Feuer ist vielleicht der wichtigste Prozess, um das zivilisierte Leben zu erhalten, aber es ist nicht so einfach wie das Anzünden eines Streichholzes. Es gibt eine Möglichkeit, Feuer perfekt zu konstruieren, um die Wärmeverteilung, die Verbrennungsrate und die Effizienz zu maximieren. Lassen Sie uns Feuer konstruieren.
Was Feuer braucht
Das Lagerfeuer benötigt drei Dinge: Sauerstoff, Wärme und Brennstoff. Dies ist das grundlegende Feuerdreieck, aber ein perfektes Feuer zu erzeugen ist nicht so einfach. Ob Sie es glauben oder nicht, es wurden mehrere Studien darüber veröffentlicht, was benötigt wirdum ein perfektes Feuer zu erzeugen, das bekannteste ist eines aus einem Team der Duke University, veröffentlicht in Naturwissenschaftliche Berichte . Das Team untersuchte die vielen verschiedenen Arten, wie Menschen Lagerfeuer machen, und stellte fest, dass die besten Feuer ungefähr so breit wie hoch sind. Dies verewigt die grundlegende Pyramidenform, die seit Jahrhunderten verwendet wird. Eine Schlussfolgerung ist jedoch nichtswenn es nicht von Daten unterstützt wird.
Das Team entwickelte eine Gleichung, in der die Feuerform als Funktion der Temperatur dargestellt ist, die unten zu sehen ist. Wenn das Verhältnis von Höhe H zu Basislängenskala D etwa eins betrug, stellte das Team fest, dass die Temperatur des Feuers gleich warDie Basislängenskala ist eine Einheit, die das Team verwendet hat, um die Feuerform in der Studie zu ignorieren. Beispielsweise hätte ein quadratisches Feuer mit einer Breite W den gleichen D-Wert wie ein konisches Feuer mit einem Durchmesser gleich der Breite W.
Mathematik verstehen
Der Grund für diesen maximierten Wärmeleitfähigkeitsbereich um ein H / D-Verhältnis von eins war die Fähigkeit der Luft, durch die unterschiedlichen Dichten innerhalb und außerhalb des Feuers zu strömen. Jedes gegebene Feuer wird durch eine Druckdifferenz mit der Luft mit Sauerstoff versorgtWährend das Feuer brennt, wird im Inneren heiße Luft mit niedriger Dichte aufgebaut, und relativ kalte Luft mit hoher Dichte sitzt um das Feuer herum. Die Geschwindigkeit, mit der Luft durch die Druckdifferenz strömt, hängt von der Dichte der Umgebung abLuft ρ , Gravitationsbeschleunigung g, Wärmeausdehnungskoeffizient im Feuer β, die Temperaturdifferenz ΔT und die Höhe H des Feuers.Das Team hat diese Begriffe in der folgenden Gleichung in Beziehung gesetzt.
ΔP ~ ρg βΔTH
Letztendlich wurde festgestellt, dass der Luftstrom maximiert wurde, wenn das Verhältnis von Höhe zu Basis eins war, wie zuvor erläutert. Wie jeder gute Ingenieur würde er, wenn er diesen Punkt maximaler Effizienz erkannte, das Verhalten von Bränden bei verstehenextreme Formen, ein kurzes breites Feuer und ein hohes dünnes Feuer.
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Bei der Untersuchung des höheren, dünneren Extrems stellte das Team fest, dass der Abstand von einem bestimmten Punkt innerhalb der Struktur abnahm, wenn eine Feueroberfläche größer wurde, während das Volumen gleich blieb. Sie bezogen die Dichte der Umgebungsluft auf das Kreuz- Teilbereich der Brandstruktur. Im Gegenzug stellte das Team fest, dass die Körpertemperatur exponentiell abnimmt, wenn ein Feuer proportional größer wird.
Das Team hatte nun herausgefunden, was es als hohe Grenze für Feuer bezeichnete. Als es weiterging, suchten sie nach der flachen Grenze für ein Feuer. Unter Verwendung ähnlicher, jedoch leicht variierender Gleichungen stellten die Forscher auch fest, dass ein Feuerkörper flacher wirdDie Körpertemperatur nimmt exponentiell ab. Insgesamt stellten sie fest, dass der Sweet Spot der Höhe gleich der Breite oder dem Durchmesser ist, was eine maximale Atmungsaktivität und damit Effizienz bei Standardtemperatur- und Druckunterschieden in der Umgebungsluft ermöglicht.
Auswahl der richtigen Variablen
Über die Mathematik des Lagerfeuerluftstroms hinaus gibt es auch angemessene Unterschiede in Bezug auf die Brennbarkeit verschiedener Hölzer. Um ein Feuer zu entfachen, benötigen Sie eine Brennstoffquelle, die schnell brennt und sich entzündet. Dazu können Sie ein Nadelholz wie Kiefer oder Fichte verwenden. Dadurch entsteht ein heißes, schnelles BrennenFlamme. Nachdem Ihr Feuer erloschen ist, können Sie ein Hartholz wie Birke oder Ahorn hinzufügen. Das Holz muss auch trocken sein, sonst kann Ihr Feuer gelöscht werden oder überschüssige Energie in Rauch ausstoßen.
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Die Konstruktion des perfekten Lagerfeuers hat mehr mit Thermodynamik und Materialdichten zu tun, obwohl die Forschung von Duke und anderen nur bestätigte, wie Menschen seit Jahrhunderten Feuer machen. Die alten Ägypter hatten vor Jahrhunderten das Verhältnis von Pyramidenhöhe zu Basisfeuer herabgesetzt.und zum größten Teil ist diese Feuerherstellungstechnik zu Grundkenntnissen geworden. Jetzt können Sie jedoch Ihre nicht-technischen Freunde mit der Mathematik hinter einem Lagerfeuer ärgern, und Sie werden sicherlich ein Hit bei Ihrer nächsten Party sein.