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

　　韩元兑美元扩大跌幅，在新兴市场亚洲货币中表现最差 ，中东地区局势再度紧张打击市场风险偏好 。

　　美元/韩元一度上涨0.9%
，至1517.30。