科普弹玻璃球火箭发射和牛顿定律

　　60后、70后的老伙伴们不会忘记小时候的一种游戏——弹玻璃球。上世纪末的男孩子大多热衷于这种纯技术性的游戏，在玩时彼此之间还常会互相攀比谁的弹珠多，对他们来说，这不仅仅是一笔值得炫耀的财富，更是拥有高操技术水平的荣誉。
　　这种简单、有趣、风靡全球的游戏蕴含着深刻的科学原理，1687年，牛顿在其发表的《自然哲学的数学原理》一书中对其进行了精妙的阐述。这些原理伴随着人类技术的进步，在280年后，第一次将人类制造的物体送入了太空。
　　弹玻璃球，又称打弹珠、弹溜溜等等，玩法有多种，但不管是哪种方法都是使用拇指和食指或者是拇指和中指将弹珠弹射出去，或者抛射或者滚动，与一定距离之外的玻璃珠发生撞击。这样一个过程简直就是一个低成本的物理实验。
　　弹珠从指间弹射出去，在落地之前弹珠会在空中划出一个漂亮的抛物线。牛顿在其运动学中，将这种抛物线运动分解为水平方向的匀速直线运动和垂直方向的上抛运动的合成，并且牛顿用数学公式把这种运动描述出来y=ax^2+bx+c。
　　式子中的x、y是弹珠在垂直平面内建立的直角坐标系中的位置坐标，a、b、c是常数，其大小与引力、弹珠的初速度、弹珠的弹射位置、坐标系的选择有关。
　　弹珠在弹射出去的时候沿着水平方向的分解运动是匀速直线运动。牛顿第一定律这样描述这种运动，物体在不受外力的作用下将保持静止或匀速直线运动。
　　弹珠在垂直方向是上抛运动，在这个方向上，弹射出去的弹珠只受到地球的引力作用，所以是一个匀加速的直线运动。
　　当弹珠在空中划过一段距离以一定的速度和方向与另外一个弹珠发生碰撞，如果没有地面的摩擦，通常是会发生弹性碰撞。如果发生弹性正碰，弹珠会取代原来的弹珠停留在碰撞原地，而另一个弹珠被弹出去。这是高水平的表现。
　　两个弹珠发生碰撞的瞬间，符合动量守恒定律，这个定律的现代表述是：一个系统不受外力或所受外力之和为零，这个系统的总动量保持不变。
　　尽管最早尝试利用火药把人类送上天并付出行动的是中国人，但真正在物理学理论的指导下，把喷气作为推进动力展开研究的是20世纪20~30年代的德国人。
　　1929年，奥伯特与他的助手们开始研发液态火箭推进器。1932年后德国陆军开始想到了液态燃料火箭作为长程攻击武器的可能性，从1933至1941年的8年期间，多恩伯格与冯·布劳恩的研发团队不断进行火箭研发，第一代的A-1重150千克，直径0.3米，长1.4米，采用酒精与液态氧推进剂，但推力只有3000kgf。由于设计不合理，因此A-1火箭试验失败。
　　尽管A-1火箭试验失败了，但其原理是正确的。当酒精与液态氧接触，在燃烧室内剧烈燃烧，产生大量的高温二氧化碳和水蒸气，这些气体的分子激烈地冲撞容器壁，由于容器壁的下部开口，碰撞后的气体分子就从喷嘴喷出，导致气体碰撞容器壁的力量不平衡，火箭就受到了一个与喷出气体相反方向的推力。
　　如果这个推力足够大，并且设计合理，就足以推动火箭携带有效载荷，向着设计的方向前进。现代卫星发射、宇宙探索所使用的运载火箭的原理与当年A-1火箭相同，只不过今天的运载火箭上搭载了更多的控制和定位装置，使得火箭的发射成功率大大提高。
　　从这个弹玻璃球的游戏到火箭发射背后采用了同样的原理我们可以看出，很多生活中非常常见的现象中蕴含着深刻的科学道理，如果能发现并且充分运用，就有可能开创出一片新的领域，甚至是开辟出一个新的世界。
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　　文/郭哥聊科学，图片来自网络，侵删。