生鸡蛋下落的保护装置设计*

郭子玥，蒋文龙，魏 云，张 淼，常相辉，樊代和，刘其军

(西南交通大学物理科学与技术学院，四川 成都 610031)

1 引言

关于鸡蛋的开放性问题，一直受到从小学到大学的各个阶段教育学者的关注[1-14]。保护鸡蛋下落作为其中一道典型的开放性课题，不仅受到众多教育学者的青睐，而且出现在2017 年中国大学生物理学术竞赛（CUPT）中。本文针对该问题首先从理论上分析了装置选择的出发点，其次对实验保护装置和方法进行了分析讨论，最后获得了多次实验优化后的保护尺寸。

2 理论分析

由动量定理Ft=Δp可知，当鸡蛋在下落过程中的动量变化一定时，鸡蛋所受的力F与力的作用时间成反比，即t越大，作用在鸡蛋上的力就越小，鸡蛋就越不容易摔碎。因此，需要对鸡蛋的保护装置进行选择。

目前，可供选择的保护装置有多种[1,10,11]，如降落伞型，吸管型，外部包裹型，多面体型及综合型等。经前期实验和讨论发现，利用降落伞让鸡蛋落地的装置很容易受风力等因素影响，同时该装置在空中飘忽不定，且体积不小；用吸管及胶布固定的装置稳定性比较差，装置落地后很容易变形；外部包裹棉花的装置在落地后很容易翻滚使鸡蛋破碎，且对稳定性要求很高；单纯的多面体型装置也不稳定。所以，本研究选择了基于正四面体结构为核心的保护装置，如图1 所示。

图1 正四面体保护装置

3 实验装置及方法

3.1 实验装置

在实际实验操作中，保护装置的设计考虑了固定、缓冲、减震等方面。首先将鸡蛋嵌入由木棍及细线缠绕而成的正四面体装置中，并保证鸡蛋刚好嵌入且在下落的过程中不脱落。同时，为了在实验完成的情况下保证实验装置尺寸最小，尽量将鸡蛋直接嵌入到正四面体中，并通过多次实验找到鸡蛋不摔碎下最小的正四面体尺寸。其次，采取在制作四面体装置时延长木棍长度的办法使其成为缓冲装置。为了确保在完成实验的情况下使得实验装置尺寸最小，采取了多次实验以减少木棍延长的长度。最后，在鸡蛋与正四面体中间的空隙中填充海绵和气泡膜来达到减震的效果。保护装置的制作过程如图2所示。

图2 保护装置的制作过程

3.2 实验方法

实验材料包括：生鸡蛋、木棍、尼龙细绳、气泡膜及海绵等。

实验步骤如下：

（1）在鸡蛋外表面包裹一层气泡膜，并用胶带纸固定；同时将木棍做成一个中空的正四面体，并将木棍交汇处用尼龙细绳扎紧。

（2）将鸡蛋放入中空的正四面体中，调节正四面体各棱的长度，使其固定鸡蛋而不至于将其压碎。

（3）从2.5m 高处将装置自由下落，装置与地面接触后会受力反弹，直到装置静止。

（4）取鸡蛋放入装置中反复实验，在实验成功的情况下不断减小正四面体木棍的长度。

4 结果和讨论

通过实验得到保护装置从2.5 米处下落到接触地面所需时间如表1 和图3 所示。

图3 保护装置落地时间

表1 保护装置落地时间

由图表可知，鸡蛋下落时间波动不大，鸡蛋平稳下落。

基于此，通过多次实验找到了能使鸡蛋不破的最小装置参数分别为：正四面体内部棱长8cm，外部棱长15cm，如图4 所示。

图4 优化后获得的保护装置尺寸