生雞蛋下落的保護裝置設計*

郭子玥，蔣文龍，魏 云，張 淼，常相輝，樊代和，劉其軍

(西南交通大學物理科學與技術學院，四川 成都 610031)

1 引言

關于雞蛋的開放性問題，一直受到從小學到大學的各個階段教育學者的關注[1-14]。保護雞蛋下落作為其中一道典型的開放性課題，不僅受到眾多教育學者的青睞，而且出現在2017 年中國大學生物理學術競賽（CUPT）中。本文針對該問題首先從理論上分析了裝置選擇的出發點，其次對實驗保護裝置和方法進行了分析討論，最后獲得了多次實驗優化后的保護尺寸。

2 理論分析

由動量定理Ft=Δp可知，當雞蛋在下落過程中的動量變化一定時，雞蛋所受的力F與力的作用時間成反比，即t越大，作用在雞蛋上的力就越小，雞蛋就越不容易摔碎。因此，需要對雞蛋的保護裝置進行選擇。

目前，可供選擇的保護裝置有多種[1,10,11]，如降落傘型，吸管型，外部包裹型，多面體型及綜合型等。經前期實驗和討論發現，利用降落傘讓雞蛋落地的裝置很容易受風力等因素影響，同時該裝置在空中飄忽不定，且體積不??；用吸管及膠布固定的裝置穩定性比較差，裝置落地后很容易變形；外部包裹棉花的裝置在落地后很容易翻滾使雞蛋破碎，且對穩定性要求很高；單純的多面體型裝置也不穩定。所以，本研究選擇了基于正四面體結構為核心的保護裝置，如圖1 所示。

圖1 正四面體保護裝置

3 實驗裝置及方法

3.1 實驗裝置

在實際實驗操作中，保護裝置的設計考慮了固定、緩沖、減震等方面。首先將雞蛋嵌入由木棍及細線纏繞而成的正四面體裝置中，并保證雞蛋剛好嵌入且在下落的過程中不脫落。同時，為了在實驗完成的情況下保證實驗裝置尺寸最小，盡量將雞蛋直接嵌入到正四面體中，并通過多次實驗找到雞蛋不摔碎下最小的正四面體尺寸。其次，采取在制作四面體裝置時延長木棍長度的辦法使其成為緩沖裝置。為了確保在完成實驗的情況下使得實驗裝置尺寸最小，采取了多次實驗以減少木棍延長的長度。最后，在雞蛋與正四面體中間的空隙中填充海綿和氣泡膜來達到減震的效果。保護裝置的制作過程如圖2所示。

圖2 保護裝置的制作過程

3.2 實驗方法

實驗材料包括：生雞蛋、木棍、尼龍細繩、氣泡膜及海綿等。

實驗步驟如下：

（1）在雞蛋外表面包裹一層氣泡膜，并用膠帶紙固定；同時將木棍做成一個中空的正四面體，并將木棍交匯處用尼龍細繩扎緊。

（2）將雞蛋放入中空的正四面體中，調節正四面體各棱的長度，使其固定雞蛋而不至于將其壓碎。

（3）從2.5m 高處將裝置自由下落，裝置與地面接觸后會受力反彈，直到裝置靜止。

（4）取雞蛋放入裝置中反復實驗，在實驗成功的情況下不斷減小正四面體木棍的長度。

4 結果和討論

通過實驗得到保護裝置從2.5 米處下落到接觸地面所需時間如表1 和圖3 所示。

圖3 保護裝置落地時間

表1 保護裝置落地時間

由圖表可知，雞蛋下落時間波動不大，雞蛋平穩下落。

基于此，通過多次實驗找到了能使雞蛋不破的最小裝置參數分別為：正四面體內部棱長8cm，外部棱長15cm，如圖4 所示。

圖4 優化后獲得的保護裝置尺寸