Arduino加速度仿真蛋：傳統(tǒng)高空墜蛋實驗的信息化重構(gòu)

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文_陳嶺/上海市行知實驗中學(xué)

本項目針對傳統(tǒng)“高空墜蛋”實驗（見圖1）的不足，進(jìn)行了基于Arduino的信息化改進(jìn)，將定性的實驗升級成為信息化定量的實驗，統(tǒng)一了高空墜蛋實驗設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，去除了傳統(tǒng)實驗的系統(tǒng)誤差，助力學(xué)生直觀準(zhǔn)確地測量“雞蛋”落地時的加速度，并推算出受力大小。

圖1 傳統(tǒng)高空墜蛋實驗結(jié)構(gòu)示例

擬解決的問題

● 雞蛋之間存在差異，即使經(jīng)過熱加工，其強(qiáng)度仍有明顯差異，導(dǎo)致傳統(tǒng)的高空墜蛋實驗存在不確定性，如果某支隊伍挑到了質(zhì)量輕、強(qiáng)度大的雞蛋就更容易獲勝。

● 由于雞蛋位于整個結(jié)構(gòu)的核心位置，在測試過程中如果碎裂，就需要拆開整套裝置，重新制作一遍，且更換后的雞蛋強(qiáng)度不能確保與之前破碎的雞蛋一致，不利于學(xué)生求出最優(yōu)解。有一段時間流行使用白熾燈泡替代雞蛋，但燈泡破碎后會產(chǎn)生有害垃圾，且存有安全隱患，現(xiàn)已被淘汰。

● 雞蛋只有完好和破碎兩個狀態(tài)，不利于學(xué)生進(jìn)行測量和計算，學(xué)生通過實驗所能提升的能力上限被大幅壓縮。

● 產(chǎn)生了額外的成本和一定程度的浪費(fèi)。

改進(jìn)思路與策略

改進(jìn)思路

● 用仿真蛋替代雞蛋，要求仿真蛋質(zhì)量、體積、形狀與真實雞蛋的平均水平一致。

● 仿真蛋中有傳感器、處理器、顯示器和交互開關(guān)，可以通過精確數(shù)值顯示撞擊烈度。

● 仿真蛋必須控制成本，并具有量產(chǎn)潛質(zhì)。

原理分析

根據(jù)牛頓第二定律，雞蛋在落地的過程中主要受到重力和地面支持力的作用，由于雞蛋落地是減速運(yùn)動，因此加速度及合外力的方向與速度方向相反。牛頓第二定律可以展開為N=mg+ma，因此，只要測出雞蛋落地過程中加速度的最大值就可以推斷出雞蛋受到地面支持力的最大值。

材料選擇

①Arduino Nano（常見的微型單片機(jī)，操作簡便、價格便宜、可靠性高）。②MPU?6050（常見的運(yùn)動傳感器，本項目需要用到其中的三軸加速度傳感器功能，優(yōu)點(diǎn)是操作簡便、測量范圍大（±16??g）、價格便宜、短時間內(nèi)可靠性高）。③OLED?4針屏幕（常見的顯示設(shè)備，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)實可靠、價格便宜）。

非標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計

測量了核心設(shè)備的尺寸之后，運(yùn)用三維設(shè)計軟件進(jìn)行蛋殼的繪制（見圖2）。

圖2 仿真蛋外殼設(shè)計

實施過程

制作過程

使用3D打印機(jī)，選用PLA基材，以25%填充率，0.35mm層厚進(jìn)行打印，效果如圖3所示。拼裝所需材料主要包括3D打印蛋殼、Arduino Nano單片機(jī)（無焊針版）、MPU?6050傳感器、9V電池、線纜、工具等（見圖4）。

圖3 3D打印仿真蛋殼

圖4 拼裝準(zhǔn)備

先焊接各元件VCC腳和GND腳，然后將OLED屏幕和MPU?6050傳感器的SCL和SDA兩個I2C接口焊接在單片機(jī)A4、A5口上（見圖5）。由于仿真蛋將會受到持續(xù)的碰撞，需要在焊接牢固后再用熱熔膠槍加固，以免發(fā)生斷路、短路故障。

圖5 電路焊接

將各元件安放在仿真蛋殼對應(yīng)位置，并用熱熔膠槍進(jìn)行固定（見圖6）。理好線后將9V電池安裝在仿真蛋的中央，并調(diào)整位置，確保仿真蛋的重心在其幾何中心附近，最后用螺絲固定，完成圖如圖7所示。

圖6 組裝過程圖

圖7 組裝完成圖

程序編寫

MPU?6050傳感器的SCL和SDA接口連接在Arduino Nano單片機(jī)的A4、A5口上，并在初始化時使用筆尖或螺絲刀按下紅色復(fù)位按鈕使屏幕顯示“wait”字樣，進(jìn)行加速度傳感器的校準(zhǔn)和初始化。然后，程序通過Arduino讀取MPU?6050傳感器采集的三軸加速度數(shù)據(jù)并計算合加速度值，實時更新并存儲從初始化到當(dāng)前的最大加速度值（Peak Acceleration）及實時加速度值（Acceleration）。最后，這些采集到的加速度數(shù)據(jù)通過OLED顯示屏展示，顯示屏內(nèi)數(shù)據(jù)的單位為m/s2，采樣頻率設(shè)置為100Hz，顯示刷新周期為1秒。

教學(xué)環(huán)節(jié)

①初始化：用筆尖或者螺絲刀按下紅色復(fù)位按鈕，屏幕會顯示“wait”字樣，此時正在進(jìn)行加速度傳感器的校準(zhǔn)和初始化。②讀數(shù)：顯示屏內(nèi)有2個讀數(shù)，上面的是加速度峰值，也即從初始化到現(xiàn)在所受到加速度的最大值，可用于求出碰撞時的最大撞擊力；下面的是實時加速度，便于進(jìn)行簡單的碰撞測試，能幫助學(xué)生快速迭代自己的設(shè)計（見圖8），加速度極值為276.8?m/s2。重新執(zhí)行上文中步驟可再次初始化，開始新一輪的實驗。

圖8 復(fù)位鍵位置及整體效果

實施成效

將仿真蛋通過細(xì)繩懸吊在DIS力傳感器掛鉤上，屏幕中顯示仿真蛋與細(xì)繩共重1.08N，約0.11kg（見圖9）。將DIS力傳感器顯示調(diào)至F-t模式，再將仿真蛋舉高，使之自由下落，觀察力傳感器峰值與仿真蛋測量的加速度極值（見圖10）。

圖9 靜止時測力

圖10 舉高釋放后測量

顯示力傳感器測量的極值為17.71N，仿真蛋測量的極值為164.91?m/s2。根據(jù)牛頓第二定律F=ma+mg得出沖擊力為19.14N，偏大8%。后經(jīng)多次驗證，誤差始終穩(wěn)定在偏大5%左右。經(jīng)過不斷摸索，了解到誤差主要原因為力傳感器的采樣頻率為20Hz，遠(yuǎn)小于仿真蛋的采樣頻率，較大概率錯過受力峰值，從而使力測量值偏小。將細(xì)繩改為橡皮筋后測試，力的峰值持續(xù)較長時間，仿真蛋與力傳感器的測量結(jié)果一致，表明仿真蛋測量的加速度是準(zhǔn)確的，能直觀地推算出仿真蛋的受力大小。

特色與創(chuàng)新

本項目是對傳統(tǒng)實驗的信息化改進(jìn)，將定性實驗改為定量實驗，統(tǒng)一了實驗設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，去除了大部分系統(tǒng)誤差，學(xué)生在跨學(xué)科綜合實踐活動中使用加速度仿真蛋進(jìn)行高空墜蛋實驗的過程中，能夠直觀快速地對自己的設(shè)計進(jìn)行評估，快速進(jìn)行優(yōu)化迭代，有助于提升學(xué)生核心素養(yǎng)。此外，仿真蛋結(jié)構(gòu)簡單牢固，與真實雞蛋的質(zhì)量、體積、形狀相仿，總成本控制在60元以內(nèi)，程序開源，便于兄弟學(xué)校教師仿制。

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來源 | 《中國科技教育》2026-1

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜