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，隨著科學技術的進步，根據能量來源不同，大炮經歷了從人力拋石機到火炮，再到電磁炮的發展歷程，其發射的炮彈的能量也越來越高。《義務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形式”這樣的科學概念。現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”，一起探秘不同發射方式中蘊含的科學原理，發現小球運動能量的來源。

人力發射的“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射，古代還發明出利用彈力發射的彈力拋石機（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，除了發射大型箭也可以發射石彈，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，而另一端裝有待發射的石彈，發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，這些靠人力發射的“炮”，都是通過機械機構將人提供的機械能轉化為石頭的動能。

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構，如阿基米德螺旋、獨輪車、鐘表機構、過山車、水車、吊橋、空氣炮、氣缸等，與各種傳遞裝置（機構）相結合，設計成一套機構精巧、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、保護罩構成。觀眾通過轉手輪、手撥動、按壓等方式操作裝置，可啟動相應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、動能之間的轉換，實現沿軌道滾動、越障、上升、下降的工作循環。其中的“投石問路”環節就是一組彈力拋石機（見圖3），觀眾轉動手輪，帶動凸輪轉動，隨后利用落差及彈簧產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，進入下一個互動環節。

現在，讓我們思考一下，這個展品的結構和前面敘述的古代的“炮”有什么異同點？

火炮

中國古代四大發明之一的火藥出現以后，人們發現火藥燃燒爆炸后產生的高溫高壓氣體具有很大的力量，可以用來推動、發射“炮彈”，于是“火炮”出現了。據目前史料記載，早在1163年，中國南宋軍隊發明了最早的火炮。其構造一般是金屬管形結構，由身管、藥室、炮尾等部分構成，多從前端裝彈，可發射石彈、鉛彈、鐵彈和爆炸彈等，大多配有專用炮架或炮車。其作用原理是將發射藥在膛內燃燒產生的化學能轉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（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生高溫高壓氣體然后在炮管內推動彈丸加速，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加壓，然后突然釋放高壓讓它推動小球在空氣炮管內加速飛出。所不同的是，火炮的氣體能量來源于火藥燃燒產生的化學能，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。

電磁發射

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

電磁炮是電磁發射器最早、最重要的軍事應用。以目前接近實用化的軌道型電磁發射器為例，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、電樞及發射體（如彈丸）等構成。電樞位于軌道之間，由導電物質構成，發射體位于電樞之前。

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，加速線圈內產生磁場，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，小球就會被高速發射出去。

除了將較小質量物體加速到較高速度的電磁炮，電磁推進技術另一種應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、能量轉換、彈射電動機、控制臺4個子系統組成。與傳統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施的只有中美兩國。

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