宇宙飞船跟飞机本质上无区别,都是利用牛顿第三运动定律,靠作用力所伴生的反作用力推动自己上升以及前行。
最大的区别在于,飞机靠推动周遭的空气而飞升和前进。飞船的火箭则是靠喷射自身携带的称作工质(working mass)或反作用力质量(reaction mass)的物质来飞升和加速前进。
【实验】
把一个自带电池的小风扇固定在纸船或者比较轻盈的小玩具车上。开动风扇,纸船或者小车就会向风扇所吹出的风的相反方向前进。这就是飞机的基本原理。
把一个吹鼓了的气球放飞。这就是火箭的基本原理。
飞机在大气层里飞行,可以利用周围的空气;飞船则要飞到太空里,没有空气可用,因而只能自带喷射物。
【bonus】
物体做匀速运动时并不需要外力的作用来保持它的速度。比如地球就是以接近每秒30公里的速度在太空中行进。之所以实验中的风力船/车失去动力后很快就停下来,那是因为水、地面和空气对它的前进形成了阻力,使之逐渐减速。太空里一无所有,几乎就只有距离最近的地球会影响飞船的运动。所以只要飞船速度足够大,且飞入了特定的接近椭圆的轨道,靠惯性就能把路程走完,火箭是用不着一直喷的。
把拴着重物的绳子甩动成圆轮就可以直观地展示走圆形轨道的物体其线速度不受圆心方向上重力的影响。地球相对于太阳的轨道可以近似地看成是一个圆。所以地球绕太阳转了几十亿年,速度并没有减慢。
那么椭圆轨道呢?没法用简单的实验来展示开普勒定律。但是可以用两个图钉和一个绳套来教孩子如何画椭圆。告诉孩子那个两个图钉所在的位置就是椭圆的焦点。而离开地球的飞船所走的椭圆轨道就是以地球为其中的一个焦点。不过,走椭圆轨道的飞行器、或者自然的天体,在行进方向上的速度是时时变化的。不变的是平均速度。好比哈雷彗星的轨道就是偏心率很高的椭圆形,但是他大约76年就会绕太阳一圈,很有规律,并不会逐渐慢下来。也就是说,走椭圆轨道的飞行物并不会损失能量(动能)。
Okay,这些东西还是不适合给那么小的小朋友讲。但是做父母的应该懂得,小朋友追问下去才不至于乱了方寸。