科學讓雞蛋堅如磐石
——關于“高空墜蛋”的研究報告
古代人常用“雞蛋碰石頭”來比喻自不量力.可見,雞蛋是極易碎的,輕輕一磕就碎了.如果說雞蛋能從十幾米高的地方落下而安然無恙,那簡直就是天方夜譚.但是科學有時能將不可思議的事情變?yōu)楝F實.今天,就讓我們共同走進這個神話吧.
首先,讓我們明確一下從十幾米的高空落下是一個什么概念.不難算出,若不計空氣阻力,物體落地時的速度將達到十多米每秒.為了讓大家更好地明白這么快的速度將產生什么樣的作用效果,我打一個比方.這就好比一輛時速達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,科學的魅力正在于此.只要我們依據正確的科學道理,提出可行的解決方案,再經過一次次實踐的檢驗,不斷改進,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)揮的機會.讓我們放飛想象的翅膀,來創(chuàng)造這個奇跡!
比賽規(guī)則：
將一個采取了一定保護措施的雞蛋從五樓陽臺上扔下,使其自由下落.在雞蛋不破的前提下,整個裝置重量（不包括雞蛋）越小,落地點距指規(guī)定的地點越近,其比賽成績就越靠前.
一、科學道理：
（一）、理論依據：
1、動量定理表達式：Ft =△p
其中△p指的是動量的變化,F指的是沖力的大小,t指的是力的作用時間.
由于雞蛋在下落的過程中,動量的變化△p一定,雞蛋所受的力F與力的作用時間t成反比,即t越大,F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,一般在0.2～0.5之間,ρ=1.2kg/m3,物體下落經過一段時間將達勻速,這稱為終極速率.
我們可以發(fā)現如下的一些日?，F象：
雨滴在空氣中下落,速度越來越快,所受空氣阻力也越來越大. 當阻力增加到與雨滴所受重力相等時,二力平衡,雨滴開始勻速下落.
跳傘運動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.這些都是這個公式在生活中的應用.
明白了這以后,就不會認為裝置的加速度是9.8m/s2了.
3、一切物體都具有慣性.在“高空墜蛋”整個裝置落地的一瞬間,裝置靜止,然而雞蛋由于慣性,還會繼續(xù)運動,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,還需要我們進一步分析解決.
（二）、規(guī)則分析：
有了理論指導,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當解決的問題,以制定切實可行的方案.
由于比賽規(guī)則有一個大前提就是雞蛋不破,雞蛋一旦破了,便會被淘汰,一切努力也就白費了.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保護措施；重量盡可能小就要選用密度小的材料,能省就省；穩(wěn)定性盡可能高,一是要投得準,二是裝置受大氣影響盡可能小.
二、方案設計：
在前面理論依據的支持下,又認真分析了比賽規(guī)則,找到了問題的關鍵所在,現在可以制定可行性方案了.
結合在同學們中的調查和全國各地舉行過類似比賽的方案來看,比較常見的、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,以使雞蛋連同整個裝置平穩(wěn)落地.
這種方案最容易想到,因為跳傘、宇宙飛船減速,都運用了這個方法,效果很好.安全性極高,使整個裝置達到較小的速度即可勻速下落.裝置的重量也不會很重.唯一的缺點就是：受大氣擾動影響太厲害,會使實驗裝置飄忽不定,準確性較差,往往不能落到指定位置,從而影響了比賽成績.
2、外包裝型：
外包裝型,就是用較多的減震材料將雞蛋嚴嚴實實地包裹起來.比如泡沫、棉花、各種填充材料等.通過這些材料的緩沖作用,達到保護雞蛋的目的.
這種方案也較容易想到.平常生活中用各種填充材料保護貴重用品的方法相信大家都見到過.這的確是一個有效的方法.這種方案由于受空氣阻力影響很小,所以準確性較高.由于所使用的材料都是密度極小的,所以可將整個裝置的重量降到最低.但美中不足的是：整個裝置是自由下落狀態(tài),到達地面時的速度較大,因而對裝置的堅固度和緩沖效果要求較高,安全性稍差一點.
3、不倒翁型：
不倒翁型,就是使整個裝置像不倒翁一樣,把重心盡可能降低,使得裝置下落時能保持穩(wěn)定狀態(tài),確保始終讓一個面著地.那么保護工作只需要在這一個面做好就行了,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在空中翻滾現象,經過改進形成的.其可靠性遠遠高于第一種方案,材料更節(jié)省,準確性更高.美中不足的就是為了確保裝置的重心降低,勢必要在底部放上一個質量較大的物體,這就大大加重整個裝置,將影響比賽成績.
4、多面體型：
多面體型,就是把整個裝置制作成一個多面體,將雞蛋用結實的繩子固定在多面體的中央,使整個雞蛋懸空.裝置落地后,不論哪個面著地,雞蛋都不會著地,雞蛋就完好無損了.
這種方案無需額外的材料,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大的缺點就是多面體不易扎制,結實程度不高,落地后可能會散架,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氣球中,充入一定量空氣,在外面再套一個氣球,充入適量空氣.這樣兩層氣球之間就會形成一個氣墊,會使雞蛋免受地面的沖擊.
這種方案所用材料應該是所有方案中最省的,重量只是兩個氣球的重量,幾乎可以忽略不計.但這種方案有一個致命的缺點就是兩層氣球之間有一塊是緊密接觸的,沒有氣墊的保護,如果此面著地,一切都完了.另外,由于重量太輕,受空氣擾動影響,其穩(wěn)定性也不是很好.
6、螺旋槳型：
螺旋槳型,就是在整個裝置上方安置一個螺旋槳,靠流動的空氣推動或遙控,使螺旋槳旋轉起來,以提高安全性和準確度.這極像直升飛機的飛行原理.
這種方案因螺旋槳的轉動而減小了裝置下落的速度,安全性更高.如果是遙控,準確性也會很高.問題是如何保證螺旋槳始終朝上,螺旋槳一旦不朝上,準確性將無從談起.如何保證螺旋槳平穩(wěn)旋轉也是一個問題.
7、滑翔機型：
滑翔機型,顧名思義,就是將雞蛋懸掛在滑翔機下方,整個裝置就會在空氣中滑翔,最后會平穩(wěn)地降落.
這種方案準確性極差,降落地點不確定.如果不限制落地點的話,這無疑是一個好方案,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,落地后鹽水就充當了緩沖材料,保證雞蛋不破.
這種方案新穎獨特,用鹽水作緩沖,安全性較高,受到空氣阻力影響很小,準確性較高.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.
這種方案材料來源廣泛,重量輕,體積小,因而準確性較好.至于安全性嘛,可能要差一點,吸管的緩沖作用畢竟有限.
10、綜合型：
綜合型,就是將幾種保護措施結合起來使用,造出的裝置也是五花八門.
綜合型裝置的安全性肯定會大大提高,這是毫無疑問的.準確性很難說究竟是提高了還是降低了.不過有一點可以確定,那就是裝置的總重量大大增加,可能會影響比賽成績.
… …
上面大體介紹了十種方案.其實還有很多方案,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各種方案進行了分析,實際操作中會有各種意想不到的事情發(fā)生.
三、實踐檢驗：
（一）、外界影響分析：
受當時天氣狀況、場地情況、裝置制作情況、雞蛋的大小和形狀等,都會對比賽結果產生一定影響.
1、天氣狀況的影響：
天氣狀況對這種比賽的影響可以說是非常大的.主要影響是風力的大小.理想的天氣狀況應該是幾乎沒有風,這樣才能保證一些需要借助空氣阻力來減速的裝置能夠平穩(wěn)降落.如果風太大,那么降落傘型、螺旋槳型、雙氣球型等類型的實驗裝置就會在風中搖擺不定,準確性會很差,安全性也會大大降低.
2、場地情況的影響：
場地情況的好壞直接影響了比賽成績.這里的場地場地主要是指裝置落地的場地.理想的場地應該平坦、松軟,這樣會大大增加成功的幾率.遺憾的是這次比賽場地是大理石地面,平坦尚還可以,但是堅硬無比,這無疑是對裝置的一次嚴酷的考驗.這就要求我們的裝置一定要結實,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.試驗時試驗成功并不代表著在正式比賽中會成功.因為試驗時整個裝置從十幾米高的地方落下,會造成裝置整體或局部的損壞,如果再用試驗過的裝置去比賽,這些損壞造成的影響便會顯現出來.會讓認為安全可靠的裝置出現意外情況.如果再制作一個新的裝置,即使原理跟試驗時的裝置一模一樣也無法保證制作得和試驗時的裝置沒有差別,問題往往就出現在這細小的差別上.
4、雞蛋的大小和形狀的影響：
也許你會問：雞蛋的大小和形狀還對試驗效果有影響嗎?回答是肯定的.經請教物理老師宋老師后得知：雞蛋越小越不容易破.對此你可能會不理解,其實我也不明白.宋老師給了一個恰當的事例：將大小不等的一筐雞蛋晃幾晃,你會發(fā)現：大的雞蛋先破,小的雞蛋后破.由此可以得知：小的雞蛋更結實一點.如果拿兩個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：蛋殼厚的雞蛋更結實一點.另外,形狀規(guī)則的雞蛋由于受力均勻,會比不規(guī)則的雞蛋結實.因此,所用雞蛋太長、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料的.對于前兩種影響,對每一個參賽者都是公平的.條件好對大家都好,條件不好對大家都不好.對于后兩種影響,要求我們一定要細心,力求將裝置調試得完美無缺,比賽時才能確保萬無一失.
（二）、臨場竅門：
一切準備工作準備就緒后,就只等著實地檢驗自己的裝置了.
正式比賽也并不意味著結局已定.經分析,這里面還是有很多竅門的.
首先,一定要將自己的裝置對準投擲點.如果沒有對準投擲點,裝置落地時還有什么準確度可言?對準投擲點,可以先向下扔一個小石子,看小石子落地點與起落點的關系,再根據這個確定自己裝置的起落點.可以反復試驗幾次,以找到最好的起落點.
再次,對于要求穩(wěn)定下落的裝置,一定要調整好落地面朝下,確保重心穩(wěn)定,裝置的這種姿態(tài)一定要求重心最低,才會避免裝置在空中翻滾、搖擺、抖動.如果重心不夠低,可臨時在裝置底面捆綁一個重物.但這樣會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,這樣下落高度就會降低,裝置落地時的速度就會降低,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)境對裝置影響的大小之后,我們選取了一個最佳方案,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,較輕的重量達到較好的保護效果.
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,如果起落點選得準,落地點也會很準.
3、排除了裝置在空中翻滾可能造成的影響.由于雞蛋周圍各個方向的保護程度都是一樣的,因此,裝置哪一個面先著地,都會受到緩沖材料的保護.即使裝置在空中翻滾,也不會對裝置的安全性產生太大影響.
4、材料來源廣泛.因為所選材料是泡沫、棉花等常見材料,因而便于尋找,裝置的造價也不會太高.
5、成功幾率高.只要保護材料足夠厚,保護效果足夠好就可以了.無須進行各種調試,使裝置狀態(tài)最佳.在下落過程中無須手動干預,就不會因人們可能的失誤而對比賽產生影響了.
因而,“外包裝型”方案應該是最好的.最好只是相對而言,其實這種方案也有缺點,那就是落地后可能會反彈,影響了準確性.
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彈起.另外,在裝置外面貼雙面膠也是一個好方法.
五、總結分析：
高空墜蛋,看似不可能的事情經過一番討論分析也會變成現實.科學的魅力正在于此.它能用科學的手段解決這種類似問題.小小的高空墜蛋中竟有這么復雜的內容,竟蘊涵著這么多的科學道理,不禁想起畢達格拉斯的一句話：處處留心皆學問.
留心身邊的小事吧!其中會蘊涵著豐富的科學道理,只要我們去發(fā)現,去實踐.科學真理的大門剛剛向我們敞開,里面充滿了神秘與未知,等待我們去探索!