Arduino加速度仿真蛋：传统高空坠蛋实验的信息化重构

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文_陈岭/上海市行知实验中学

本项目针对传统“高空坠蛋”实验（见图1）的不足，进行了基于Arduino的信息化改进，将定性的实验升级成为信息化定量的实验，统一了高空坠蛋实验设备的标准，去除了传统实验的系统误差，助力学生直观准确地测量“鸡蛋”落地时的加速度，并推算出受力大小。

图1 传统高空坠蛋实验结构示例

拟解决的问题

● 鸡蛋之间存在差异，即使经过热加工，其强度仍有明显差异，导致传统的高空坠蛋实验存在不确定性，如果某支队伍挑到了质量轻、强度大的鸡蛋就更容易获胜。

● 由于鸡蛋位于整个结构的核心位置，在测试过程中如果碎裂，就需要拆开整套装置，重新制作一遍，且更换后的鸡蛋强度不能确保与之前破碎的鸡蛋一致，不利于学生求出最优解。有一段时间流行使用白炽灯泡替代鸡蛋，但灯泡破碎后会产生有害垃圾，且存有安全隐患，现已被淘汰。

● 鸡蛋只有完好和破碎两个状态，不利于学生进行测量和计算，学生通过实验所能提升的能力上限被大幅压缩。

● 产生了额外的成本和一定程度的浪费。

改进思路与策略

改进思路

● 用仿真蛋替代鸡蛋，要求仿真蛋质量、体积、形状与真实鸡蛋的平均水平一致。

● 仿真蛋中有传感器、处理器、显示器和交互开关，可以通过精确数值显示撞击烈度。

● 仿真蛋必须控制成本，并具有量产潜质。

原理分析

根据牛顿第二定律，鸡蛋在落地的过程中主要受到重力和地面支持力的作用，由于鸡蛋落地是减速运动，因此加速度及合外力的方向与速度方向相反。牛顿第二定律可以展开为N=mg+ma，因此，只要测出鸡蛋落地过程中加速度的最大值就可以推断出鸡蛋受到地面支持力的最大值。

材料选择

①Arduino Nano（常见的微型单片机，操作简便、价格便宜、可靠性高）。②MPU 6050（常见的运动传感器，本项目需要用到其中的三轴加速度传感器功能，优点是操作简便、测量范围大（±16  g）、价格便宜、短时间内可靠性高）。③OLED 4针屏幕（常见的显示设备，主要优点是结实可靠、价格便宜）。

非标准件设计

测量了核心设备的尺寸之后，运用三维设计软件进行蛋壳的绘制（见图2）。

图2 仿真蛋外壳设计

实施过程

制作过程

使用3D打印机，选用PLA基材，以25%填充率，0.35mm层厚进行打印，效果如图3所示。拼装所需材料主要包括3D打印蛋壳、Arduino Nano单片机（无焊针版）、MPU 6050传感器、9V电池、线缆、工具等（见图4）。

图3 3D打印仿真蛋壳

图4 拼装准备

先焊接各元件VCC脚和GND脚，然后将OLED屏幕和MPU 6050传感器的SCL和SDA两个I2C接口焊接在单片机A4、A5口上（见图5）。由于仿真蛋将会受到持续的碰撞，需要在焊接牢固后再用热熔胶枪加固，以免发生断路、短路故障。

图5 电路焊接

将各元件安放在仿真蛋壳对应位置，并用热熔胶枪进行固定（见图6）。理好线后将9V电池安装在仿真蛋的中央，并调整位置，确保仿真蛋的重心在其几何中心附近，最后用螺丝固定，完成图如图7所示。

图6 组装过程图

图7 组装完成图

程序编写

MPU 6050传感器的SCL和SDA接口连接在Arduino Nano单片机的A4、A5口上，并在初始化时使用笔尖或螺丝刀按下红色复位按钮使屏幕显示“wait”字样，进行加速度传感器的校准和初始化。然后，程序通过Arduino读取MPU 6050传感器采集的三轴加速度数据并计算合加速度值，实时更新并存储从初始化到当前的最大加速度值（Peak Acceleration）及实时加速度值（Acceleration）。最后，这些采集到的加速度数据通过OLED显示屏展示，显示屏内数据的单位为m/s2，采样频率设置为100Hz，显示刷新周期为1秒。

教学环节

①初始化：用笔尖或者螺丝刀按下红色复位按钮，屏幕会显示“wait”字样，此时正在进行加速度传感器的校准和初始化。②读数：显示屏内有2个读数，上面的是加速度峰值，也即从初始化到现在所受到加速度的最大值，可用于求出碰撞时的最大撞击力；下面的是实时加速度，便于进行简单的碰撞测试，能帮助学生快速迭代自己的设计（见图8），加速度极值为276.8 m/s2。重新执行上文中步骤可再次初始化，开始新一轮的实验。

图8 复位键位置及整体效果

实施成效

将仿真蛋通过细绳悬吊在DIS力传感器挂钩上，屏幕中显示仿真蛋与细绳共重1.08N，约0.11kg（见图9）。将DIS力传感器显示调至F-t模式，再将仿真蛋举高，使之自由下落，观察力传感器峰值与仿真蛋测量的加速度极值（见图10）。

图9 静止时测力

图10 举高释放后测量

显示力传感器测量的极值为17.71N，仿真蛋测量的极值为164.91 m/s2。根据牛顿第二定律F=ma+mg得出冲击力为19.14N，偏大8%。后经多次验证，误差始终稳定在偏大5%左右。经过不断摸索，了解到误差主要原因为力传感器的采样频率为20Hz，远小于仿真蛋的采样频率，较大概率错过受力峰值，从而使力测量值偏小。将细绳改为橡皮筋后测试，力的峰值持续较长时间，仿真蛋与力传感器的测量结果一致，表明仿真蛋测量的加速度是准确的，能直观地推算出仿真蛋的受力大小。

特色与创新

本项目是对传统实验的信息化改进，将定性实验改为定量实验，统一了实验设备的标准，去除了大部分系统误差，学生在跨学科综合实践活动中使用加速度仿真蛋进行高空坠蛋实验的过程中，能够直观快速地对自己的设计进行评估，快速进行优化迭代，有助于提升学生核心素养。此外，仿真蛋结构简单牢固，与真实鸡蛋的质量、体积、形状相仿，总成本控制在60元以内，程序开源，便于兄弟学校教师仿制。

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来源 | 《中国科技教育》2026-1

编辑 | 张雨晴

审校 | 孟想、若惜