宇宙飛船跟飛機本質上無區別,都是利用牛頓第三運動定律,靠作用力所伴生的反作用力推動自己上升以及前行。
最大的區別在於,飛機靠推動周遭的空氣而飛升和前進。飛船的火箭則是靠噴射自身攜帶的稱作工質(working mass)或反作用力品質(reaction mass)的物質來飛升和加速前進。
【實驗】
把一個內建電池的小風扇固定在紙船或者比較輕盈的小玩具車上。開動風扇,紙船或者小車就會向風扇所吹出的風的相反方向前進。這就是飛機的基本原理。
把一個吹鼓了的氣球放飛。這就是火箭的基本原理。
飛機在大氣層裏飛行,可以利用周圍的空氣;飛船則要飛到太空裏,沒有空氣可用,因而只能內建噴射物。
【bonus】
物體做勻速運動時並不需要外力的作用來保持它的速度。比如地球就是以接近每秒30公裏的速度在太空中行進。之所以實驗中的風力船/車失去動力後很快就停下來,那是因為水、地面和空氣對它的前進形成了阻力,使之逐漸減速。太空裏一無所有,幾乎就只有距離最近的地球會影響飛船的運動。所以只要飛船速度足夠大,且飛入了特定的接近橢圓的軌域,靠慣性就能把路程走完,火箭是用不著一直噴的。
把拴著重物的繩子甩動成圓輪就可以直觀地展示走圓形軌域的物體其線速度不受圓心方向上重力的影響。地球相對於太陽的軌域可以近似地看成是一個圓。所以地球繞太陽轉了幾十億年,速度並沒有減慢。
那麽橢圓軌域呢?沒法用簡單的實驗來展示克卜勒定律。但是可以用兩個圖釘和一個繩套來教孩子如何畫橢圓。告訴孩子那個兩個圖釘所在的位置就是橢圓的焦點。而離開地球的飛船所走的橢圓軌域就是以地球為其中的一個焦點。不過,走橢圓軌域的飛行器、或者自然的天體,在行進方向上的速度是時時變化的。不變的是平均速度。好比哈雷彗星的軌域就是偏心率很高的橢圓形,但是他大約76年就會繞太陽一圈,很有規律,並不會逐漸慢下來。也就是說,走橢圓軌域的飛行物並不會損失能量(動能)。
Okay,這些東西還是不適合給那麽小的小朋友講。但是做父母的應該懂得,小朋友追問下去才不至於亂了方寸。