原創(chuàng) 曲炯 科普中國

孩子離不開玩具。好的玩具不僅能讓孩子開心，還能引起孩子對世界的好奇和思考。這些品質(zhì)對孩子未來的發(fā)展大有裨益。而且，雖然兒童玩具比較簡單，但是很多玩具使用的原理可以一直用在太空中！今天是兒童節(jié)。讓我們來看看這些熟悉的小玩具背后的原理。

鐵皮青蛙/回力車/八音箱

當(dāng)我們年輕的時候，我們都玩過發(fā)條鐵青蛙...什么事？你沒玩過嗎？一定是你經(jīng)歷過鐵青蛙已經(jīng)過時，但某寶還沒有崛起的隔閡期。現(xiàn)在去逛逛某寶，還能找到失去的童年。除了小青蛙，發(fā)條也用于回力車和音箱。

鐵皮青蛙，照片截自電商平臺

當(dāng)我們上發(fā)條時，我們手中的動能傳遞給發(fā)條，并以彈性勢能的形式儲存在發(fā)條中。當(dāng)你松開手時，發(fā)條會慢慢伸展，彈性勢能會再次轉(zhuǎn)化為動能，讓鐵皮青蛙呱呱地向前跳，讓回力車沖向終點(diǎn)線，讓音樂盒的滾筒撥動琴弦，奏響美妙的音樂。

成年人的世界里，彈性勢能和動能的轉(zhuǎn)換也可以用來做其它事情。例如，從古代開始，世界各地的人們就創(chuàng)造了弓弩，利用彈性勢能進(jìn)行狩獵和戰(zhàn)斗?，F(xiàn)在，人們將發(fā)條放入機(jī)械表中，使其驅(qū)動指針旋轉(zhuǎn)，或放入卷尺或吸塵器中，使卷尺或電纜迅速收起。在老式的沙發(fā)上安裝了扭簧，汽車和許多大型精密設(shè)備使用扭簧或液壓裝置來吸收運(yùn)動能量，從而達(dá)到減震效果。而且彈簧秤是中學(xué)物理課上必不可少的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，甚至在菜市場上，也經(jīng)?？吹绞殖謴椈沙拥睦咸?。

那么，這和太空有什么關(guān)系呢？在太空中，我們當(dāng)然不能用弓弩或彈弓直接將航天器撞向太空，這是太空中的一個用途， 就是幫助宇航員測量體重。

你可能會說:不對嗎？空間站是一個微重力環(huán)境，彈簧秤不能稱。這時，牛頓第二定律將得到幫助:宇航員將自己固定在拉伸彈簧的一端。當(dāng)扭簧恢復(fù)到原來的位置時，可以通過測量宇航員的反彈速度來計算宇航員的體重。

王亞平正在幫助聶海勝測量體重，截圖自央視綜合頻道。

陀螺/空竹

陀螺這種玩具，在全國各地都有不同的名稱，有的地方叫“冰”（ga）”，有的叫“打老?！薄皯衅拧眊eluo”“dielou"(不知具體字是什么)，作者印象深刻的名字是“抽漢奸”，一鞭一鞭，打漢奸轉(zhuǎn)圈。

陀螺的體積往往比較小，高個子弓著身子玩一會兒，腰就不會直了。大一點(diǎn)的孩子和老一點(diǎn)的孩子適合玩搖空竹，兩根棍子一根繩子就能抖出很多花樣。我曾經(jīng)聽一個專家說:“如果你給我一個鍋蓋，我也可以給你搖?！?/p>

抖空竹，截自電商平臺

陀螺和空竹的共同特點(diǎn)是穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。他們?yōu)槭裁茨芊€(wěn)定旋轉(zhuǎn)？背后的原理是角動量守恒。角動量是檢驗(yàn)物體旋轉(zhuǎn)的物理量，其方向和大小不會輕易改變。玩過指尖陀螺的朋友都知道，陀螺旋轉(zhuǎn)后，如果改變方向，就能感受到它強(qiáng)烈的“掙扎和抵抗”。

利用角動量守恒的規(guī)律，人們在槍的管壁上雕刻出膛線(也稱為復(fù)線)，使子彈圍繞軸旋轉(zhuǎn)，這樣當(dāng)它飛向目標(biāo)時，它就會一直向前彈動，不會在空中滾動，這樣它就可以飛得盡可能遠(yuǎn)。

抖過單輪空竹(包括老先生上面說的鍋蓋)的玩家也知道，單輪空竹落在繩子上后，會在玩家身邊旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動。這種現(xiàn)象被稱為“進(jìn)動”，是地球重力“扭轉(zhuǎn)”后守恒角動量“傾倒”的結(jié)果，但它的“傾倒”是向側(cè)面移動，而不是直直地一頭扎在地上。

通過感知這個“移動”和陀螺設(shè)備，我們可以知道我們的運(yùn)動方向已經(jīng)扭轉(zhuǎn)。這些設(shè)備被稱為“陀螺儀”，是飛機(jī)、衛(wèi)星、太空望遠(yuǎn)鏡和空間站必不可少的重要姿態(tài)控制設(shè)備。

另外順便說一句，拋開那些高大上的精密儀器不說，別人陀螺本螺本螺自己也上過太空…

來自央視新聞頻道的陀螺運(yùn)動演示

竹蜻蜓/水火箭

竹蜻蜓是中國傳統(tǒng)的兒童玩具。它的制作也很簡單。一根竹條的兩邊被切成迎風(fēng)斜坡，中間插著一根小木棍，搓著手就能飛向天空。

支持竹蜻蜓的物理原理是牛頓第三定律。當(dāng)竹蜻蜓轉(zhuǎn)動時，葉子的斜坡推動氣體向下移動。根據(jù)牛頓第三定律，力必須有反沖力，大小相反，作用在同一條直線上，所以氣體推動竹蜻蜓向上飛。

當(dāng)你來到成年人的世界，竹蜻蜓就變成了一架飛機(jī)，包括直升機(jī)和固定翼飛機(jī)。背后的終極支持原理是更有效地將氣體推向/扔向下方，從而對機(jī)翼/旋翼產(chǎn)生強(qiáng)大的上升力。

同樣是牛頓第三定律，也創(chuàng)造了另一個先進(jìn)的玩具，那就是水火箭，很多朋友上物理課的時候都是自己做的。在封閉的可樂瓶中打氣，突然推開噴嘴時，壓縮氣體推動瓶中的水向下噴出。在反沖的推動下，水火箭向上搖擺(水火箭也很危險，大家一定要注意安全)。

二級水火箭，截自電商平臺

水火箭原理上和嚴(yán)肅的航天火箭差不多，只是推進(jìn)劑不一樣。在其他方面，即使是“推進(jìn)劑本身就是負(fù)擔(dān)，需要仔細(xì)計算”也是如此。

肥皂泡

小時候玩泡泡的時候，一定是癡迷于泡泡上的顏色。是怎么形成的？是肥皂水的顏色嗎？為什么顏色一消失，泡沫很快就會破裂？

隱藏在肥皂泡色背后的秘密，是光的變化特征。雖然我們通常說太陽光是白光，但實(shí)際上沒有“白光”。陽光由許多顏色(頻率)的光組成，不同顏色的光有不同的波長。當(dāng)同一個光波從肥皂泡的內(nèi)壁和外壁反射時，會產(chǎn)生兩個光波。如果這兩個光波只是峰值和谷物，顏色會加強(qiáng)。如果峰對峰，谷對峰，顏色會被抵消。通過這種方式，哪一種顏色會增強(qiáng)，哪一種顏色會抵消，取決于泡沫水膜的厚度和我們的觀察角度。這叫做“干預(yù)”，產(chǎn)生的圖案叫做干預(yù)條紋。

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在重力的作用下，肥皂浸泡在水中會逐漸沿著周圍向下流動。當(dāng)泡沫水膜足夠薄時，其內(nèi)壁和外壁不會對任何顏色產(chǎn)生顯著的干預(yù)效果。因此，當(dāng)我們看到肥皂泡褪色時，我們知道它離崩潰不遠(yuǎn)了。

利用干預(yù)效應(yīng)，科學(xué)家們創(chuàng)造了許多科學(xué)的觀測設(shè)備，其中許多是為了幫助我們探索宇宙的奧秘。在物理發(fā)展史上，一些系統(tǒng)“取得了巨大的成就”，如邁克爾遜-莫雷干涉實(shí)驗(yàn)，直接拒絕了以太-之前想象中的光的傳輸介質(zhì)。有的設(shè)備大而無形，我們在其中，都感覺不到它的存在。例如，著名的事件視覺望遠(yuǎn)鏡由散落在世界各地的幾個射電望遠(yuǎn)鏡組成。它利用“甚長基線干預(yù)”技術(shù)拍攝了兩個特大黑洞的圖像。

噗噗船

在電影《懸崖上的金魚公主》中，我們看到了一艘有趣的玩具船，一艘宗介和波妞乘坐的“噗噗船”。點(diǎn)燃一根蠟燭(被魔法放大)，放在小鍋爐下面，船就會向前滑動。

在現(xiàn)實(shí)世界中，這樣的船真的可以制造出來！將易拉罐的鋁鉑剪成小扁包，插入兩根吸管(兩根為了方便后續(xù)步驟注水)，用滴膠將鋁包和吸管結(jié)合處的縫隙密封，從吸管中注入一些水，準(zhǔn)備一艘?guī)灎T的小紙船，將鋁包放在蠟燭火焰上方，將吸管放入水中，可以看到船在向前滑動！

噗噗，截自電商平臺

在熱傳動原理中，驅(qū)動噗噗船的發(fā)動機(jī)被稱為“斯特林發(fā)動機(jī)”。它通過使封閉空間中的氣體/液體在熱區(qū)和冷區(qū)之間不斷波動和流動來促進(jìn)發(fā)動機(jī)的工作。斯特林發(fā)動機(jī)是一種外燃機(jī)，是從外部加熱的。與我們比較熟悉的內(nèi)燃機(jī)(比如發(fā)動機(jī)就是在氣缸里燒汽油的內(nèi)燃機(jī))相比，它最大的特點(diǎn)就是不限制熱原。無論是摩擦加熱、燒柴、用電、太陽能還是核反應(yīng)，只要能產(chǎn)生熱量，都可以充當(dāng)熱區(qū)的熱源。在這種情況下，斯特林引擎可以用于太空！

當(dāng)然，如果在太空中使用斯特林發(fā)動機(jī)，還有一些細(xì)節(jié)需要克服，比如潤滑油問題。這里有一個低調(diào)的好消息。在神舟15號完成的軌道試驗(yàn)中，有一個是“空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)”，在未來載人月球和深空探測任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

照片截自央視新聞頻道。

最后，我們也應(yīng)該向我們的朋友強(qiáng)調(diào)，雖然我們的文章是按照“玩具-理論-上太空”的順序組織的，但并不意味著用來創(chuàng)造每個人的理論都是從玩具中實(shí)現(xiàn)的。相反，很多時候，人們先把火箭送到太空，然后童心未泯的工程師開始思考，他們可以用這個原則做些什么來玩...

策劃制作

作者丨曲炯 通訊技術(shù)工程師

審批丨劉勇 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員

策劃丨丁崝

原來的標(biāo)題：“這么會玩，你為什么不去天堂？這個給你看！”

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