10.火箭为什么会飞

很多人都会错误地解释火箭的飞行原理，研究过物理学的人偶尔也会出现这种情况。他们觉得，火箭能在天上飞的原因，是因为火药在火箭的内部剧烈燃烧，产生了能够在空气中推动自己前进的气体的缘故。在火箭发明之前，绝大多数人都相信这一说法，不过现在火箭早已被发明了出来，可是依旧有那么多人坚信这一说法。要知道，假如火箭在真空的空间里飞行，飞行的效率会更高。由此可见，之前提到的解释并非推动火箭在天空飞行的真正原因。

火箭在天空飞行的情景，跟炮弹滑膛而出朝前方飞去，而炮身却向后方移动的情景完全一致，你还可以想象一下手枪等各种武器在射击时产生的“后坐力”。假如我们让大炮在没有支点的情况下，悬在空中，那么大炮在射出炮弹后，炮身就会开始朝后方移动，我们发现这个速度同炮弹朝前方移动的速度比例，以及炮弹的自身重量同大炮的重量比例保持一致，所以，儒勒·凡尔纳的幻想小说《底朝天》里的主人公，才会想到利用大炮强大的后坐力做一件轰轰烈烈的大事——“将地轴扶正”。

我们还可以把火箭称为大炮，它和大炮唯一的不同是，它射出的不是炮弹，而是火药的气体。中国的轮转焰火能够盘旋着上升的原因跟这一原理相同：将一根火药管装在轮子上，当人们点燃火药后，会向一个方向涌出气体，与此同时，轮子以及装在它上面的火药管，会朝着产生气体的相反方向移动。准确地说，这可以称得上是大家经常见到的物理仪器“西格纳尔”轮的一种变形。

图7　最古老的蒸汽机

在轮船发明之前，曾经有人设计了一种机械船，它的设计采用了相同的原理。人们将一个力量巨大的压水泵装在了这种船的船尾，它能够将储存在船里的水向船外压出，这样一来，小船就可以利用这种推力持续向前方行驶，这跟我们在中学物理实验中通过洋铁罐（铁罐是浮在水面上的）来证明这一原理的景象如出一辙。这样的设计（由列姆济首次提出）并未投入到实际的使用当中，不过它的出现对轮船的发明起到了至关重要的作用，它的原理向富尔敦暗示了发明轮船完全具备可能性。

早在公元前2世纪，希罗就制造出了世界上最早的蒸汽机，他的设计也是采用了相同的原理：汽锅（图7）里的蒸汽穿过管，来到一个被放置在水平轴上的球里，紧接着，再从两个曲柄管里冲刷出来，朝相反的方向推动管子，开始带动球旋转。不过令人感到惋惜的是，希罗式的蒸汽涡轮机在古代只不过是一种玩具，因为奴隶的劳动力实在太过廉价，人们根本不会想到让机器代替廉价的劳动力。不过让我们倍感欣慰的是，设计这种机械的原理并未被人们抛弃，我们今天能够看到的反动式涡轮机就是根据这个机器原型制造出来的。

此外，最早的蒸汽汽车也是根据这一原理设计出来的，设计者就是发现了作用和反作用定律的牛顿：将汽锅放置在车轮上，从汽锅里发出的蒸汽朝着一个方向冲出去，汽锅凭借不断被反作用力推动，而向前方行驶（图8）。1928年被大肆报道的喷气式汽车就是牛顿设计的变种。

图8　牛顿设计的蒸汽汽车

如果你对这种话题很感兴趣，那么你可以参照图9，自己亲手制作一只纸制的小船。这只小船的运动原理跟牛顿的蒸汽汽车十分相似，我们将一个空的蛋壳当作汽锅，然后将一个顶针放在汽锅的下面，紧接着将一块蘸过酒精的棉花放在顶针里，当蘸过酒精的棉花被点燃后，空蛋壳里的水就会逐渐转化成蒸汽。当产生的蒸汽从其中的一个方向涌出来的时候，这条纸制的小船就会朝着相反的方向前行。但是，你的手艺必须做到精确且灵巧，才能制作出如此有趣的玩具。

图9　用纸和蛋壳做的玩具汽船