10.火箭為什么會飛

很多人都會錯誤地解釋火箭的飛行原理，研究過物理學的人偶爾也會出現這種情況。他們覺得，火箭能在天上飛的原因，是因為火藥在火箭的內部劇烈燃燒，產生了能夠在空氣中推動自己前進的氣體的緣故。在火箭發明之前，絕大多數人都相信這一說法，不過現在火箭早已被發明了出來，可是依舊有那么多人堅信這一說法。要知道，假如火箭在真空的空間里飛行，飛行的效率會更高。由此可見，之前提到的解釋并非推動火箭在天空飛行的真正原因。

火箭在天空飛行的情景，跟炮彈滑膛而出朝前方飛去，而炮身卻向后方移動的情景完全一致，你還可以想象一下手槍等各種武器在射擊時產生的“后坐力”。假如我們讓大炮在沒有支點的情況下，懸在空中，那么大炮在射出炮彈后，炮身就會開始朝后方移動，我們發現這個速度同炮彈朝前方移動的速度比例，以及炮彈的自身重量同大炮的重量比例保持一致，所以，儒勒·凡爾納的幻想小說《底朝天》里的主人公，才會想到利用大炮強大的后坐力做一件轟轟烈烈的大事——“將地軸扶正”。

我們還可以把火箭稱為大炮，它和大炮唯一的不同是，它射出的不是炮彈，而是火藥的氣體。中國的輪轉焰火能夠盤旋著上升的原因跟這一原理相同：將一根火藥管裝在輪子上，當人們點燃火藥后，會向一個方向涌出氣體，與此同時，輪子以及裝在它上面的火藥管，會朝著產生氣體的相反方向移動。準確地說，這可以稱得上是大家經常見到的物理儀器“西格納爾”輪的一種變形。

圖7　最古老的蒸汽機

在輪船發明之前，曾經有人設計了一種機械船，它的設計采用了相同的原理。人們將一個力量巨大的壓水泵裝在了這種船的船尾，它能夠將儲存在船里的水向船外壓出，這樣一來，小船就可以利用這種推力持續向前方行駛，這跟我們在中學物理實驗中通過洋鐵罐（鐵罐是浮在水面上的）來證明這一原理的景象如出一轍。這樣的設計（由列姆濟首次提出）并未投入到實際的使用當中，不過它的出現對輪船的發明起到了至關重要的作用，它的原理向富爾敦暗示了發明輪船完全具備可能性。

早在公元前2世紀，希羅就制造出了世界上最早的蒸汽機，他的設計也是采用了相同的原理：汽鍋（圖7）里的蒸汽穿過管，來到一個被放置在水平軸上的球里，緊接著，再從兩個曲柄管里沖刷出來，朝相反的方向推動管子，開始帶動球旋轉。不過令人感到惋惜的是，希羅式的蒸汽渦輪機在古代只不過是一種玩具，因為奴隸的勞動力實在太過廉價，人們根本不會想到讓機器代替廉價的勞動力。不過讓我們倍感欣慰的是，設計這種機械的原理并未被人們拋棄，我們今天能夠看到的反動式渦輪機就是根據這個機器原型制造出來的。

此外，最早的蒸汽汽車也是根據這一原理設計出來的，設計者就是發現了作用和反作用定律的牛頓：將汽鍋放置在車輪上，從汽鍋里發出的蒸汽朝著一個方向沖出去，汽鍋憑借不斷被反作用力推動，而向前方行駛（圖8）。1928年被大肆報道的噴氣式汽車就是牛頓設計的變種。

圖8　牛頓設計的蒸汽汽車

如果你對這種話題很感興趣，那么你可以參照圖9，自己親手制作一只紙制的小船。這只小船的運動原理跟牛頓的蒸汽汽車十分相似，我們將一個空的蛋殼當作汽鍋，然后將一個頂針放在汽鍋的下面，緊接著將一塊蘸過酒精的棉花放在頂針里，當蘸過酒精的棉花被點燃后，空蛋殼里的水就會逐漸轉化成蒸汽。當產生的蒸汽從其中的一個方向涌出來的時候，這條紙制的小船就會朝著相反的方向前行。但是，你的手藝必須做到精確且靈巧，才能制作出如此有趣的玩具。

圖9　用紙和蛋殼做的玩具汽船