Introduction

Ce site est destiné à exposer nos deuxième et troisème parties du TPE dans lesquelles nous allons expliquer les caractéristiques de feux d’artifice, et les précautions et les dangers dont il faut se rendre comptent lors d’un feu d’artifice.

            II Explication des caractéristiques des feux d’artifice
            III Précaution et danger
           

II Explication des caractéristiques des feux d’artifice

1) Les différentes couleurs et leurs origines :
2) Le phénomène physique qui libère de la lumière :
3) Les différents types de feu d’artifice :

1) Les différentes couleurs et leurs origines :

          a) l’expérience des flammes colorées :

          b) émission atomique :

a) l’expérience des flammes colorées :

On réalise l’expérience ci-dessous  pour mettre en évidence les différentes couleurs résultantes des différentes poudres métalliques lors de leur combustion.

Matériels utilises :

Spatules, pinces, béchers, coton, éprouvette graduée, tube a essaie, eau distillées, éthanol, bec bunsen, poudres de sept sels métalliques :

-       Chlorure de Sodium,

-       nitrate de potassium,

-       chlorure de lithium,

-       chlorure de calcium,

-       sulfate de cuivre,

-       chlorure de baryum,

-       chlorure de strontium.

I.         Solvant à Eau :

-       On met dans sept béchers une pointe de spatule de poudre de chacun  des sels métalliques utilisés, on ajoute 2/3 d’eau distillée d’un tube à essaie dans chacun des béchers.

-       On agite pour homogénéiser les solutions.

-       On prend de chaque bécher quelques gouttes de solution formée sur une spatule et on expose cette spatule à un feu(le plus intense  possible.

-       Chaque solution exposée au feu forme une différente couleur : orange, rose, violet, fuschia, rouge et jaune.

-       On observe la formation des différents couleurs par chacun des éléments utilisés.

Le tableau ci-dessous (Figure 3) associe chaque élément à la couleur forme par celui-ci.

Sels métalliques	Formules	Couleurs formée
Chlorure  de sodium Nitrate de potassium Chlorure de lithium Chlorure de calcium Sulfate de cuivre Chlorure de baryum Chlorure de strontium	NaCl KnO3 LiCl CaCl2 CuSo4 BaCl2 SrCl2	Orange Violet Fuschia Rouge orange Vert Jaune Rouge

Figure 3 : Les couleurs de quelques sels métalliques

II.        Solvant à l’éthanol :

Et pour mieux voir les couleurs de chaque matière on remplace l’eau distillée par l’éthanol dans lequel, les sels métalliques sont plus solubles pour qu’on puisse mieux voir les couleurs de solution

-       On met dans sept béchers une spatule de chaque sel métallique et on ajoute 8 à 10 ml d’éthanol à l’aide d’une éprouvette graduée.

-       Ensuite on imbibe des morceaux de coton dans chaque bécher.

-       On prend les cotons imbibées avec les pinces et on les met au-dessus du feu, on peut voir que les couleurs formées au bout d’un temps (elles ne paraissent pas tout de suite) sont plus intense que les couleurs formées avec l’eau distillées.

-       On fait placer les cotons imbibées un a un sur le feu.

b) émission atomique :

        On recourt à l’émission atomique, pour retrouver les couleurs chatoyantes des feux d’artifice modernes. La couleur provient des atomes vaporisés par les flammes. Lorsque les atomes sont chauffés, ils permettent aux électrons qui ont gagné de l’énergie de passer d’un niveau d’énergie fondamental à un état d’énergie supérieur, cependant ils sont instables et excités. Au cours de leurs retours vers l’état fondamental, les électrons libèrent sous forme de photons (énergie lumineuse), l’énergie qu’il avait absorbée (Figure 4). Ces photons auront différents longueurs d’onde, selon la nature des atomes du gaz et la qualité d’énergie retournée par les électrons, donc on obtient différentes couleurs émises par les rayons lumineux. On dit que le spectre d'émission atomique est un spectre de raies ou discontinu car il ne contient que certaines couleurs et non pas toutes les couleurs. Ce qui explique les résultats obtenus dans l’expérience des flammes colorées. Voici les spectres obtenus par les différents éléments étudies (Figure 5).

                                          Figure 4 : Schématisation de l’émission atomique.

2) Le phénomène physique qui libère de la lumière :

Le feu d'artifice est composée de bruit, de forme et des couleurs mais ces dernières ne peuvent pas fasciner le publique sans les couleurs qui attire les regards. La lumière est une onde électromagnétique. Elle  se déplace toujours à la même vitesse v=299792458 m·s^-1. La couleur "blanche" de la lumière est composée en effet de plusieurs couleurs dont chacune a une longueur d'onde propre à elle qui varient de  380 nm (violet) à 780 nm (rouge).

a) Incandescence:

b) émission moléculaire:

a) Incandescence

L’incandescence est l'émission lumineuse, par un corps chauffée ; c'est-à-dire qu'il émet des ondes électromagnétique. En effet tout corps chauffé suffisamment, émet des rayonnements. La quantité de lumière émise par un corps varie toujours avec la température de celui-ci. Un corps moyennement chaud : environ 1600  ; émettra une lumière rouge-orangée tandis qu'un corps très chaud : environ 5000  ; émettra une lumière très blanche ; pouvant même tournant vers un blanc bleute si la température est extrême (8000 - 9000 ). Il y a des différentes longueurs d’onde de ces derniers. Il y a trois sorte d'onde électromagnétique ; la lumière visible (c'est le spectre visible que l'homme peut voir avec l'œil nu et qui est comprise entre  380nm a 780nm) ; l'ultraviolet l'infrarouge (comprise entre 780nm et 1000nm) ces deux dernières ondes sont invisibles a l'homme bien qu'elle soit de la même nature que le spectre visible.

b) émission moléculaire

Elle ressemble beaucoup à l'émission atomique. Ce phénomène est dû a une transition d'énergie lumineuse dans la molécule quand elle est vaporisée dans une flamme a température convenable, car si la température est trop élevée, la molécule commence à se décomposer au point qu'elles ne peuvent pas emmètre de la lumière. Un grand nombre de molécules, lorsqu'elles sont excitées à l'état gazeux, réémettent de la lumière visible. Peu peuvent-être utilisées directement dans les feux d'artifices car elles sont trop actives ou correspondent à une trop large gamme de couleurs.

3) Les différents types de feu d’artifice :

Il existe différents types de feu d’artifice, chacun produisant un effet qui dépend de la composition ou de la structure de l'explosif. On trouve les soleils, les vasques, les lances décors, les feux de Bengale, mais les plus connus sont les fontaines, les cascades, les bombes d’artifices et les chandelles romaines. Ils sont tous construits à partir du même principe.

a) Les bombes d’artifice :

b) les chandelles romaines :

c) Les cascades :

a) Les bombes d’artifice :

C'est l'artifice de base, utilisé dans tous les feux d'artifice. Les altitudes de fonctionnement sont très élevées.

La bombe se retrouve sous différentes formes: sphérique ou cylindrique, les bombes sphériques ont une altitude de fonctionnement supérieure aux bombes cylindriques. Elle possède une capacité d'emport d'effets lumineux ou sonores très supérieures à tous les autres types d'artifices. L'allumage peut être manuel ou électrique. Seul l'allumage électrique permet d'obtenir le maximum de sécurité. Les calibres les plus utilisés sont compris entre 50 mm et 400 mm. Plus une bombe est grosse, plus elle doit exploser en altitude, pour étendre ses effets.

           

Principe de fonctionnement

Après allumage, la mèche conduit le feu à la charge de lancement, « chasse », destinée à chasser le projectile du mortier dans laquelle elle est logée. Simultanément, l’espolette a été initiée, et durant l’ascension, celle ci conduit le feu jusqu’à la charge d’éclatement. L’explosion de la charge d’éclatement propulse la charge d’effet enflammée qui se disperse sur un axe sphérique et forme ainsi l’étoile (Figure 6).

  

Figure 6 : les bombes d’artifice.

Mise en œuvre

Le tir de bombe d’artifice exige l’emploi d’un matériel important. Les batteries de mortiers, nécessaires au tir des bombes, sont stabilisées à l’aide d’équerres ou bien enterrées (mortier ou batterie contenant des bombes marron d’air) dans le sol ou dans le sable.

Précautions particulières

La fixation du matériel de tir doit être efficace et vérifiée avant le tir. Ne pas oublier que le mode de propulsion d'une bombe d'artifice (de divertissement) est le même que celui des canons militaires. Plus une bombe est grosse, plus les distances de sécurité sont importantes.

b) les chandelles romaines :

La chandelle romaine est généralement un mortier en carton de faible diamètre contenant de 3 à 10 projectiles pyrotechniques.

Les comètes sont insérées l'une au-dessus de l'autre produisent leurs effets à une altitude peu élevée et à intervalles réguliers. Les calibres utilisés sont de 8 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 45 mm, 50 mm et 60 mm. Les chandelles romaines dont le calibre est supérieur à 40 mm sont appelées mortiers garnis en raison de la taille du projectile proche de celle d'une bombe.

Principe de fonctionnement

Le tube de la chandelle est rempli par des étages d'ensembles pyrotechniques :

-          la charge propulsive.

-          un effet pyrotechnique lumineux sonore (comète)

-          une série d'espolettes insérées dans une bourre en feutre ou en plastique isolant chaque étage.

Son fonctionnent commence par l’allumage de la mèche lente, qui allume la poudre de propulsion sous la première bourre, celle-ci allume l’espolette, puis la bombette monte poussée par la bourre et elle est éjectée hors du tube. Par conséquence la première espolette enflamme les effets et la mèche rapide qui va faire éclater la bombette. Pendant ce temps la mèche lente continue de se consumer et allume la poudre sous la deuxième bourre. Qui fait que la deuxième espolette s'allume et le processus continue jusqu'à la dernière bombette (Figure 7).

 La durée totale des espolettes séparant les différents étages pyrotechniques définie la durée totale de la chandelle.

Figure 7 : Les chandelles romaines.

Mise en œuvre

Disposer les chandelles de façon à éviter que les comètes ne puissent rencontrer d'obstacles susceptibles de modifier leur trajectoire.

Les éventails de chandelles sont fixés au sol à l'aide de deux piquets et toujours en appui sur le sol. Utiliser du fil de fer doublé pour les ligatures.

Précautions particulières

Vérifier toujours les axes de tir latéraux afin de s'assurer qu'aucune retombée ne puisse déclencher un départ de feu ou toucher des spectateurs.

Quel que soit le type de pièce, il est impératif de toujours planter les piquets entre les spectateurs et l'artifice.

Attention de ne  pas "étrangler" le corps de la chandelle avec le fil de fer, ce qui risquerait alors de provoquer son explosion par rétrécissement du diamètre intérieur du tube. La partie inférieure d'une chandelle ou d'un ensemble doit toujours être en appui sur le sol.