范亞楠

大炮是一種歷史悠久的重型武器，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，根據(jù)能量來源不同，大炮經(jīng)歷了從人力拋石機(jī)到火炮，再到電磁炮的發(fā)展歷程，其發(fā)射的炮彈的能量也越來越高。《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生掌握“機(jī)械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現(xiàn)形式”這樣的科學(xué)概念?，F(xiàn)在讓我們通過中國(guó)科技館“兒童科學(xué)樂園”展廳的展品“小球大冒險(xiǎn)”，一起探秘不同發(fā)射方式中蘊(yùn)含的科學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)小球運(yùn)動(dòng)能量的來源。

人力發(fā)射的“炮”

炮，在中國(guó)古代是對(duì)所有種類投石機(jī)的泛稱，最早的炮是人力拋石機(jī)，上方有一條被稱為炮梢的杠桿架在木架上，一端用繩索拴住容納石彈的皮套，另一端系著許多條繩索讓人力拉拽。要發(fā)射時(shí)，由多人在遠(yuǎn)離投石器的地方一起牽拉連在橫桿上的炮梢（見圖1），另一邊的石彈就會(huì)被拋射出去。

除了利用杠桿人力拉動(dòng)發(fā)射，古代還發(fā)明出利用彈力發(fā)射的彈力拋石機(jī)（Ballista）、利用重力的配重式投石機(jī)。其中，彈力拋石機(jī)又稱床弩、弩炮、射箭機(jī)，古希臘、古羅馬時(shí)期即在使用，依靠弓弦的彈力進(jìn)行拋射，除了發(fā)射大型箭也可以發(fā)射石彈，是機(jī)械弓弩的變種。而配重式投石機(jī)是一種大型重力拋石機(jī)，利用杠桿原理，一端裝有重物，而另一端裝有待發(fā)射的石彈，發(fā)射前須先將放置石彈的一端用絞盤、滑輪或直接用人力拉下，而附有重物的另一端也在此時(shí)上升，放好石彈后松開或砍斷繩索，讓重物這一端落下，石彈也順勢(shì)拋出，此種拋石機(jī)在中國(guó)被稱作“回回炮”（見圖2）。

無論哪種拋（投）石機(jī)，這些靠人力發(fā)射的“炮”，都是通過機(jī)械機(jī)構(gòu)將人提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為石頭的動(dòng)能。

展品“小球大冒險(xiǎn)”以小球的“冒險(xiǎn)”歷程為故事線，并將生活中可以見到的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如阿基米德螺旋、獨(dú)輪車、鐘表機(jī)構(gòu)、過山車、水車、吊橋、空氣炮、氣缸等，與各種傳遞裝置（機(jī)構(gòu)）相結(jié)合，設(shè)計(jì)成一套機(jī)構(gòu)精巧、元素豐富、故事性強(qiáng)、貼近生活、親近兒童的機(jī)械傳遞類展項(xiàng)，由33套機(jī)械傳動(dòng)裝置、軌道、小球、展臺(tái)、保護(hù)罩構(gòu)成。觀眾通過轉(zhuǎn)手輪、手撥動(dòng)、按壓等方式操作裝置，可啟動(dòng)相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)，使球在機(jī)械裝置及軌道中進(jìn)行垂直、水平、曲線等運(yùn)動(dòng)，完成機(jī)械能、勢(shì)能、動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)沿軌道滾動(dòng)、越障、上升、下降的工作循環(huán)。其中的“投石問路”環(huán)節(jié)就是一組彈力拋石機(jī)（見圖3），觀眾轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后利用落差及彈簧產(chǎn)生的彈力帶動(dòng)連桿向上拋射小球，使它從低處到達(dá)高處的軌道，進(jìn)入下一個(gè)互動(dòng)環(huán)節(jié)。

現(xiàn)在，讓我們思考一下，這個(gè)展品的結(jié)構(gòu)和前面敘述的古代的“炮”有什么異同點(diǎn)？

火炮

中國(guó)古代四大發(fā)明之一的火藥出現(xiàn)以后，人們發(fā)現(xiàn)火藥燃燒爆炸后產(chǎn)生的高溫高壓氣體具有很大的力量，可以用來推動(dòng)、發(fā)射“炮彈”，于是“火炮”出現(xiàn)了。據(jù)目前史料記載，早在1163年，中國(guó)南宋軍隊(duì)發(fā)明了最早的火炮。其構(gòu)造一般是金屬管形結(jié)構(gòu)，由身管、藥室、炮尾等部分構(gòu)成，多從前端裝彈，可發(fā)射石彈、鉛彈、鐵彈和爆炸彈等，大多配有專用炮架或炮車。其作用原理是將發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為彈丸的炮口動(dòng)能以拋射彈丸。

展品“小球大冒險(xiǎn)”中也有“大炮”提升機(jī)構(gòu)（見圖4），觀眾按壓打氣裝置給空氣炮充能，隨后空氣炮將球擊飛至高處。這里的空氣炮其實(shí)和火炮的原理是一樣的，火炮利用火藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體然后在炮管內(nèi)推動(dòng)彈丸加速，而此處的空氣炮則是讓觀眾像自行車打氣一樣給空氣炮的儲(chǔ)氣罐內(nèi)加壓，然后突然釋放高壓讓它推動(dòng)小球在空氣炮管內(nèi)加速飛出。所不同的是，火炮的氣體能量來源于火藥燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能，展品因?yàn)榘踩?，壓縮氣體的能量還是來源于人力提供的機(jī)械能。

電磁發(fā)射

常規(guī)的化學(xué)火炮由于原理上的限制，發(fā)射的炮彈所能達(dá)到的最大速度不超過千米每秒量級(jí)，從古至今經(jīng)歷了幾百年的發(fā)展后已接近了理論極限。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)射器已不能滿足人類對(duì)更高速度、更高效率的追求。為此，人們又發(fā)明了火箭，但火箭發(fā)射成本太高。于是，利用電磁力做功，將電能轉(zhuǎn)化為發(fā)射物體的動(dòng)能，即電磁推進(jìn)技術(shù)近年得到了快速發(fā)展。

電磁炮是電磁發(fā)射器最早、最重要的軍事應(yīng)用。以目前接近實(shí)用化的軌道型電磁發(fā)射器為例，它由2條互相平行且被固定的金屬軌道和高功率脈沖電源、電樞及發(fā)射體（如彈丸）等構(gòu)成。電樞位于軌道之間，由導(dǎo)電物質(zhì)構(gòu)成，發(fā)射體位于電樞之前。

展品“電磁加速器”（見圖5）就是通過電磁力實(shí)現(xiàn)加速小球的。展品由展臺(tái)、軌道、加速線圈等組成，觀眾按下按鈕接通電源后，加速線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)對(duì)金屬小球施加一個(gè)固定方向的推力推動(dòng)小球加速運(yùn)動(dòng)。小球每經(jīng)過1次線圈，就會(huì)被加速1次，這樣很快就會(huì)在軌道中達(dá)到很高的速度，可以想象如果這時(shí)在軌道上打開一個(gè)缺口，小球就會(huì)被高速發(fā)射出去。

除了將較小質(zhì)量物體加速到較高速度的電磁炮，電磁推進(jìn)技術(shù)另一種應(yīng)用是航空母艦上的電磁彈射器（見圖6）。電磁彈射器的心臟是100多米長(zhǎng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，它推動(dòng)與飛機(jī)相連接的電樞一起運(yùn)動(dòng)。

電磁彈射器一般由能量貯存、能量轉(zhuǎn)換、彈射電動(dòng)機(jī)、控制臺(tái)4個(gè)子系統(tǒng)組成。與傳統(tǒng)的蒸汽式彈射器相比，電磁彈射具有容積小、對(duì)艦上輔助系統(tǒng)要求低、效率高、重量輕、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低廉的好處，是未來航空母艦的核心技術(shù)之一。目前世界上開展航母電磁彈射研究的只有美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)和俄羅斯，而建造了全航母尺寸實(shí)驗(yàn)設(shè)施的只有中美兩國(guó)。

相對(duì)于其他發(fā)射方式，電磁發(fā)射能提供較大動(dòng)能，能量轉(zhuǎn)化率高，可將彈丸等有效載荷加速到化學(xué)發(fā)射方式難以達(dá)到的超高速度，且速度可任意調(diào)控，精度高，射程遠(yuǎn)，威力大，發(fā)射過程不易受到干擾。因此這種技術(shù)在軍事武器、微小衛(wèi)星發(fā)射等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。電磁發(fā)射技術(shù)還可用于“電磁列車”，這種列車直接使用現(xiàn)有火車鐵軌作軌道發(fā)射器的軌道，車廂作發(fā)射體。這種列車比磁懸浮列車成本低，比傳統(tǒng)列車運(yùn)行速度高。理論和國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)都證明電磁發(fā)射是可行的，電磁發(fā)射技術(shù)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。