探秘不同大炮的能量來源

范亞楠

大炮是一種歷史悠久的重型武器，隨著科學技術(shù)的進步，根據(jù)能量來源不同，大炮經(jīng)歷了從人力拋石機到火炮，再到電磁炮的發(fā)展歷程，其發(fā)射的炮彈的能量也越來越高?！读x務(wù)教育小學科學課程標準》要求學生掌握“機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現(xiàn)形式”這樣的科學概念?，F(xiàn)在讓我們通過中國科技館“兒童科學樂園”展廳的展品“小球大冒險”，一起探秘不同發(fā)射方式中蘊含的科學原理，發(fā)現(xiàn)小球運動能量的來源。

人力發(fā)射的“炮”

炮，在中國古代是對所有種類投石機的泛稱，最早的炮是人力拋石機，上方有一條被稱為炮梢的杠桿架在木架上，一端用繩索拴住容納石彈的皮套，另一端系著許多條繩索讓人力拉拽。要發(fā)射時，由多人在遠離投石器的地方一起牽拉連在橫桿上的炮梢（見圖1），另一邊的石彈就會被拋射出去。

除了利用杠桿人力拉動發(fā)射，古代還發(fā)明出利用彈力發(fā)射的彈力拋石機（Ballista）、利用重力的配重式投石機。其中，彈力拋石機又稱床弩、弩炮、射箭機，古希臘、古羅馬時期即在使用，依靠弓弦的彈力進行拋射，除了發(fā)射大型箭也可以發(fā)射石彈，是機械弓弩的變種。而配重式投石機是一種大型重力拋石機，利用杠桿原理，一端裝有重物，而另一端裝有待發(fā)射的石彈，發(fā)射前須先將放置石彈的一端用絞盤、滑輪或直接用人力拉下，而附有重物的另一端也在此時上升，放好石彈后松開或砍斷繩索，讓重物這一端落下，石彈也順勢拋出，此種拋石機在中國被稱作“回回炮”（見圖2）。

無論哪種拋（投）石機，這些靠人力發(fā)射的“炮”，都是通過機械機構(gòu)將人提供的機械能轉(zhuǎn)化為石頭的動能。

展品“小球大冒險”以小球的“冒險”歷程為故事線，并將生活中可以見到的機械結(jié)構(gòu)，如阿基米德螺旋、獨輪車、鐘表機構(gòu)、過山車、水車、吊橋、空氣炮、氣缸等，與各種傳遞裝置（機構(gòu)）相結(jié)合，設(shè)計成一套機構(gòu)精巧、元素豐富、故事性強、貼近生活、親近兒童的機械傳遞類展項，由33套機械傳動裝置、軌道、小球、展臺、保護罩構(gòu)成。觀眾通過轉(zhuǎn)手輪、手撥動、按壓等方式操作裝置，可啟動相應(yīng)的機械傳動裝置運動，使球在機械裝置及軌道中進行垂直、水平、曲線等運動，完成機械能、勢能、動能之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)沿軌道滾動、越障、上升、下降的工作循環(huán)。其中的“投石問路”環(huán)節(jié)就是一組彈力拋石機（見圖3），觀眾轉(zhuǎn)動手輪，帶動凸輪轉(zhuǎn)動，隨后利用落差及彈簧產(chǎn)生的彈力帶動連桿向上拋射小球，使它從低處到達高處的軌道，進入下一個互動環(huán)節(jié)。

現(xiàn)在，讓我們思考一下，這個展品的結(jié)構(gòu)和前面敘述的古代的“炮”有什么異同點？

火炮

中國古代四大發(fā)明之一的火藥出現(xiàn)以后，人們發(fā)現(xiàn)火藥燃燒爆炸后產(chǎn)生的高溫高壓氣體具有很大的力量，可以用來推動、發(fā)射“炮彈”，于是“火炮”出現(xiàn)了。據(jù)目前史料記載，早在1163年，中國南宋軍隊發(fā)明了最早的火炮。其構(gòu)造一般是金屬管形結(jié)構(gòu)，由身管、藥室、炮尾等部分構(gòu)成，多從前端裝彈，可發(fā)射石彈、鉛彈、鐵彈和爆炸彈等，大多配有專用炮架或炮車。其作用原理是將發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的化學能轉(zhuǎn)換為彈丸的炮口動能以拋射彈丸。

展品“小球大冒險”中也有“大炮”提升機構(gòu)（見圖4），觀眾按壓打氣裝置給空氣炮充能，隨后空氣炮將球擊飛至高處。這里的空氣炮其實和火炮的原理是一樣的，火炮利用火藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體然后在炮管內(nèi)推動彈丸加速，而此處的空氣炮則是讓觀眾像自行車打氣一樣給空氣炮的儲氣罐內(nèi)加壓，然后突然釋放高壓讓它推動小球在空氣炮管內(nèi)加速飛出。所不同的是，火炮的氣體能量來源于火藥燃燒產(chǎn)生的化學能，展品因為安全要求，壓縮氣體的能量還是來源于人力提供的機械能。

電磁發(fā)射

常規(guī)的化學火炮由于原理上的限制，發(fā)射的炮彈所能達到的最大速度不超過千米每秒量級，從古至今經(jīng)歷了幾百年的發(fā)展后已接近了理論極限。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的化學發(fā)射器已不能滿足人類對更高速度、更高效率的追求。為此，人們又發(fā)明了火箭，但火箭發(fā)射成本太高。于是，利用電磁力做功，將電能轉(zhuǎn)化為發(fā)射物體的動能，即電磁推進技術(shù)近年得到了快速發(fā)展。

電磁炮是電磁發(fā)射器最早、最重要的軍事應(yīng)用。以目前接近實用化的軌道型電磁發(fā)射器為例，它由2條互相平行且被固定的金屬軌道和高功率脈沖電源、電樞及發(fā)射體（如彈丸）等構(gòu)成。電樞位于軌道之間，由導電物質(zhì)構(gòu)成，發(fā)射體位于電樞之前。

展品“電磁加速器”（見圖5）就是通過電磁力實現(xiàn)加速小球的。展品由展臺、軌道、加速線圈等組成，觀眾按下按鈕接通電源后，加速線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場，磁場對金屬小球施加一個固定方向的推力推動小球加速運動。小球每經(jīng)過1次線圈，就會被加速1次，這樣很快就會在軌道中達到很高的速度，可以想象如果這時在軌道上打開一個缺口，小球就會被高速發(fā)射出去。

除了將較小質(zhì)量物體加速到較高速度的電磁炮，電磁推進技術(shù)另一種應(yīng)用是航空母艦上的電磁彈射器（見圖6）。電磁彈射器的心臟是100多米長的感應(yīng)電動機，它推動與飛機相連接的電樞一起運動。

電磁彈射器一般由能量貯存、能量轉(zhuǎn)換、彈射電動機、控制臺4個子系統(tǒng)組成。與傳統(tǒng)的蒸汽式彈射器相比，電磁彈射具有容積小、對艦上輔助系統(tǒng)要求低、效率高、重量輕、運行和維護費用低廉的好處，是未來航空母艦的核心技術(shù)之一。目前世界上開展航母電磁彈射研究的只有美國、中國、英國和俄羅斯，而建造了全航母尺寸實驗設(shè)施的只有中美兩國。

相對于其他發(fā)射方式，電磁發(fā)射能提供較大動能，能量轉(zhuǎn)化率高，可將彈丸等有效載荷加速到化學發(fā)射方式難以達到的超高速度，且速度可任意調(diào)控，精度高，射程遠，威力大，發(fā)射過程不易受到干擾。因此這種技術(shù)在軍事武器、微小衛(wèi)星發(fā)射等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。電磁發(fā)射技術(shù)還可用于“電磁列車”，這種列車直接使用現(xiàn)有火車鐵軌作軌道發(fā)射器的軌道，車廂作發(fā)射體。這種列車比磁懸浮列車成本低，比傳統(tǒng)列車運行速度高。理論和國內(nèi)外的實驗都證明電磁發(fā)射是可行的，電磁發(fā)射技術(shù)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。