火箭为何升空

即使是物理专业的学生，也常有人对火箭飞行做出完全错误的解释。他们声称，火箭之所以冉冉上升，是因为借助了火药燃烧产生的气体而推离空气。顺带一提，古代人（古代人在很早很早以前就发明了“火箭”）以及很多现代人仍持这一观点。但是，如果我们在真空中发射火箭，火箭不但能够飞起来，甚至比在空气中的速度更快，可见火箭升空的真正原因并非如前文所述。

因企图刺杀沙皇亚历山大二世而被处决的俄国革命家基巴尔奇在临终笔记里详尽地描述了火箭的运动和飞行器的发明。在阐释军用火箭的设计时，他写道：“在一个一端封闭、另一端开放的锡质汽缸中，塞满压制好的火药，中间留有一条真空管道。火药的燃烧从这条管道的内表面开始，在一定的时间内扩散到火药的外表面。燃烧的气体会向四面八方施加压力：横向的气体压力彼此抵消，而施加在锡质汽缸底部的压力没有被相反的压力所抵消，因为气体有一个自由的出口，于是火箭就会向指定的方向推进。”

同样的情形也发生在射击时：子弹向前飞去，而枪体向后移动。想象一下步枪或其他火器在射击时的后坐力！如果把枪悬挂在半空中，没有任何东西可以支撑，在射出子弹后，它将向后移动，它的速度同子弹向前运动的速度的比，等于子弹的重量同枪重量的比。

在儒勒·凡尔纳的科幻小说《底朝天》里，主人公甚至想用巨型大炮的后坐力来完成一项雄心壮举——摆正地轴。

火箭其实也是一种枪炮，但它喷射的不是子弹，而是燃烧的气体。正是这一点解释了所谓的“凯瑟琳轮”的旋转，你可能在烟花表演中看到过它：当装在轮子上的火药管燃烧时，气体从一端喷出，火药管以及与它相绑的轮子一起向相反的方向运动。从本质上讲，这只是对著名的物理装置“塞格纳轮”的一种修改。

有趣的是，在发明蒸汽船之前，曾有一个基于同样原理的机械船的方案。该项方案意在通过安装在船体上的强大水泵喷射出水柱，从而将船向前推进，就像学校物理实验室里用来证明上述原理而使用的漂浮在水面上的铁罐一样。这个方案在当时没有实现，但它帮助富尔顿发明了蒸汽船。而时至今日，许多喷水推进船已在苏联建成。

我们还知道，最古老的蒸汽机，即公元前2世纪亚历山大港的希罗制造的，也是依据同样的原理：锅炉中的蒸汽（图5）沿着管道进入一个安装在水平轴上的球里，然后从两个弯管喷出，将这些管子向相反的方向推动，并使球体开始旋转。可惜希罗的汽转球在那时只是一件有趣的玩具，因为在古代，劳动力价格低廉，没有人想要使用机器。但是其中的原理并没有被遗忘，如今它被应用于制造涡轮喷气发动机。

图5 世界上最古老的蒸汽机，大约在公元前2世纪由亚历山大港的希罗制造

牛顿不仅是作用与反作用定律的发现者，同时也是蒸汽汽车最早的设计者之一，蒸汽汽车的运作也基于上述相同的原理：锅炉中的蒸汽向某个方向喷发，将锅炉推向相反方向，使车缓缓前行（图6）。

图6 蒸汽汽车，据说是由牛顿发明的

蒸汽汽车是牛顿对马车所进行的一次现代化改良。

对于爱动手的读者们，可参考图7制作一艘类似于牛顿蒸汽汽车的纸船：用一个空蛋壳做锅炉，再用一块浸泡酒精的棉花放在蛋壳下方做燃料。从蛋壳中升腾的蒸汽可以将小船送往相反的方向。但请注意，要做好这种益智类的玩具，须有一双灵巧的双手。

图7 纸和蛋壳制作的蒸汽小船，少量酒精作为燃料，从蛋壳中升腾的蒸汽将小船送往相反的方向