孩子離不開玩具，好的玩具，不但可以讓孩子開心，還能引起孩子對世界的好奇和思考，而這些品質(zhì)，對孩子日后的發(fā)展大有裨益。而且，別看兒童玩具相對比較簡單，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

我們小時候都玩過發(fā)條鐵皮青蛙……什么？你沒玩過？那一定是你經(jīng)歷了鐵皮青蛙已經(jīng)過時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。

鐵皮小青蛙，圖片截自電商平臺

上發(fā)條的時候，我們手上的動能傳遞給發(fā)條，以彈性勢能的方式存儲在發(fā)條里。當(dāng)松開手時，發(fā)條就緩緩舒展，把彈性勢能重新轉(zhuǎn)化為動能，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琴弦，奏響美妙的音樂。 在大人的世界里，彈性勢能與動能的轉(zhuǎn)換還能用來做其他事情。

比如從遠(yuǎn)古時代起，世界各地的人們就發(fā)明了弓箭，利用彈性勢能來捕獵打仗?，F(xiàn)在，人們把發(fā)條放到機(jī)械表里，讓它驅(qū)動指針轉(zhuǎn)動，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吸收運(yùn)動能量，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，這個原理在太空中的用途之一， 是幫航天員稱體重。

你可能會說：不對啊？空間站是微重力環(huán)境，彈簧秤也沒法稱??？這時就要牛頓第二定律來幫忙了：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，同時測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

陀螺這個玩具，全國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。 陀螺的個頭常常比較小，大個子弓著身子玩一會兒，腰就直不起來了。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。筆者曾聽過一位高人說：“你給我一個鍋蓋，我也能給你抖起來。”

抖空竹，截自電商平臺

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)？背后的原理是角動量守恒。角動量是衡量物體旋轉(zhuǎn)的一個物理量，它的方向和大小不會輕易改變。玩過指尖陀螺的小伙伴們都知道，陀螺轉(zhuǎn)起來之后，給它改個方向，就能感受到它強(qiáng)烈的“掙扎反抗”。 利用角動量守恒的規(guī)律，人們在槍炮的管壁上刻出膛線（也叫來復(fù)線），使子彈繞著軸線旋轉(zhuǎn)起來，這樣它飛往目標(biāo)時，就一直彈頭朝前，不會在空中翻滾，這樣可以飛得盡量遠(yuǎn)。

抖過單輪空竹（包括上面老先生說的鍋蓋）的玩家還知道，單輪空竹落到繩上之后，會一邊自轉(zhuǎn)，一邊圍著玩家轉(zhuǎn)。這個現(xiàn)象叫“進(jìn)動”，是守恒的角動量被地球重力“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，而不是直挺挺地一頭扎到地上去。 感知這個“進(jìn)動”，裝有陀螺的設(shè)備就可以知道自己的運(yùn)動方向發(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太空……

陀螺運(yùn)動演示，來自央視新聞頻道

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，一個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)動起來時，葉片的斜面推動空氣向下運(yùn)動，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，于是空氣推動竹蜻蜓向上飛。 來到大人世界里，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，還造就了另一個高級玩具，就是水火箭，好多小伙伴上物理課時都親手制作過。往密閉的可樂瓶體里打氣，猛然推開噴口時，壓縮空氣推動瓶里的水向下噴出，在反作用力的推動下，水火箭就扶搖直上了（水火箭也有一定危險(xiǎn)性，大家千萬注意安全）。

二級水火箭，截自電商平臺

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

我們小時候玩吹泡泡的時候，一定都對泡泡上的顏色癡迷過。它是怎么形成的？是肥皂水的顏色嗎？為什么顏色一消失，泡泡很快就會破裂呢？ 藏在肥皂泡顏色背后的秘密，是光的波動性質(zhì)。我們雖然通常說太陽光是白光，但實(shí)際上并不存在“白光”，陽光是由許多種顏色（頻率）的光組成，不同顏色的光有不同的波長。

當(dāng)同一束光波分別從肥皂泡的內(nèi)外兩壁反射的時候，就會產(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，顏色就會加強(qiáng)，如果正好是波峰對波谷，波谷對波峰，顏色就會抵消。這樣一來，哪種顏色會增強(qiáng)，哪種顏色會抵消，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，肥皂泡的水會慢慢順著周邊往下流。

當(dāng)泡泡的水膜足夠薄的時候，它的內(nèi)外兩壁對任何顏色都無法造成顯著的干涉效應(yīng)。所以，看到肥皂泡褪色的時候，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的！

把易拉罐的鋁箔剪貼成一個小扁包，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！

驅(qū)動噗噗船的發(fā)動機(jī)，在熱機(jī)原理里稱為“斯特林引擎”，它通過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，推動引擎做功。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（比如汽車發(fā)動機(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，例如潤滑油問題。

這里說一個低調(diào)的好消息，神舟十五號完成的在軌試驗(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)”，它在未來載人月球及深空探測任務(wù)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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”的順序來組織，但并不意味著用來造大家伙的理論都是從玩具悟出來的，相反，好多時候，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，利用這個原理能做個什么東西玩玩呢……

策劃制作

作者丨曲炯 通信技術(shù)工程師

審核丨劉勇 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員

策劃丨丁崝

責(zé)編丨丁崝

審校｜徐來 林林