Chodzenie po ogniu - mistyfikacja czy prosta fizyka?

Temat chodzenia po ogniu wzbudza jak się przekonałem, sprzeczne opinie. Zasadniczo możliwość przejścia się gołą stopą po rozżarzonych węglach i nie poparzenia się, jest uważana za nieprawdopodobną. Kontakt skóry z ogniem powinien wywołać oparzenie, jak to wielu miało okazję się przekonać przypadkiem, zatem to łażenie po rozgrzebanych ogniskach wydaje się podejrzane. Jak można zaobserwować, wyjście z tego założenia prowadzi do dwóch interpretacji - albo podczas takich pokazów stosuje się triki, albo zachodzi wówczas coś niesamowitego. Co takiego? A to już zależy od oceniającego...

Cudowne energie i plazmowa otoczka
Zacznijmy od wyjaśnień fantastycznych:

Rozwijająca się od 30 lat w różnych uniwersyteckich ośrodkach badawczych na świecie bioelektronika próbuje wyjaśnić to zjawisko. Według uczonych na skórze stopy tworzy się warstwa, która z punktu widzenia bioelektroniki jest fizyczną plazmą biologiczną, tzw. bioplazmą[1]

Wiele źródeł bełkocze też coś o mocy umysłu czy sugestii, która powoduje że nie powstają oparzenia.

Robota szatana
Chodzenie po ogniu bez oparzeń to na pewno sprawka piekielnych demonów, które z ogniem mają wiele wspólnego - tak przynajmniej tłumaczą rzecz egzorcyści chrześcijańscy. Czasem tłumaczą się biblijnym zakazem "przeprowadzania przez ogień" ale główne uzasadnienie to twierdzenie "bez nadprzyrodzonych mocy to niemożliwe".[2]

Mokre stopy, efekt poduszkowca i dziwne maści
Niektórzy autorzy sięgają po inne naturalistyczne wyjaśnienia oparte o ochronną otoczkę. Stosunkowo częste jest tłumaczenie w oparciu o efekt Leidenfrosta. Gdy upuścimy kroplę wody na rozgrzaną blachę, nie wyparuje od razu, lecz będzie przez pewien czas ślizgać się po powierzchni, odpychana od bezpośredniego kontaktu warstewką pary wodnej. Podobny efekt zachodzi też dla upuszczania cieczy na suchy lód czy wkładania ręki do ciekłego azotu (próbowałem). Stąd pomysł aby tłumaczyć firewalking powstawaniem takiej warstewki w oparciu o wilgoć stopy.
Problem polega na tym, że po pierwsze pot jest wchłaniany przez popiół a po drugie powierzchnia węgielków jest trochę zbyt porowata i przy nacisku całego ciała para będzie wypychana na boki.

Świadomi tych wszystkich wad autorzy proponują niekiedy tłumaczenie oparte na mistyfikacji - że chodzący po żarze smarują stopy jakąś azbestowa maścią. Trudno jednak przypisać to samo uczestnikom rozmaitych kursów motywacyjnych, którzy wchodzą boso bez smarowania.


Więc jak?
No dobra; ponaśmiewałem się i poodrzucałem trochę teorii, nawet tych naukowo brzmiących - a jak wobec tego prosto i logicznie sam wyjaśnię?
Zapewne zdarzało się wam bawić ze świecą, przesuwając palec przez płomień i nie doznając poparzeń, a dlaczego gorący płomień nic nam nie zrobił? - bo działał za krótko. Ilość energii pochłoniętej przez powierzchniowe warstwy skóry była niewielka, za sprawą krótkiego czasu oddziaływania.
A jaki ma to związek z deptaniem po węgielkach?. No to wykonajmy drugi eksperyment, albo przypomnijmy go sobie, bowiem przeprowadzaliśmy go osobiście wiele razy wyjmując z piekarnika na przykład brytfannę z zapiekanym mięsem, oczywiście w rękawicach ale jednak mimo wszystko wkładające ręce do wnętrza rozgrzanego do 100-120 stopni. Gdyby to była woda, oparzylibyśmy się natychmiast, natomiast tu nieobjęta rękawicami skóra jakoś wytrzymuje chwilowy kontakt z gorącym powietrzem. Jaka jest tego przyczyna? - a no ilość energii cieplnej, jaką posiada powietrze w piekarniku, jest znacząco niższa od tej jaką zawiera wrząca woda czy nagrzany metal. A skoro energii jest mniej to mniejsza jej ilość będzie wchłaniana przez skórę.
Moje wyjaśnienie zagadki chodzenia po żarze to połączenie tych dwóch opisanych sytuacji - krótkiego czasu i małej ilości energii zawartej w materii mającej kontakt ze skórą. I po trosze możliwość skóry do rozprowadzania ciepła.

Właściwość mówiąca nam o ilości energii cieplnej w jakiejś substancji, to pojemność cieplna, zwykle podawana jako ilość energii w dżulach potrzebna do ogrzania kilograma substancji o jeden stopień Celsjusza. Różne substancje składają się z cząsteczek różnych rozmiarów i w różnym stopniu ograniczanych przez pozostałe, ponieważ zaś temperatura ciała jest w istocie miarą energii kinetycznej ruchów cząstek ciała, dla różnych ciał osiągnięcie tej samej temperatury wymaga dostarczenia różnej ilości energii. Co zaś za tym idzie, ilość energii możliwej do przekazania innemu ciału jest różna.
Woda ma stosunkowo wysoką jak na ciecze wartość pojemności cieplnej, wynoszącą 4,18 J/g*K. Węgiel drzewny natomiast niską, bo 1 J/g*K[3]. Czyli ma cztery razy mniej energii. Jeśli X g węgla przekaże wodzie tyle ciepła, iż jego temperatura obniży się o 4 stopnie, to woda ogrzeje się o jeden stopień.
Ponieważ w sytuacji kontaktu dwóch ciał o różnej temperaturze, energia z ciała cieplejszego wnika do chłodniejszego, pojemność cieplna wpływa na to jak dużo energii cieplnej "jest dostępne" do wymiany. 

Druga własność fizyczna to przewodnictwo cieplne, czyli skłonność do przenikania ciepła wewnątrz materiału. Gdy zaczniemy mieszać metalową łyżką gorącą herbatę, dość szybko poczujemy, że staje się coraz cieplejsza, aż wręcz parzy. W przypadku mieszadełek plastikowych trudno to natomiast zaobserwować.
Przekazywanie ciepła z jednej części przedmiotu do drugiej zachodzi z różną szybkością dla różnych materiałów. Wysoką przewodność ma miedź, bo ok. 370-400 W/mK (watów na metr długości materiału razy kelwin zmiany temperatury), nieco wyższe ma srebro, żelazo kilka razy mniejszą. Dla tworzyw sztucznych jest niska - polietylen 0,5; szkło akrylowe 0,2; styropian 0,03.
A węgiel drzewny? 0,2 W/mK. Bardzo podobną ma drewno.[4]
Z tego też powodu spokojnie możemy trzymać w dłoni kawałek węgla, którzy żarzy się z drugiej strony, bo przy takiej przewodności żar prędzej się do nas dopali niż węgiel się nagrzeje.
Dosyć niską przewodność cieplną ma też skóra, ok. 0,37. Ma to tą dobrą stronę, że ciepło nie tak szybko wnika w warstwy głębsze. Z drugiej strony w przypadku poparzeń skóra utrzymuje ciepło przez pewien czas. Zalecenia aby poparzenie polewać wodą ma na celu nie tylko zmniejszenie bólu ale też odebranie ciepła izolowanym skórą tkankom.

Trzecią wartością jaką trzeba brać pod uwagę, jest próg oparzenia. Jest to ilość energii cieplnej jaka jest potrzebna do wywołania oparzenia. Dla oparzeń pierwszego stopnia to ok. 10 J/cm2[5]. Ilość pochłoniętej energii zależy od czasu i od strumienia ciepła, a ten od przewodności i pojemności cieplnej ciała stykającego się ze skórą. 

Teraz złóżmy te trzy rzeczy do kupy - uczestnik kursu szybkim krokiem wkracza na ścieżkę wysypaną węgielkami. Gdy stopa zaczyna dotykać żaru, odbiera ciepło od zewnętrznej warstwy węgla, a woda w skórze zaczyna się ogrzewać. Ponieważ jednak węgiel ma niską przewodność cieplną, pobranie energii z głębszych warstw żarzącego się węgla następuje dość powoli. W zasadzie więc w stopę wnika ciepło pochodzące z najbardziej zewnętrznej warstwy, która za sprawą małej pojemności cieplnej nie zawiera wiele energii. We wnikaniu energii przeszkadza też mała przewodność cieplna skóry, czemu sprzyja grubsza warstwa naskórka na podeszwie stóp.
 Oczywiście gdyby stopa nadal stała na tej powierzchni, to po około sekundzie w końcu by się tej energii tyle zebrało, aby osiągnąć próg oparzenia. Jednak szybko dreptający ogniochodziarz stawia stopę na żar na znacznie krócej. Gdy podnosi stopę, ciepło z zewnętrznych warstw skóry zaczyna być rozprowadzane za sprawą krążenia krwi. Przy odpowiednio szybkim rytmie bez zatrzymywania, możliwe staje się przejście całej ścieżki bez nagromadzenia w stopach energii powyżej progu oparzenia.

I tyle. Bez żadnych cudów czy szatanów. Prawa fizyki i trochę doświadczenia.

Mimo wszystko można się jednak przy czymś takim oparzyć. Zwykle dochodzi do tego gdy jakiś węgielek dostanie się między palce i ma dłuższy kontakt. Powodem może być też ścieżka ułożona z za grubej warstwy, przez co stopa zapada się w żarze, i palce pozostają w kontakcie nieco dłużej. Także sytuacja gdy węgielek wpadnie na wierzch stopy.
Szczególnie niebezpieczna jest sytuacja gdy w żarze pojawią się części metalowe, na przykład kapsle czy gwoździe. Metale mają dużą pojemność i przewodność cieplną. W czasie kontaktu stopy z żarem będą w stanie przekazać temu miejscu wystarczająco dużo energii aby wywołać lokalne oparzenie. Niewskazana jest też wilgoć - duża ilość potu na skórze może powodować przyklejenie się węgli, a woda dobrze przekazuje ciepło. Podobnie jest w przypadku gdy rozgrzebany żar zawiera jeszcze dużo wilgotnego drewna lub rozstał rozpostarty na wilgotnej ziemi - wtedy para wodna przekazuje ciepło łatwiej.

Podobny w mechanizmie jest pokazywany przez fakirów cud płonącej kamfory, gdzie kropla płonącej cieczy może być utrzymywana w ręku za sprawą niskiej temperatury płomienia oraz szybkiego przelewania, dzięki czemu nie styka cię ciągle z tym samym kawałkiem skóry.

Niestety wobec dużej popularności chodzenia po ogniu jako elementu kursów integracyjnych czy motywacyjnych, oraz prób przeprowadzenia ich na dużej liczbie osób na raz, coraz częstsze są wypadki. W 2012 roku podczas masowego kursu Tony'ego Robbinsa podczas chodzenia po ogniu ciężko poparzyło się 21 osób.

--------
[1] http://neurolingwistyka.com/chodzenie-po-ogniu
[2] http://www.fronda.pl/a/nie-chodze-po-ogniu-poniewaz-jestem-chrzescijaninem,28802.html
[3] http://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-solids-d_154.html
[4] http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html
[5] http://nop.ciop.pl/m6-2/m6-2_3.htm