火箭為何升空

即使是物理專業的學生，也常有人對火箭飛行做出完全錯誤的解釋。他們聲稱，火箭之所以冉冉上升，是因為借助了火藥燃燒產生的氣體而推離空氣。順帶一提，古代人（古代人在很早很早以前就發明了“火箭”）以及很多現代人仍持這一觀點。但是，如果我們在真空中發射火箭，火箭不但能夠飛起來，甚至比在空氣中的速度更快，可見火箭升空的真正原因并非如前文所述。

因企圖刺殺沙皇亞歷山大二世而被處決的俄國革命家基巴爾奇在臨終筆記里詳盡地描述了火箭的運動和飛行器的發明。在闡釋軍用火箭的設計時，他寫道：“在一個一端封閉、另一端開放的錫質汽缸中，塞滿壓制好的火藥，中間留有一條真空管道。火藥的燃燒從這條管道的內表面開始，在一定的時間內擴散到火藥的外表面。燃燒的氣體會向四面八方施加壓力：橫向的氣體壓力彼此抵消，而施加在錫質汽缸底部的壓力沒有被相反的壓力所抵消，因為氣體有一個自由的出口，于是火箭就會向指定的方向推進。”

同樣的情形也發生在射擊時：子彈向前飛去，而槍體向后移動。想象一下步槍或其他火器在射擊時的后坐力！如果把槍懸掛在半空中，沒有任何東西可以支撐，在射出子彈后，它將向后移動，它的速度同子彈向前運動的速度的比，等于子彈的重量同槍重量的比。

在儒勒·凡爾納的科幻小說《底朝天》里，主人公甚至想用巨型大炮的后坐力來完成一項雄心壯舉——擺正地軸。

火箭其實也是一種槍炮，但它噴射的不是子彈，而是燃燒的氣體。正是這一點解釋了所謂的“凱瑟琳輪”的旋轉，你可能在煙花表演中看到過它：當裝在輪子上的火藥管燃燒時，氣體從一端噴出，火藥管以及與它相綁的輪子一起向相反的方向運動。從本質上講，這只是對著名的物理裝置“塞格納輪”的一種修改。

有趣的是，在發明蒸汽船之前，曾有一個基于同樣原理的機械船的方案。該項方案意在通過安裝在船體上的強大水泵噴射出水柱，從而將船向前推進，就像學校物理實驗室里用來證明上述原理而使用的漂浮在水面上的鐵罐一樣。這個方案在當時沒有實現，但它幫助富爾頓發明了蒸汽船。而時至今日，許多噴水推進船已在蘇聯建成。

我們還知道，最古老的蒸汽機，即公元前2世紀亞歷山大港的希羅制造的，也是依據同樣的原理：鍋爐中的蒸汽（圖5）沿著管道進入一個安裝在水平軸上的球里，然后從兩個彎管噴出，將這些管子向相反的方向推動，并使球體開始旋轉。可惜希羅的汽轉球在那時只是一件有趣的玩具，因為在古代，勞動力價格低廉，沒有人想要使用機器。但是其中的原理并沒有被遺忘，如今它被應用于制造渦輪噴氣發動機。

牛頓不僅是作用與反作用定律的發現者，同時也是蒸汽汽車最早的設計者之一，蒸汽汽車的運作也基于上述相同的原理：鍋爐中的蒸汽向某個方向噴發，將鍋爐推向相反方向，使車緩緩前行（圖6）。

蒸汽汽車是牛頓對馬車所進行的一次現代化改良。

對于愛動手的讀者們，可參考圖7制作一艘類似于牛頓蒸汽汽車的紙船：用一個空蛋殼做鍋爐，再用一塊浸泡酒精的棉花放在蛋殼下方做燃料。從蛋殼中升騰的蒸汽可以將小船送往相反的方向。但請注意，要做好這種益智類的玩具，須有一雙靈巧的雙手。