雞蛋撞地球怎么能不碎

【專家解說(shuō)】：科學(xué)讓雞蛋堅(jiān)如磐石 ——關(guān)于“高空墜蛋”的研究報(bào)告 高2005級(jí)一班 史建強(qiáng) 古代人常用“雞蛋碰石頭”來(lái)比喻自不量力?？梢?jiàn)，雞蛋是極易碎的，輕輕一磕就碎了。如果說(shuō)雞蛋能從十幾米高的地方落下而安然無(wú)恙，那簡(jiǎn)直就是天方夜譚。但是科學(xué)有時(shí)能將不可思議的事情變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。今天，就讓我們共同走進(jìn)這個(gè)神話吧。 首先，讓我們明確一下從十幾米的高空落下是一個(gè)什么概念。不難算出，若不計(jì)空氣阻力，物體落地時(shí)的速度將達(dá)到十多米每秒。為了讓大家更好地明白這么快的速度將產(chǎn)生什么樣的作用效果，我打一個(gè)比方。這就好比一輛時(shí)速達(dá)40km/h的汽車突然撞到了墻上，后果可想而知。如果不采取任何措施，不要說(shuō)是雞蛋，就是一塊石頭，恐怕也要粉身碎骨。 這樣一件看似不可能的事情，是否就不可辦到呢？不是的，科學(xué)的魅力正在于此。只要我們依據(jù)正確的科學(xué)道理，提出可行的解決方案，再經(jīng)過(guò)一次次實(shí)踐的檢驗(yàn)，不斷改進(jìn)，是完全可以辦到的。 今天，第四屆科技節(jié)的“高空墜蛋”比賽給我們提供了自由發(fā)揮的機(jī)會(huì)。讓我們放飛想象的翅膀，來(lái)創(chuàng)造這個(gè)奇跡！ 比賽規(guī)則： 將一個(gè)采取了一定保護(hù)措施的雞蛋從五樓陽(yáng)臺(tái)上扔下，使其自由下落。在雞蛋不破的前提下，整個(gè)裝置重量（不包括雞蛋）越小，落地點(diǎn)距指規(guī)定的地點(diǎn)越近，其比賽成績(jī)就越靠前。 一、科學(xué)道理： （一）、理論依據(jù)： 1、動(dòng)量定理表達(dá)式：Ft =△p 其中△p指的是動(dòng)量的變化，F(xiàn)指的是沖力的大小，t指的是力的作用時(shí)間。 由于雞蛋在下落的過(guò)程中，動(dòng)量的變化△p一定，雞蛋所受的力F與力的作用時(shí)間t成反比，即t越大，F(xiàn)就越小，作用在雞蛋上的力就越小。這樣，雞蛋就不容易碎了。 2、由空中垂直下落的物體所受空氣阻力f與空氣的密度ρ、物體的有效橫截面積S、下落的速率v的平方成正比，阻力的大小可表示為f=CρSv2，其中C為阻力系數(shù)，一般在0.2～0.5之間，ρ=1.2kg/m3，物體下落經(jīng)過(guò)一段時(shí)間將達(dá)勻速，這稱為終極速率。 我們可以發(fā)現(xiàn)如下的一些日?，F(xiàn)象： 雨滴在空氣中下落，速度越來(lái)越快，所受空氣阻力也越來(lái)越大。 當(dāng)阻力增加到與雨滴所受重力相等時(shí)，二力平衡，雨滴開始勻速下落。 跳傘運(yùn)動(dòng)員在空中張開降落傘，憑借著降落傘較大的橫截面積取得較大的空氣阻力，得以比較緩慢地降落。這些都是這個(gè)公式在生活中的應(yīng)用。 明白了這以后，就不會(huì)認(rèn)為裝置的加速度是9.8m/s2了。 3、一切物體都具有慣性。在“高空墜蛋”整個(gè)裝置落地的一瞬間，裝置靜止，然而雞蛋由于慣性，還會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，造成與裝置擠壓、碰撞，容易損壞。如何將雞蛋由于具有慣性而造成的影響降到最低，還需要我們進(jìn)一步分析解決。 （二）、規(guī)則分析： 有了理論指導(dǎo)，就可以分析比賽規(guī)則了。目的是在不違反比賽規(guī)則的情況下，充分考慮各方面的影響和應(yīng)當(dāng)解決的問(wèn)題，以制定切實(shí)可行的方案。 由于比賽規(guī)則有一個(gè)大前提就是雞蛋不破，雞蛋一旦破了，便會(huì)被淘汰，一切努力也就白費(fèi)了。因此，最重要的就是要保證雞蛋不破，然后再考慮如何使裝置重量盡可能小，使裝置穩(wěn)定性盡可能高。保證雞蛋不破就要加強(qiáng)保護(hù)措施；重量盡可能小就要選用密度小的材料，能省就??；穩(wěn)定性盡可能高，一是要投得準(zhǔn)，二是裝置受大氣影響盡可能小。 二、方案設(shè)計(jì)： 在前面理論依據(jù)的支持下，又認(rèn)真分析了比賽規(guī)則，找到了問(wèn)題的關(guān)鍵所在，現(xiàn)在可以制定可行性方案了。 結(jié)合在同學(xué)們中的調(diào)查和全國(guó)各地舉行過(guò)類似比賽的方案來(lái)看，比較常見(jiàn)的、有一定可行性的方案有以下幾種： 1、降落傘型： 降落傘型，顧名思義，就是利用降落傘，增大空氣阻力，以使雞蛋連同整個(gè)裝置平穩(wěn)落地。 這種方案最容易想到，因?yàn)樘鴤恪⒂钪骘w船減速，都運(yùn)用了這個(gè)方法，效果很好。安全性極高，使整個(gè)裝置達(dá)到較小的速度即可勻速下落。裝置的重量也不會(huì)很重。唯一的缺點(diǎn)就是：受大氣擾動(dòng)影響太厲害，會(huì)使實(shí)驗(yàn)裝置飄忽不定，準(zhǔn)確性較差，往往不能落到指定位置，從而影響了比賽成績(jī)。 2、外包裝型： 外包裝型，就是用較多的減震材料將雞蛋嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地包裹起來(lái)。比如泡沫、棉花、各種填充材料等。通過(guò)這些材料的緩沖作用，達(dá)到保護(hù)雞蛋的目的。 這種方案也較容易想到。平常生活中用各種填充材料保護(hù)貴重用品的方法相信大家都見(jiàn)到過(guò)。這的確是一個(gè)有效的方法。這種方案由于受空氣阻力影響很小，所以準(zhǔn)確性較高。由于所使用的材料都是密度極小的，所以可將整個(gè)裝置的重量降到最低。但美中不足的是：整個(gè)裝置是自由下落狀態(tài)，到達(dá)地面時(shí)的速度較大，因而對(duì)裝置的堅(jiān)固度和緩沖效果要求較高，安全性稍差一點(diǎn)。 3、不倒翁型： 不倒翁型，就是使整個(gè)裝置像不倒翁一樣，把重心盡可能降低，使得裝置下落時(shí)能保持穩(wěn)定狀態(tài)，確保始終讓一個(gè)面著地。那么保護(hù)工作只需要在這一個(gè)面做好就行了，從而節(jié)省了材料。 這種方案充分考慮到了上一種方案可能出現(xiàn)在空中翻滾現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)改進(jìn)形成的。其可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一種方案，材料更節(jié)省，準(zhǔn)確性更高。美中不足的就是為了確保裝置的重心降低，勢(shì)必要在底部放上一個(gè)質(zhì)量較大的物體，這就大大加重整個(gè)裝置，將影響比賽成績(jī)。 4、多面體型： 多面體型，就是把整個(gè)裝置制作成一個(gè)多面體，將雞蛋用結(jié)實(shí)的繩子固定在多面體的中央，使整個(gè)雞蛋懸空。裝置落地后，不論哪個(gè)面著地，雞蛋都不會(huì)著地，雞蛋就完好無(wú)損了。 這種方案無(wú)需額外的材料，只需要制作多面體的骨架和幾根線即可，用料極其節(jié)省，因而重量會(huì)大大降低。因受空氣阻力較小，所以穩(wěn)定性較好。但這種方案也有一個(gè)大的缺點(diǎn)就是多面體不易扎制，結(jié)實(shí)程度不高，落地后可能會(huì)散架，雞蛋也就岌岌可危了。 5、雙氣球型： 雙氣球型，就是將雞蛋放在一個(gè)氣球中，充入一定量空氣，在外面再套一個(gè)氣球，充入適量空氣。這樣兩層氣球之間就會(huì)形成一個(gè)氣墊，會(huì)使雞蛋免受地面的沖擊。 這種方案所用材料應(yīng)該是所有方案中最省的，重量只是兩個(gè)氣球的重量，幾乎可以忽略不計(jì)。但這種方案有一個(gè)致命的缺點(diǎn)就是兩層氣球之間有一塊是緊密接觸的，沒(méi)有氣墊的保護(hù)，如果此面著地，一切都完了。另外，由于重量太輕，受空氣擾動(dòng)影響，其穩(wěn)定性也不是很好。 6、螺旋槳型： 螺旋槳型，就是在整個(gè)裝置上方安置一個(gè)螺旋槳，靠流動(dòng)的空氣推動(dòng)或遙控，使螺旋槳旋轉(zhuǎn)起來(lái)，以提高安全性和準(zhǔn)確度。這極像直升飛機(jī)的飛行原理。 這種方案因螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)而減小了裝置下落的速度，安全性更高。如果是遙控，準(zhǔn)確性也會(huì)很高。問(wèn)題是如何保證螺旋槳始終朝上，螺旋槳一旦不朝上，準(zhǔn)確性將無(wú)從談起。如何保證螺旋槳平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)也是一個(gè)問(wèn)題。 7、滑翔機(jī)型： 滑翔機(jī)型，顧名思義，就是將雞蛋懸掛在滑翔機(jī)下方，整個(gè)裝置就會(huì)在空氣中滑翔，最后會(huì)平穩(wěn)地降落。 這種方案準(zhǔn)確性極差，降落地點(diǎn)不確定。如果不限制落地點(diǎn)的話，這無(wú)疑是一個(gè)好方案，安全性較高。在這種比賽規(guī)則下，不提倡這種方法。 8、鹽水型： 鹽水型，就是配一個(gè)密度很大的氯化鈉溶液，讓雞蛋漂浮在上面，落地后鹽水就充當(dāng)了緩沖材料，保證雞蛋不破。 這種方案新穎獨(dú)特，用鹽水作緩沖，安全性較高，受到空氣阻力影響很小，準(zhǔn)確性較高。但裝置不易控制，如果裝置在空中翻滾，鹽水灑出，就起不到保護(hù)作用了，因此，一定要保證裝置重心要穩(wěn)，并且盡可能降低。這種裝置的重量問(wèn)題也是不容忽視的，畢竟，鹽水的密度要比泡沫大得多。 9、吸管組型： 吸管組型，用幾根吸管綁在一起做成吸管組，將幾組吸管組搭成金字塔形，將雞蛋夾在中間，用膠條固定。吸管由于是中空的，可以起到緩沖作用。 這種方案材料來(lái)源廣泛，重量輕，體積小，因而準(zhǔn)確性較好。至于安全性嘛，可能要差一點(diǎn)，吸管的緩沖作用畢竟有限。 10、綜合型： 綜合型，就是將幾種保護(hù)措施結(jié)合起來(lái)使用，造出的裝置也是五花八門。 綜合型裝置的安全性肯定會(huì)大大提高，這是毫無(wú)疑問(wèn)的。準(zhǔn)確性很難說(shuō)究竟是提高了還是降低了。不過(guò)有一點(diǎn)可以確定，那就是裝置的總重量大大增加，可能會(huì)影響比賽成績(jī)。 … … 上面大體介紹了十種方案。其實(shí)還有很多方案，就不一一列舉了。不難看出，這十種方案各有利弊，很難找出一個(gè)十全十美的方案。而且，各種方案的偶然性較大。以上僅是從理論層面對(duì)各種方案進(jìn)行了分析，實(shí)際操作中會(huì)有各種意想不到的事情發(fā)生。 三、實(shí)踐檢驗(yàn)： （一）、外界影響分析： 受當(dāng)時(shí)天氣狀況、場(chǎng)地情況、裝置制作情況、雞蛋的大小和形狀等，都會(huì)對(duì)比賽結(jié)果產(chǎn)生一定影響。 1、天氣狀況的影響： 天氣狀況對(duì)這種比賽的影響可以說(shuō)是非常大的。主要影響是風(fēng)力的大小。理想的天氣狀況應(yīng)該是幾乎沒(méi)有風(fēng)，這樣才能保證一些需要借助空氣阻力來(lái)減速的裝置能夠平穩(wěn)降落。如果風(fēng)太大，那么降落傘型、螺旋槳型、雙氣球型等類型的實(shí)驗(yàn)裝置就會(huì)在風(fēng)中搖擺不定，準(zhǔn)確性會(huì)很差，安全性也會(huì)大大降低。 2、場(chǎng)地情況的影響： 場(chǎng)地情況的好壞直接影響了比賽成績(jī)。這里的場(chǎng)地場(chǎng)地主要是指裝置落地的場(chǎng)地。理想的場(chǎng)地應(yīng)該平坦、松軟，這樣會(huì)大大增加成功的幾率。遺憾的是這次比賽場(chǎng)地是大理石地面，平坦尚還可以，但是堅(jiān)硬無(wú)比，這無(wú)疑是對(duì)裝置的一次嚴(yán)酷的考驗(yàn)。這就要求我們的裝置一定要結(jié)實(shí)，緩沖效果要好。 3、裝置制作情況的影響： 裝置制作的好壞具有很大的不確定性。試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)成功并不代表著在正式比賽中會(huì)成功。因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)整個(gè)裝置從十幾米高的地方落下，會(huì)造成裝置整體或局部的損壞，如果再用試驗(yàn)過(guò)的裝置去比賽，這些損壞造成的影響便會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。會(huì)讓認(rèn)為安全可靠的裝置出現(xiàn)意外情況。如果再制作一個(gè)新的裝置，即使原理跟試驗(yàn)時(shí)的裝置一模一樣也無(wú)法保證制作得和試驗(yàn)時(shí)的裝置沒(méi)有差別，問(wèn)題往往就出現(xiàn)在這細(xì)小的差別上。 4、雞蛋的大小和形狀的影響： 也許你會(huì)問(wèn)：雞蛋的大小和形狀還對(duì)試驗(yàn)效果有影響嗎？回答是肯定的。經(jīng)請(qǐng)教物理老師宋老師后得知：雞蛋越小越不容易破。對(duì)此你可能會(huì)不理解，其實(shí)我也不明白。宋老師給了一個(gè)恰當(dāng)?shù)氖吕簩⒋笮〔坏鹊囊豢痣u蛋晃幾晃，你會(huì)發(fā)現(xiàn)：大的雞蛋先破，小的雞蛋后破。由此可以得知：小的雞蛋更結(jié)實(shí)一點(diǎn)。如果拿兩個(gè)蛋殼厚薄不同不一樣的雞蛋相碰，一定是蛋殼薄的雞蛋先破。由此可以得知：蛋殼厚的雞蛋更結(jié)實(shí)一點(diǎn)。另外，形狀規(guī)則的雞蛋由于受力均勻，會(huì)比不規(guī)則的雞蛋結(jié)實(shí)。因此，所用雞蛋太長(zhǎng)、太圓、太扁或鼓出一塊、凹下一塊都不行。 如果比賽規(guī)則允許自帶雞蛋的話，一定要注意以上內(nèi)容。如果不讓自帶雞蛋，只好聽天由命了。 由此可以看出，這種比賽中許多不確定因素都是人們難以預(yù)料的。對(duì)于前兩種影響，對(duì)每一個(gè)參賽者都是公平的。條件好對(duì)大家都好，條件不好對(duì)大家都不好。對(duì)于后兩種影響，要求我們一定要細(xì)心，力求將裝置調(diào)試得完美無(wú)缺，比賽時(shí)才能確保萬(wàn)無(wú)一失。 （二）、臨場(chǎng)竅門： 一切準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備就緒后，就只等著實(shí)地檢驗(yàn)自己的裝置了。 正式比賽也并不意味著結(jié)局已定。經(jīng)分析，這里面還是有很多竅門的。 首先，一定要將自己的裝置對(duì)準(zhǔn)投擲點(diǎn)。如果沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)投擲點(diǎn)，裝置落地時(shí)還有什么準(zhǔn)確度可言？對(duì)準(zhǔn)投擲點(diǎn)，可以先向下扔一個(gè)小石子，看小石子落地點(diǎn)與起落點(diǎn)的關(guān)系，再根據(jù)這個(gè)確定自己裝置的起落點(diǎn)?？梢苑磸?fù)試驗(yàn)幾次，以找到最好的起落點(diǎn)。 再次，對(duì)于要求穩(wěn)定下落的裝置，一定要調(diào)整好落地面朝下，確保重心穩(wěn)定，裝置的這種姿態(tài)一定要求重心最低，才會(huì)避免裝置在空中翻滾、搖擺、抖動(dòng)。如果重心不夠低，可臨時(shí)在裝置底面捆綁一個(gè)重物。但這樣會(huì)使裝置重量大大增加，這是不得已而為之呀。 最后，盡量將裝置置于所允許高度的最低點(diǎn)，這樣下落高度就會(huì)降低，裝置落地時(shí)的速度就會(huì)降低，增加了安全性。 四、最佳方案： 在充分考慮了各中方案的利弊和外界環(huán)境對(duì)裝置影響的大小之后，我們選取了一個(gè)最佳方案，即外包裝型。選取它的理由如下： 1、外包裝型裝置選用材料密度小，重量輕，能夠以較少的材料，較輕的重量達(dá)到較好的保護(hù)效果。 2、穩(wěn)定性高。因其受空氣阻力的影響較小，可以沿著一條近似豎直向下的軌跡下落，如果起落點(diǎn)選得準(zhǔn)，落地點(diǎn)也會(huì)很準(zhǔn)。 3、排除了裝置在空中翻滾可能造成的影響。由于雞蛋周圍各個(gè)方向的保護(hù)程度都是一樣的，因此，裝置哪一個(gè)面先著地，都會(huì)受到緩沖材料的保護(hù)。即使裝置在空中翻滾，也不會(huì)對(duì)裝置的安全性產(chǎn)生太大影響。 4、材料來(lái)源廣泛。因?yàn)樗x材料是泡沫、棉花等常見(jiàn)材料，因而便于尋找，裝置的造價(jià)也不會(huì)太高。 5、成功幾率高。只要保護(hù)材料足夠厚，保護(hù)效果足夠好就可以了。無(wú)須進(jìn)行各種調(diào)試，使裝置狀態(tài)最佳。在下落過(guò)程中無(wú)須手動(dòng)干預(yù)，就不會(huì)因人們可能的失誤而對(duì)比賽產(chǎn)生影響了。 因而，“外包裝型”方案應(yīng)該是最好的。最好只是相對(duì)而言，其實(shí)這種方案也有缺點(diǎn)，那就是落地后可能會(huì)反彈，影響了準(zhǔn)確性。 解決的方法就是在裝置外包一層彈性較小的材料，使得裝置落地后不會(huì)彈起。另外，在裝置外面貼雙面膠也是一個(gè)好方法。 五、總結(jié)分析： 高空墜蛋，看似不可能的事情經(jīng)過(guò)一番討論分析也會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。科學(xué)的魅力正在于此。它能用科學(xué)的手段解決這種類似問(wèn)題。小小的高空墜蛋中竟有這么復(fù)雜的內(nèi)容，竟蘊(yùn)涵著這么多的科學(xué)道理，不禁想起畢達(dá)格拉斯的一句話：處處留心皆學(xué)問(wèn)。 留心身邊的小事吧！其中會(huì)蘊(yùn)涵著豐富的科學(xué)道理，只要我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，去實(shí)踐?？茖W(xué)真理的大門剛剛向我們敞開，里面充滿了神秘與未知，等待我們?nèi)ヌ剿鳎?/div>