每個(gè)孩子的童年都少不了玩具的陪伴，一款好玩具不光能給孩子帶來純粹的快樂，更能悄悄激發(fā)孩子對(duì)世界的好奇心，培養(yǎng)主動(dòng)思考的習(xí)慣，這些特質(zhì)會(huì)成為孩子未來成長的重要助力。更有意思的是，很多看起來簡簡單單的兒童玩具，背后用到的科學(xué)原理，居然已經(jīng)被用在了浩瀚太空的航天任務(wù)當(dāng)中！

今天恰逢兒童節(jié)，我們就來一起拆解那些陪伴幾代人長大的經(jīng)典玩具，看看它們背后藏著哪些硬核科學(xué)知識(shí)。

發(fā)條玩具：鐵皮青蛙、回力車、八音盒

相信很多人的童年記憶里，都有一只上了發(fā)條就能蹦跳前進(jìn)的鐵皮青蛙。如果沒玩過，大概率是趕上了老玩具過時(shí)、網(wǎng)購還沒普及的空窗期，現(xiàn)在打開購物平臺(tái)，還能輕松找到這款經(jīng)典玩具，幫你找回童年記憶。除了鐵皮青蛙，回力車、八音盒其實(shí)都用到了發(fā)條結(jié)構(gòu)。

鐵皮小青蛙，圖片截自電商平臺(tái)

我們給發(fā)條上勁的時(shí)候，手部的動(dòng)能會(huì)傳遞給發(fā)條，以彈性勢(shì)能的形式儲(chǔ)存在收緊的發(fā)條當(dāng)中。松開手后，發(fā)條慢慢恢復(fù)原狀，儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能又會(huì)重新轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)鐵皮青蛙跳動(dòng)、回力車前進(jìn)，還能帶動(dòng)八音盒的滾筒撥動(dòng)音齒，流出悅耳的音樂。

彈性勢(shì)能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換，在日常生活和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。早在遠(yuǎn)古時(shí)期，人類就發(fā)明了弓箭，依靠彈性勢(shì)能捕獵作戰(zhàn)；現(xiàn)在機(jī)械表里靠發(fā)條驅(qū)動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，卷尺、自動(dòng)收線吸塵器也用類似結(jié)構(gòu)收卷尺和線纜；老式沙發(fā)里的彈簧、汽車和大型精密設(shè)備里的彈簧、液壓裝置，都靠吸收能量實(shí)現(xiàn)減震效果；彈簧秤更是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)配，就連菜市場(chǎng)里，也常能見到攤主和大爺大媽用彈簧秤稱重。

那這個(gè)原理和太空有什么關(guān)系呢？我們總不能用彈弓把航天器彈去太空吧？實(shí)際上，這個(gè)原理在太空中的重要用途，就是幫航天員稱體重。

你可能會(huì)疑惑：空間站是微重力環(huán)境，普通彈簧秤根本沒法用啊？這時(shí)候就要結(jié)合牛頓第二定律來解決問題：航天員把自己固定在拉伸后的彈簧一端，彈簧回彈恢復(fù)原狀的同時(shí)，只要測(cè)出航天員的回彈加速度，就能計(jì)算出航天員的體重了。

王亞平正在幫聶海勝稱體重，截圖自央視綜合頻道

旋轉(zhuǎn)玩具：陀螺、空竹

陀螺是全國各地都很流行的傳統(tǒng)玩具，不同地方叫法千奇百怪：有的叫冰尜，有的叫打老牛，還有不少方言叫法連對(duì)應(yīng)的漢字都很難寫，筆者聽過最有意思的叫法是“抽漢奸”，一鞭子一鞭子抽得“漢奸”轉(zhuǎn)不停，聽起來就解氣。

常規(guī)的陀螺個(gè)頭不大，大個(gè)子彎著腰抽一會(huì)兒，腰就酸得直不起來。如果是大人想玩，抖空竹就是更好的選擇：兩根桿一條繩，就能玩出各種各樣的花樣，筆者還聽過玩空竹的高手說：“你給我一個(gè)鍋蓋，我都能給你抖起來?！?/p>

抖空竹，截自電商平臺(tái)

不管是陀螺還是空竹，都有一個(gè)共同特點(diǎn)：轉(zhuǎn)起來之后就能保持穩(wěn)定不倒。這個(gè)特性背后，其實(shí)是角動(dòng)量守恒原理在起作用。角動(dòng)量是描述物體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物理量，它的大小和方向都不容易被改變。玩過指尖陀螺的朋友肯定有體會(huì)：陀螺轉(zhuǎn)起來之后，如果你想轉(zhuǎn)動(dòng)它的方向，能明顯感覺到它在“抗拒”改變方向。

利用角動(dòng)量守恒的規(guī)律，人們給槍炮的炮管、槍管內(nèi)壁刻上膛線，讓子彈和炮彈發(fā)射時(shí)沿著自身軸線旋轉(zhuǎn)，這樣彈藥飛行過程中就能一直保持彈頭朝前，不會(huì)在空中翻滾，既提升了精度，也增加了射程。

玩過單輪空竹的朋友會(huì)發(fā)現(xiàn)，單輪空竹落到繩上之后，會(huì)一邊自轉(zhuǎn)，一邊繞著玩家長圓周運(yùn)動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象叫做進(jìn)動(dòng)，是守恒的角動(dòng)量受重力作用發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)的結(jié)果，它不會(huì)直接歪倒落地，而是會(huì)朝著側(cè)面做進(jìn)動(dòng)。

利用進(jìn)動(dòng)效應(yīng)，搭載陀螺的設(shè)備就能感知自身姿態(tài)的變化，這種設(shè)備就是我們常聽說的陀螺儀，它是飛機(jī)、人造衛(wèi)星、太空望遠(yuǎn)鏡、空間站必不可少的核心姿態(tài)控制部件。

說起來有意思，陀螺本身也早就作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目登上過太空，用來給大家演示旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

升力玩具：竹蜻蜓、水火箭

竹蜻蜓是中國傳承很久的經(jīng)典傳統(tǒng)玩具，做起來也很簡單：把一個(gè)竹片的兩端削成迎風(fēng)的斜面，中間插一根小木棍，雙手一搓就能飛起來。

支撐竹蜻蜓飛起來的原理，就是牛頓第三定律。當(dāng)竹蜻蜓轉(zhuǎn)動(dòng)起來，葉片的斜面會(huì)把空氣向下推，根據(jù)牛頓第三定律，作用力和反作用力大小相等、方向相反，空氣反過來就會(huì)給竹蜻蜓一個(gè)向上的反作用力，把竹蜻蜓托上天。

到了航空領(lǐng)域，竹蜻蜓的原理直接發(fā)展出了現(xiàn)在的航空器，不管是直升機(jī)的旋翼，還是固定翼飛機(jī)的機(jī)翼，核心原理都是一樣的：通過把空氣向下方推動(dòng)，利用反作用力獲得向上的升力。

同樣是利用牛頓第三定律，還有一個(gè)深受學(xué)生黨喜愛的“高級(jí)玩具”，那就是水火箭，很多朋友上學(xué)的時(shí)候應(yīng)該都親手做過。往密封的可樂瓶里打氣，打開噴口之后，壓縮空氣推著瓶里的水向下噴出，反作用力就推著水火箭直沖上天。這里也要提醒大家：水火箭有一定危險(xiǎn)性，操作的時(shí)候一定要做好防護(hù)，注意安全。

二級(jí)水火箭，截自電商平臺(tái)

水火箭和真正的運(yùn)載火箭，核心原理其實(shí)幾乎一模一樣，唯一的區(qū)別只是推進(jìn)劑不同而已，就連“推進(jìn)劑本身也會(huì)增加重量，需要仔細(xì)計(jì)算配比”這個(gè)特點(diǎn)，兩者都是完全相同的。

泡泡玩具：肥皂泡

小時(shí)候玩吹肥皂泡，大家肯定都對(duì)泡泡表面變幻莫測(cè)的彩色花紋著迷。這些顏色是肥皂水本身帶的嗎？為什么當(dāng)顏色慢慢消失，泡泡很快就破了呢？

肥皂泡彩色花紋背后的秘密，其實(shí)來自光的波動(dòng)性。我們平常說太陽光是“白光”，其實(shí)太陽光本質(zhì)上是由不同頻率也就是不同顏色的光混合而成的，不同顏色的光波長各不相同。當(dāng)一束太陽光照射肥皂泡，會(huì)分別從肥皂泡的外膜和內(nèi)膜發(fā)生反射，形成兩束反射光。如果兩束光剛好波峰和波峰疊加、波谷和波谷疊加，這種顏色的光就會(huì)增強(qiáng)；如果剛好波峰和波谷疊加，這種顏色的光就會(huì)抵消。哪一種顏色會(huì)增強(qiáng)、哪一種會(huì)抵消，由肥皂泡水膜的厚度和我們觀察的角度共同決定，這種現(xiàn)象叫做光的干涉，顯示出來的彩色花紋就是干涉條紋。

圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛

在重力作用下，肥皂泡里的水會(huì)慢慢順著泡泡壁向下流動(dòng)，水膜越來越薄，當(dāng)薄到一定程度之后，任何顏色的光都沒法形成明顯的干涉效應(yīng)了，所以我們看到肥皂泡褪色的時(shí)候，就說明它馬上就要破裂了。

利用光的干涉效應(yīng)，科學(xué)家研發(fā)出了很多尖端觀測(cè)設(shè)備，其中不少設(shè)備都是人類探索宇宙的好幫手。物理學(xué)史上著名的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，就用到了干涉原理，直接推翻了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界認(rèn)為光傳播需要介質(zhì)“以太”的假說；現(xiàn)在大名鼎鼎的事件視界望遠(yuǎn)鏡，就是由全球多座射電望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，它利用甚長基線干涉技術(shù)，成功拍攝出了人類歷史上第一張黑洞照片。

動(dòng)力玩具：噗噗船

在動(dòng)畫電影《懸崖上的金魚公主》里，有一個(gè)很有意思的玩具船：宗介和波妞坐的噗噗船，蠟燭放在小鍋爐下面加熱，小船就噗噗噗地往前開。

在現(xiàn)實(shí)里，我們真的可以做出這樣的小船：把易拉罐的鋁箔折成一個(gè)密封小囊，插入兩根吸管（插兩根是為了方便注水），用膠把縫隙密封好，從吸管注入少量水，把鋁箔囊固定在小紙船的蠟燭上方，把吸管開口放進(jìn)水里，點(diǎn)上蠟燭就能看到小船噗噗噗地往前動(dòng)了。

噗噗船，截自電商平臺(tái)

驅(qū)動(dòng)噗噗船的原理，其實(shí)就是斯特林引擎，屬于熱機(jī)的一種，它通過讓密閉空間里的工質(zhì)（氣體或者液體）在熱區(qū)和冷區(qū)之間反復(fù)流動(dòng)膨脹收縮，推動(dòng)引擎做功。斯特林引擎屬于外燃機(jī)，從外部加熱，和我們熟悉的汽車內(nèi)燃機(jī)不一樣，它最大的優(yōu)點(diǎn)就是不挑熱源，不管是摩擦熱、燃燒熱、電能、太陽能還是核熱能，只要能提供熱量，就能驅(qū)動(dòng)它工作，所以這種發(fā)動(dòng)機(jī)理論上完全可以在太空使用！

當(dāng)然，要在太空用斯特林引擎，還有很多技術(shù)問題需要解決，比如太空環(huán)境下的潤滑油問題就是一個(gè)難關(guān)。一個(gè)很多人不知道的好消息是，神舟十五號(hào)航天員乘組完成的在軌試驗(yàn)里，就有一項(xiàng)“空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)”，這項(xiàng)技術(shù)未來在載人登月和深空探測(cè)任務(wù)里，都有非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖片截自央視新聞?lì)l道

最后也要和大家說明，我們這篇文章按照“玩具-原理-航天應(yīng)用”的順序介紹，并不是說這些高科技的理論都是從玩具里得到的靈感。恰恰相反，很多時(shí)候是科學(xué)家先把理論用在航天任務(wù)里，童心未泯的工程師們才想著，能不能用這個(gè)原理做個(gè)小玩具來玩~

策劃制作

作者丨曲炯 通信技術(shù)工程師