童年游戏启发新科技

吹泡泡、打水漂、叠纸鹤，童年时你玩过这些有趣的游戏吗?你知道吗?在这些游戏中还藏着一些科学谜题呢，深入了解它们能给我们解决一些大麻烦。

吹泡泡有多神奇

当你从葫芦状或圆球状的小棒中，吹出一个个又圆又大、五彩斑斓的泡泡时，你是否想过它为何能保持球形，又为何如此快就碎裂了呢?

这些问题不止我们好奇，科学家们也同样好奇。其实，泡泡的形状并非来源于圆形的小棒，无论用什么工具，当一层泡泡水被扬到空中时，它都会聚集成球状。英国实验物理学家查•波易斯设计的肥皂泡实验能证明这一点。1889年，波易斯给青少年展示过一个肥皂泡实验：把一个圆环放在肥皂水中一抄，就形成了一层肥皂膜;如果在环中系上一根线(并且其中一段是双线)，就会形成三个膜，把双线中的膜捅破，双线包裹的面积就自然地形成了一个圆形。

此时，如果对正圆形的肥皂泡施加外力也可以改变它的形状，比如用两个环粘住肥皂泡，然后把两个环向两端拉，肥皂泡就会被拉成圆柱形。但是，这种非圆形的肥皂泡很容易破碎，被拉到极限后，圆柱形中部会慢慢变细，直至最终破裂成两个单独的半圆泡，这两个半球会快速修复缺口，成为两个独立的圆泡。

我们可以看到，无论是否有外力干扰，泡泡的“意愿”都是成为一个球。对此，波易斯的解释是，存在着某种力约束着形成泡泡的液体，使其聚集成球。现在我们知道了，这种力其实是水以及其他液体的固有性质，即表面张力。当肥皂泡的液膜受到扰动而局部变薄时，这部分区域的表面张力会变大，并对周围液体产生更大拉力。于是，液体会被自然拉向变薄处，完成自我修复，维持着稳定的球形。

然而，成也萧何败也萧何，表面张力的“偏心”也是导致泡泡破裂的罪魁祸首。为了查明泡泡破裂的真相，2020年，美国波士顿大学的物理学家詹姆斯·伯德在不同粘度的硅油中架设起高速摄像机，在硅油中，泡泡的破裂速度较慢，能更明显看到泡泡各部分区域的受力变化。

伯德看到，泡泡的不同区域所受到的重力的方向和大小并不相同，但是其破裂过程基本一致，因此初步判断重力不是决定其破裂行为的决定性因素。进一步的实验和计算表明，气泡在产生过程中，表面张力是均衡的，但当它达到最大后，气泡开始向内收缩，水膜较厚的地方重力较大，大于表面张力的作用，收缩速度快就会产生褶皱，并被其他区域的表面张力挤破。

泡泡不仅是有趣的玩具，它在工业生产中也随处可见：在食品工业、胶黏剂等领域需要大量的泡泡，以形成空腔，装填填充物;在涂料工业等领域则需要消泡剂消除泡泡的产生，以提高漆膜的质量等。而了解了泡泡的特性，我们就能更好地控制它的有无，为工业生产服务。

打水漂的秘诀

打水漂是一个十分考验技术的游戏，有人抛出的石子能在水面上跳跃几十次而不会沉下去，有人抛出的石子还未起跳就已沉底……其中的奥秘到底是什么?

2004年，法国物理学家莱德里克·博克特和克里斯托夫·克莱尔的实验揭开了这个奥秘。他们建造了一个弹射装置，将铝盘射向一个水箱，然后用高速摄像机记录下飞溅的水花。他们发现，为了保持稳定跳跃，必须尽可能快地投掷石子，并且让投掷的速度和运动方向相平衡，因为旋转速度与投掷速度成正比，方向一致则能保证更长的旋转时间。另外，将石子倾斜10°～20°掷向水面，能让它跳跃更长时间。

此后，研究打水漂的科学家越来越多，有人总结了更详细的“攻略”;有人则尝试在不同介质上投掷不同形状的“石子”，寻找“水漂之王”……

这群科学家为何如此“不务正业”?其实打水漂在生活中有许多重要的运用，例如，第二次世界大战期间，英国工程师巴恩斯·沃利斯提出了臭名昭著的“弹跳炸弹”设计，让炸弹在击中目标之前先在水面上弹跳，然后沉没并在水下爆炸，让敌人防不胜防。1943年，英国空军在战争中对德国使用了弹跳炸弹，效果显著。和平的运用则体现为水上飞机，这种飞机能在水面上起飞、降落和停泊，主要用于海上巡逻、反潜、救援和体育运动等。1929年，流体动力学家西奥多·冯·卡尔曼进行了多次实验以确定水上飞机在水上着陆时的最大压力;1932年，航天工程师赫伯特·瓦格纳的研究表明，水上飞机的起飞和着陆本质上是在液体表面上的撞击和滑动过程。但是，由于时间和资金限制，科学家不可能造出一架架飞机真正进行水上实验。此时，打水漂的石子就能完美模拟水上飞机的运动过程了。

中国西南交通大学和北京机电工程研究所等研究机构的科学家通过打水漂实验总结了新的水上飞机设计指南。研究人员用一个扁平的铝盘充当“石子”，用机械将铝盘投掷到水面上，同时采用压缩机喷气来控制铝盘的速度。

通过收集在发射、“飞行”和着陆期间的数据，研究人员发现，打水漂时，石子撞击到水面上时，不仅体现了陀螺效应(高速旋转中的陀螺的重力使其保持稳定旋转的效应)，马格努斯效应(在流体中转动的物体受到的力使其飞行轨迹发生偏转的现象)也影响了其运动轨迹。如何平衡好两个效应的作用，是石子(水上飞机)在水上保持平衡和稳定运动的关键。

用纸叠出世间万物

你能用一张薄纸叠出什么物体，纸飞机、千纸鹤或者回旋镖?有一个科学家能叠出电脑设计出的所有物品，这是他的看家本领，而他也凭借折纸神技解决了许多实际问题。

这个科学家名叫罗伯特·朗，他的折纸特技其实来自于电脑的帮助。1990年，美国数学家罗伯特·朗突发奇想，计算机是否可以叠出优于人类设计的折纸?为了证明这一点，他花了几个月的时间编写了一个程序，这个程序可以通过设计不同组件，并将这些组件天衣无缝地组合起来，从而叠出各式各样的物体的折纸。经过8年的改进，这一程序的功能越来越强大，迄今为止，朗已经收藏了数千件电脑“叠出”的折纸摆件。

朗的叠纸技术还曾经帮助过美国宇航局的大忙。随着科技的发展，哈勃太空望远镜渐渐无法满足天文学家的需求，设计并发射一个功能更强大的天文望远镜成为了迫切的需求。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家罗德里克·海德提出了建造比哈勃太空望远镜大40倍的太空望远镜的想法。但是，哈勃太空望远镜本身就不小，长13米，孔径2.4米。海德提议的太空望远镜的光圈将近100米，长数百米。如果真的设计出了这种东西，该如何将它送入轨道呢?

研究人员想出了一个绝妙的主意：设计一个可折叠的透镜送入轨道，进行在轨安装时再将之展开。这个想法是否可行?研究人员寻求了朗的帮助，请他用折纸为他们设计出折叠透镜的模型。

在接下来的一年里，朗为实验室团队建造了一个直径为5米的原型，验证了这一想法的可行性。这个设想成功运用到了哈勃太空望远镜的下一代——于2013年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜身上，它的巨大透镜可以像折纸一样折叠后放入火箭中被运载上天，入轨后将之展开并安放在合适的角度，最终实现了设计需求。

在日常生活中，朗的折纸也为改进汽车安全气囊贡献了一份力量。平时，安全气囊是被紧紧地折叠到方向盘或仪表板内的隔间中的，而一旦发生碰撞事故，大量气体被释放出来，将安全气囊从扁平状态撑起来，变成球状，保护人体头部和胸部免受伤害。那么，如何折叠可以保证安全气囊瞬间变形也不发生破损呢?为了做到这一点，工程师们需要“实际折叠”一下安全气囊。

使用自己开发的计算机程序，朗为德国的EASi工程公司设计了一种折叠安全气囊的方案。这实质上是将安全气囊表示为一系列的多边形，其边缘在折叠期间和折叠之后要保持对齐——这项任务可以通过详细的折叠模式实现，就像朗用于折纸模型一样。

你看，我们曾经司空见惯的游戏中隐藏着这么多的科学知识，下次你再拿起自己最喜欢的玩具时，不妨深入思考一下其中原理，也许它也能帮你解决一些苦恼许久的难题呢。