鸡蛋撞地球设计方案(讲义)

“鸡蛋撞地球”设计方案(讲义) 温州中学 吴联进 一、明确“鸡蛋撞地球”的实质、要求及需解决的问题 比赛的要求是让鸡蛋从教学楼的四楼的窗户直接下落到水平水泥地面上，而不破碎，且离投放点的铅垂线上的地面中心点的距离越短越好。毋庸置疑，如果不加保护地让鸡蛋直接下落，鸡蛋肯定是粉身碎骨的，因为鸡蛋的蛋壳既薄又脆，到达地面时会以较大的速度冲击地面，在冲击地面的瞬间，会受到地面的强大的冲击力而破碎。为此我们对鸡蛋下落的过程进行如下的全面。 (一)、理论依据: 1、动量定理达式: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。由Ft=?v.m可知，通过装置结构的设计，可以使装置在较小的速度时就达到匀速，既?v.m变小，也就是Ft变小，在作用时间t不变的情况下，作用力F可以减小，还有一种就是在鸡蛋快到地面时，像降落伞一样突然打开的，增大阻力面积，达到瞬时减速，以减小冲击力。 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。,我们的办法是采取一种保护装置让鸡蛋从高空下坠到地面而不破碎。 从以上的分析可知，不管鸡蛋从多高处掉下，只要鸡蛋在到达地面后，跟鸡蛋接触的物体对鸡蛋的冲击力不致使鸡蛋的壳破裂就可以了，为此我们可以抓住以下关键的几点进行设计: (1) 增加鸡蛋下降过程的阻力，以减小鸡蛋到达地面的速度。 (2) 使装置跟地面接触的外层的材料具有一定的柔性，减少地面对装置的冲击力，以有 效保护装置和鸡蛋。、 (3) 尽量减少在鸡蛋落地的一瞬间鸡蛋和装置内相接触的物体的挤压力或冲击力。 (4) 由于比赛的成绩跟整个装置的重量有关，因此要尽量减少装置的重量，可选用密度 小，重量轻的材料，能够以较轻的材料，较轻的重量达到较好的保护效果。 (5) 由于比赛的成绩还跟装置最后的落地点与中心点的距离有关，因此装置在着地后尽 量防止反弹，以提高准确性，可通过减小装置落地时的速度，在装置外层包一层弹 性较小的材料，使得装置落地后不会弹起，这与第二点的要求有些矛盾，应适当权 衡。另外，在装置外面贴海绵双面胶也是一个好办法。 (6) 整个装置结构能承受住地面的冲击。 二、方案设计 (一)设计分析 根据前面的分析，我们已经明确了设计的关键的问题，接下来就是进行方案设计，通过收集有关资料及调查，目前比较成熟的方案有以下几种: 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。 比赛时当时的天气状况、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。这次比赛场地是大理石水平地面，坚硬无比，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。如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。选择鸡蛋的时候一定要注意 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)方案的构思和确定 经过上述的分析，根据实际情况，我们构思了以下几种方案，分别见如下草图: A 多面体型 (1)长方体泡沫外壳 (2)柔性填充物 (3)减速塑料袋 (4)细线 (5)防弹海绵双面胶 B 热气球型 (1)可乐瓶外壳 (2)固定鸡蛋塑料袋 (3)缓冲、固定网状海绵套袋 (4)减速塑料袋 (5)细线 (6)防弹海绵双面胶 以上两种方案所用结构简单、取材容易、制作成功率高，由于方案A是一种传统式普及型的方案，而方案B是一种新型的结构，也许是一种首创的设计方案。因此我决定选用方案B来制作。 三、 制作模型 1、绘制图样 “鸡蛋撞地球”的设计图样 2、制作步骤 (1)所用材料:鸡蛋一个、可乐瓶一个、透明塑料袋大小各一个，套苹果用的网状海绵套一个、细线、海绵双面胶一个，双面胶一个。 (2)工具:剪刀 (3)按设计图样划线 按设计图样的高度在可乐瓶上划线，把网状海绵套按三等分划线， (4) 按要求剪切、钻孔 用剪刀把可乐瓶按划线处剪切，然后在上开口下约1厘米处沿相互垂直的对角线处的壳体上穿四个小孔，把网状海绵套剪成三等分，剪两条约20厘米的细线， (6)装配 先把鸡蛋装在小塑料袋里，使鸡蛋两端沿竖直方向放置，可用双面胶把鸡蛋和塑料袋固定，再沿鸡蛋体的最大直径处套上三层海绵套(用双面胶固定)，使这个装置刚好能放进可乐瓶，然后把塑料袋贴在塑料袋的上端开口处，使鸡蛋按规定位置固定。 把细线在四个小孔分两边系好，线的上端分别分别和大塑料袋的两边系好。 在塑料瓶的底部按塑料瓶的底部大小贴上海绵双面胶。 四、 测试、评估及优化 测试时，首先，一定要将自己的装置对准投掷点。再次，投放时使落地面朝下，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。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。 由于现在是冬季时节，装置下降时受风的影响较大，在装置不会翻转的情况下，尽量减小充气塑料袋的大小，由于可乐瓶是圆的，着地时，因弹性而反弹，使塑料瓶在地上转动而远离中心点，影响比赛成绩，因此可以增加装置的底部跟地面的接触面积。 五、 装置的保存、使用说明