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孩子離不開玩具，好的玩具，不但可以讓孩子開心，還能引起孩子對(duì)世界的好奇和思考，而這些品質(zhì)，對(duì)孩子日后的發(fā)展大有裨益。而且，別看兒童玩具相對(duì)比較簡(jiǎn)單， 很多玩具用到的原理其實(shí)可以一直用到太空中去！

今天，又到了兒童節(jié)，就讓咱們盤點(diǎn)一下，看看這些大家耳熟能詳?shù)男⊥婢弑澈蟮脑戆伞?/p>

鐵皮青蛙/回力車/八音盒

(資料圖片)

我們小時(shí)候都玩過(guò)發(fā)條鐵皮青蛙……什么？你沒(méi)玩過(guò)？那一定是你經(jīng)歷了鐵皮青蛙已經(jīng)過(guò)時(shí)而某寶尚未興起的代溝期，現(xiàn)在快去逛逛某寶，還能找回丟失的童年。除了小青蛙，回力車、八音盒也都要用到發(fā)條。

上發(fā)條的時(shí)候，我們手上的動(dòng)能傳遞給發(fā)條，以彈性勢(shì)能的方式存儲(chǔ)在發(fā)條里。當(dāng)松開手時(shí)，發(fā)條就緩緩舒展，把彈性勢(shì)能重新轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，讓鐵皮青蛙呱呱叫著往前跳，讓回力車沖向終點(diǎn)線，讓八音盒的滾筒撥動(dòng)琴弦，奏響美妙的音樂(lè)。

在大人的世界里， 彈性勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換還能用來(lái)做其他事情。比如從遠(yuǎn)古時(shí)代起，世界各地的人們就發(fā)明了弓箭，利用彈性勢(shì)能來(lái)捕獵打仗。現(xiàn)在，人們把發(fā)條放到機(jī)械表里，讓它驅(qū)動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，或是放進(jìn)卷尺或吸塵器，讓它幫著快速收起卷尺或線纜。老式的沙發(fā)里面裝的是彈簧，汽車和許多大型精密設(shè)備使用彈簧或者液壓裝置來(lái)吸收運(yùn)動(dòng)能量，達(dá)到減震的效果。而彈簧秤是中學(xué)物理課必備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，甚至在菜市場(chǎng)上，也常常見到手拿彈簧秤的老先生老太太們。

那這和太空又有什么關(guān)系呢？咱們當(dāng)然不可能用弓箭或者彈弓子把航天器直接崩上太空， 這個(gè)原理在太空中的用途之一，是幫航天員稱體重。

你可能會(huì)說(shuō)：不對(duì)啊？空間站是微重力環(huán)境，彈簧秤也沒(méi)法稱啊？這時(shí)就要牛頓第二定律來(lái)幫忙了：航天員把自己固定在已拉伸彈簧的一端，當(dāng)彈簧恢復(fù)原位時(shí)，同時(shí)測(cè)量航天員的回彈加速度，就能求出航天員的體重。

王亞平正在幫聶海勝稱體重，截圖自央視綜合頻道

陀螺/空竹

陀螺這個(gè)玩具，全國(guó)各地的叫法不太一樣，有的地方叫“冰尜（ga）”，有的叫“打老牛”“懶懶婆”“geluo”“dielou”（都不知道具體的字是啥），筆者印象較深的名字是“抽漢奸”，一鞭又一鞭，打得漢奸轉(zhuǎn)圈圈。

陀螺的個(gè)頭常常比較小，大個(gè)子弓著身子玩一會(huì)兒，腰就直不起來(lái)了。大孩子和老兒童們適合玩抖空竹，兩根棍一條繩，就能抖出許多花樣。筆者曾聽過(guò)一位高人說(shuō)：“你給我一個(gè)鍋蓋，我也能給你抖起來(lái)。”

抖空竹，截自電商平臺(tái)

不論陀螺還是空竹，共同的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)得穩(wěn)。為什么它們能轉(zhuǎn)穩(wěn)？ 背后的原理是角動(dòng)量守恒。角動(dòng)量是衡量物體旋轉(zhuǎn)的一個(gè)物理量，它的方向和大小不會(huì)輕易改變。玩過(guò)指尖陀螺的小伙伴們都知道，陀螺轉(zhuǎn)起來(lái)之后，給它改個(gè)方向，就能感受到它強(qiáng)烈的“掙扎反抗”。

利用角動(dòng)量守恒的規(guī)律，人們?cè)跇屌诘墓鼙谏峡坛鎏啪€（也叫來(lái)復(fù)線），使子彈繞著軸線旋轉(zhuǎn)起來(lái)，這樣它飛往目標(biāo)時(shí)，就一直彈頭朝前，不會(huì)在空中翻滾，這樣可以飛得盡量遠(yuǎn)。

抖過(guò)單輪空竹（包括上面老先生說(shuō)的鍋蓋）的玩家還知道， 單輪空竹落到繩上之后，會(huì)一邊自轉(zhuǎn)，一邊圍著玩家轉(zhuǎn)。這個(gè)現(xiàn)象叫“進(jìn)動(dòng)”，是守恒的角動(dòng)量被地球重力“扭轉(zhuǎn)”后“傾倒”的結(jié)果，只是它的“傾倒”是朝著側(cè)向進(jìn)動(dòng)，而不是直挺挺地一頭扎到地上去。

感知這個(gè)“進(jìn)動(dòng)”，裝有陀螺的設(shè)備就可以知道自己的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了扭轉(zhuǎn)。這種設(shè)備叫做“陀螺儀”，是飛機(jī)、衛(wèi)星、太空望遠(yuǎn)鏡、空間站上必備的重要姿態(tài)控制裝置。

另外順便說(shuō)一句，拋開那些高大上的精密儀器不談，人家陀螺本螺自己就上過(guò)太空……

陀螺運(yùn)動(dòng)演示，來(lái)自央視新聞?lì)l道

竹蜻蜓/水火箭

竹蜻蜓是中國(guó)傳統(tǒng)的兒童玩具，它的制作也很簡(jiǎn)單，一個(gè)竹片兩端各自削成迎風(fēng)斜面，中間插根小木棍，兩手一搓就能飛上天。

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(dòng)起來(lái)時(shí)，葉片的斜面推動(dòng)空氣向下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第三定律，作用力必有反作用力，大小相等方向相反，作用在同一直線上，于是空氣推動(dòng)竹蜻蜓向上飛。

來(lái)到大人世界里，竹蜻蜓就成了飛機(jī)，包括直升機(jī)和固定翼飛機(jī)。 背后的終極支持原理，都是要把空氣更有效地推向/丟向下方，從而對(duì)機(jī)翼/旋翼產(chǎn)生強(qiáng)大的抬升力。

同樣是牛頓第三定律，還造就了另一個(gè)高級(jí)玩具，就是水火箭，好多小伙伴上物理課時(shí)都親手制作過(guò)。往密閉的可樂(lè)瓶體里打氣，猛然推開噴口時(shí)，壓縮空氣推動(dòng)瓶里的水向下噴出，在反作用力的推動(dòng)下，水火箭就扶搖直上了（水火箭也有一定危險(xiǎn)性，大家千萬(wàn)注意安全）。

二級(jí)水火箭，截自電商平臺(tái)

水火箭和正經(jīng)的航天火箭原理上已經(jīng)相差不多，只是推進(jìn)劑不同而已。而在其他方面，就連“推進(jìn)劑本身也是負(fù)擔(dān)，需要仔細(xì)計(jì)算”，都是一樣的。

肥皂泡

我們小時(shí)候玩吹泡泡的時(shí)候，一定都對(duì)泡泡上的顏色癡迷過(guò)。它是怎么形成的？是肥皂水的顏色嗎？為什么顏色一消失，泡泡很快就會(huì)破裂呢？

藏在肥皂泡顏色背后的秘密，是光的波動(dòng)性質(zhì)。我們雖然通常說(shuō)太陽(yáng)光是白光，但實(shí)際上并不存在“白光”，陽(yáng)光是由許多種顏色（頻率）的光組成，不同顏色的光有不同的波長(zhǎng)。當(dāng)同一束光波分別從肥皂泡的內(nèi)外兩壁反射的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生兩束光波，如果這兩束光波正好是波峰疊波峰，波谷疊波谷，顏色就會(huì)加強(qiáng)，如果正好是波峰對(duì)波谷，波谷對(duì)波峰，顏色就會(huì)抵消。這樣一來(lái)，哪種顏色會(huì)增強(qiáng)，哪種顏色會(huì)抵消，是由泡泡的水膜厚度與我們的觀察角度決定的。 這種現(xiàn)象叫做“干涉”，產(chǎn)生的條紋叫做干涉條紋。

在重力的作用下，肥皂泡的水會(huì)慢慢順著周邊往下流。當(dāng)泡泡的水膜足夠薄的時(shí)候，它的內(nèi)外兩壁對(duì)任何顏色都無(wú)法造成顯著的干涉效應(yīng)。所以，看到肥皂泡褪色的時(shí)候，我們就知道它離崩潰不遠(yuǎn)了。

利用干涉效應(yīng)，科學(xué)家造出了許多科學(xué)觀測(cè)設(shè)備，其中很多是為了幫助我們探索宇宙的奧秘。有些設(shè)備在物理發(fā)展史上“戰(zhàn)功赫赫”，例如邁克爾遜-莫雷干涉實(shí)驗(yàn)，直接否掉了以太——之前假想的光的傳輸介質(zhì)。有些設(shè)備大而無(wú)形，我們身處其間，都感受不到它的存在。例如著名的事件視界望遠(yuǎn)鏡，由散落在世界各處的若干座射電望遠(yuǎn)鏡組成，它使用“甚長(zhǎng)基線干涉”技術(shù)，拍攝到了兩座特大黑洞的影像。

噗噗船

在《懸崖上的金魚公主》電影里，我們看到一個(gè)有趣的玩具船，宗介和波妞乘坐的“噗噗船”。點(diǎn)著一支蠟燭（被魔力放大了），放在小鍋爐下面，小船就噗噗噗地前進(jìn)了。

在現(xiàn)實(shí)世界里，這樣的船是真能造出來(lái)的！把易拉罐的鋁箔剪貼成一個(gè)小扁包，插入兩根吸管（兩根是為了在后續(xù)步驟里注水方便），用滴膠封好鋁包和吸管結(jié)合部位的縫隙，從吸管注入一些水，準(zhǔn)備一艘插有一節(jié)蠟燭的小紙船，把鋁包架到蠟燭火苗上方，把吸管置于水中，就能看到小船噗噗前行了！

噗噗船，截自電商平臺(tái)

驅(qū)動(dòng)噗噗船的發(fā)動(dòng)機(jī)， 在熱機(jī)原理里稱為“斯特林引擎”，它通過(guò)讓密閉空間里的氣體/液體不斷在熱區(qū)和冷區(qū)之間振蕩流動(dòng)，推動(dòng)引擎做功。斯特林引擎是一種外燃機(jī)，是從外部加熱的，比起我們更熟悉的內(nèi)燃機(jī)來(lái)（比如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)就是在氣缸里燒汽油的內(nèi)燃機(jī)），它的最大特色就是不限熱源，不論你是摩擦生熱也好，燒柴也好，用電也好，太陽(yáng)能也好，核反應(yīng)也好，只要能產(chǎn)熱，都能充當(dāng)熱區(qū)的熱源。這樣的話，在太空中都可以用斯特林引擎了！

當(dāng)然，在太空中使用斯特林引擎的話，還有一些細(xì)節(jié)難關(guān)需要克服，例如潤(rùn)滑油問(wèn)題。這里說(shuō)一個(gè)低調(diào)的好消息，神舟十五號(hào)完成的在軌試驗(yàn)中，有一項(xiàng)就是“空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)”，它在未來(lái)載人月球及深空探測(cè)任務(wù)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖片截自央視新聞?lì)l道

最后，也要跟小伙伴們強(qiáng)調(diào)一下，雖然咱們這篇文章是按照“玩具-理論-上太空”的順序來(lái)組織， 但并不意味著用來(lái)造大家伙的理論都是從玩具里悟出來(lái)的，相反，好多時(shí)候，是人們先把火箭送上了太空，然后童心未泯的工程師們就開始琢磨，利用這個(gè)原理能做個(gè)什么東西玩玩呢……

策劃制作

作者丨曲炯 通信技術(shù)工程師

審核丨劉勇 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員

策劃丨丁崝

責(zé)編丨丁崝 王夢(mèng)如