王老师
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科学让鸡蛋坚如磐石
——关于“高空坠蛋”的研究报告
高2005级一班 史建强
古代人常用“鸡蛋碰石头”来比喻自不量力.可见,鸡蛋是极易碎的,轻轻一磕就碎了.如果说鸡蛋能从十几米高的地方落下而安然无恙,那简直就是天方夜谭.但是科学有时能将不可思议的事情变为现实.今天,就让我们共同走进这个神话吧.
首先,让我们明确一下从十几米的高空落下是一个什么概念.不难算出,若不计空气阻力,物体落地时的速度将达到十多米每秒.为了让大家更好地明白这么快的速度将产生什么样的作用效果,我打一个比方.这就好比一辆时速达40km/h的汽车突然撞到了墙上,后果可想而知.如果不采取任何措施,不要说是鸡蛋,就是一块石头,恐怕也要粉身碎骨.
这样一件看似不可能的事情,是否就不可办到呢?不是的,科学的魅力正在于此.只要我们依据正确的科学道理,提出可行的解决方案,再经过一次次实践的检验,不断改进,是完全可以办到的.
今天,第四届科技节的“高空坠蛋”比赛给我们提供了自由发挥的机会.让我们放飞想象的翅膀,来创造这个奇迹!
比赛规则：
将一个采取了一定保护措施的鸡蛋从五楼阳台上扔下,使其自由下落.在鸡蛋不破的前提下,整个装置重量（不包括鸡蛋）越小,落地点距指规定的地点越近,其比赛成绩就越靠前.
一、科学道理：
（一）、理论依据：
1、动量定理表达式：Ft =△p
其中△p指的是动量的变化,F指的是冲力的大小,t指的是力的作用时间.
由于鸡蛋在下落的过程中,动量的变化△p一定,鸡蛋所受的力F与力的作用时间t成反比,即t越大,F就越小,作用在鸡蛋上的力就越小.这样,鸡蛋就不容易碎了.
2、由空中垂直下落的物体所受空气阻力f与空气的密度ρ、物体的有效横截面积S、下落的速率v的平方成正比,阻力的大小可表示为f=CρSv2,其中C为阻力系数,一般在0.2～0.5之间,ρ=1.2kg/m3,物体下落经过一段时间将达匀速,这称为终极速率.
我们可以发现如下的一些日常现象：
雨滴在空气中下落,速度越来越快,所受空气阻力也越来越大. 当阻力增加到与雨滴所受重力相等时,二力平衡,雨滴开始匀速下落.
跳伞运动员在空中张开降落伞,凭借着降落伞较大的横截面积取得较大的空气阻力,得以比较缓慢地降落.这些都是这个公式在生活中的应用.
明白了这以后,就不会认为装置的加速度是9.8m/s2了.
3、一切物体都具有惯性.在“高空坠蛋”整个装置落地的一瞬间,装置静止,然而鸡蛋由于惯性,还会继续运动,造成与装置挤压、碰撞,容易损坏.如何将鸡蛋由于具有惯性而造成的影响降到最低,还需要我们进一步分析解决.
（二）、规则分析：
有了理论指导,就可以分析比赛规则了.目的是在不违反比赛规则的情况下,充分考虑各方面的影响和应当解决的问题,以制定切实可行的方案.
由于比赛规则有一个大前提就是鸡蛋不破,鸡蛋一旦破了,便会被淘汰,一切努力也就白费了.因此,最重要的就是要保证鸡蛋不破,然后再考虑如何使装置重量尽可能小,使装置稳定性尽可能高.保证鸡蛋不破就要加强保护措施；重量尽可能小就要选用密度小的材料,能省就省；稳定性尽可能高,一是要投得准,二是装置受大气影响尽可能小.
二、方案设计：
在前面理论依据的支持下,又认真分析了比赛规则,找到了问题的关键所在,现在可以制定可行性方案了.
结合在同学们中的调查和全国各地举行过类似比赛的方案来看,比较常见的、有一定可行性的方案有以下几种：
1、降落伞型：
降落伞型,顾名思义,就是利用降落伞,增大空气阻力,以使鸡蛋连同整个装置平稳落地.
这种方案最容易想到,因为跳伞、宇宙飞船减速,都运用了这个方法,效果很好.安全性极高,使整个装置达到较小的速度即可匀速下落.装置的重量也不会很重.唯一的缺点就是：受大气扰动影响太厉害,会使实验装置飘忽不定,准确性较差,往往不能落到指定位置,从而影响了比赛成绩.
2、外包装型：
外包装型,就是用较多的减震材料将鸡蛋严严实实地包裹起来.比如泡沫、棉花、各种填充材料等.通过这些材料的缓冲作用,达到保护鸡蛋的目的.
这种方案也较容易想到.平常生活中用各种填充材料保护贵重用品的方法相信大家都见到过.这的确是一个有效的方法.这种方案由于受空气阻力影响很小,所以准确性较高.由于所使用的材料都是密度极小的,所以可将整个装置的重量降到最低.但美中不足的是：整个装置是自由下落状态,到达地面时的速度较大,因而对装置的坚固度和缓冲效果要求较高,安全性稍差一点.
3、不倒翁型：
不倒翁型,就是使整个装置像不倒翁一样,把重心尽可能降低,使得装置下落时能保持稳定状态,确保始终让一个面着地.那么保护工作只需要在这一个面做好就行了,从而节省了材料.
这种方案充分考虑到了上一种方案可能出现在空中翻滚现象,经过改进形成的.其可靠性远远高于第一种方案,材料更节省,准确性更高.美中不足的就是为了确保装置的重心降低,势必要在底部放上一个质量较大的物体,这就大大加重整个装置,将影响比赛成绩.
4、多面体型：
多面体型,就是把整个装置制作成一个多面体,将鸡蛋用结实的绳子固定在多面体的中央,使整个鸡蛋悬空.装置落地后,不论哪个面着地,鸡蛋都不会着地,鸡蛋就完好无损了.
这种方案无需额外的材料,只需要制作多面体的骨架和几根线即可,用料极其节省,因而重量会大大降低.因受空气阻力较小,所以稳定性较好.但这种方案也有一个大的缺点就是多面体不易扎制,结实程度不高,落地后可能会散架,鸡蛋也就岌岌可危了.
5、双气球型：
双气球型,就是将鸡蛋放在一个气球中,充入一定量空气,在外面再套一个气球,充入适量空气.这样两层气球之间就会形成一个气垫,会使鸡蛋免受地面的冲击.
这种方案所用材料应该是所有方案中最省的,重量只是两个气球的重量,几乎可以忽略不计.但这种方案有一个致命的缺点就是两层气球之间有一块是紧密接触的,没有气垫的保护,如果此面着地,一切都完了.另外,由于重量太轻,受空气扰动影响,其稳定性也不是很好.
6、螺旋桨型：
螺旋桨型,就是在整个装置上方安置一个螺旋桨,靠流动的空气推动或遥控,使螺旋桨旋转起来,以提高安全性和准确度.这极像直升飞机的飞行原理.
这种方案因螺旋桨的转动而减小了装置下落的速度,安全性更高.如果是遥控,准确性也会很高.问题是如何保证螺旋桨始终朝上,螺旋桨一旦不朝上,准确性将无从谈起.如何保证螺旋桨平稳旋转也是一个问题.
7、滑翔机型：
滑翔机型,顾名思义,就是将鸡蛋悬挂在滑翔机下方,整个装置就会在空气中滑翔,最后会平稳地降落.
这种方案准确性极差,降落地点不确定.如果不限制落地点的话,这无疑是一个好方案,安全性较高.在这种比赛规则下,不提倡这种方法.
8、盐水型：
盐水型,就是配一个密度很大的氯化钠溶液,让鸡蛋漂浮在上面,落地后盐水就充当了缓冲材料,保证鸡蛋不破.
这种方案新颖独特,用盐水作缓冲,安全性较高,受到空气阻力影响很小,准确性较高.但装置不易控制,如果装置在空中翻滚,盐水洒出,就起不到保护作用了,因此,一定要保证装置重心要稳,并且尽可能降低.这种装置的重量问题也是不容忽视的,毕竟,盐水的密度要比泡沫大得多.
9、吸管组型：
吸管组型,用几根吸管绑在一起做成吸管组,将几组吸管组搭成金字塔形,将鸡蛋夹在中间,用胶条固定.吸管由于是中空的,可以起到缓冲作用.
这种方案材料来源广泛,重量轻,体积小,因而准确性较好.至于安全性嘛,可能要差一点,吸管的缓冲作用毕竟有限.
10、综合型：
综合型,就是将几种保护措施结合起来使用,造出的装置也是五花八门.
综合型装置的安全性肯定会大大提高,这是毫无疑问的.准确性很难说究竟是提高了还是降低了.不过有一点可以确定,那就是装置的总重量大大增加,可能会影响比赛成绩.
… …
上面大体介绍了十种方案.其实还有很多方案,就不一一列举了.不难看出,这十种方案各有利弊,很难找出一个十全十美的方案.而且,各种方案的偶然性较大.以上仅是从理论层面对各种方案进行了分析,实际操作中会有各种意想不到的事情发生.
三、实践检验：
（一）、外界影响分析：
受当时天气状况、场地情况、装置制作情况、鸡蛋的大小和形状等,都会对比赛结果产生一定影响.
1、天气状况的影响：
天气状况对这种比赛的影响可以说是非常大的.主要影响是风力的大小.理想的天气状况应该是几乎没有风,这样才能保证一些需要借助空气阻力来减速的装置能够平稳降落.如果风太大,那么降落伞型、螺旋桨型、双气球型等类型的实验装置就会在风中摇摆不定,准确性会很差,安全性也会大大降低.
2、场地情况的影响：
场地情况的好坏直接影响了比赛成绩.这里的场地场地主要是指装置落地的场地.理想的场地应该平坦、松软,这样会大大增加成功的几率.遗憾的是这次比赛场地是大理石地面,平坦尚还可以,但是坚硬无比,这无疑是对装置的一次严酷的考验.这就要求我们的装置一定要结实,缓冲效果要好.
3、装置制作情况的影响：
装置制作的好坏具有很大的不确定性.试验时试验成功并不代表着在正式比赛中会成功.因为试验时整个装置从十几米高的地方落下,会造成装置整体或局部的损坏,如果再用试验过的装置去比赛,这些损坏造成的影响便会显现出来.会让认为安全可靠的装置出现意外情况.如果再制作一个新的装置,即使原理跟试验时的装置一模一样也无法保证制作得和试验时的装置没有差别,问题往往就出现在这细小的差别上.
4、鸡蛋的大小和形状的影响：
也许你会问：鸡蛋的大小和形状还对试验效果有影响吗?回答是肯定的.经请教物理老师宋老师后得知：鸡蛋越小越不容易破.对此你可能会不理解,其实我也不明白.宋老师给了一个恰当的事例：将大小不等的一筐鸡蛋晃几晃,你会发现：大的鸡蛋先破,小的鸡蛋后破.由此可以得知：小的鸡蛋更结实一点.如果拿两个蛋壳厚薄不同不一样的鸡蛋相碰,一定是蛋壳薄的鸡蛋先破.由此可以得知：蛋壳厚的鸡蛋更结实一点.另外,形状规则的鸡蛋由于受力均匀,会比不规则的鸡蛋结实.因此,所用鸡蛋太长、太圆、太扁或鼓出一块、凹下一块都不行.
如果比赛规则允许自带鸡蛋的话,一定要注意以上内容.如果不让自带鸡蛋,只好听天由命了.
由此可以看出,这种比赛中许多不确定因素都是人们难以预料的.对于前两种影响,对每一个参赛者都是公平的.条件好对大家都好,条件不好对大家都不好.对于后两种影响,要求我们一定要细心,力求将装置调试得完美无缺,比赛时才能确保万无一失.
（二）、临场窍门：
一切准备工作准备就绪后,就只等着实地检验自己的装置了.
正式比赛也并不意味着结局已定.经分析,这里面还是有很多窍门的.
首先,一定要将自己的装置对准投掷点.如果没有对准投掷点,装置落地时还有什么准确度可言?对准投掷点,可以先向下扔一个小石子,看小石子落地点与起落点的关系,再根据这个确定自己装置的起落点.可以反复试验几次,以找到最好的起落点.
再次,对于要求稳定下落的装置,一定要调整好落地面朝下,确保重心稳定,装置的这种姿态一定要求重心最低,才会避免装置在空中翻滚、摇摆、抖动.如果重心不够低,可临时在装置底面捆绑一个重物.但这样会使装置重量大大增加,这是不得已而为之呀.
最后,尽量将装置置于所允许高度的最低点,这样下落高度就会降低,装置落地时的速度就会降低,增加了安全性.
四、最佳方案：
在充分考虑了各中方案的利弊和外界环境对装置影响的大小之后,我们选取了一个最佳方案,即外包装型.选取它的理由如下：
1、外包装型装置选用材料密度小,重量轻,能够以较少的材料,较轻的重量达到较好的保护效果.
2、稳定性高.因其受空气阻力的影响较小,可以沿着一条近似竖直向下的轨迹下落,如果起落点选得准,落地点也会很准.
3、排除了装置在空中翻滚可能造成的影响.由于鸡蛋周围各个方向的保护程度都是一样的,因此,装置哪一个面先着地,都会受到缓冲材料的保护.即使装置在空中翻滚,也不会对装置的安全性产生太大影响.
4、材料来源广泛.因为所选材料是泡沫、棉花等常见材料,因而便于寻找,装置的造价也不会太高.
5、成功几率高.只要保护材料足够厚,保护效果足够好就可以了.无须进行各种调试,使装置状态最佳.在下落过程中无须手动干预,就不会因人们可能的失误而对比赛产生影响了.
因而,“外包装型”方案应该是最好的.最好只是相对而言,其实这种方案也有缺点,那就是落地后可能会反弹,影响了准确性.
解决的方法就是在装置外包一层弹性较小的材料,使得装置落地后不会弹起.另外,在装置外面贴双面胶也是一个好方法.
五、总结分析：
高空坠蛋,看似不可能的事情经过一番讨论分析也会变成现实.科学的魅力正在于此.它能用科学的手段解决这种类似问题.小小的高空坠蛋中竟有这么复杂的内容,竟蕴涵着这么多的科学道理,不禁想起毕达格拉斯的一句话：处处留心皆学问.
留心身边的小事吧!其中会蕴涵着丰富的科学道理,只要我们去发现,去实践.科学真理的大门刚刚向我们敞开,里面充满了神秘与未知,等待我们去探索!
