你小时候玩的这些玩具 其实藏着大学问

孩子离不开玩具，好的玩具，不但能让孩子开心，还能悄悄激发他们对世界的好奇与思考——而这些品质，对日后的成长大有裨益。

别看儿童玩具结构简单，很多背后的原理，其实能一路用到太空中去。今天又到儿童节，咱们就来盘点一下，这些耳熟能详的小玩具，到底藏着怎样的科学门道。

铁皮青蛙/回力车/八音盒

小时候玩过发条铁皮青蛙的举手？如果没玩过，那多半是铁皮青蛙已经过时、而网购还没兴起的代沟期。现在去某宝逛逛，还能找回童年。除了小青蛙，回力车、八音盒也都靠发条驱动。

上发条时，手上的动能传递给了发条，以弹性势能的形式储存起来。松开手，发条缓缓舒展，把弹性势能重新变回动能——铁皮青蛙呱呱叫着往前跳，回力车冲向终点，八音盒的滚筒拨动琴弦，奏出美妙的音乐。

在大人的世界里，弹性势能与动能的转换还能干不少事。从远古时代，世界各地的人们就发明了弓箭，利用弹性势能打猎打仗。如今，发条被放进机械表里驱动指针，或者装进卷尺、吸尘器，帮我们快速收线。老式沙发里装弹簧，汽车和精密设备用弹簧或液压装置吸收运动能量、实现减震。弹簧秤更是中学物理课的标配，菜市场里也时常能见到。

那这和太空有啥关系？当然不可能用弓箭或弹弓把航天器崩上去。但这个原理在太空中的用途之一，是帮航天员称体重。你可能会问：空间站是微重力环境，弹簧秤没法用啊？这时候得请牛顿第二定律来帮忙：航天员把自己固定在已拉伸的弹簧一端，弹簧恢复原位的同时，测出回弹加速度，就能算出体重。

王亚平正在帮聂海胜称体重，截图自央视综合频道

陀螺/空竹

陀螺这玩意儿，各地叫法五花八门：有的叫“冰尜（ga）”，有的叫“打老牛”“懒懒婆”“geluo”“dielou”——还有的地方叫“抽汉奸”，一鞭又一鞭，打得汉奸转圈圈。陀螺个头小，大个子弓着身子玩一会儿腰就直不起来了。大孩子和老儿童更适合抖空竹：两根棍一条绳，抖出无数花样。曾有人放话：“你给我一个锅盖，我也能给你抖起来。”

抖空竹，截自电商平台

不论陀螺还是空竹，共同点是转得稳。为什么能转稳？背后是角动量守恒。角动量是衡量物体旋转的物理量，方向和大小不会轻易改变。玩过指尖陀螺的都知道，陀螺转起来后，想给它改个方向，能明显感受到它“挣扎反抗”。

利用角动量守恒，人们在枪炮管壁刻出膛线（也叫来复线），让子弹绕着轴线旋转，这样飞行时一直弹头朝前，不会翻滚，能飞得尽量远。抖过单轮空竹的玩家还知道，单轮空竹落到绳上后，会一边自转，一边围着玩家转——这叫“进动”，是守恒的角动量被地球重力“扭转”后“倾倒”的结果，只不过它朝着侧向进动，而不是一头扎到地上。

感知这种“进动”，装有陀螺的设备就能知道自己运动方向发生了扭转。这种设备叫陀螺仪，是飞机、卫星、太空望远镜、空间站上必备的姿态控制装置。顺便说一句，抛开那些高大上的精密仪器，陀螺本螺自己就上过太空……

陀螺运动演示，来自央视新闻频道

竹蜻蜓/水火箭

竹蜻蜓是传统中国儿童玩具，制作简单：竹片两端削成迎风斜面，中间插根小木棍，两手一搓就能飞上天。它的物理原理是牛顿第三定律——竹蜻蜓转动时，叶片斜面推动空气向下，根据作用力与反作用力，空气反过来推动竹蜻蜓向上飞。

到了大人世界里，竹蜻蜓变成了飞机——直升机和固定翼飞机，背后都是把空气更有效地推向下方，从而对机翼/旋翼产生抬升力。同样基于牛顿第三定律，还有另一个高级玩具——水火箭，好多人在物理课上亲手做过：往密闭可乐瓶里打气，猛然推开喷口，压缩空气推动瓶里的水向下喷出，反作用力让水火箭扶摇直上（注意安全，有危险性）。

二级水火箭，截自电商平台

水火箭和正经航天火箭的原理已经相差无几，只是推进剂不同。就连“推进剂本身也是负担，需要仔细计算”这点，也是一模一样。

肥皂泡

小时候吹泡泡，一定都对泡泡上的颜色痴迷过。它怎么来的？是肥皂水的颜色吗？为什么颜色一消失，泡泡很快就破裂？

秘密藏在光的波动性质里。太阳光看似白茫茫一片，其实是由许多种颜色（频率）的光组成，每种光波长不同。当同一束光分别从肥皂泡内外两壁反射时，会产生两束光波。如果它们波峰叠波峰、波谷叠波谷，颜色就会加强；如果波峰对波谷，颜色就会抵消。哪种颜色增强、哪种抵消，取决于水膜厚度和观察角度。这种现象叫“干涉”，产生的条纹叫干涉条纹。

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在重力作用下，肥皂泡的水会慢慢顺着周边往下流。当水膜足够薄时，内外两壁对任何颜色都无法产生显著的干涉效应。所以，看到肥皂泡褪色，就知道它离崩溃不远了。科学家利用干涉效应造出了许多观测设备，很多是为了探索宇宙奥秘。比如迈克尔逊-莫雷干涉实验，直接否定了假想的“以太”；还有事件视界望远镜，由散布在全球的射电望远镜组成，用“甚长基线干涉”技术拍到了两座特大黑洞的影像。

噗噗船

《悬崖上的金鱼公主》里有一个有趣的玩具船——宗介和波妞乘坐的“噗噗船”。点一支蜡烛放在小锅炉下面，小船就噗噗噗地前进了。在现实里，这船真能造出来！用易拉罐铝箔剪贴成小扁包，插入两根吸管（方便后续注水），用滴胶封好结合处缝隙，从吸管注入一点水，准备一只插有蜡烛的小纸船，把铝包架到火焰上方，吸管置于水中，就能看到小船噗噗前行。

噗噗船，截自电商平台

驱动噗噗船的发动机，在热机原理中叫“斯特林引擎”。它让密闭空间里的气体/液体在热区和冷区之间振荡流动，推动引擎做功。斯特林引擎是外燃机，从外部加热，相比内燃机（如汽车发动机），它最大的特色是不限热源——摩擦生热、烧柴、用电、太阳能、核反应，只要产热，都能当热源。这样一来，太空中也能用斯特林引擎！当然，还有一些细节难关要攻克，比如润滑油问题。

这里说一个低调的好消息：神舟十五号完成的一项在轨试验，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应用前景。

图片截自央视新闻频道

最后也要跟小伙伴们强调一句：虽然咱们这篇文章按“玩具→理论→上太空”的顺序来组织，但并不意味着造大家伙的理论都是从玩具里悟出来的。相反，很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……