铁皮青蛙、竹蜻蜓、陀螺……童年玩具用到的原理其实可以用到太空中去

科普中国

2024-06-01 07:30发布于北京中国科学技术协会官方账号

孩子离不开玩具，好的玩具，不但可以让孩子开心，还能引起孩子对世界的好奇和思考，而这些品质，对孩子日后的发展大有裨益。而且，别看儿童玩具相对比较简单，很多玩具用到的原理其实可以一直用到太空中去！今天，又到了儿童节，就让咱们盘点一下，看看这些大家耳熟能详的小玩具背后的原理吧。

铁皮青蛙/回力车/八音盒

我们小时候都玩过发条铁皮青蛙……什么？你没玩过？那一定是你经历了铁皮青蛙已经过时而某宝尚未兴起的代沟期，现在快去逛逛某宝，还能找回丢失的童年。除了小青蛙，回力车、八音盒也都要用到发条。

铁皮小青蛙，图片截自电商平台

上发条的时候，我们手上的动能传递给发条，以弹性势能的方式存储在发条里。当松开手时，发条就缓缓舒展，把弹性势能重新转化为动能，让铁皮青蛙呱呱叫着往前跳，让回力车冲向终点线，让八音盒的滚筒拨动琴弦，奏响美妙的音乐。

在大人的世界里，弹性势能与动能的转换还能用来做其他事情。比如从远古时代起，世界各地的人们就发明了弓箭，利用弹性势能来捕猎打仗。现在，人们把发条放到机械表里，让它驱动指针转动，或是放进卷尺或吸尘器，让它帮着快速收起卷尺或线缆。老式的沙发里面装的是弹簧，汽车和许多大型精密设备使用弹簧或者液压装置来吸收运动能量，达到减震的效果。而弹簧秤是中学物理课必备的实验设备，甚至在菜市场上，也常常见到手拿弹簧秤的老先生老太太们。

那这和太空又有什么关系呢？咱们当然不可能用弓箭或者弹弓子把航天器直接崩上太空，这个原理在太空中的用途之一，是帮航天员称体重。

你可能会说：不对啊？空间站是微重力环境，弹簧秤也没法称啊？这时就要牛顿第二定律来帮忙了：航天员把自己固定在已拉伸弹簧的一端，当弹簧恢复原位时，同时测量航天员的回弹加速度，就能求出航天员的体重。

王亚平正在帮聂海胜称体重，截图自央视综合频道

陀螺/空竹

陀螺这个玩具，全国各地的叫法不太一样，有的地方叫“冰尜（ga）”，有的叫“打老牛”“懒懒婆”“geluo”“dielou”（都不知道具体的字是啥），笔者印象较深的名字是“抽汉奸”，一鞭又一鞭，打得汉奸转圈圈。

陀螺的个头常常比较小，大个子弓着身子玩一会儿，腰就直不起来了。大孩子和老儿童们适合玩抖空竹，两根棍一条绳，就能抖出许多花样。笔者曾听过一位高人说：“你给我一个锅盖，我也能给你抖起来。”

抖空竹，截自电商平台

不论陀螺还是空竹，共同的特点是转得稳。为什么它们能转稳？背后的原理是角动量守恒。角动量是衡量物体旋转的一个物理量，它的方向和大小不会轻易改变。玩过指尖陀螺的小伙伴们都知道，陀螺转起来之后，给它改个方向，就能感受到它强烈的“挣扎反抗”。

利用角动量守恒的规律，人们在枪炮的管壁上刻出膛线（也叫来复线），使子弹绕着轴线旋转起来，这样它飞往目标时，就一直弹头朝前，不会在空中翻滚，这样可以飞得尽量远。

抖过单轮空竹（包括上面老先生说的锅盖）的玩家还知道，单轮空竹落到绳上之后，会一边自转，一边围着玩家转。这个现象叫“进动”，是守恒的角动量被地球重力“扭转”后“倾倒”的结果，只是它的“倾倒”是朝着侧向进动，而不是直挺挺地一头扎到地上去。

感知这个“进动”，装有陀螺的设备就可以知道自己的运动方向发生了扭转。这种设备叫做“陀螺仪”，是飞机、卫星、太空望远镜、空间站上必备的重要姿态控制装置。

另外顺便说一句，抛开那些高大上的精密仪器不谈，人家陀螺本螺自己就上过太空……

陀螺运动演示，来自央视新闻频道

竹蜻蜓/水火箭

竹蜻蜓是中国传统的儿童玩具，它的制作也很简单，一个竹片两端各自削成迎风斜面，中间插根小木棍，两手一搓就能飞上天。

支持竹蜻蜓的物理原理，是牛顿第三定律。当竹蜻蜓转动起来时，叶片的斜面推动空气向下运动，根据牛顿第三定律，作用力必有反作用力，大小相等方向相反，作用在同一直线上，于是空气推动竹蜻蜓向上飞。

来到大人世界里，竹蜻蜓就成了飞机，包括直升机和固定翼飞机。背后的终极支持原理，都是要把空气更有效地推向/丢向下方，从而对机翼/旋翼产生强大的抬升力。

同样是牛顿第三定律，还造就了另一个高级玩具，就是水火箭，好多小伙伴上物理课时都亲手制作过。往密闭的可乐瓶体里打气，猛然推开喷口时，压缩空气推动瓶里的水向下喷出，在反作用力的推动下，水火箭就扶摇直上了（水火箭也有一定危险性，大家千万注意安全）。

二级水火箭，截自电商平台

水火箭和正经的航天火箭原理上已经相差不多，只是推进剂不同而已。而在其他方面，就连“推进剂本身也是负担，需要仔细计算”，都是一样的。

肥皂泡

我们小时候玩吹泡泡的时候，一定都对泡泡上的颜色痴迷过。它是怎么形成的？是肥皂水的颜色吗？为什么颜色一消失，泡泡很快就会破裂呢？

藏在肥皂泡颜色背后的秘密，是光的波动性质。我们虽然通常说太阳光是白光，但实际上并不存在“白光”，阳光是由许多种颜色（频率）的光组成，不同颜色的光有不同的波长。当同一束光波分别从肥皂泡的内外两壁反射的时候，就会产生两束光波，如果这两束光波正好是波峰叠波峰，波谷叠波谷，颜色就会加强，如果正好是波峰对波谷，波谷对波峰，颜色就会抵消。这样一来，哪种颜色会增强，哪种颜色会抵消，是由泡泡的水膜厚度与我们的观察角度决定的。这种现象叫做“干涉”，产生的条纹叫做干涉条纹。

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在重力的作用下，肥皂泡的水会慢慢顺着周边往下流。当泡泡的水膜足够薄的时候，它的内外两壁对任何颜色都无法造成显著的干涉效应。所以，看到肥皂泡褪色的时候，我们就知道它离崩溃不远了。

利用干涉效应，科学家造出了许多科学观测设备，其中很多是为了帮助我们探索宇宙的奥秘。有些设备在物理发展史上“战功赫赫”，例如迈克尔逊-莫雷干涉实验，直接否掉了以太——之前假想的光的传输介质。有些设备大而无形，我们身处其间，都感受不到它的存在。例如著名的事件视界望远镜，由散落在世界各处的若干座射电望远镜组成，它使用“甚长基线干涉”技术，拍摄到了两座特大黑洞的影像。

噗噗船

在《悬崖上的金鱼公主》电影里，我们看到一个有趣的玩具船，宗介和波妞乘坐的“噗噗船“。点着一支蜡烛（被魔力放大了），放在小锅炉下面，小船就噗噗噗地前进了。

在现实世界里，这样的船是真能造出来的！把易拉罐的铝箔剪贴成一个小扁包，插入两根吸管（两根是为了在后续步骤里注水方便），用滴胶封好铝包和吸管结合部位的缝隙，从吸管注入一些水，准备一艘插有一节蜡烛的小纸船，把铝包架到蜡烛火苗上方，把吸管置于水中，就能看到小船噗噗前行了！

噗噗船，截自电商平台

驱动噗噗船的发动机，在热机原理里称为“斯特林引擎”，它通过让密闭空间里的气体/液体不断在热区和冷区之间振荡流动，推动引擎做功。斯特林引擎是一种外燃机，是从外部加热的，比起我们更熟悉的内燃机来（比如汽车发动机就是在气缸里烧汽油的内燃机），它的最大特色就是不限热源，不论你是摩擦生热也好，烧柴也好，用电也好，太阳能也好，核反应也好，只要能产热，都能充当热区的热源。这样的话，在太空中都可以用斯特林引擎了！

当然，在太空中使用斯特林引擎的话，还有一些细节难关需要克服，例如润滑油问题。这里说一个低调的好消息，神舟十五号完成的在轨试验中，有一项就是“空间高效自由活塞斯特林热电转换试验”，它在未来载人月球及深空探测任务中，具有广阔的应用前景。

图片截自央视新闻频道

最后，也要跟小伙伴们强调一下，虽然咱们这篇文章是按照“玩具-理论-上太空”的顺序来组织，但并不意味着用来造大家伙的理论都是从玩具悟出来的，相反，好多时候，是人们先把火箭送上了太空，然后童心未泯的工程师们就开始琢磨，利用这个原理能做个什么东西玩玩呢……

策划制作

作者丨曲炯通信技术工程师

审核丨刘勇中国科学院国家空间科学中心研究员

策划丨丁崝

责编丨丁崝

审校｜徐来林林

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