右圖是滴漏實驗裝置上麵塑料瓶

④ 雞蛋撞地球，怎麼保護雞蛋

「雞蛋撞地球」設計方案（講義）
溫州中學 吳聯進
明確「雞蛋撞地球」的實質、要求及需解決的問題
比賽的要求是讓雞蛋從教學樓的四樓的窗戶直接下落到水平水泥地面上，而不破碎，且離投放點的鉛垂線上的地面中心點的距離越短越好。毋庸置疑，如果不加保護地讓雞蛋直接下落，雞蛋肯定是粉身碎骨的，因為雞蛋的蛋殼既薄又脆，到達地面時會以較大的速度沖擊地面，在沖擊地面的瞬間，會受到地面的強大的沖擊力而破碎。為此我們對雞蛋下落的過程進行如下的全面分析。
（一）、理論依據：
1、動量定理表達式：Ft =△p
其中△p指的是動量的變化，F指的是沖力的大小，t指的是力的作用時間。
由於雞蛋在下落的過程中，動量的變化△p一定，雞蛋所受的力F與力的作用時間t成反比，即t越大，F就越小，作用在雞蛋上的力就越小。這樣，雞蛋就不容易碎了。
2、由空中垂直下落的物體所受空氣阻力f與空氣的密度ρ、物體的有效橫截面積S、下落的速率v的平方成正比，阻力的大小可表示為f=CρSv2，其中C為阻力系數，一般在0.2～0.5之間，ρ=1.2kg/m3，物體下落經過一段時間將達勻速，這稱為終極速率。由Ft=△v.m可知，通過裝置結構的設計，可以使裝置在較小的速度時就達到勻速，既△v.m變小，也就是Ft變小，在作用時間t不變的情況下，作用力F可以減小，還有一種就是在雞蛋快到地面時，像降落傘一樣突然打開的，增大阻力面積，達到瞬時減速，以減小沖擊力。
我們可以發現如下的一些日常現象：
雨滴在空氣中下落，速度越來越快，所受空氣阻力也越來越大。 當阻力增加到與雨滴所受重力相等時，二力平衡，雨滴開始勻速下落。
跳傘運動員在空中張開降落傘，憑借著降落傘較大的橫截面積取得較大的空氣阻力，得以比較緩慢地降落。這些都是這個公式在生活中的應用。 明白了這以後，就不會認為裝置的加速度是9.8m/s2了。
3、一切物體都具有慣性。在「高空墜蛋」整個裝置落地的一瞬間，裝置靜止，然而雞蛋由於慣性，還會繼續運動，造成與裝置擠壓、碰撞，容易損壞。如何將雞蛋由於具有慣性而造成的影響降到最低，還需要我們進一步分析解決。,我們的辦法是採取一種保護裝置讓雞蛋從高空下墜到地面而不破碎。
從以上的分析可知，不管雞蛋從多高處掉下，只要雞蛋在到達地面後，跟雞蛋接觸的物體對雞蛋的沖擊力不致使雞蛋的殼破裂就可以了，為此我們可以抓住以下關鍵的幾點進行設計：
增加雞蛋下降過程的阻力，以減小雞蛋到達地面的速度。
使裝置跟地面接觸的外層的材料具有一定的柔性，減少地面對裝置的沖擊力，以有效保護裝置和雞蛋。、
盡量減少在雞蛋落地的一瞬間雞蛋和裝置內相接觸的物體的擠壓力或沖擊力。
由於比賽的成績跟整個裝置的重量有關，因此要盡量減少裝置的重量，可選用密度小，重量輕的材料，能夠以較輕的材料，較輕的重量達到較好的保護效果。
由於比賽的成績還跟裝置最後的落地點與中心點的距離有關，因此裝置在著地後盡量防止反彈，以提高准確性，可通過減小裝置落地時的速度，在裝置外層包一層彈性較小的材料，使得裝置落地後不會彈起，這與第二點的要求有些矛盾，應適當權衡。另外，在裝置外面貼海綿雙面膠也是一個好辦法。
（6） 整個裝置結構能承受住地面的沖擊。
二、方案設計
（一）設計分析
根據前面的分析，我們已經明確了設計的關鍵的問題，接下來就是進行方案設計，通過收集有關資料及調查，目前比較成熟的方案有以下幾種：
1、降落傘型：
降落傘型，顧名思義，就是利用降落傘，增大空氣阻力，以使雞蛋連同整個裝置平穩落地。
這種方案最容易想到，因為跳傘、宇宙飛船減速，都運用了這個方法，效果很好。安全性極高，使整個裝置達到較小的速度即可勻速下落。裝置的重量也不會很重。唯一的缺點就是：受大氣擾動影響太厲害，會使實驗裝置飄忽不定，准確性較差，往往不能落到指定位置，從而影響了比賽成績。
2、外包裝型：
外包裝型，就是用較多的減震材料將雞蛋嚴嚴實實地包裹起來。比如泡沫、棉花、各種填充材料等。通過這些材料的緩沖作用，達到保護雞蛋的目的。
這種方案也較容易想到。平常生活中用各種填充材料保護貴重用品的方法相信大家都見到過。這的確是一個有效的方法。這種方案由於受空氣阻力影響很小，所以准確性較高。由於所使用的材料都是密度極小的，所以可將整個裝置的重量降到最低。但美中不足的是：整個裝置是自由下落狀態，到達地面時的速度較大，因而對裝置的堅固度和緩沖效果要求較高，安全性稍差一點。
3、不倒翁型：
不倒翁型，就是使整個裝置像不倒翁一樣，把重心盡可能降低，使得裝置下落時能保持穩定狀態，確保始終讓一個面著地。那麼保護工作只需要在這一個面做好就行了，從而節省了材料。
這種方案充分考慮到了上一種方案可能出現在空中翻滾現象，經過改進形成的。其可靠性遠遠高於第一種方案，材料更節省，准確性更高。美中不足的就是為了確保裝置的重心降低，勢必要在底部放上一個質量較大的物體，這就大大加重整個裝置，將影響比賽成績。
4、多面體型：
多面體型，就是把整個裝置製作成一個多面體，將雞蛋用結實的繩子固定在多面體的中央，使整個雞蛋懸空。裝置落地後，不論哪個面著地，雞蛋都不會著地，雞蛋就完好無損了。
這種方案無需額外的材料，只需要製作多面體的骨架和幾根線即可，用料極其節省，因而重量會大大降低。因受空氣阻力較小，所以穩定性較好。但這種方案也有一個大的缺點就是多面體不易扎制，結實程度不高，落地後可能會散架，雞蛋也就岌岌可危了。
5、雙氣球型：
雙氣球型，就是將雞蛋放在一個氣球中，充入一定量空氣，在外面再套一個氣球，充入適量空氣。這樣兩層氣球之間就會形成一個氣墊，會使雞蛋免受地面的沖擊。
這種方案所用材料應該是所有方案中最省的，重量只是兩個氣球的重量，幾乎可以忽略不計。但這種方案有一個致命的缺點就是兩層氣球之間有一塊是緊密接觸的，沒有氣墊的保護，如果此面著地，一切都完了。另外，由於重量太輕，受空氣擾動影響，其穩定性也不是很好。
6、螺旋槳型：
螺旋槳型，就是在整個裝置上方安置一個螺旋槳，靠流動的空氣推動或遙控，使螺旋槳旋轉起來，以提高安全性和准確度。這極像直升飛機的飛行原理。
這種方案因螺旋槳的轉動而減小了裝置下落的速度，安全性更高。如果是遙控，准確性也會很高。問題是如何保證螺旋槳始終朝上，螺旋槳一旦不朝上，准確性將無從談起。如何保證螺旋槳平穩旋轉也是一個問題。
7、滑翔機型：
滑翔機型，顧名思義，就是將雞蛋懸掛在滑翔機下方，整個裝置就會在空氣中滑翔，最後會平穩地降落。
這種方案准確性極差，降落地點不確定。如果不限制落地點的話，這無疑是一個好方案，安全性較高。在這種比賽規則下，不提倡這種方法。
8、鹽水型：
鹽水型，就是配一個密度很大的氯化鈉溶液，讓雞蛋漂浮在上面，落地後鹽水就充當了緩沖材料，保證雞蛋不破。
這種方案新穎獨特，用鹽水作緩沖，安全性較高，受到空氣阻力影響很小，准確性較高。但裝置不易控制，如果裝置在空中翻滾，鹽水灑出，就起不到保護作用了，因此，一定要保證裝置重心要穩，並且盡可能降低。這種裝置的重量問題也是不容忽視的，畢竟，鹽水的密度要比泡沫大得多。
9、吸管組型：
吸管組型，用幾根吸管綁在一起做成吸管組，將幾組吸管組搭成金字塔形，將雞蛋夾在中間，用膠條固定。吸管由於是中空的，可以起到緩沖作用。
這種方案材料來源廣泛，重量輕，體積小，因而准確性較好。至於安全性嘛，可能要差一點，吸管的緩沖作用畢竟有限。
10、綜合型：
綜合型，就是將幾種保護措施結合起來使用，造出的裝置也是五花八門。
綜合型裝置的安全性肯定會大大提高，這是毫無疑問的。准確性很難說究竟是提高了還是降低了。不過有一點可以確定，那就是裝置的總重量大大增加，可能會影響比賽成績。
… …
上面大體介紹了十種方案。其實還有很多方案，就不一一列舉了。不難看出，這十種方案各有利弊，很難找出一個十全十美的方案。而且，各種方案的偶然性較大。以上僅是從理論層面對各種方案進行了分析，實際操作中會有各種意想不到的事情發生。
比賽時當時的天氣狀況、場地情況、裝置製作情況、雞蛋的大小和形狀等，都會對比賽結果產生一定影響。
1、天氣狀況的影響：
天氣狀況對這種比賽的影響可以說是非常大的。主要影響是風力的大小。理想的天氣狀況應該是幾乎沒有風，這樣才能保證一些需要藉助空氣阻力來減速的裝置能夠平穩降落。如果風太大，那麼降落傘型、螺旋槳型、雙氣球型等類型的實驗裝置就會在風中搖擺不定，准確性會很差，安全性也會大大降低。
2、場地情況的影響：
場地情況的好壞直接影響了比賽成績。這里的場地場地主要是指裝置落地的場地。理想的場地應該平坦、松軟，這樣會大大增加成功的幾率。這次比賽場地是大理石水平地面，堅硬無比，這就要求我們的裝置一定要結實，緩沖效果要好。
3、裝置製作情況的影響：
裝置製作的好壞具有很大的不確定性。試驗時試驗成功並不代表著在正式比賽中會成功。因為試驗時整個裝置從十幾米高的地方落下，會造成裝置整體或局部的損壞，如果再用試驗過的裝置去比賽，這些損壞造成的影響便會顯現出來。會讓認為安全可靠的裝置出現意外情況。如果再製作一個新的裝置，即使原理跟試驗時的裝置一模一樣也無法保證製作得和試驗時的裝置沒有差別，問題往往就出現在這細小的差別上。
4、雞蛋的大小和形狀的影響：
也許你會問：雞蛋的大小和形狀還對試驗效果有影響嗎？回答是肯定的。如將大小不等的一筐雞蛋晃幾晃，你會發現：大的雞蛋先破，小的雞蛋後破。由此可以得知：小的雞蛋更結實一點。如果拿兩個蛋殼厚薄不同不一樣的雞蛋相碰，一定是蛋殼薄的雞蛋先破。由此可以得知：蛋殼厚的雞蛋更結實一點。另外，形狀規則的雞蛋由於受力均勻，會比不規則的雞蛋結實。因此，所用雞蛋太長、太圓、太扁或鼓出一塊、凹下一塊都不行。選擇雞蛋的時候一定要注意
由此可以看出，這種比賽中許多不確定因素都是人們難以預料的。對於前兩種影響，對每一個參賽者都是公平的。條件好對大家都好，條件不好對大家都不好。對於後兩種影響，要求我們一定要細心，力求將裝置調試得完美無缺，比賽時才能確保萬無一失。
（二）方案的構思和確定
經過上述的分析，根據實際情況，我們構思了以下幾種方案，分別見如下草圖：
A 多面體型

（1）長方體泡沫外殼
（2）柔性填充物
（3）減速塑料袋
（4）細線
（5）防彈海綿雙面膠
B 熱氣球型

（1）可樂瓶外殼
（2）固定雞蛋塑料袋
（3）緩沖、固定網狀海綿套袋
（4）減速塑料袋
（5）細線
（6）防彈海綿雙面膠
以上兩種方案所用結構簡單、取材容易、製作成功率高，由於方案A是一種傳統式普及型的方案，而方案B是一種新型的結構，也許是一種首創的設計方案。因此我決定選用方案B來製作。
三、 製作模型
1、繪制圖樣
「雞蛋撞地球」的設計圖樣
2、製作步驟
（1）所用材料：雞蛋一個、可樂瓶一個、透明塑料袋大小各一個，套蘋果用的網狀海綿套一個、細線、海綿雙面膠一個，雙面膠一個。
（2）工具：剪刀
（3）按設計圖樣劃線
按設計圖樣的高度在可樂瓶上劃線，把網狀海綿套按三等分劃線，
(4) 按要求剪切、鑽孔
用剪刀把可樂瓶按劃線處剪切，然後在上開口下約1厘米處沿相互垂直的對角線處的殼體上穿四個小孔，把網狀海綿套剪成三等分，剪兩條約20厘米的細線，
（6）裝配
先把雞蛋裝在小塑料袋裡，使雞蛋兩端沿豎直方向放置，可用雙面膠把雞蛋和塑料袋固定，再沿雞蛋體的最大直徑處套上三層海綿套（用雙面膠固定），使這個裝置剛好能放進可樂瓶，然後把塑料袋貼在塑料袋的上端開口處，使雞蛋按規定位置固定。
把細線在四個小孔分兩邊系好，線的上端分別分別和大塑料袋的兩邊系好。
在塑料瓶的底部按塑料瓶的底部大小貼上海綿雙面膠。
四、 測試、評估及優化
測試時，首先，一定要將自己的裝置對准投擲點。再次，投放時使落地面朝下，確保重心穩定，裝置的這種姿態一定要求重心最低，才會避免裝置在空中翻滾、搖擺、抖動。最後，盡量將裝置置於所允許高度的最低點，這樣下落高度就會降低，裝置落地時的速度就會降低，增加了安全性。
由於現在是冬季時節，裝置下降時受風的影響較大，在裝置不會翻轉的情況下，盡量減小充氣塑料袋的大小，由於可樂瓶是圓的，著地時，因彈性而反彈，使塑料瓶在地上轉動而遠離中心點，影響比賽成績，因此可以增加裝置的底部跟地面的接觸面積。

⑤ 滴漏實驗裝置，塑料瓶中水位高時，滴水速度快，量桶中水位的高低對滴水的快慢，無關系還是有關系。

有關系，水位來越高，出源水的地方壓強就越大，出水就快。這里有一個問題要注意： 塑料瓶要相對非常軟，容易變形，或者最好在瓶子的頂上打一個小孔，它就完全和位置有關系了。這個與在醫院打點滴的道理一樣：1、瓶子越高越容易輸液；2、瓶子上必須有一個小尾巴甩帶高處，沒有這個小尾巴液體很快就輸不進了，它的作用就是讓瓶子內的壓強與外面的壓強一致。