Wenn Sie so gut darin sind, Spaß zu haben, warum kommen Sie dann nicht in den Himmel? Ich zeige es euch hier!

Kinder können nicht ohne Spielzeug leben. Gutes Spielzeug kann Kindern nicht nur Freude bereiten, sondern auch ihre Neugier und ihr Nachdenken über die Welt wecken. Diese Eigenschaften werden für die zukünftige Entwicklung der Kinder von großem Nutzen sein. Und obwohl Kinderspielzeug relativ einfach ist, lassen sich die Prinzipien, die bei vielen von ihnen zum Einsatz kommen, tatsächlich im Weltraum anwenden!

Heute ist wieder Kindertag. Lassen Sie uns Bilanz ziehen und uns die Prinzipien hinter diesen vertrauten kleinen Spielzeugen ansehen.

Blechfrosch/Rückziehauto/Spieluhr

Wir haben als Kinder alle mit dem Aufziehfrosch aus Blech gespielt … was? Du hast es nicht gespielt? Das liegt sicher daran, dass Sie den Generationenkonflikt miterlebt haben, als der Tin Frog aus der Mode kam, Taobao aber noch nicht populär war. Besuchen Sie jetzt Taobao und finden Sie Ihre verlorene Kindheit zurück. Neben dem kleinen Frosch sind auch das Rückziehauto und die Spieluhr mit Federn ausgestattet.

Blechfrosch, Bild von einer E-Commerce-Plattform

Beim Aufziehen der Feder wird die kinetische Energie unserer Hände auf die Feder übertragen und in Form elastischer potentieller Energie darin gespeichert. Wenn Sie Ihre Hand loslassen, dehnt sich die Feder langsam und wandelt die elastische potentielle Energie wieder in kinetische Energie um. Dadurch quakt der Blechfrosch und springt nach vorne, das Auto mit Rückziehmechanismus rast zur Ziellinie und die Trommel der Spieluhr zupft an den Saiten, um wunderschöne Musik zu spielen. In der Erwachsenenwelt kann die Umwandlung von elastischer potentieller Energie und kinetischer Energie auch für andere Dinge genutzt werden.

Seit der Antike haben Menschen auf der ganzen Welt beispielsweise Pfeil und Bogen erfunden und nutzen dabei elastische potentielle Energie zum Jagen und Kämpfen. Heutzutage verbaut man Federn in mechanischen Uhren, um die Zeiger anzutreiben, oder in Maßbändern oder Staubsaugern, um das schnelle Einziehen der Maßbänder oder Kabel zu erleichtern. Altmodische Sofas sind mit Federn ausgestattet. Autos und viele große Präzisionsgeräte verwenden Federn oder hydraulische Vorrichtungen, um Bewegungsenergie aufzunehmen und eine Stoßdämpfung zu erreichen. Die Federwaage ist ein unverzichtbares Experimentiergerät im Physikunterricht der Mittelstufe. Auch auf dem Gemüsemarkt sieht man oft alte Männer und Frauen mit Federwaagen.

Was hat das also mit dem Weltraum zu tun? Natürlich können wir weder Pfeil und Bogen noch eine Schleuder verwenden, um ein Raumschiff direkt ins All zu schießen. Dieses Prinzip wird im Weltraum unter anderem eingesetzt, um Astronauten beim Wiegen zu unterstützen.

Sie könnten sagen: Das ist nicht richtig? Die Raumstation befindet sich in einer Umgebung mit Mikrogravitation, daher kann eine Federwaage nicht zum Wiegen verwendet werden, oder? Hier kommt Newtons zweites Gesetz zu Hilfe: Der Astronaut fixiert sich an einem Ende der gespannten Feder. Wenn die Feder in ihre Ausgangsposition zurückkehrt, wird gleichzeitig die Rückprallbeschleunigung des Astronauten gemessen und das Gewicht des Astronauten kann berechnet werden.

Wang Yaping hilft Nie Haisheng beim Wiegen, Screenshot von CCTV General Channel

Kreisel/Diabolo

Das Spielzeug Kreisel wird in verschiedenen Teilen des Landes unterschiedlich genannt. An manchen Orten wird es „bingga“ genannt, an anderen „da laoniu“, „lanlanpo“, „geluo“ oder „dielou“ (ich kenne die genauen Wörter nicht). Der Name, der bei mir einen tiefen Eindruck hinterlassen hat, ist „einen Verräter auspeitschen“, was bedeutet, den Verräter im Kreis herumzupeitschen. Kreisel sind meist recht klein und wenn ein großer Mensch längere Zeit gebückt damit spielt, kann er sich nicht mehr aufrichten. Diabolo ist für größere Kinder und Senioren geeignet. Mit zwei Stöcken und einem Seil lassen sich viele verschiedene Dinge damit spielen. Der Autor hörte einmal einen weisen Mann sagen: „Gib mir einen Topfdeckel und ich kann ihn für dich schütteln.“

Diabolo, aufgenommen von einer E-Commerce-Plattform

Ob Kreisel oder Diabolo, die Gemeinsamkeit besteht darin, dass sie sich gleichmäßig drehen. Warum können sie sich stetig drehen? Das Prinzip dahinter ist die Erhaltung des Drehimpulses. Der Drehimpuls ist eine physikalische Größe, die die Rotation eines Objekts misst, und seine Richtung und Größe ändern sich nicht so leicht. Freunde, die schon einmal mit Fidget Spinnern gespielt haben, wissen, dass man, sobald der Spinner anfängt, sich zu drehen, einen intensiven „Kampf und Widerstand“ spürt, wenn man seine Richtung ändert. Unter Ausnutzung des Drehimpulserhaltungssatzes schnitzt man Züge (auch Rifling genannt) in die Wandung von Gewehrläufen, um das Geschoss um die Achse rotieren zu lassen. Auf diese Weise zeigt die Spitze des Geschosses beim Anflug auf das Ziel immer nach vorne und rollt nicht in der Luft, sodass das Geschoss möglichst weit fliegen kann.

Spieler, die schon einmal mit dem Einrad-Diabolo (einschließlich des Topfdeckels, den der alte Herr oben erwähnt hat) gespielt haben, wissen auch, dass sich das Einrad-Diabolo, nachdem es auf das Seil gefallen ist, von selbst dreht, während es sich um den Spieler dreht. Dieses Phänomen wird „Präzession“ genannt . Dies ist die Folge davon, dass der erhaltene Drehimpuls durch die Schwerkraft der Erde „verdreht“ wird und dann „umkippt“. Der einzige Unterschied besteht darin, dass es seitlich „umkippt“, anstatt direkt auf den Boden zu fallen. Durch die Erfassung dieser „Präzession“ kann das mit einem Gyroskop ausgestattete Gerät erkennen, dass sich seine Bewegungsrichtung umgekehrt hat. Dieses Gerät wird „Gyroskop“ genannt und ist ein wichtiges Gerät zur Lageregelung, das für Flugzeuge, Satelliten, Weltraumteleskope und Raumstationen benötigt wird.

Übrigens war neben diesen hochpräzisen Instrumenten auch der Gyro selbst im Weltraum …

Demonstration der Gyroskopbewegung vom CCTV News Channel

Bambuslibelle/Wasserrakete

Die Bambuslibelle ist ein traditionelles chinesisches Kinderspielzeug. Außerdem ist es sehr einfach zuzubereiten. Es wird ein Bambusstück hergestellt, dessen beide Enden in eine dem Wind zugewandte Neigung geschnitten sind, und in die Mitte wird ein kleiner Holzstab gesteckt. Durch Reiben mit beiden Händen kann die Libelle in den Himmel fliegen. Das physikalische Prinzip, das der Bambuslibelle zugrunde liegt, ist Newtons drittes Gesetz. Wenn sich die Bambuslibelle dreht, drückt die Neigung der Blätter die Luft nach unten. Gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz muss es für die Aktion eine Reaktionskraft geben, die in der Größe gleich und in der Richtung entgegengesetzt ist und auf derselben geraden Linie wirkt, sodass die Luft die Bambuslibelle nach oben drückt. Beim Eintritt in die Erwachsenenwelt werden aus Bambushubschraubern Flugzeuge, darunter Helikopter und Starrflügelflugzeuge.

Das grundlegende Prinzip dahinter besteht darin, die Luft effizienter nach unten zu drücken/werfen und dadurch einen starken Auftrieb an den Flügeln/Rotoren zu erzeugen. Newtons drittes Gesetz führte auch zur Entstehung eines weiteren fortschrittlichen Spielzeugs: der Wasserrakete. Viele Kinder haben es im Physikunterricht alleine gemacht. Blasen Sie die verschlossene Colaflasche auf und drücken Sie die Düse plötzlich auf. Die Druckluft drückt das Wasser in der Flasche nach unten. Durch die Reaktionskraft angetrieben, steigt die Wasserrakete senkrecht nach oben (Wasserraketen sind auch gefährlich, daher muss jeder auf die Sicherheit achten).

Zweistufige Wasserrakete, aufgenommen von einer E-Commerce-Plattform

Die Prinzipien von Wasserraketen und herkömmlichen Weltraumraketen sind nahezu identisch, der einzige Unterschied besteht im Treibstoff. Im Übrigen sei es so, auch „der Treibstoff selbst ist eine Belastung und muss sorgfältig berechnet werden“.

Seifenblasen

Als wir als Kinder mit Seifenblasen spielten, waren wir bestimmt von den Farben der Seifenblasen fasziniert. Wie ist es entstanden? Hat es die Farbe von Seifenwasser? Warum platzen Blasen schnell, wenn die Farbe verschwindet? Das Geheimnis hinter der Farbe von Seifenblasen ist die Wellennatur des Lichts. Obwohl wir normalerweise sagen, dass Sonnenlicht weißes Licht ist, existiert in Wirklichkeit kein „weißes Licht“. Sonnenlicht besteht aus Licht vieler Farben (Frequenzen) und verschiedene Lichtfarben haben unterschiedliche Wellenlängen.

Wenn derselbe Lichtwellenstrahl jeweils von der Innen- und Außenwand einer Seifenblase reflektiert wird, werden zwei Lichtwellenstrahlen erzeugt. Wenn es sich bei diesen beiden Lichtwellenstrahlen um Wellenberge und Wellentäler handelt, werden die Farben verstärkt. Wenn die Wellenberge den Wellentälern und die Wellentäler den Spitzen gegenüberliegen, werden die Farben aufgehoben. Auf diese Weise wird durch die Dicke des Wasserfilms der Blase und unseren Beobachtungswinkel bestimmt, welche Farbe verstärkt und welche Farbe abgeschwächt wird. Dieses Phänomen wird als „Interferenz“ bezeichnet und die erzeugten Streifen heißen Interferenzstreifen.

Unter der Einwirkung der Schwerkraft fließt das Wasser in den Seifenblasen langsam am Rand entlang nach unten.

Wenn der Wasserfilm der Blase dünn genug ist, verursachen seine Innen- und Außenwände keine nennenswerten Interferenzeffekte auf die Farbe. Wenn wir also sehen, dass die Blase platzt, wissen wir, dass sie nicht mehr lange vom Platzen entfernt ist. Mithilfe des Interferenzeffekts haben Wissenschaftler zahlreiche wissenschaftliche Beobachtungsgeräte entwickelt, von denen viele dazu dienen, uns bei der Erforschung der Geheimnisse des Universums zu helfen. Einige Geräte haben in der Geschichte der Physikentwicklung große Erfolge erzielt, wie etwa das Michelson-Morley-Interferenzexperiment, das die Annahme des Äthers, des bis dahin angenommenen Übertragungsmediums für Licht, direkt widerlegte. Manche Geräte sind so groß und unsichtbar, dass wir ihre Anwesenheit nicht einmal spüren, wenn wir uns in ihnen befinden. Beispielsweise nutzte das berühmte Event Horizon Telescope, das aus mehreren über die ganze Welt verteilten Radioteleskopen besteht, die Technologie der „Very Long Baseline Interferometry“, um Bilder von zwei supermassereichen Schwarzen Löchern aufzunehmen.

Puffboot

Im Film „Ponyo – Das große Abenteuer am Meer“ sehen wir ein interessantes Spielzeugboot, das „Pop-Pop-Boot“, auf dem Sosuke und Ponyo fahren. Eine Kerze wurde angezündet (magisch verstärkt) und unter den kleinen Kessel gestellt, und das Boot schnaufte dahin. In der realen Welt kann ein solches Schiff tatsächlich gebaut werden!

Schneiden Sie aus der Aluminiumfolie einer Dose einen kleinen flachen Beutel, stecken Sie zwei Strohhalme hinein (zwei Strohhalme dienen zum bequemen Befüllen mit Wasser in den folgenden Schritten), versiegeln Sie den Spalt zwischen dem Aluminiumbeutel und den Strohhalmen mit Klebstoff, spritzen Sie etwas Wasser aus den Strohhalmen, bereiten Sie ein kleines Papierboot mit einer hineingesteckten Kerze vor, platzieren Sie den Aluminiumbeutel über der Kerzenflamme, legen Sie die Strohhalme ins Wasser und Sie können sehen, wie sich das Boot vorwärts bewegt!

Der Motor, der das Pu-Pu-Boot antreibt, wird nach dem Prinzip der Wärmekraftmaschine als „Stirlingmotor“ bezeichnet. Es treibt den Motor an, Arbeit zu verrichten, indem es das Gas/die Flüssigkeit in einem begrenzten Raum kontinuierlich zwischen dem heißen und dem kalten Bereich oszillieren lässt. Der Stirlingmotor ist ein Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung, der von außen beheizt wird. Im Vergleich zu den uns vertrauteren Verbrennungsmotoren (ein Automotor ist beispielsweise ein Verbrennungsmotor, der Benzin im Zylinder verbrennt) besteht sein größtes Merkmal darin, dass er nicht auf Wärmequellen beschränkt ist. Unabhängig davon, ob Sie Wärme durch Reibung, Holzverbrennung, Elektrizität, Sonnenenergie oder eine Kernreaktion erzeugen, kann sie als Wärmequelle für die heiße Zone dienen, solange sie Wärme erzeugen kann. Auf diese Weise können Stirlingmotoren im Weltraum eingesetzt werden! Natürlich müssen beim Einsatz von Stirlingmotoren im Weltraum noch einige Detailschwierigkeiten überwunden werden, beispielsweise Probleme mit dem Schmieröl.

Hier ist eine unauffällige gute Nachricht. Zu den von Shenzhou XV durchgeführten Tests im Orbit gehörte auch der „Weltraum-Test zur hocheffizienten thermoelektrischen Umwandlung von Freikolben-Stirling-Elementen“, der breite Anwendungsmöglichkeiten bei zukünftigen bemannten Erkundungsmissionen zum Mond und in den Tiefen des Weltraums bietet.

Abschließend möchte ich betonen, dass dieser Artikel zwar in der Reihenfolge „Spielzeug-Theorie-Raum“ organisiert ist, dies jedoch nicht bedeutet, dass die zum Bau großer Dinge verwendeten Theorien alle von Spielzeugen abgeleitet sind . Im Gegenteil: Oftmals werden erst Raketen in den Weltraum geschickt, und dann beginnen Ingenieure mit kindlicher Unschuld darüber nachzudenken, welche Art von Spielzeug sie nach diesem Prinzip herstellen könnten …

Planung und Produktion

Autor: Qu Jiong, Kommunikationstechnologie-Ingenieur

Rezension von Liu Yong, Forscher, National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Planung – Ding Zong

Herausgeber: Ding Zong

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin