童年老玩具里居然藏着太空科技的秘密，看完涨知识了

5分钟前

每个孩子的童年都少不了玩具的陪伴，一款好玩具不光能给孩子带来纯粹的快乐，更能悄悄激发孩子对世界的好奇心，培养主动思考的习惯，这些特质会成为孩子未来成长的重要助力。更有意思的是，很多看起来简简单单的儿童玩具，背后用到的科学原理，居然已经被用在了浩瀚太空的航天任务当中！

今天恰逢儿童节，我们就来一起拆解那些陪伴几代人长大的经典玩具，看看它们背后藏着哪些硬核科学知识。

发条玩具：铁皮青蛙、回力车、八音盒

相信很多人的童年记忆里，都有一只上了发条就能蹦跳前进的铁皮青蛙。如果没玩过，大概率是赶上了老玩具过时、网购还没普及的空窗期，现在打开购物平台，还能轻松找到这款经典玩具，帮你找回童年记忆。除了铁皮青蛙，回力车、八音盒其实都用到了发条结构。

铁皮小青蛙，图片截自电商平台

我们给发条上劲的时候，手部的动能会传递给发条，以弹性势能的形式储存在收紧的发条当中。松开手后，发条慢慢恢复原状，储存的弹性势能又会重新转化为动能，驱动铁皮青蛙跳动、回力车前进，还能带动八音盒的滚筒拨动音齿，流出悦耳的音乐。

弹性势能和动能的相互转换，在日常生活和工业领域应用非常广泛。早在远古时期，人类就发明了弓箭，依靠弹性势能捕猎作战；现在机械表里靠发条驱动指针转动，卷尺、自动收线吸尘器也用类似结构收卷尺和线缆；老式沙发里的弹簧、汽车和大型精密设备里的弹簧、液压装置，都靠吸收能量实现减震效果；弹簧秤更是中学物理实验室的标配，就连菜市场里，也常能见到摊主和大爷大妈用弹簧秤称重。

那这个原理和太空有什么关系呢？我们总不能用弹弓把航天器弹去太空吧？实际上，这个原理在太空中的重要用途，就是帮航天员称体重。

你可能会疑惑：空间站是微重力环境，普通弹簧秤根本没法用啊？这时候就要结合牛顿第二定律来解决问题：航天员把自己固定在拉伸后的弹簧一端，弹簧回弹恢复原状的同时，只要测出航天员的回弹加速度，就能计算出航天员的体重了。

王亚平正在帮聂海胜称体重，截图自央视综合频道

旋转玩具：陀螺、空竹

陀螺是全国各地都很流行的传统玩具，不同地方叫法千奇百怪：有的叫冰尜，有的叫打老牛，还有不少方言叫法连对应的汉字都很难写，笔者听过最有意思的叫法是“抽汉奸”，一鞭子一鞭子抽得“汉奸”转不停，听起来就解气。

常规的陀螺个头不大，大个子弯着腰抽一会儿，腰就酸得直不起来。如果是大人想玩，抖空竹就是更好的选择：两根杆一条绳，就能玩出各种各样的花样，笔者还听过玩空竹的高手说：“你给我一个锅盖，我都能给你抖起来。”

抖空竹，截自电商平台

不管是陀螺还是空竹，都有一个共同特点：转起来之后就能保持稳定不倒。这个特性背后，其实是角动量守恒原理在起作用。角动量是描述物体旋转运动的物理量，它的大小和方向都不容易被改变。玩过指尖陀螺的朋友肯定有体会：陀螺转起来之后，如果你想转动它的方向，能明显感觉到它在“抗拒”改变方向。

利用角动量守恒的规律，人们给枪炮的炮管、枪管内壁刻上膛线，让子弹和炮弹发射时沿着自身轴线旋转，这样弹药飞行过程中就能一直保持弹头朝前，不会在空中翻滚，既提升了精度，也增加了射程。

玩过单轮空竹的朋友会发现，单轮空竹落到绳上之后，会一边自转，一边绕着玩家长圆周运动，这个现象叫做进动，是守恒的角动量受重力作用发生方向偏转的结果，它不会直接歪倒落地，而是会朝着侧面做进动。

利用进动效应，搭载陀螺的设备就能感知自身姿态的变化，这种设备就是我们常听说的陀螺仪，它是飞机、人造卫星、太空望远镜、空间站必不可少的核心姿态控制部件。

说起来有意思，陀螺本身也早就作为实验项目登上过太空，用来给大家演示旋转运动的规律。

升力玩具：竹蜻蜓、水火箭

竹蜻蜓是中国传承很久的经典传统玩具，做起来也很简单：把一个竹片的两端削成迎风的斜面，中间插一根小木棍，双手一搓就能飞起来。

支撑竹蜻蜓飞起来的原理，就是牛顿第三定律。当竹蜻蜓转动起来，叶片的斜面会把空气向下推，根据牛顿第三定律，作用力和反作用力大小相等、方向相反，空气反过来就会给竹蜻蜓一个向上的反作用力，把竹蜻蜓托上天。

到了航空领域，竹蜻蜓的原理直接发展出了现在的航空器，不管是直升机的旋翼，还是固定翼飞机的机翼，核心原理都是一样的：通过把空气向下方推动，利用反作用力获得向上的升力。

同样是利用牛顿第三定律，还有一个深受学生党喜爱的“高级玩具”，那就是水火箭，很多朋友上学的时候应该都亲手做过。往密封的可乐瓶里打气，打开喷口之后，压缩空气推着瓶里的水向下喷出，反作用力就推着水火箭直冲上天。这里也要提醒大家：水火箭有一定危险性，操作的时候一定要做好防护，注意安全。

二级水火箭，截自电商平台

水火箭和真正的运载火箭，核心原理其实几乎一模一样，唯一的区别只是推进剂不同而已，就连“推进剂本身也会增加重量，需要仔细计算配比”这个特点，两者都是完全相同的。

泡泡玩具：肥皂泡

小时候玩吹肥皂泡，大家肯定都对泡泡表面变幻莫测的彩色花纹着迷。这些颜色是肥皂水本身带的吗？为什么当颜色慢慢消失，泡泡很快就破了呢？

肥皂泡彩色花纹背后的秘密，其实来自光的波动性。我们平常说太阳光是“白光”，其实太阳光本质上是由不同频率也就是不同颜色的光混合而成的，不同颜色的光波长各不相同。当一束太阳光照射肥皂泡，会分别从肥皂泡的外膜和内膜发生反射，形成两束反射光。如果两束光刚好波峰和波峰叠加、波谷和波谷叠加，这种颜色的光就会增强；如果刚好波峰和波谷叠加，这种颜色的光就会抵消。哪一种颜色会增强、哪一种会抵消，由肥皂泡水膜的厚度和我们观察的角度共同决定，这种现象叫做光的干涉，显示出来的彩色花纹就是干涉条纹。

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在重力作用下，肥皂泡里的水会慢慢顺着泡泡壁向下流动，水膜越来越薄，当薄到一定程度之后，任何颜色的光都没法形成明显的干涉效应了，所以我们看到肥皂泡褪色的时候，就说明它马上就要破裂了。

利用光的干涉效应，科学家研发出了很多尖端观测设备，其中不少设备都是人类探索宇宙的好帮手。物理学史上著名的迈克尔逊-莫雷实验，就用到了干涉原理，直接推翻了当时物理学界认为光传播需要介质“以太”的假说；现在大名鼎鼎的事件视界望远镜，就是由全球多座射电望远镜组成的阵列，它利用甚长基线干涉技术，成功拍摄出了人类历史上第一张黑洞照片。

动力玩具：噗噗船

在动画电影《悬崖上的金鱼公主》里，有一个很有意思的玩具船：宗介和波妞坐的噗噗船，蜡烛放在小锅炉下面加热，小船就噗噗噗地往前开。

在现实里，我们真的可以做出这样的小船：把易拉罐的铝箔折成一个密封小囊，插入两根吸管（插两根是为了方便注水），用胶把缝隙密封好，从吸管注入少量水，把铝箔囊固定在小纸船的蜡烛上方，把吸管开口放进水里，点上蜡烛就能看到小船噗噗噗地往前动了。

噗噗船，截自电商平台

驱动噗噗船的原理，其实就是斯特林引擎，属于热机的一种，它通过让密闭空间里的工质（气体或者液体）在热区和冷区之间反复流动膨胀收缩，推动引擎做功。斯特林引擎属于外燃机，从外部加热，和我们熟悉的汽车内燃机不一样，它最大的优点就是不挑热源，不管是摩擦热、燃烧热、电能、太阳能还是核热能，只要能提供热量，就能驱动它工作，所以这种发动机理论上完全可以在太空使用！

当然，要在太空用斯特林引擎，还有很多技术问题需要解决，比如太空环境下的润滑油问题就是一个难关。一个很多人不知道的好消息是，神舟十五号航天员乘组完成的在轨试验里，就有一项“空间高效自由活塞斯特林热电转换试验”，这项技术未来在载人登月和深空探测任务里，都有非常广阔的应用前景。