烟花真的能绽放出爱心形吗？怎么感觉从来没见过(文末领取物理所专属新年红包封面！)
安全提醒：燃放烟花爆竹，应当遵守有关法律、法规和规章的规定，在恰当的时间和地点以恰当的方式操作！
大年三十啦！爆⽵声声笑，春节祝福到，今年的你有没有玩儿到烟花爆竹哇！玩儿烟花，你喜欢什么姿势呢？小编回忆自己所见所闻，总结以下几种：
被动路人型：眼睁睁看着两个小朋友捂着耳朵对着你笑，你却不知道炮仗被扔到了哪里。
爆破手巡山型：带着摔炮、炮仗巡视村里各个地方，兴致来了扔一个（小心被打），或者摆成一圈，一起点燃！
图自网络
或者帮助大黄检验一下碗的强度 | 图自网络
狂野奔放型：在晚上拿着手持加特林，感受一把绚丽刺激，看着各式烟花旋转跳跃。
加特林手持烟花 | 图自网络
安静浪漫型：最爱仙女棒。
仙女棒 | 图自网络
流光快门+仙女棒+小伙伴，就可以写出别样的新年祝福，快去试试吧！| 摄影：小栋
当然啦，我们自己能玩儿的终归是小打小闹。要说视觉盛宴的话，还得是正式的大型烟花秀。伴随着咻咻的声音，一团团带着长长尾巴的亮光冉冉升起。再随着bangbang的巨响，光珠四射，一朵朵巨大的花朵在空中盛开、绽放！如此美景，很难不让人沉浸其中~
图自网络
看多了烟花秀之后小编突然发现一个问题，这些大花朵好看是好看，但是怎么都是球状的？就不能弄点各式各样的图案，比如来个大大的爱心，来个可爱的大狗头：
亦或者来个“2024新春快乐”，要是能来条遨游的神龙那该多好！
事实上，这些还真不是简单的事！
要理解这个问题，要从这些烟花的结构说起。
礼花弹
HAPPY NEW YEAR
对于一场烟花秀，我们只能站在很远的地方去看空中一朵朵绽放的烟花，你是否曾经好奇这些烟花在地上的时候是啥样子，是谁在操作燃放？小编曾经还想象着，是不是就像我们玩儿手持烟花那样有个人举着。
万万没想到！原来发射这种大型烟花，用的是炮筒+炮弹的方式。首先我们需要固定于地面的看似普普通通的炮筒：
礼花弹发射筒 | 图自网络
其次，还要特制的炮弹，这种炮弹术语上叫做礼花弹，外表接近普普通通的一个球形木头疙瘩：
礼花弹外观 | 图自网络
可以明显地看到，礼花弹由弹体和抛射体两部分构成，内部结构并不复杂：
常见礼花弹内部结构示意图 | 图自[1]
燃放时，将礼花弹按照正确的方向装填入发射筒内，只留引线在外面：
填充礼花弹示意图 | 图自网络
引线直通发射药盒。点燃引线后，引线点燃发射药，发射药一般用黑火药，易点燃，方便可靠，价格低廉。发射药产生剧烈爆炸，将弹体抛射到空中，同时点燃弹体的引火线。经过精确计算长度的引线将在弹体到达最高处时点燃弹体内的开包药，将效果件炸向四面八方，形成我们看到的美丽花朵！其中，效果件有个浪漫的名字：星体。
礼花弹结构虽然简单，但是却有非常大的创造空间。从大小上来说，在国内常见的尺寸大小有3、4、5、6、8、12英寸（1英寸=2.54厘米），尺寸越大，在空中炸开的范围也越大。吉尼斯最大烟花纪录则达到了约62寸（直径144cm），重达1.27吨[2]，燃放的场景那也是相当壮观：
图自吉尼斯纪录官网[2]
爆炸时的红色几乎照亮了夜空。
吉尼斯纪录上燃放成功的最大礼花弹
礼花弹看起来虽美，却不是一般人能玩儿的！价格上来说，小尺寸的可能就要成百上千一个，大尺寸的动辄上万一个！一晚上几个小时的烟花虽美，花钱也是流水一般！
当然最重要的是，威力大自然危险性也大！对于礼花弹的规格参数我们有详细的规定：
不同型号礼花弹应与观众、建筑物、重要场所保持的最小安全距离 | 图自[3]
并详细划分了大型烟火燃放等级：
可以看到只要有礼花弹即为四级以上 | 图自[3]
也就是说，即使只燃放一个礼花弹，就属于大型烟火燃放，必须经过有关部门审批，由具有相关资质的专业人员操作！禁止私人持有、燃放礼花弹！
如何能得到特定形状呢？
HAPPY NEW YEAR
1
调整星体法
对礼花弹有基本的了解后，就容易理解如何才能控制烟花形状。
一个自然的想法是，通过调整礼花弹中星体的摆放位置，不就可以达到不同效果了嘛！没错，举几个例子：
如果把星体放置在一个球壳中，则星体受力比较均匀，得到的是球形的效果。再根据星体燃烧时间长短和拖尾效果的差别，可以有如下不同效果的烟花：
无拖尾，时间短，可称为牡丹型 | 图自网络
有拖尾，时间长，可称之为菊花型 | 图自网络
拖尾时间再长一些，形成明显下垂，可称之为柳树型 | 图自网络
当然啦，星体又不是只可以放置一层，多层球壳不同燃烧时长、颜色的星体组合，可以得到更加惊艳的效果：
还有很多很多不同的造型，总结为下图，各种形状尽收眼底：
常见的16种形状 | 图自[4]
到这里可能会有同学跟小编有一样的困惑，你这么些种，看起来都是球对称地炸开，难道就不能有不对称的形状吗？当然有啦，比如，加两个星体环：
作品名：环绕星球 | 图自[5]
作品名：紫色蘑菇 | 图自[5]
图自[6]
遗憾的是，不能。相信读者也发现了，现实中的烟花秀，很少出现特定的图案，大多以球形为主。一方面，在礼花弹内部摆放特定形状是很不经济的做法，需要更大的体积来容纳这个形状，而且为了使图案分辨率高又需要增加星体数量，这将导致所需要的礼花弹体积进一步加大；另一方面，也是更重要的，星体的速度具有很强的不确定性。即使是球对称地放置星体，也会在爆炸过程中、或者是星体冲破礼花弹外壳时产生的碰撞而具有不确定性[1]。
仿真模拟中82个星体被对称放置，最终速度稳定在86m/s到122m/s之间 | 图自[1]
值得注意的是，爆炸后破片、星体的速度，是爆炸力学研究的重要内容。
也就是说，我们通过摆放星体无法实现完全的图案定制。但是一定程度上的简单图案还是可以做到的。
笑脸烟花内部星体的摆放方式 | 图自[7]
要注意的是，摆放在距离中心不同远的位置时，可以导致星体获得不同的初速度，越靠近外部，要承受更强的火药冲击，初速度越大，使得星体之间的距离得以拉开，呈现出图案。
笑脸烟花效果示意图 | 图自[7]
同理，一些二维的简单图案比如爱心也可以类似得到：
烟花在空中绽放成心形 | 图自[8]
烟花在空中绽放为立方体 | 图自[10]
2
地面控制法
那有没有更精准的办法呢？有的！
如果在地面的对应位置预先设置好发射点位，采用多点定时发射的方式，就可以在空中拼成对应的图案！星体摆放的方式难以呈现的复杂图案，可以在这里完成。
08年奥运会让人印象深刻的脚印 | 图自网络
22年北京冬残奥会开幕式的大雪花 | 图自网络
当然啦还有很多精彩的例子，就不多列举啦
3
电子烟花法
除了以上两种方法之外，还有一种更加神奇的方法，那就是特效大法！此法一出，前两种方法都“黯然失色”，且看：
特效心形烟花 | 图自[8]
真的是以假乱真啊！然而小编根本找不到这是历史上哪一场烟花秀。找了好久才找到了视频原作，那里注明了是特效[11]。再比如：
号称史上最美烟花 | 图自[9]
直到小编发现网上有一大堆AE烟花教程之后，这才释然了。与大家分享下肉眼鉴别是否特效的方法：
1. 看星体整齐度。如前所述，星体的速度一定没那么均匀，则形成的图案的边缘一定没有那么光滑。
2. 看星体数目。可以看到，星体的半径在厘米量级，而按照常见的10寸礼花弹来算，圆周上最多放置40个星体，而球壳上最多放700个左右星体，不可能形成那么连续的心形。
3. 看下降速度。在重力作用下，星体是要下落的，不太能维持一个平面那么久。
不得不说，特效在视频里真的可以以假乱真，让人防不胜防。明明现实里烟花很难做到的事，特效轻轻松松做到。但是烟花带给人的震撼还是要去现场体验。那种绽放时声音、光亮、色彩、体积等方方面面的美，还是视频难以呈现的。
写在最后
HAPPY NEW YEAR
大型烟花主要是礼花弹，可以绽放成牡丹、菊花、柳树、棕榈树等各种美丽的形状。除此之外，还可以通过调整星体的位置，得到一些简单的图案。如果想得到更加复杂的图案，更多采用的方法是在地面进行摆放控制。现在特效烟花、电子烟花广泛流行，看待网上的烟花视频时可能需要小心甄别是真实的，还是只是特效效果。当然啦，现场看才是最震撼的！
烟花的声光色还有很多很有趣的地方，期待有机会再跟大家一起探索！
烟花的形状和内涵远不止于此。小编清楚地记得第一次看见天梯烟花时所感受到的震撼。
天梯烟花，有500m高 | 图自网络
我们也期待未来人们的更加精湛的制造工艺和富有巧思设计，能带来更多美丽的烟花！
也在此祝愿大家新春快乐，龙年行大运，万事皆顺遂！
安全提醒：燃放烟花爆竹，应当遵守有关法律、法规和规章的规定，在恰当的时间和地点以恰当的方式操作！
参考文献：
1. 闫沛毓.球形礼花弹开包数值模拟研究[D].北京理工大学,2015.
2. 关于成功燃放的最大礼花弹的吉尼斯纪录（https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/largest-aerial-firework-shell）
3. GB 24284-2009,大型焰火燃放安全技术规程[S].
4. 烟花图案的秘密（https://mp.weixin.qq.com/s/wgU8cBUY6oUk1qRSJ_e5cA）
5. 第二届湘赣边烟花爆竹产品创意大赛（https://www.bilibili.com/video/BV1Q84y1G7FE/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=20b27633457fdd53f9cb8bc0199f7c07）
6. 进来！一起搞点颜色（https://mp.weixin.qq.com/s/8_3wRn0OAHqa2D8MI0O7ZA）
7. 笑脸烟花的制作（https://haokan.baidu.com/v?pd=wisenatural&vid=9388603341491939475）
8. sky heart love heart rockets（https://www.youtube.com/watch?v=yx1KYFvcaxc）
9. “史上最美的心形烟花盛宴”（https://tv.sohu.com/v/dXMvMzMwMDgxNTU3LzIxMjY2NzA3MS5zaHRtbA==.html）
10. 3D Cube Effect Firework Shell（https://www.youtube.com/watch?v=y6vDz4RGu2o）
11. New Years 2013 - Synchronized Epic Music (Heart of Courage) - FWSim Fireworks Display – HD(https://www.youtube.com/watch?v=WlyZqGgCks8)
来啦！来啦！
中科院物理所龙年也给大家发福利啦！
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编辑：小范
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