鸡蛋撞地球设计方案-温州中学.doc

“鸡蛋撞地球”设计方案（讲义） 温州中学 吴联进 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分析。 （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。 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： 增加鸡蛋下降过程的阻力，以减小鸡蛋到达地面的速度。 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。、 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。 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。 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