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，而這些品質對孩子日后的發展大有裨益。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可以一直用到太空中去。

鐵皮青蛙、回力車、八音盒

我們小時候都玩過發條鐵皮青蛙……什麼？你沒玩過？那一定是你經歷了鐵皮青蛙已經過時而某寶尚未興起的代溝期。除了小青蛙，回力車、八音盒也都要用到發條。

上發條的時候，我們手上的動能傳遞給發條，以彈性勢能的方式存儲在發條裡。當鬆開手時，發條就緩緩舒展，把彈性勢能重新轉化為動能，讓鐵皮青蛙呱呱叫著往前跳，讓回力車沖向終點線，讓八音盒的滾筒撥動琴弦，奏響美妙的音樂。在大人的世界裡，彈性勢能與動能的轉換還能用來做其他事情。比如從遠古時代起，世界各地的人們就發明了弓箭，利用彈性勢能來捕獵打仗。現在，人們把發條放到機械表裡，讓它驅動指針轉動，或是放進卷尺或吸塵器，讓它幫著快速收起卷尺或線纜。老式的沙發裡面裝的是彈簧，汽車和許多大型精密設備使用彈簧或者液壓裝置來吸收運動能量，達到減震的效果。而彈簧秤是中學物理課必備的實驗設備，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。

那這和太空又有什麼關系呢？咱們當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？空間站是微重力環境，彈簧秤也沒法稱啊？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，當彈簧恢復原位時，同時測量航天員的回彈加速度，就能求出航天員的體重。

陀螺、空竹

陀螺這個玩具，全國各地的叫法雖然不太一樣，但是玩法都是一鞭又一鞭，很是好玩。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：“你給我一個鍋蓋，我也能給你抖起來。”抖不論陀螺還是空竹，共同的特點是轉得穩。為什麼它們能轉穩？背后的原理是角動量守恆。

角動量是衡量物體旋轉的一個物理量，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，陀螺轉起來之后，給它改個方向，就能感受到它強烈的“掙扎反抗”。利用角動量守恆的規律，人們在槍炮的管壁上刻出膛線（也叫來復線），使子彈繞著軸線旋轉起來，這樣它飛往目標時，就一直彈頭朝前，不會在空中翻滾，這樣可以飛得盡量遠。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，一邊圍著玩家轉。這個現象叫“進動”，是守恆的角動量被地球重力“扭轉”后“傾倒”的結果，只是它的“傾倒”是朝著側向進動，而不是直挺挺地一頭扎到地上去。感知這個“進動”，裝有陀螺的設備就可以知道自己的運動方向發生了扭轉。這種設備叫做“陀螺儀”，是飛機、衛星、太空望遠鏡、空間站上必備的重要姿態控制裝置。

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。

竹蜻蜓、水火箭

竹蜻蜓是中國傳統的兒童玩具，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。

當竹蜻蜓轉動起來時，葉片的斜面推動空氣向下運動，根據牛頓第三定律，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，於是空氣推動竹蜻蜓向上飛。來到大人世界裡，竹蜻蜓就成了飛機，包括直升機和固定翼飛機。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，從而對機翼/旋翼產生強大的抬升力。

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。往密閉的可樂瓶體裡打氣，猛然推開噴口時，壓縮空氣推動瓶裡的水向下噴出，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性，大家千萬注意安全）。水火箭和正經的航天火箭原理上已經相差不多，只是推進劑不同而已。而在其他方面，就連“推進劑本身也是負擔，需要仔細計算”，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痴迷過。它是怎麼形成的？是肥皂水的顏色嗎？為什麼顏色一消失，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。

我們雖然通常說太陽光是白光，但實際上並不存在“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。當同一束光波分別從肥皂泡的內外兩壁反射的時候，就會產生兩束光波，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，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，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。這種現象叫做“干涉”，產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。當泡泡的水膜足夠薄的時候，它的內外兩壁對任何顏色都無法造成顯著的干涉效應。所以，看到肥皂泡褪色的時候，我們就知道它離崩潰不遠了。

利用干涉效應，科學家造出了許多科學觀測設備，其中很多是為了幫助我們探索宇宙的奧秘。有些設備在物理發展史上“戰功赫赫”，例如邁克爾遜-莫雷干涉實驗，直接否掉了以太之前假想的光的傳輸介質。有些設備大而無形，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鏡，由散落在世界各處的若干座射電望遠鏡組成，它使用“甚長基線干涉”技術，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》電影裡，我們看到一個有趣的玩具船，宗介和波妞乘坐的“噗噗船“。點著一支蠟燭（被魔力放大了），放在小鍋爐下面，小船就噗噗噗地前進了。

在現實世界裡，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（兩根是為了在后續步驟裡注水方便），用滴膠封好鋁包和吸管結合部位的縫隙，從吸管注入一些水，准備一艘插有一節蠟燭的小紙船，把鋁包架到蠟燭火苗上方，把吸管置於水中，就能看到小船噗噗前行了。

驅動噗噗船的發動機，在熱機原理裡稱為“斯特林引擎”，它通過讓密閉空間裡的氣體/液體不斷在熱區和冷區之間振蕩流動，推動引擎做功。斯特林引擎是一種外燃機，是從外部加熱的，比起我們更熟悉的內燃機來（比如汽車發動機就是在氣缸裡燒汽油的內燃機），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，核反應也好，隻要能產熱，都能充當熱區的熱源。這樣的話，在太空中都可以用斯特林引擎了。當然，在太空中使用斯特林引擎的話，還有一些細節難關需要克服，例如潤滑油問題。

這裡說一個低調的好消息，神舟十五號完成的在軌試驗中，有一項就是“空間高效自由活塞斯特林熱電轉換試驗”，它在未來載人月球及深空探測任務中，具有廣闊的應用前景。

最后，也要跟小伙伴們強調一下，雖然咱們這篇文章是按照“玩具-理論-上太空”的順序來組織，但並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麼東西玩玩呢？

作者：通信技術工程師曲炯

審核：中國科學院國家空間科學中心研究員劉勇

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