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 。