反沖的力量

黃才發

“祝融”探火，“天和”暢游星海……4月24日是“中國航天日”，中國航天踏上新征途。我國在軌工作的超過500顆各類衛星，都靠什么送入太空？

運載火箭功不可沒。火箭是我國古代重大發明之一，早在宋代就發明了火箭。現代火箭主要用來發射探測儀器、人造衛星、宇宙飛船、航天飛機等空間飛行器。2022年4月15日，長征三號乙運載火箭成功將中星6D衛星發射升空。這次任務是長征系列運載火箭的第415次飛行。

火箭是怎么升空的呢？火箭屬熱機的一種，工作時將燃料的化學能最終轉化成火箭機械能。火箭和飛機都能飛上天空，但獲得升力的原理卻完全不同。異于飛機利用空氣動力飛行，火箭是利用發動機噴氣獲得的反作用力起飛。火箭攜帶的燃料燃燒生成熾熱氣體，氣體通過火箭尾部尾噴管向后迅速噴出，后噴的燃氣同時對火箭產生反作用力，推動著火箭朝前飛，當推力大于火箭自身重力時，火箭便升空了，這種運動叫作反沖。

反沖是靜止或運動的物體通過分離排除部分物質，而使自身朝反方向運動的現象。反沖運動中，物體受到的反沖作用通常叫作反沖力。反沖涉及牛頓第三定律：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反，作用在同一條直線上。想想滑冰場上你推同伴，發現自己也會后退，這就是同伴給自己的反作用力。噴氣式飛機是利用發動機噴出的高速氣流推動飛機前進的。射擊時會有后坐力，這是子彈給槍的反作用力。小時候有一種煙花，俗稱“鉆天猴”，點火后飛到空中然后爆炸，飛入空中的過程也是利用反沖。導彈也是通過噴射高溫高壓的燃氣來獲得巨大推進力的。把氣球里的氣放出同時松開手，氣體給氣球一個反沖力讓氣球反方向飛。

反沖的應用歷史悠久。明朝的萬戶就是世界上第一個嘗試利用反沖讓自己飛上天的人。他把47根火箭捆綁在座椅背后，把自己綁在座椅上，想借助火箭向前推動的力量使自己飛天，不幸的是飛天過程中火箭爆炸了，萬戶因此獻出了生命。為了紀念世界上第一個想利用火箭飛行的他，后人將月球上的一座環形火山命名為“萬戶山”。公元1161年宋軍與金兵的“采石之戰”中使用的“霹靂炮”，就是一種利用反沖的火箭兵器。在中國民間廣為流行的能高飛的“火流星”也是利用反沖騰空的。

反沖原理在生活中有著重要的用途。除了前面所說，在汽車行業運用廣泛的空氣彈簧，是根據空氣被壓縮后產生的反沖力起到緩沖防震作用的，提高了座椅的柔軟性和舒適性，有效保護車上自身和運輸的精密儀器，降低了車輛對路面的沖擊，同時延長路面的使用壽命。有時人們要減少反沖的影響。例如射擊時我們要用肩部抵住槍身，就是為了減少反沖的影響，提高射擊命中率。無后坐力炮的設計，就是充分利用反沖原理，減小后坐力影響，提高射擊精度的。

反沖運動和碰撞、爆炸有相似之處，相互作用力常為變力，且作用力大，一般都滿足內力遠遠大于外力，所以反沖過程往往遵循動量守恒定律，即系統在內力作用下，當一部分向某一方向的動量發生變化時，剩余部分沿相反方向的動量發生同樣大小變化的現象。射擊產生后坐力的原因是膛底受到火藥氣體的壓力。無后坐力炮與常規大炮不同的是它的炮管不會后退，取而代之的是炮彈的一部分碎片：炮管本身就是一根通管，炮彈在發射時會變為兩部分，彈頭部分從炮管前端射出攻擊目標，剩下的部分以碎片的形式從炮管后部拋出（避免傷及射手），兩部分的動量差不多，并且反向，即產生兩個反向的后坐力并且相互抵消，射手感到的后坐力就很小了，因而射擊精度也提高不少。

器材：

一次性紙杯、帶彎頭吸管、棉線、氣球、空礦泉水瓶、食用小蘇打、白醋、腳盆、筆芯、透明膠、羽毛球、剪刀。

[小實驗1?]

反沖小船：

把2個空礦泉水瓶（含瓶口）約四分之一剪下，用透明膠粘在一起制成小船，氣球套上一個瓶口，從另一個瓶口把氣球吹大，捏住氣球口，把“小船”放入水中，松開手，發現小船朝噴氣的反方向前進。

[小實驗2 ]

旋轉灌溉：

用筆芯尖在一次性紙杯底部正對方向開兩個小孔，把兩根吸管不帶彎頭端用剪刀剪成尖端插入小孔中，紙杯上方杯口處正對方向也開兩個小孔，穿入棉線提在手上。往紙杯中加滿水，注意到隨著水流從吸管噴出，吸管紙杯也持續轉動起來。

[小實驗3]

水火箭：

往空礦泉水瓶注入約五分之一白醋，單層紙包裹著小蘇打放入瓶口中，用羽毛球頭堵住瓶口，倒置過來，發現瓶中產生大量氣體，隨著氣體沖開羽毛球，獲得反沖的礦泉水瓶沖上天空。（本實驗須在室外空曠處進行，注意安全）