Fysik för eldbändning
Fysik för Avatar: The Last Airbender och The Legend of Korra
Låt oss fortsätta vår resa i böjningens fysik med kraftelementet eld.
Jag rekommenderar att du läser mina tre första inlägg om fysiken i Avatar och Korra om du inte redan har gjort det. Det kommer att vara viktigt för att förstå resten av den här serien.
Det enklaste som eldbändare kan göra är att värma upp saker. De har till och med visats göra detta utan att producera lågor. Enligt vår löpande hypotes att bändare använder sig av elektricitet och magnetism kan vi dra slutsatsen att eldsbändare gör detta helt enkelt genom att låta en elektrisk ström löpa genom det material de värmer upp. Eftersom elektricitet inte rör sig genom de flesta material med perfekt effektivitet blir en del av den elektriska energin från en ström till termisk energi som värmer upp omgivningen.
Heat Absorption and Redirection
Förutom att värma upp föremål kan eldsbändare också kyla ner dem. Detta gör de troligen genom att applicera elektriska laddningar på atomnivå som bromsar rörelsen hos ett ämnes partiklar. Detta skulle vara mycket likt det sätt på vilket vattenbändare fryser vatten till is. Energin från atomerna som kyls ner skulle behöva gå någonstans, så den skulle omvandlas till kinetisk energi hos partiklarna som skapar de elektriska fälten. Eldsbändarna skulle sedan kunna flytta dessa laddningspartiklar bort från det material som kyls och föra bort värmen med dem. För att partiklarna i det material som kyls ska påverkas av elektriska fält måste eldbändarna först ladda dem genom jonisering. Rörliga laddningar skapar ett magnetfält, och ett förändrat magnetfält skapar en elektrisk ström. Därför skulle de laddade partiklarnas förändrade rörelse kunna framkalla en elektrisk ström som bär på energi som eldbändarna sedan skulle kunna använda för sin böjning. Detta förklarar varför eldbändning är starkare i närvaro av mycket värme som under återkomsten av Sozins komet.
Fyrbändare skulle också kunna använda denna teknik för att kyla sina egna lågor. Många av atomerna i lågorna är redan joniserade och skulle redan vara mottagliga för elektriska fält. Eftersom atomkärnor är mer massiva än elektroner kan rätt placerade elektriska fält sakta ner dem samtidigt som de driver elektronerna snabbare och i nya riktningar. Att bromsa atomkärnorna skulle kyla ner lågorna, men låta de små elektronerna fortsätta att röra sig mycket snabbt. Eftersom värmeenergin är proportionell mot massan skulle elektronerna, som har en hög temperatur, inte nödvändigtvis göra lågan varm. Den skulle dock förbli en flamma eftersom dess materiatillstånd fortfarande skulle vara vad som är känt som en partiell plasma. Eldsbändare kanske vill kyla sina flammor när de tränar för att inte bränna sina motståndare. Här är en video om att skapa kalla partiella plasmor:
Skapa, upprätthålla och intensifiera eld
Fyrenbändning är unik eftersom eld inte så mycket är en fysisk substans som det är en pågående kemisk reaktion. De faktiska lågorna du ser är produkter av reaktionen mellan någon bränslekälla och syre. Lågan är varm och synlig eftersom en del av den energi som lagrats i reaktanternas kemiska bindningar frigörs som värme, ljus och ljud. När vi förstår vad eld är kan vi dra slutsatsen att eldsjälar skapar eld i tre steg. Först använder de exakt kontrollerade elektriska strömmar för att jonisera koldioxid-, väte- och syremolekyler i luften. Därefter använder de elektriska fält för att rekombinera de joniserade atomerna med de fria elektronerna och bilda nya molekyler. Kollisionerna mellan de partiklar som bildar dessa molekyler ger dem en hög kinetisk energi, vilket innebär att de har den energi som krävs för att spontant brinna upp. Slutligen spontanförbränns de molekyler som bildas av jonerna och blir till koldioxid och vattenånga. Det är dessa reaktanter som du ser i lågorna. De molekyler som eldsjälarna bildar för förbränning är sannolikt alkaner, som metan och propan, samt andra kolväten, som petroleum, plus syre och vatten som en avfallsprodukt. Denna förklaring innebär att eldsjälarna bokstavligen skapar bränslet till sin eld ur tomma luften. Här är ett exempel på en av de möjliga reaktioner som eldsjälar skulle kunna casuera:
Nu är det viktigt att vi talar om vilken typ av förbränning som pågår. Baserat på färgerna på elden som vi ser i Avatar verkar det som om de flesta eldbändare använder sig av ofullständig förbränning. Detta är förbränning där reaktionen inte får tillräckligt med syre och brinner gult eller rött. Dessa lågor är mindre heta än de vid fullständig förbränning, vilket är när elden kan få tillräckligt med syre och brinner blått. Så blå eldbändning uppnås med fullständig förbränning och frigör mer värme än vanlig eldbändning. Den gula eller röda färgen vid ofullständig förbränning är resultatet av att fina partiklar av ämnet som förbränns stiger upp utan att reagera och glöder på grund av glöd. Glödning är när ett föremål strålar bort värmeenergi i form av synligt ljus. För att detta ska ge oss de gula, orange och röd-orange färgerna på eld som vi ser i Avatar och Korra, skulle eldsbändarna behöva skapa en massa kolväten som kan nå glödande temperaturer utan att förbrännas under ofullständig förbränning.
Problemet med ofullständig förbränning är att den ger upphov till kolmonoxid, som är farlig för människor i tillräckligt stora mängder. Eldsjälar kan komma runt detta genom att använda sin exakta kontroll av elektromagnetism för att tvinga syre och kolmonoxid att reagera och bilda koldioxid. Den typ av fullständig förbränning som används av blå eldsjälar skulle producera vattenånga. Vattenånga är en växthusgas, vilket skulle hjälpa lågorna att överföra värme, men vara dåligt för miljön. Eldsjälar skulle kunna kringgå detta genom att låta en elektrisk ström löpa genom den vattenånga de skapar. Det skulle bryta upp den i väte- och syremolekyler via en process som kallas elektrolys.
Beröra, forma och avleda eld
Nu vet vi hur eldsbändare gör eld, men hur kan de kontrollera dess form och rörelse? Svaret är faktiskt ganska enkelt och har att göra med lågornas natur. Flammor är partiella plasmor, vilket innebär att en del av atomerna i dem har joniserats som ett resultat av den energi som frigörs vid förbränningen. Eftersom flammor innehåller joner kan de påverkas av elektriska strömmar. När en elektrisk ström löper genom en låga rör sig de positiva jonerna i lågan mot den inkommande strömmen och de negativa jonerna mot den utgående strömmen. Detta ger en slags fjärilsform i lågan:
Med hjälp av denna egenskap hos lågorna kan vi föreställa oss att en rörlig strömkrets skulle dra längs med en låga, och när lågan rör sig ändrar eldsjälen kontinuerligt den plats där de skapar förbränning så att lågan inte blir utspridd. Eldbändning på det här sättet kan visualiseras med hjälp av det här diagrammet:
Flågor kan också stötas bort eller dras till sig i bara en riktning genom att applicera ett elektriskt fält. Här är en video som visar den effekten:
Om man använder dessa processer tillräckligt exakt kan en eldsmakare med kontroll över elflödet flytta flammor i stort sett hur han eller hon vill. Detta gäller för de flammor som de själva producerar, men även flammor som uppstår naturligt eller som produceras av andra eldbändare.
En vanlig bild som vi ser i strider mellan eldsjälar är flammorna som produceras av att den ena eldsjälaren trycker mot den andras flammor. Jag misstänker att det som egentligen skulle hända här är att eldbändare ändrar riktningen i vilken de elektriska strömmar de skapar flödar. De gör detta för att ändra inriktningen på de magnetfält som skapas av varje krets så att de är likadana som de flesta av de närliggande kretsar som skapas av den andra eldbändaren i deras flammor. Kretsarnas magnetfält skulle då mestadels stöta bort varandra, flytta sig isär och dra med sig lågorna. Denna effekt skulle resultera i att flammorna verkar skjuta på varandra.
Strarka nog elektriska strömmar kan faktiskt släcka flammor, så eldsjälar skulle kunna släcka befintliga bränder. Atomerna från lågorna förblir joniserade även efter att lågan slocknat, så eldbändare skulle också kunna kontrollera rökens rörelse.
Förbränningsbändning
Nu när vi vet hur vanlig eldbändning fungerar, kan vi gå in på avancerade tekniker. En sådan teknik är förbränningsbändning, som har ett något missvisande namn eftersom all nästan all eldbändning skulle vara en form av förbränning. Oavsett detta verkar det som att förbränningsbändare avfyrar en stråle av antingen värme, varm gas eller plasma direkt till en koncentrerad punkt för att den ska expandera på en gång. Min hypotes är att denna stråle faktiskt är väteeld, som brinner mindre starkt än andra eldar och är svårare att se. Men om elden är mindre varm, hur kan den då skapa så stora explosioner? Jo, jag tror att det som händer är att så mycket vätgaseld produceras så snabbt och sedan förflyttas så snabbt att den lilla volym som den hamnar i innan den exploderar har ett extremt högt tryck och värmeenergi. Elden hålls korrumperad i trånga utrymmen med eldbändning, så trånga att tryckskillnaden mellan de kompakta lågorna och den omgivande luften producerar en kraftfull chockvåg när lågorna släpps ut.
Ringarna som vi ser poppa ut ur strålen när den rör sig skulle kunna vara eld som flyr in i den lägre tryckluften. Kanske måste förbränningsbenders släppa ut lite eld annars sker explosionen för tidigt.
Förbränningsframdrivning
Förbränningsframdrivning fungerar på ett mycket liknande sätt som det sätt som jag beskrev att vattenframdrivning fungerar på i ett tidigare inlägg. För det första laddar en eldsbändare sin egen kropp med elektricitet så att den stöter bort jonerna i lågorna. Därefter producerar de flammor som snabbt stöts bort från deras kropp. De använder den metod vi bestämde tidigare för att korralisera elden så att den bara kan fly i den riktning som eldsjälen önskar. Detta är hur de styr. När elden skjuter iväg i en riktning skjuts den laddade eldsjälen åt andra hållet tack vare Newtons tredje rörelselag. Jag är särskilt glad att jag kunde komma på en förklaring till detta drag eftersom det är en mycket vanlig trope för pyrokinetiker och den är fantastisk!
Fire Whirls
Fire whirls är verkliga händelser som vanligtvis inträffar vid skogsbränder. De inträffar eftersom varm luft som stiger upp från branden rör sig så snabbt att det skapar en stark vind. Mer luft rusar in i den stigande kolonnen och tillför vinkelmoment som får elden att snurra. Så här ser de ut i verkligheten:
Fyrvirvlar brinner hetare än vanliga bränder eftersom de suger in mer syre. Eldsjälar som skapar eldvirvlar som dessa skulle släppa loss mycket energi. Inte bara det, attackerna skulle bära mer momentum eftersom de skulle dra in mer massa och expandera snabbt längs rotationsaxeln.
Förresten kunde eldvirvlar också användas för att angripa motståndarna indirekt genom att skapa kraftiga vindstötar av varm vind. En eldbändare kan välja att göra detta för att öka det område som fångas i deras attack eller för att trycka tillbaka en motståndare utan att behöva bränna dem. Vi ser detta hända i avsnittet Zuko Alone, där Zuko skapar en eldvirvel som trycker tillbaka sin motståndare utan att bränna honom. Han använder senare ett liknande drag i en träningsstrid med Aang.
Ljusgenerering och omdirigering
Vi har redan nämnt att eldbändare måste generera elektriska strömmar för att eldbända. Eftersom blixtar uppstår som ett resultat av elektricitet som rör sig genom luft, skulle det att producera blixtar innebära att producera en tillräckligt hög spänning för att övervinna luftens elektriska motstånd. Eldbändare skulle dock kunna göra detta mycket lättare genom att skicka belysning genom sina flammor. Eftersom lågor är delvis joniserade är det faktiskt lättare att skicka elektricitet genom en låga än genom luft. Den här videon visar effekten:
Om eldsjälar skickar elektricitet genom flammor för att producera blixtar, förklarar det hur de kan kontrollera dess rörelse genom luften och omdirigera den. Att omdirigera blixten innebär bara att skapa en väg av flammor som elektriciteten kan färdas genom. Detta förklarar också varför det är möjligt för karaktärerna i serien att reagera på belysning överhuvudtaget. Blixtar i naturen rör sig i en hastighet av 200 000 miles i timmen (alldeles för snabbt för att man ska kunna undvika eller se dem komma). Eldsjälarnas blixtar verkar röra sig mycket långsammare än naturliga blixtar, vilket troligen beror på att lågorna som blixten färdas genom inte rör sig lika snabbt. De blixtattacker som vi ser i serien är inte enskilda blixtnedslag, utan upprepade blixtar, där varje blixt färdas så långt den kan innan den får slut på eld att röra sig genom. Blixten når sitt mål först när lågorna når sitt mål. Detta koncept förklarar också varför blixten i serien verkar flytande och påtaglig, vad vi faktiskt ser är flammor som leder stora mängder elektricitet.
Kanske ser vi inte själva flammorna eftersom de inte är särskilt ljusa. En svag flamma som den från en vätgasbrand skulle ändå vara bättre på att leda elektricitet än luft. Vätgasbränder involverar färre atomer än andra typer av förbränning, så det skulle krävas mindre energi för att skapa dem. Eldsbändare skulle vilja använda svagare flammor för att tända riktningen så att de kunde spara energi för att generera själva blixten. Allt ljus som vätgaselden avger skulle dränkas av ljusstyrkan hos blixten som rör sig genom den.
Skapa olika färger på eld
Jag har redan talat om de fyra huvudfärgerna på eld i showen – gult, orange, röd-orange och blått – och skulle inte ens ha tagit med det här avsnittet om det inte hade varit för det här sett:
Här ser vi de ursprungliga eldsjälarna producera röda, gula, orange, gröna och lila lågor. Vanligtvis får flammor ovanliga färger på grund av materialet som bränns. Den enklaste förklaringen är att drakarna utstöter kemikalier som ger elden dessa färger. Zuko fortsätter dock senare att skapa samma färger på elden i den kanoniserade serietidningen Smoke and Shadow. Så denna färgning av elden måste ha något att göra med hur elden böjs och inte vad som bränns. Jag kan tänka mig två sätt som detta sker på:
- Drakarna kontrollerar temperaturen på lågorna så bra med hjälp av elektromagnetiska fält att de kan skapa områden i elden som brinner vid olika temperaturer utan att värme flödar mellan dem. Dessa olika flamavsnitt skulle avge olika ljusfrekvenser som liknar de röda, blå och gröna pixlarna på en datorskärm. I det här fallet skulle pixelflammarna avge blått, rött, orange och gult ljus. Det skulle inte avges något grönt eller lila ljus. Den som tittar skulle bara se en blandning av blått och rött eller blått och gult och deras hjärnor skulle tolka det som lila respektive grönt. Detta är det mindre troliga scenariot eftersom det sannolikt skulle kräva en mycket mer vansinnig mängd energi för att lyckas.
- Drakarna använder elektromagnetiska krafter för att kontrollera energinivåerna hos fritt svävande elektroner i lågorna. Olika material ger upphov till flammor i olika färger eftersom deras atomstruktur endast tillåter elektroner att ändra energi med vissa mängder. Mängden energi som elektronerna förlorar bestämmer frekvensen på det ljus som sänds ut. När elektroner frigörs från atomer får de tillgång till ett mycket större antal energinivåer och kan avge mer distinkta ljusfrekvenser. Om eldsjälar kunde påverka elektronernas energi direkt när de är obundna med hjälp av elektromagnetism, skulle de kunna styra den exakta frekvensen av det ljus som sänds ut, och eventuellt inkludera färger som grönt och violett. Detta är det mer okomplicerade och troliga alternativet.
Avdra energi från solen
Jag har redan nämnt hur eldsjälar skulle kunna dra energi från värmen runtomkring dem, så det är logiskt att värme som kommer från solen skulle kunna ge dem kraft. Jag tror också att det är möjligt att eldsjälar kan utnyttja energi direkt från solljuset. Om de kvasipartiklar som sänds ut av eldbändare interagerar med fotoner av ljus skulle de kunna få energi. Den energin skulle sedan kunna överföras till en eldbändare via elektromagnetisk induktion. De exciterade kvasipartiklarna skulle producera föränderliga magnetfält som sedan producerar elektriska strömmar med användbar energi. Detta skulle göra eldsjälar till ett slags solceller, som omvandlar energi från ljus till elektrisk energi. Eldbändare måste kunna lagra denna energi över tid, annars skulle de inte kunna bända sig på natten. När det gäller att de förlorar sin böjning under en solförmörkelse är det inte logiskt eftersom det antyder att de också skulle förlora sin böjning på natten när jorden befinner sig mellan dem och solen. Låt oss bara lägga det på ande magi.
Det avslutar vår titt på fysiken bakom eldbändning.
I mitt nästa inlägg ska jag titta på fysiken i luftbändning. Som alltid, låt mig veta hur jag kan förbättra mina hypoteser från det här inlägget eller förklara dem bättre. Vi ses nästa gång.
Works Cited
DiMartino, M. D., & Konietzko, B. (Författare). (2010, 30 juni). Avatar: The Last Airbender . Nickelodeon.
DiMartino, M. D., & Konietzko, B. (Författare). (2012, april 14). The Legend of Korra . Nickelodeon.
Konietzko, B., & Yang, G. L. (n.d.). Avatar: The Last Airbender (Avatar: Den sista luftbonden): Smoke and Shadow Part One. Dark Horse Comics.
Steele, Z. (2020, augusti 05). Fysiken i Avatar: The Last Airbender och The Legend of Korra. Hämtad den 05 augusti 2020 från https://medium.com/whiteboard-to-infinity/the-physics-of-avatar-the-last-airbender-and-the-legend-of-korra-1c212efb4b9a
Steele, Z. (2020, augusti 05). Fysiken i Avatar: The Last Airbender och The Legend of Korra. Hämtad den 05 augusti 2020 från 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). Vad är eld? Hämtad den 5 augusti 2020 från https://www.youtube.com/watch?v=1pfqIcSydgE
Hahn, E. (n.d.). Eric Hahn. Hämtad den 05 augusti 2020 från https://www.elgas.com.au/blog/1585-why-does-a-gas-flame-burn-blue-lpg-gas-natural-propane-methane
Alkaner. (2020, juli 14). Hämtad den 05 augusti 2020 från https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Supplemental_Modules_(Organic_Chemistry)/Hydrocarbons/Alkanes
Alkanes. (n.d.). Hämtad den 05 augusti 2020 från https://ef.engr.utk.edu/hyperphysics/hbase/Organic/alkane.html
Kemisk rekombination. (2020, 26 juni). Hämtad den 05 augusti 2020 från https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/chemical-recombination.html
Muller, D. (Producent). (2012, 11 september). Vad finns i en ljuslåga? . Hämtad den 5 augusti 2020 från https://www.youtube.com/watch?v=a7_8Gc_Llr8&feature=share
Kontrollera elden med mina händer med hjälp av en Wimshurst-maskin . (2019, 22 december). Hämtad den 5 augusti 2020 från https://www.youtube.com/watch?v=lF0M-Tr640E&feature=share
Hur fungerar en solcell? (n.d.). Hämtad den 6 augusti 2020 från https://www.planete-energies.com/en/medias/close/how-does-photovoltaic-cell-work
Zawischa, D. (n.d.). Eld och glöd – den svarta kroppen. Hämtad den 06 augusti 2020 från https://www.itp.uni-hannover.de/fileadmin/arbeitsgruppen/zawischa/static_html/blackbody.html
Muller, D. (Producent). (2013, 24 juni). Kan vi verkligen röra vid något? . Hämtad den 5 augusti 2020 från https://www.youtube.com/watch?v=bKldI-XGHIw&feature=share
The Action Lab (Producent). (2019, 6 maj). Hur man gör en kall eldslampa som man kan röra vid utan att bli bränd. Hämtad 5 augusti 2020 från https://www.youtube.com/watch?v=DnSRbnvm798
Afework, B., Campbell, A., Fedechko, R., Hanania, J., Heffernan, B., Jenden, J., . . . Donev, J. (2020, januari 31). Förbränning av kolväten. Hämtad den 06 augusti 2020 från https://energyeducation.ca/encyclopedia/Hydrocarbon_combustion
Hanania, J., Jenden, J., Stenhouse, K., & Donev, J. (2019, 24 februari). Petroleum. Hämtad den 06 augusti 2020 från https://energyeducation.ca/encyclopedia/Petroleum
Typer av bränder. (n.d.). Hämtad den 06 augusti 2020 från https://www.femalifesafety.org/types-of-fires.html
Hydrogen Flames: Vätgasverktyg. (n.d.). Hämtad den 06 augusti 2020 från https://h2tools.org/bestpractices/hydrogen-flames
The Editors of Encyclopaedia Britannica. (2018, juli 27). Stötvåg. Hämtad den 06 augusti 2020 från https://www.britannica.com/science/shock-wave
Patrick, M. (Producent). (2017, 11 juli). Game Theory: POKEMON – Den skrämmande sanningen om eldpokemon . Hämtad den 5 augusti 2020 från https://www.youtube.com/watch?v=fBn6uh-GYwQ&list=LLwXdnmrGRxRWfUtXZRqbUXg&index=134
Fire Whirl. (2020, 6 april). Hämtad den 6 augusti 2020 från https://www.skybrary.aero/index.php/Fire_whirl
Lallanilla, M. (2014, 16 maj). Whirling Flames: Hur brandtornados fungerar. Hämtad 06 augusti 2020 från https://www.livescience.com/45676-what-is-a-firenado.html
National Geographic. (2009, oktober 09). Fakta och information om blixtar. Hämtad 06 augusti 2020 från https://www.nationalgeographic.com/environment/natural-disasters/lightning/
Dunbar, Brian. ”Vattenånga bekräftas som viktig aktör i klimatförändringarna”. 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