让鸡蛋从10米高处落下，以这样的姿势不容易摔碎

《环球科学》杂志迎来了自己的播客节目👏

欢迎订阅《环球科学》播客，每月更新一次，听科学家与我们编辑一同探讨形形色色的科学问题。在最新一期节目中，我们有幸邀请到了美国东北大学的助理教授李天石，聊了聊AI时代对数据隐私的冲击，以及如何更好地保护个人隐私。

撰文｜詹妮弗·奥莱特（Jennifer Ouellette）

翻译｜马一瑗

编辑｜王怡博

鸡蛋掉落比赛（Egg drop competitions）是美国高中和大学物理课程中的常见活动，旨在向学生传授结构力学和冲击物理学方面的知识。具体来说，比赛要求学生用各种材料（如气泡膜、吸管等）制作一个装置，使鸡蛋从高处（如10米）掉落时保持完好。此外还有一个更刺激的“裸鸡蛋”（naked egg）版本，也就是直接让生鸡蛋掉落到下方的容器里。但实际结果显示，掉落实验中大多数鸡蛋都会破裂。

美国麻省理工学院（MIT）的工程教授塔尔·科恩（Tal Cohen）决定研究鸡蛋掉落实验失败率如此高的原因，并把相关研究结果发表在《通信物理学》（Communications Physics）上。“传统观点认为鸡蛋落地时应处于垂直状态，”科恩在接受《物理杂志》（Physics Magazine）的采访时说，但他们的实验结果对此提出了质疑。

做出这样的假设也不无道理。在另一个广受欢迎的物理小把戏中，一个成年人可以在几盒鸡蛋上行走而不会把它们踩破。通常，只需要大约5.5磅的力就能弄破一个鸡蛋壳，这远低于普通成年人的体重。因此关键是把鸡蛋排列好，并将鸡蛋较细、较尖的一端（尖端）朝上，使成人的体重均匀分布在鸡蛋整个表面，避免对任何一个鸡蛋壳施加过多的力，且赤脚也对此有帮助。

事实上，资料显示，关于鸡蛋壳及其裂纹扩展的科学研究源远流长，特别是在20世纪50至60年代，鸡蛋壳被用作飞机故障分析的模型，研究其裂纹传播方式。鸡蛋壳的韧性源于其结构，它主要由碳酸钙（方解石）晶体构成，类似牙釉质或海贝壳，嵌入在蛋白质基质中。更进一步，鸡蛋壳内还有一层薄薄的胶原蛋白层，使裂纹只能缓慢扩展，并将损伤控制在局部区域，而不是整体一下子断裂。

科恩和同事在论文引言（Introduction）中引用了乔纳森·斯威夫特（Jonathan Swift）的《格列佛游记》（Gulliver's Travels），特别提到了利立浦特人（小人国）和不来夫斯库人（小人国的敌国）之间关于磕鸡蛋的最佳朝向的长期争论。当然，还有曾在1954年的浪漫喜剧《龙凤配》（Sabrina）中展示的经典的厨师单手打蛋技巧，即单手握住鸡蛋，然后用鸡蛋的边缘用力敲击碗边，从而让鸡蛋壳在敲击点处干净利落地破裂。不过，业余人士尝试这一动作时往往以“鸡飞蛋打”收场，不过可以用大小和形状与鸡蛋相似但不易碎的高尔夫球练习该技巧。

麻省理工学院的科学家曾研究过鸡蛋中心的受力。他们设计出一个数学公式，将蛋壳的椭圆形几何结构与硬度（rigidity）联系起来。硬度与强度（strength）共同决定了蛋壳的承压极限。鸡蛋的尖端是最抗裂的部分，因为曲率越大，蛋壳就越硬。因此，按压鸡蛋的顶部和底部很难将其捏碎，但只要把鸡蛋水平放置并按压鸡蛋的中心时，蛋壳会很容易破裂。

刚性与韧性

那么，麻省理工学院的最新研究发现是怎么回事呢？在这项研究中，科恩和同事购买了180个开市客（Costco）自有品牌科克兰（Kirkland Signature）的鸡蛋，然后在实验室里进行鸡蛋掉落实验。他们从8毫米、9毫米和10毫米三种不同高度分别掉落60个鸡蛋，每组鸡蛋分别以三种不同方向掉落：水平、尖端垂直向下、钝端垂直向下。此外，他们对另外60个鸡蛋做了压缩测试，以确定鸡蛋在垂直和水平方向能承受的最大力。

结果显示，从8毫米高度垂直掉落的鸡蛋中，超过一半破碎，无论哪一端朝下。然而，水平掉落的鸡蛋只有不到10%碎掉。而且鸡蛋的最高承压力是45牛顿，无论方向如何。

然而，在压缩实验中，结果显示，垂直挤压的鸡蛋变形程度小于水平挤压的鸡蛋。这是因为鸡蛋壳沿长轴的刚性更大，使得重负载被分布在表面上。这也是为什么单手打蛋时要对准鸡蛋水平方向的中心部位。

但研究团队发现，这一静态抗压的优势在高空坠落时反而成了劣势，并且证明鸡蛋坠落的最佳姿势应处于水平方向。这归根结底是因为刚度（stiffness，使鸡蛋变形所需的力）与韧性（toughness，鸡蛋破裂前吸收能量的能力）之间的差异。

实验结果显示，鸡蛋在水平方向上更具韧性，在垂直方向上则更具刚性。这表明，“水平掉落的鸡蛋可能更耐摔，”他们在论文里写道，“尽管鸡蛋在垂直方向上能够承受更大的力，但并不意味着垂直坠落时更不容易破碎。因为与静态受力不同，物体要想在动态冲击下不破碎，物体必须能通过将动能转化为可逆形变来吸收其所有动能。”

“鸡蛋要在掉落实验中幸存，需要的是韧性而非刚性，”科恩和同事总结道，就像我们跳跃落地时应该弯曲膝盖，而不是伸直。

原文链接：

https://arstechnica.com/science/2025/05/the-key-to-a-successful-egg-drop-experiment-drop-it-on-its-side/