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(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

1 引言

關(guān)于雞蛋的開放性問題，一直受到從小學(xué)到大學(xué)的各個(gè)階段教育學(xué)者的關(guān)注[1-14]。保護(hù)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(xué)者的青睞，而且出現(xiàn)在2017 年中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽（CUPT）中。本文針對(duì)該問題首先從理論上分析了裝置選擇的出發(fā)點(diǎn)，其次對(duì)實(shí)驗(yàn)保護(hù)裝置和方法進(jìn)行了分析討論，最后獲得了多次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的保護(hù)尺寸。

2 理論分析

由動(dòng)量定理Ft=Δp可知，當(dāng)雞蛋在下落過程中的動(dòng)量變化一定時(shí)，雞蛋所受的力F與力的作用時(shí)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(duì)雞蛋的保護(hù)裝置進(jìn)行選擇。

目前，可供選擇的保護(hù)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(jīng)前期實(shí)驗(yàn)和討論發(fā)現(xiàn)，利用降落傘讓雞蛋落地的裝置很容易受風(fēng)力等因素影響，同時(shí)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(wěn)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(duì)穩(wěn)定性要求很高；單純的多面體型裝置也不穩(wěn)定。所以，本研究選擇了基于正四面體結(jié)構(gòu)為核心的保護(hù)裝置，如圖1 所示。

圖1 正四面體保護(hù)裝置

3 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)考慮了固定、緩沖、減震等方面。首先將雞蛋嵌入由木棍及細(xì)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(shí)，為了在實(shí)驗(yàn)完成的情況下保證實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)的情況下使得實(shí)驗(yàn)裝置尺寸最小，采取了多次實(shí)驗(yàn)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(dá)到減震的效果。保護(hù)裝置的制作過程如圖2所示。

圖2 保護(hù)裝置的制作過程

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料包括：生雞蛋、木棍、尼龍細(xì)繩、氣泡膜及海綿等。

實(shí)驗(yàn)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(shí)將木棍做成一個(gè)中空的正四面體，并將木棍交匯處用尼龍細(xì)繩扎緊。

（2）將雞蛋放入中空的正四面體中，調(diào)節(jié)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(huì)受力反彈，直到裝置靜止。

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

4 結(jié)果和討論

通過實(shí)驗(yàn)得到保護(hù)裝置從2.5 米處下落到接觸地面所需時(shí)間如表1 和圖3 所示。

圖3 保護(hù)裝置落地時(shí)間

表1 保護(hù)裝置落地時(shí)間

由圖表可知，雞蛋下落時(shí)間波動(dòng)不大，雞蛋平穩(wěn)下落。

基于此，通過多次實(shí)驗(yàn)找到了能使雞蛋不破的最小裝置參數(shù)分別為：正四面體內(nèi)部棱長8cm，外部棱長15cm，如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后獲得的保護(hù)裝置尺寸