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 。

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 。

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。 ”

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……

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)。

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。

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！

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。

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里悟出来的，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