (n.d.). Op 05 augustus 2020 ontleend aan https://ef.engr.utk.edu/hyperphysics/hbase/Organic/alkane.html
Chemical Recombination. (2020, 26 juni). Op 05 augustus 2020 ontleend aan https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/chemical-recombination.html
Muller, D. (Producent). (2012, 11 september). Wat zit er in een kaarsvlam? . Op 5 augustus 2020 ontleend aan https://www.youtube.com/watch?v=a7_8Gc_Llr8&feature=share
Het controleren van vuur met mijn handen met behulp van een Wimshurst-machine . (2019, 22 december). Op 5 augustus 2020 ontleend aan https://www.youtube.com/watch?v=lF0M-Tr640E&feature=share
Hoe werkt een fotovoltaïsche cel? (n.d.). Op 06 augustus 2020 ontleend aan https://www.planete-energies.com/en/medias/close/how-does-photovoltaic-cell-work
Zawischa, D. (n.d.). Vuur en gloed – het zwarte lichaam. Retrieved August 06, 2020, from https://www.itp.uni-hannover.de/fileadmin/arbeitsgruppen/zawischa/static_html/blackbody.html
Muller, D. (Producent). (2013, 24 juni). Kunnen we echt alles aanraken? . Retrieved August 5, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=bKldI-XGHIw&feature=share
The Action Lab (Producer). (2019, 6 mei). Hoe maak je een Koud Vuur fakkel die je kunt aanraken en niet verbrandt! Op 5 augustus 2020 ontleend aan https://www.youtube.com/watch?v=DnSRbnvm798
Afework, B., Campbell, A., Fedechko, R., Hanania, J., Heffernan, B., Jenden, J., . . . Donev, J. (2020, 31 januari). Verbranding van koolwaterstoffen. Retrieved August 06, 2020, from https://energyeducation.ca/encyclopedia/Hydrocarbon_combustion
Hanania, J., Jenden, J., Stenhouse, K., & Donev, J. (2019, februari 24). Aardolie. Opgehaald 06 augustus 2020, van https://energyeducation.ca/encyclopedia/Petroleum
Types of Fires. (n.d.). Opgehaald op 06 augustus 2020, van https://www.femalifesafety.org/types-of-fires.html
Waterstofvlammen: Waterstof Gereedschap. (n.d.). Retrieved August 06, 2020, from https://h2tools.org/bestpractices/hydrogen-flames
De redactie van Encyclopaedia Britannica. (2018, 27 juli). Schokgolf. Retrieved August 06, 2020, from https://www.britannica.com/science/shock-wave
Patrick, M. (Producent). (2017, 11 juli). Speltheorie: POKEMON – De TERRIFYING TRUTH van Fire Pokemon . Op 5 augustus 2020 ontleend aan https://www.youtube.com/watch?v=fBn6uh-GYwQ&list=LLwXdnmrGRxRWfUtXZRqbUXg&index=134
Fire Whirl. (2020, 6 april). Opgehaald 06 augustus 2020, van https://www.skybrary.aero/index.php/Fire_whirl
Lallanilla, M. (2014, mei 16). Wervelende Vlammen: How Fire Tornadoes Work. Retrieved August 06, 2020, van https://www.livescience.com/45676-what-is-a-firenado.html
National Geographic. (2009, 09 oktober). Feiten en informatie over bliksem. Op 06 augustus 2020 ontleend aan https://www.nationalgeographic.com/environment/natural-disasters/lightning/
Dunbar, Brian. “Waterdamp bevestigd als belangrijke speler in klimaatverandering.” NASA, NASA, 17 nov. 2008, www.nasa.gov/topics/earth/features/vapor_warming.html.
Science Buddies. “Splitting Water.” Scientific American, Scientific American, 7 apr. 2016, www.scientificamerican.com/article/splitting-water/.
Leave a Reply