科普：彈玻璃球、火箭發射和牛頓定律

60後、70後的老夥伴們不會忘記小時候的一種遊戲——彈玻璃球。上世紀末的男孩子大多熱衷於這種純技術性的遊戲，在玩時彼此之間還常會互相攀比誰的彈珠多，對他們來說，這不僅僅是一筆值得炫耀的財富，更是擁有高操技術水平的榮譽。

這種簡單、有趣、風靡全球的遊戲蘊含著深刻的科學原理，1687年，牛頓在其發表的《自然哲學的數學原理》一書中對其進行了精妙的闡述。這些原理伴隨著人類技術的進步，在280年後，第一次將人類製造的物體送入了太空。

彈玻璃球，又稱打彈珠、彈溜溜等等，玩法有多種，但不管是哪種方法都是使用拇指和食指或者是拇指和中指將彈珠彈射出去，或者拋射或者滾動，與一定距離之外的玻璃珠發生撞擊。這樣一個過程簡直就是一個低成本的物理實驗。

彈珠從指間彈射出去，在落地之前彈珠會在空中劃出一個漂亮的拋物線。牛頓在其運動學中，將這種拋物線運動分解為水平方向的勻速直線運動和垂直方向的上拋運動的合成，並且牛頓用數學公式把這種運動描述出來y=ax^2+bx+c。

式子中的x、y是彈珠在垂直平面內建立的直角坐標系中的位置坐標，a、b、c是常數，其大小與引力、彈珠的初速度、彈珠的彈射位置、坐標系的選擇有關。

彈珠在彈射出去的時候沿著水平方向的分解運動是勻速直線運動。牛頓第一定律這樣描述這種運動，物體在不受外力的作用下將保持靜止或勻速直線運動。

彈珠在垂直方向是上拋運動，在這個方向上，彈射出去的彈珠只受到地球的引力作用，所以是一個勻加速的直線運動。

當彈珠在空中划過一段距離以一定的速度和方向與另外一個彈珠發生碰撞，如果沒有地面的摩擦，通常是會發生彈性碰撞。如果發生彈性正碰，彈珠會取代原來的彈珠停留在碰撞原地，而另一個彈珠被彈出去。這是高水平的表現。

兩個彈珠發生碰撞的瞬間，符合動量守恆定律，這個定律的現代表述是：一個系統不受外力或所受外力之和為零，這個系統的總動量保持不變。

儘管最早嘗試利用火藥把人類送上天並付出行動的是中國人，但真正在物理學理論的指導下，把噴氣作為推進動力展開研究的是20世紀20~30年代的德國人。

1929年，奧伯特與他的助手們開始研發液態火箭推進器。1932年後德國陸軍開始想到了液態燃料火箭作為長程攻擊武器的可能性，從1933至1941年的8年期間，多恩伯格與馮·布勞恩的研發團隊不斷進行火箭研發，第一代的A-1重150千克，直徑0.3米，長1.4米，採用酒精與液態氧推進劑，但推力只有3000kgf。由於設計不合理，因此A-1火箭試驗失敗。

儘管A-1火箭試驗失敗了，但其原理是正確的。當酒精與液態氧接觸，在燃燒室內劇烈燃燒，產生大量的高溫二氧化碳和水蒸氣，這些氣體的分子激烈地衝撞容器壁，由於容器壁的下部開口，碰撞後的氣體分子就從噴嘴噴出，導致氣體碰撞容器壁的力量不平衡，火箭就受到了一個與噴出氣體相反方向的推力。

如果這個推力足夠大，並且設計合理，就足以推動火箭攜帶有效載荷，向著設計的方向前進。現代衛星發射、宇宙探索所使用的運載火箭的原理與當年A-1火箭相同，只不過今天的運載火箭上搭載了更多的控制和定位裝置，使得火箭的發射成功率大大提高。

從這個彈玻璃球的遊戲到火箭發射背後採用了同樣的原理我們可以看出，很多生活中非常常見的現象中蘊含著深刻的科學道理，如果能發現並且充分運用，就有可能開創出一片新的領域，甚至是開闢出一個新的世界。

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文/郭哥聊科學，圖片來自網絡，侵刪。