这么会玩，你为什么不去天堂？这个就给你了！

2024-06-04

原创曲炯科普中国

孩子离不开玩具。好的玩具不仅能让孩子开心，还能引起孩子对世界的好奇和思考。这些品质对孩子未来的发展大有裨益。而且，虽然儿童玩具比较简单，但是很多玩具使用的原理可以一直用在太空中！今天是儿童节。让我们来看看这些熟悉的小玩具背后的原理。

铁皮青蛙/回力车/八音箱

当我们年轻的时候，我们都玩过发条铁青蛙...什么事？你没玩过吗？一定是你经历过铁青蛙已经过时，但某宝还没有崛起的隔阂期。现在去逛逛某宝，还能找到失去的童年。除了小青蛙，发条也用于回力车和音箱。

铁皮青蛙，照片截自电商平台

当我们上发条时，我们手中的动能传递给发条，并以弹性势能的形式储存在发条中。当你松开手时，发条会慢慢伸展，弹性势能会再次转化为动能，让铁皮青蛙呱呱地向前跳，让回力车冲向终点线，让音乐盒的滚筒拨动琴弦，奏响美妙的音乐。

成年人的世界里，弹性势能和动能的转换也可以用来做其它事情。例如，从古代开始，世界各地的人们就创造了弓弩，利用弹性势能进行狩猎和战斗。现在，人们将发条放入机械表中，使其驱动指针旋转，或放入卷尺或吸尘器中，使卷尺或电缆迅速收起。在老式的沙发上安装了扭簧，汽车和许多大型精密设备使用扭簧或液压装置来吸收运动能量，从而达到减震效果。而且弹簧秤是中学物理课上必不可少的实验设备，甚至在菜市场上，也经常看到手持弹簧秤的老太太。

那么，这和太空有什么关系呢？在太空中，我们当然不能用弓弩或弹弓直接将航天器撞向太空，这是太空中的一个用途，就是帮助宇航员测量体重。

你可能会说:不对吗？空间站是一个微重力环境，弹簧秤不能称。这时，牛顿第二定律将得到帮助:宇航员将自己固定在拉伸弹簧的一端。当扭簧恢复到原来的位置时，可以通过测量宇航员的反弹速度来计算宇航员的体重。

王亚平正在帮助聂海胜测量体重，截图自央视综合频道。

陀螺/空竹

陀螺这种玩具，在全国各地都有不同的名称，有的地方叫“冰”（ga）”，有的叫“打老牛”“懒婆”geluo”“dielou"(不知具体字是什么)，作者印象深刻的名字是“抽汉奸”，一鞭一鞭，打汉奸转圈。

陀螺的体积往往比较小，高个子弓着身子玩一会儿，腰就不会直了。大一点的孩子和老一点的孩子适合玩摇空竹，两根棍子一根绳子就能抖出很多花样。我曾经听一个专家说:“如果你给我一个锅盖，我也可以给你摇。”

抖空竹，截自电商平台

陀螺和空竹的共同特点是稳定旋转。他们为什么能稳定旋转？背后的原理是角动量守恒。角动量是检验物体旋转的物理量，其方向和大小不会轻易改变。玩过指尖陀螺的朋友都知道，陀螺旋转后，如果改变方向，就能感受到它强烈的“挣扎和抵抗”。

利用角动量守恒的规律，人们在枪的管壁上雕刻出膛线(也称为复线)，使子弹围绕轴旋转，这样当它飞向目标时，它就会一直向前弹动，不会在空中滚动，这样它就可以飞得尽可能远。

抖过单轮空竹(包括老先生上面说的锅盖)的玩家也知道，单轮空竹落在绳子上后，会在玩家身边旋转和转动。这种现象被称为“进动”，是地球重力“扭转”后守恒角动量“倾倒”的结果，但它的“倾倒”是向侧面移动，而不是直直地一头扎在地上。

通过感知这个“移动”和陀螺设备，我们可以知道我们的运动方向已经扭转。这些设备被称为“陀螺仪”，是飞机、卫星、太空望远镜和空间站必不可少的重要姿态控制设备。

另外顺便说一句，抛开那些高大上的精密仪器不说，别人陀螺本螺本螺自己也上过太空…

来自央视新闻频道的陀螺运动演示

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。一根竹条的两边被切成迎风斜坡，中间插着一根小木棍，搓着手就能飞向天空。

支持竹蜻蜓的物理原理是牛顿第三定律。当竹蜻蜓转动时，叶子的斜坡推动气体向下移动。根据牛顿第三定律，力必须有反冲力，大小相反，作用在同一条直线上，所以气体推动竹蜻蜓向上飞。

当你来到成年人的世界，竹蜻蜓就变成了一架飞机，包括直升机和固定翼飞机。背后的终极支持原理是更有效地将气体推向/扔向下方，从而对机翼/旋翼产生强大的上升力。

同样是牛顿第三定律，也创造了另一个先进的玩具，那就是水火箭，很多朋友上物理课的时候都是自己做的。在封闭的可乐瓶中打气，突然推开喷嘴时，压缩气体推动瓶中的水向下喷出。在反冲的推动下，水火箭向上摇摆(水火箭也很危险，大家一定要注意安全)。

二级水火箭，截自电商平台

水火箭原理上和严肃的航天火箭差不多，只是推进剂不一样。在其他方面，即使是“推进剂本身就是负担，需要仔细计算”也是如此。

肥皂泡

小时候玩泡泡的时候，一定是痴迷于泡泡上的颜色。是怎么形成的？是肥皂水的颜色吗？为什么颜色一消失，泡沫很快就会破裂？

隐藏在肥皂泡色背后的秘密，是光的变化特征。虽然我们通常说太阳光是白光，但实际上没有“白光”。阳光由许多颜色(频率)的光组成，不同颜色的光有不同的波长。当同一个光波从肥皂泡的内壁和外壁反射时，会产生两个光波。如果这两个光波只是峰值和谷物，颜色会加强。如果峰对峰，谷对峰，颜色会被抵消。通过这种方式，哪一种颜色会增强，哪一种颜色会抵消，取决于泡沫水膜的厚度和我们的观察角度。这叫做“干预”，产生的图案叫做干预条纹。

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在重力的作用下，肥皂浸泡在水中会逐渐沿着周围向下流动。当泡沫水膜足够薄时，其内壁和外壁不会对任何颜色产生显著的干预效果。因此，当我们看到肥皂泡褪色时，我们知道它离崩溃不远了。

利用干预效应，科学家们创造了许多科学的观测设备，其中许多是为了帮助我们探索宇宙的奥秘。在物理发展史上，一些系统“取得了巨大的成就”，如迈克尔逊-莫雷干涉实验，直接拒绝了以太-之前想象中的光的传输介质。有的设备大而无形，我们在其中，都感觉不到它的存在。例如，著名的事件视觉望远镜由散落在世界各地的几个射电望远镜组成。它利用“甚长基线干预”技术拍摄了两个特大黑洞的图像。

噗噗船

在电影《悬崖上的金鱼公主》中，我们看到了一艘有趣的玩具船，一艘宗介和波妞乘坐的“噗噗船”。点燃一根蜡烛(被魔法放大)，放在小锅炉下面，船就会向前滑动。

在现实世界中，这样的船真的可以制造出来！将易拉罐的铝铂剪成小扁包，插入两根吸管(两根为了方便后续步骤注水)，用滴胶将铝包和吸管结合处的缝隙密封，从吸管中注入一些水，准备一艘带蜡烛的小纸船，将铝包放在蜡烛火焰上方，将吸管放入水中，可以看到船在向前滑动！

噗噗，截自电商平台

在热传动原理中，驱动噗噗船的发动机被称为“斯特林发动机”。它通过使封闭空间中的气体/液体在热区和冷区之间不断波动和流动来促进发动机的工作。斯特林发动机是一种外燃机，是从外部加热的。与我们比较熟悉的内燃机(比如发动机就是在气缸里烧汽油的内燃机)相比，它最大的特点就是不限制热原。无论是摩擦加热、烧柴、用电、太阳能还是核反应，只要能产生热量，都可以充当热区的热源。在这种情况下，斯特林引擎可以用于太空！

当然，如果在太空中使用斯特林发动机，还有一些细节需要克服，比如润滑油问题。这里有一个低调的好消息。在神舟15号完成的轨道试验中，有一个是“空间高效自由活塞斯特林热电转换试验”，在未来载人月球和深空探测任务中具有广阔的应用前景。