Fizica mânuirii focului

Să continuăm călătoria noastră în fizica îndoirii cu elementul de putere, focul.

Vă recomand să citiți primele mele trei postări despre fizica lui Avatar și Korra, dacă nu ați făcut-o deja. Va fi important pentru a înțelege restul acestei serii.

Cel mai simplu lucru pe care îl pot face mânuitorii focului este să încălzească lucrurile. Ei au fost arătați chiar făcând acest lucru fără a produce flăcări. Conform ipotezei noastre curente că mânuitorii folosesc electricitatea și magnetismul, putem deduce că mânuitorii focului fac acest lucru pur și simplu trecând un curent electric prin materialul pe care îl încălzesc. Deoarece electricitatea nu se deplasează prin majoritatea materialelor cu o eficiență perfectă, o parte din energia electrică dintr-un curent devine energie termică care încălzește mediul înconjurător.

Absorbția și redirecționarea căldurii

În plus față de încălzirea obiectelor, mânuitorii focului pot, de asemenea, să le răcească. Probabil că fac acest lucru prin aplicarea de sarcini electrice la nivel atomic care încetinesc mișcarea particulelor unei substanțe. Acest lucru ar fi foarte asemănător cu modul în care mânuitorii de apă îngheață apa în gheață. Energia de la atomii răciți ar trebui să ajungă undeva, așa că ar fi convertită în energie cinetică a particulelor care creează câmpurile electrice. Stăpânii focului ar putea apoi să mute aceste particule încărcate departe de materialul răcit, ducând căldura cu ele. Pentru ca particulele din materialul care se răcește să fie afectate de câmpurile electrice, mânuitorii ar trebui mai întâi să le încarce prin ionizare. Sarcinile în mișcare creează un câmp magnetic, iar un câmp magnetic în schimbare creează un curent electric. Prin urmare, schimbarea mișcării particulelor încărcate ar putea induce un curent electric purtător de energie pe care mânuitorii de foc l-ar putea folosi apoi pentru îndoirea lor. Acest lucru explică de ce mânuirea focului este mai puternică în prezența unei mari cantități de căldură, cum ar fi în timpul întoarcerii cometei lui Sozin.

Mânuitorii de foc ar putea, de asemenea, să folosească această tehnică pentru a-și răci propriile flăcări. Mulți dintre atomii din flăcări sunt deja ionizați și ar fi deja susceptibili la câmpurile electrice. Deoarece nucleele atomice sunt mai masive decât electronii, câmpurile electrice poziționate corespunzător ar putea să le încetinească, împingând în același timp electronii mai repede și în direcții noi. Încetinirea nucleelor ar răci flăcările, dar ar lăsa micii electroni în mișcare foarte rapidă. Deoarece energia termică este proporțională cu masa, faptul că electronii se află la o temperatură ridicată nu ar face neapărat ca flacăra să fie fierbinte. Ar rămâne totuși o flacără, deoarece starea materiei sale ar fi în continuare ceea ce se numește o plasmă parțială. Îndrumătorii focului ar putea dori să își răcească flăcările atunci când se antrenează pentru a nu-și arde adversarii. Iată un videoclip despre crearea de plasme parțiale reci:

Crearea, susținerea și intensificarea focului

Controlul focului este unic deoarece focul nu este atât de mult o substanță fizică, cât o reacție chimică continuă. Flăcările reale pe care le vedeți sunt produsele reacției dintre o anumită sursă de combustibil și oxigen. Flacăra este fierbinte și vizibilă pentru că o parte din energia care a fost stocată în legăturile chimice ale reactanților este eliberată sub formă de căldură, lumină și sunet. Înțelegând ce este focul, putem deduce că mânuitorii focului creează focul în trei etape. În primul rând, ei folosesc curenți electrici controlați cu precizie pentru a ioniza moleculele de dioxid de carbon, hidrogen și oxigen din aer. Apoi, ei folosesc câmpuri electrice pentru a recombina atomii ionizați cu electronii liberi și a forma noi molecule. Coliziunile dintre particulele care formează aceste molecule le lasă acestora o energie cinetică ridicată, ceea ce înseamnă că au energia necesară pentru a intra în combustie spontană. În cele din urmă, moleculele formate din ioni intră în combustie spontană și devin dioxid de carbon și vapori de apă. Acești reactanți sunt ceea ce vedeți în flăcări. Moleculele pe care le formează licuricii pentru combustie sunt probabil alcani, cum ar fi metanul și propanul, precum și alte hidrocarburi, cum ar fi petrolul, plus oxigen și apă ca produs rezidual. Această explicație înseamnă că mânuitorii focului creează literalmente combustibilul pentru focul lor din aer. Iată un exemplu al uneia dintre posibilele reacții pe care mânuitorii focului ar putea să le producă:

Acum este important să vorbim despre tipul de combustie care are loc. Pe baza culorilor focului pe care le vedem în Avatar, se pare că majoritatea mânuitorilor focului folosesc combustia incompletă. Aceasta este o combustie în care reacția nu primește suficient oxigen și arde în galben sau roșu. Aceste flăcări sunt mai puțin fierbinți decât cele ale combustiei complete, care este atunci când focul poate primi suficient oxigen și arde albastru. Așadar, stăpânirea focului albastru se realizează cu combustie completă și eliberează mai multă căldură decât stăpânirea focului obișnuită. Culoarea galbenă sau roșie a combustiei incomplete este rezultatul particulelor fine ale substanței arse care se ridică fără să reacționeze și strălucesc datorită incandescenței. Incandescența este atunci când un obiect radiază energia termică sub formă de lumină vizibilă. Pentru ca acest lucru să ne dea culorile galben, portocaliu și roșu-portocaliu ale focului pe care le vedem prin Avatar și Korra, mânuitorii focului ar trebui să creeze o mulțime de hidrocarburi capabile să atingă temperaturi incandescente fără a arde în timpul combustiei incomplete.

Problema cu combustia incompletă este că produce monoxid de carbon, care este periculos pentru oameni în cantități suficient de mari. Stăpânii focului ar putea să ocolească această problemă folosind controlul lor precis al electromagnetismului pentru a forța oxigenul și monoxidul de carbon să reacționeze și să formeze dioxid de carbon. Tipul de combustie completă folosit de mânuitorii focului albaștri ar produce vapori de apă. Vaporii de apă sunt un gaz cu efect de seră, ceea ce ar ajuta flăcările să transfere căldura, dar ar fi rău pentru mediu. Stăpânii focului ar putea ocoli acest aspect prin trecerea unui curent electric prin vaporii de apă pe care îi creează. Acest lucru l-ar descompune în molecule de hidrogen și oxigen printr-un proces numit electroliză.

Mișcarea, modelarea și devierea focului

Acum știm cum fac mânuitorii focului focul, dar cum sunt capabili să controleze forma și mișcarea acestuia? Răspunsul este de fapt destul de simplu și are de-a face cu natura flăcărilor. Flăcările sunt plasme parțiale, ceea ce înseamnă că unii dintre atomii din ele au fost ionizați ca urmare a energiei eliberate de combustie. Deoarece flăcările conțin ioni, ele pot fi afectate de curenții electrici. Atunci când un curent electric trece printr-o flacără, ionii pozitivi din flacără se deplasează spre curentul de intrare, iar ionii negativi se deplasează spre curentul de ieșire. Acest lucru produce un fel de formă de fluture în flacără:

Utilizând această proprietate a flăcărilor, ne putem imagina că un circuit în mișcare ar târî de-a lungul unei flăcări, iar pe măsură ce flacăra se mișcă, maestrul focului schimbă continuu locul în care creează combustia, astfel încât flacăra să nu fie împrăștiată. Un astfel de control al focului poate fi vizualizat folosind această diagramă:

Flăcările pot fi, de asemenea, respinse sau atrase într-o singură direcție prin aplicarea unui câmp electric. Iată un videoclip care demonstrează acest efect:

Utilizând aceste procese cu suficientă precizie, un mânuitor al focului cu control asupra fluxului de electricitate ar putea muta flăcările cam în orice direcție ar dori. Acest lucru este valabil pentru flăcările pe care le produc ei înșiși, dar și pentru flăcările care apar în mod natural sau care sunt produse de alți mânuitori.

O imagine comună pe care o vedem în luptele dintre mânuitori ai focului este cea a flăcărilor produse de un mânuitor care împinge împotriva flăcărilor celuilalt. Bănuiesc că ceea ce s-ar întâmpla de fapt aici este că mânuitorii focului schimbă direcția în care curg curenții electrici pe care îi creează. Ei fac acest lucru pentru a schimba alinierea câmpurilor magnetice create de fiecare circuit, astfel încât acestea să fie la fel ca majoritatea circuitelor din apropiere create de celălalt mânuitor al focului în flăcările lor. Astfel, câmpurile magnetice ale circuitelor se vor respinge în cea mai mare parte între ele, îndepărtându-se și antrenând flăcările cu ele. Acest efect ar face ca flăcările să pară că se împing una pe alta.

Curenții electrici suficient de puternici pot de fapt să stingă flăcările, așa că mânuitorii focului ar fi capabili să stingă incendiile existente. Atomii din flăcări rămân ionizați chiar și după ce flacăra se stinge, așa că mânuitorii focului ar putea, de asemenea, să controleze mișcarea fumului.

Mânuirea combustiei

Acum că știm cum funcționează mânuirea obișnuită a focului, putem trece la tehnici avansate. Una dintre aceste tehnici este stăpânirea combustiei, a cărei denumire este oarecum înșelătoare, deoarece aproape toată stăpânirea focului ar fi o formă de combustie. În orice caz, mânuitorii de combustie par să tragă un fascicul de căldură, gaz fierbinte sau plasmă direct într-un punct concentrat pentru ca acesta să se extindă deodată. Ipoteza mea este că acest fascicul este de fapt foc de hidrogen, care arde mai puțin strălucitor decât alte focuri și este mai greu de văzut. Dar dacă focul este mai puțin fierbinte, cum poate crea explozii atât de mari? Ei bine, cred că ceea ce se întâmplă este că atât de mult foc de hidrogen este produs atât de repede și apoi deplasat atât de repede încât volumul mic în care ajunge înainte de a exploda are o presiune și o energie termică extrem de mare. Focul este ținut încorsetat în spații strâmte cu ajutorul aprinderii focului, atât de strânse încât diferența de presiune dintre flăcările compacte și aerul din jur produce o puternică undă de șoc atunci când flăcările sunt eliberate.

Inelele pe care le vedem ieșind din fascicul în timp ce acesta se deplasează ar putea fi focul care scapă în aerul cu presiune mai mică. Poate că mânuitorii combustiei trebuie să lase focul să iasă, altfel explozia are loc prea devreme.

Propulsie cu foc

Propulsia cu foc funcționează foarte asemănător cu modul în care am descris funcționarea propulsiei cu apă într-un mesaj anterior. În primul rând, un mânuitor al focului își încarcă propriul corp cu electricitate, astfel încât să respingă ionii din flăcări. Apoi, ei produc flăcări care sunt rapid respinse de corpul lor. Ei folosesc metoda pe care am determinat-o mai devreme pentru a încolți focul astfel încât acesta să poată scăpa doar în direcția dorită de mânuitorul de foc. Acesta este modul în care se orientează. Pe măsură ce focul iese într-o direcție, mânuitorul focului încărcat este împins în direcția opusă datorită celei de-a treia legi a mișcării lui Newton. Mă bucur în mod special că am reușit să mă gândesc la o explicație pentru această mișcare, deoarece este un tropar foarte comun pentru pirocinetici și este minunat!

Fire Whirls

Vârtejurile de foc sunt evenimente reale care au loc, de obicei, în timpul incendiilor de pădure. Ele se produc deoarece aerul fierbinte care se ridică din foc se mișcă atât de rapid încât creează un vânt puternic. Mai mult aer se precipită în coloana ascendentă și adaugă un impuls unghiular care face ca focul să se învârtă. Iată cum arată ele în viața reală:

Vârtejurile de incendiu ard mai tare decât incendiile normale pentru că aspiră mai mult oxigen. Maeștrii focului care creează astfel de vârtejuri de foc ar dezlănțui o cantitate mare de energie. Nu numai atât, atacurile ar avea mai mult elan deoarece ar atrage mai multă masă și s-ar extinde rapid de-a lungul axei de rotație.

Cu toate acestea, vârtejurile de foc ar putea fi, de asemenea, folosite pentru a ataca adversarii în mod indirect prin crearea unor rafale puternice de vânt fierbinte. Un mânuitor al focului poate alege să facă acest lucru pentru a mări zona care este prinsă în atacul său sau pentru a împinge un adversar înapoi fără a fi nevoit să-l ardă. Vedem că acest lucru se întâmplă în episodul Zuko Alone, unde Zuko creează un vârtej de foc care își împinge adversarul înapoi fără să-l ardă. Ulterior, el folosește o mișcare similară într-o luptă de antrenament cu Aang.

Generarea și redirecționarea luminii

.

Am menționat deja că mânuitorii focului trebuie să genereze curenți electrici pentru a face firebend. Din moment ce fulgerele apar ca urmare a electricității care se mișcă prin aer, producerea de fulgere ar însemna să producă o tensiune suficient de mare pentru a depăși rezistența electrică a aerului. Totuși, mânuitorii focului ar putea face acest lucru mult mai ușor trimițând lumina prin flăcările lor. Deoarece flăcările sunt parțial ionizate, este de fapt mai ușor să trimiți electricitate printr-o flacără decât prin aer. Acest videoclip demonstrează efectul:

Dacă mânuitorii focului trimit electricitate prin flăcări pentru a produce fulgere, se explică modul în care ei sunt capabili să controleze mișcarea acesteia prin aer și să o redirecționeze. Redirecționarea fulgerului înseamnă doar crearea unui traseu de flăcări prin care să se deplaseze electricitatea. Acest lucru explică, de asemenea, de ce este posibil ca personajele din serial să reacționeze la lumină. În natură, fulgerele se deplasează cu 320.000 de kilometri pe oră (mult prea repede pentru a fi evitate sau văzute venind). Fulgerul Firebender pare să se miște mult mai încet decât fulgerele naturale, ceea ce se datorează probabil faptului că flăcările prin care trece fulgerul nu se mișcă la fel de repede. Atacurile cu fulgere pe care le vedem în serial nu sunt fulgere unice, ci fulgere repetate, fiecare dintre ele călătorind cât de departe poate înainte de a rămâne fără foc prin care să se deplaseze. Fulgerul ajunge la țintă doar după ce flăcările își ating ținta. Acest concept explică și de ce fulgerele din serial par fluide și tangibile, ceea ce vedem de fapt sunt flăcări care conduc cantități mari de electricitate.

Poate că nu vedem flăcările în sine pentru că nu sunt deosebit de luminoase. O flacără slabă, precum cea de la un foc de hidrogen, ar fi totuși mai bună la conducerea electricității decât aerul. Focurile de hidrogen implică mai puțini atomi decât alte tipuri de combustie, astfel încât ar necesita mai puțină energie pentru a fi create. Îndrumătorii focului ar dori să folosească flăcări mai slabe pentru direcția de iluminare, astfel încât să poată economisi energie pentru generarea fulgerului în sine. Orice lumină pe care focul de hidrogen ar emana ar fi înecată de strălucirea fulgerului care se mișcă prin el.

Crearea diferitelor culori ale focului

Am vorbit deja despre cele patru culori principale ale focului în spectacol – galben, portocaliu, roșu-portocaliu și albastru – și nici măcar nu aș fi inclus această secțiune dacă nu ar fi fost văzut acest lucru:

Aici, îi vedem pe mânuitorii focului originali producând flăcări roșii, galbene, portocalii, verzi și mov. De obicei, flăcările capătă culori neobișnuite din cauza materialului care este ars. Cea mai simplă explicație este că dragonii expulzează substanțe chimice care dau focului aceste culori. Cu toate acestea, Zuko continuă mai târziu să creeze aceleași culori ale focului în cartea de benzi desenate canonice Smoke and Shadow. Așadar, această colorare a focului trebuie să aibă legătură cu modul în care focul este îndoit și nu cu ceea ce este ars. Mă pot gândi la două moduri în care se întâmplă acest lucru.

1. Dragoni controlează atât de bine temperatura flăcărilor folosind câmpuri electromagnetice încât pot crea regiuni în foc care ard la temperaturi diferite fără ca căldura să circule între ele. Aceste secțiuni diferite ale flăcării ar emite frecvențe diferite de lumină, asemănătoare pixelilor roșii, albaștri și verzi de pe un ecran de calculator. În acest caz, pixelii flăcării ar emite lumină albastră, roșie, portocalie și galbenă. Nu ar fi emisă nicio lumină verde sau violet. Oricine ar privi ar vedea doar un amestec de albastru și roșu sau albastru și galben, iar creierul lor l-ar interpreta ca fiind violet, respectiv verde. Acesta este scenariul cel mai puțin probabil, deoarece ar necesita probabil o cantitate de energie mult mai nebună pentru a o realiza.
2. Dragoni folosesc forțe electromagnetice pentru a controla nivelurile de energie ale electronilor care plutesc liber în flăcări. Diferite materiale produc flăcări de culori diferite deoarece structura lor atomică permite electronilor să își schimbe energia doar cu anumite cantități. Cantitatea de energie pierdută de electroni determină frecvența luminii emise. Atunci când electronii sunt desprinși din atomi, ei au acces la un număr mult mai mare de niveluri de energie și pot emite mai multe frecvențe distincte de lumină. Dacă mânuitorii focului ar putea afecta în mod direct energia electronilor atunci când nu sunt legați, folosind electromagnetismul, ar putea controla frecvența exactă a luminii emise, incluzând, eventual, culori precum verde și violet. Aceasta este opțiunea cea mai directă și mai probabilă.

Scoaterea energiei de la Soare

Am menționat deja cum mânuitorii focului ar putea extrage energie din căldura din jurul lor, așa că este logic că căldura provenită de la Soare le-ar putea da putere. De asemenea, cred că este posibil ca mânuitorii focului să valorifice energia direct din lumina Soarelui. Dacă cvasiparticulele emise de mânuitori interacționează cu fotonii de lumină, ei ar putea obține energie. Această energie ar putea fi apoi transferată unui mânuitor al focului prin inducție electromagnetică. Cvasiparticulele excitate ar produce câmpuri magnetice schimbătoare, care ar produce apoi curenți electrici purtători de energie utilă. Astfel, mânuitorii focului ar fi un fel de celule fotovoltaice, care convertesc energia din lumină în energie electrică. În caz contrar, ei nu ar putea să se îndoaie noaptea. În ceea ce privește faptul că își pierd curbarea în timpul unei eclipse solare, acest lucru nu are sens, deoarece sugerează că ar trebui să-și piardă curbarea și noaptea, când Pământul se află între ei și Soare. Să punem asta pe seama magiei spiritelor.

Aceasta încheie privirea noastră asupra fizicii mânuirii focului.

În următoarea postare, voi examina fizica mânuirii aerului. Ca întotdeauna, spuneți-mi cum aș putea să-mi îmbunătățesc ipotezele din acest post sau să le explic mai bine. Ne vedem data viitoare.

Lucrări citate

DiMartino, M. D., & Konietzko, B. (Scriitori). (2010, 30 iunie). Avatar: The Last Airbender . Nickelodeon.

DiMartino, M. D., & Konietzko, B. (Scenariști). (2012, 14 aprilie). Legenda lui Korra . Nickelodeon.

Konietzko, B., & Yang, G. L. (n.red.). Avatar: The Last Airbender: Smoke and Shadow Part One. Dark Horse Comics.

Steele, Z. (2020, 05 august). The Physics of Avatar: The Last Airbender and 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). The Physics of Avatar: The Last Airbender and 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

Reich, H. (Producător). (2011, 11 septembrie). Ce este focul? Retrieved August 5, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=1pfqIcSydgE

Hahn, E. (n.red.). Eric Hahn. Retrieved August 05, 2020, from https://www.elgas.com.au/blog/1585-why-does-a-gas-flame-burn-blue-lpg-gas-natural-propane-methane

Alkanes. (2020, 14 iulie). Retrieved August 05, 2020, from https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Supplemental_Modules_(Organic_Chemistry)/Hydrocarbons/Alkanes

Alkanes. (n.red.). Retrieved August 05, 2020, from https://ef.engr.utk.edu/hyperphysics/hbase/Organic/alkane.html

Chemical Recombination. (2020, 26 iunie). Retrieved August 05, 2020, from https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/chemical-recombination.html

Muller, D. (Producer). (2012, 11 septembrie). Ce este în flacăra unei lumânări? . Retrieved August 5, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=a7_8Gc_Llr8&feature=share

Controlling Fire With My Hands Using a Wimshurst Machine . (2019, 22 decembrie). Retrieved August 5, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=lF0M-Tr640E&feature=share

How Does a Photovoltaic Cell Work? (n.d.). Retrieved August 06, 2020, from https://www.planete-energies.com/en/medias/close/how-does-photovoltaic-cell-work

Zawischa, D. (n.d.). Foc și strălucire – corpul negru. Retrieved August 06, 2020, from https://www.itp.uni-hannover.de/fileadmin/arbeitsgruppen/zawischa/static_html/blackbody.html

Muller, D. (Producător). (2013, 24 iunie). Putem atinge cu adevărat ceva? . Retrieved August 5, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=bKldI-XGHIw&feature=share

The Action Lab (Producător). (2019, 6 mai). How to Make a Cold Fire Torch That You Can Touch and Not Get Burned!. Retrieved August 5, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=DnSRbnvm798

Afework, B., Campbell, A., Fedechko, R., Hanania, J., Heffernan, B., Jenden, J., . . . Donev, J. (2020, 31 ianuarie). Arderea hidrocarburilor. Retrieved August 06, 2020, from https://energyeducation.ca/encyclopedia/Hydrocarbon_combustion

Hanania, J., Jenden, J., Stenhouse, K., & Donev, J. (2019, February 24). Petrolul. Retrieved August 06, 2020, from https://energyeducation.ca/encyclopedia/Petroleum

Types of Fires. (n.d.). Retrieved August 06, 2020, from https://www.femalifesafety.org/types-of-fires.html

Hydrogen Flames: Hydrogen Tools (în engleză). (n.d.). Retrieved August 06, 2020, from https://h2tools.org/bestpractices/hydrogen-flames

The Editors of Encyclopaedia Britannica. (2018, 27 iulie). Undă de șoc. Retrieved August 06, 2020, from https://www.britannica.com/science/shock-wave

Patrick, M. (Producător). (2017, 11 iulie). Teoria jocurilor: POKEMON – ADEVĂRUL TERIFIANT al Pokemonilor de foc . Retrieved August 5, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=fBn6uh-GYwQ&list=LLwXdnmrGRxRWfUtXZRqbUXg&index=134

Fire Whirl. (2020, 6 aprilie). Retrieved August 06, 2020, from https://www.skybrary.aero/index.php/Fire_whirl

Lallanilla, M. (2014, May 16). Vârtej de flăcări: How Fire Tornadoes Work (Cum funcționează tornadele de foc). Retrieved August 06, 2020, from https://www.livescience.com/45676-what-is-a-firenado.html

National Geographic. (2009, octombrie 09). Fapte și informații despre fulgere. Retrieved August 06, 2020, from https://www.nationalgeographic.com/environment/natural-disasters/lightning/

Dunbar, Brian. „Water Vapored Confirmed as Major Player in Climate Change” (în engleză). NASA, NASA, 17 nov. 2008, www.nasa.gov/topics/earth/features/vapor_warming.html.

Science Buddies. „Divizarea apei”. Scientific American, Scientific American, 7 apr. 2016, www.scientificamerican.com/article/splitting-water/.

.