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2026-07-03
星期五
当前报纸名称:华商报

其实藏着大学问

日期:06-03
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版面:A6:华商·科学周刊       上一篇    下一篇

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!
  铁皮青蛙/回力车/八音盒

   这几个玩具共同的特点是都要用到发条。上发条时,手上的动能传递给发条,以弹性势能的方式存储在发条里。松开手时,发条缓缓舒展,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。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。
   这个原理在太空中的用途之一,是帮航天员称体重。空间站是微重力环境,弹簧秤怎么称?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

   陀螺和空竹共同的特点是转得稳,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”。
   抖过单轮空竹的玩家还知道,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。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。
  
竹蜻蜓/水火箭
   竹蜻蜓的制作很简单,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。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。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。

  肥皂泡

   藏在肥皂泡颜色背后的秘密,是光的波动性质。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内外两壁反射时,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。
   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。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;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

   把易拉罐的铝箔剪贴成一个小扁包,插入两根吸管,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,比起内燃机,它的最大特色就是不限热源。
   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。 据科普中国