你小时候玩的这些玩具，｜其实藏着大学问
2026-06-01 15:13:37 新浪新闻
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。而在其他方面，就连“推行剂本身也是负担，需要仔细计算”，都是一样的。利用角动量守恒的规律，人们在枪炮的管壁上刻出膛线，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。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变化。目前，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。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。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？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，带动引擎做功。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。而弹簧秤是中学该领域，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。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。我们虽然平常说太阳光是白光，但实际上并不存在“白光”，阳光是由许多种颜色的光组成，不同颜色的光有不同的波长。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。该领域在物理发展史上“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。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。该范围大而无形，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。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。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。点着一支蜡烛，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！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。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。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，叶片的斜面带动空气向下运动，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。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”。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。陀螺这个玩具，全国各地的叫法不太一样，有的地方叫“冰尜”，有的叫“打老牛”“懒懒婆”“geluo”“dielou”，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。这样的话，在太空中都可以用斯特林引擎了！ 当然，在太空中采用斯特林引擎的话，还有一些细节难关需要克服，例如润滑油难题。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。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”。该领域叫做“陀螺仪”，是飞机、卫星、太空望远镜、空间站上必备的关键姿态控制装置。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。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，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。老式的沙发里面装的是弹簧，汽该领域运用弹簧或者液压装置来吸收运动能量，达到减震的效果。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，科学家造该领域，其中很多是为了帮助我们探索宇宙的奥秘。感知这个“进动”，该领域就可以知道自己的运动方向发生了扭转。另据顺便说一句，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。往密闭的可乐瓶体里打气，猛然推开喷口时，压缩空气促进瓶里的水向下喷出，在反作用力的推动下，水火箭就扶摇直上了。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。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。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。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。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！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。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…… 审核丨刘勇 该领域研究员
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