两只鸡蛋碰撞的力学问题探讨
1 问题提出 两手各拿一只鸡蛋，将一只（运动的蛋）向另一只（静止的蛋）迅速撞去，如果两只鸡蛋坚硬程度完全一样，并且发生碰撞的部位也相同，那么两只鸡蛋谁会被撞破？是被撞的那只（静止的蛋）还是去撞的那只（运动的蛋）？这样一个看似简单的生活问题，却引起了不少的争论：有人认为是静止的那只蛋，有人认为是运动的那只蛋，也有人认为两只蛋应该是同时撞破，还有人认为不能一概而论，要依据运动的那只蛋是加速、减速还是匀速运动才能做出判断.且上述观点在一些文献中都得到了相应的支持.对此笔者通过实验和对相关文献进行认真分析和研究，发现其中存在一些错误和认识误区，现提出和同仁商榷与讨论. 2 三种有代表性的观点 观点一 《生活中的物理：打蛋问题》中认为：靶蛋（静止的蛋）破.理由是碰撞时两只蛋接触的部位因作用力和反作用力受到大小相等的冲力，但矢蛋（运动的蛋）在相撞瞬间蛋壳速度突然减小而静止，蛋清和蛋黄却仍以原有速度继续运动，因此将从内部对相碰部位的蛋壳产生一个冲力F″（见图1），这个冲力的方向与F′方向相反，[TP5GW145.TIF，Y#]结果矢蛋相碰部位的蛋壳所受的合力就小于靶蛋壳被碰部位的所受作用力，因此靶蛋破了，而矢蛋却安然无恙.这一观点从蛋壳受合力大小的角度判定哪只蛋被撞破，看似正确，但仔细推敲不难发现这一论断不符合实际，若对一块玻璃或一段绳子用远远超过其承受极限的力分别从正反两面同时作用，按此观点其所受合力为零，玻璃和绳子必定会完好无损，显然这与事实不符.根据材料力学的观点物体因受外力作用而变形，内部各部分之间因相对位置改变会产生相互作用的内力，它随外力的增大而增大，超过某一限度（材料的强度）时就会引起构件破坏.若只在某一方向受外力作用，材料是否被损坏，应取决于外力的大小是否超过材料的承受强度，而不由这一方向的合外力大小决定.上述观点的错误笔者认为可能在于，一是将蛋壳视为质点未考虑其实际结构；二是对合外力的作用效果有误解. 观点二 《有趣的打蛋动力学》一文认为：若动蛋加速去碰静蛋，则动蛋破；若动蛋匀速去碰静蛋，则两蛋同时破；若果 [LL]动蛋减速去碰静蛋，则静蛋破.这一结论的判据是三种不同情况下动蛋的蛋液对蛋壳内表面的冲力大小不同，造成不同运动情形下动蛋和静蛋分别所受合力大小不同，因而出现三种不同的结果，该文作者认为影响动蛋合力大小之蛋液对蛋壳内部的作用力是由于其不同运动特点造成的而不是在碰撞瞬间产生的.但其判断依据的实质仍然和上文一致，是根据受力部位内外表面的合外力大小来做出结论，因此是错误的.事实上笔者在一定数量的实验中确实发现三种结果都有，但这却并不是因动蛋的不同运动特点带来的，实验时碰撞的动作基本一致也就是运动规律是相似的，而造成这种结果的原因应是由于鸡蛋的耐压强度不一样，因为凭肉眼我们很难选出耐压完全一样的两只鸡蛋. 观点三 多年前，美国《科学与发明》杂志曾发表观点认为：被撞破的多半是“去撞”的那只蛋.其理由是：“被撞”的蛋，只受到外力撞击，蛋壳像一切拱形的物体一样，很能经受住从外面来的压力；而“去撞”的蛋，除了承受反作用的“外力”外，运动着的蛋黄和蛋白，在碰撞的一霎那，要从内部压向蛋壳.而拱形的物体抗受这种压力的能力是比抗受外来压力的能力要低得多的，因此蛋壳就破碎了.这一观点说得头头是道，似乎十分正确.但这个答案在很多地方和国家引起了争议.有人支持有人反对，并且声称都是以自己的实验作证的.那么到底哪种观点才是正确的呢？ 3 结论 现在，我们来看看关于运动和静止的概念，世界上的一切物体都在运动，地球在运动，太阳系也在运动，无论是在飞机上、火车上还是在地面，两只蛋都在运动；而且谁也说不准究竟那只蛋在星系中“动”得更厉害？说物体运动而不指出相对于什么物体运动显然没有意义，因此有意义的是物体间的相对运动：“运动的蛋”在相对于“静止的蛋”运动，反过来“静止的蛋”也在在相对“运动的蛋”运动，因为参考系的选择是任意的，选择质心系（与惯性系等价）来研究，无论“动蛋”是匀速、加速还是减速，一对互撞的鸡蛋总是在相同的运动状态下，事实上他们在相互接近，所以两蛋相撞时，哪只蛋破损，与我们喜欢把哪只蛋当着运动的，把哪只蛋当做不动的无关，“去撞”和“被撞”的蛋都可能破碎，它取决于被撞部位的承受强度谁大谁小.