一、前言
在日常生活中,我們總會買些帶包裝的
飲料,如金屬包裝的、塑料包裝的、紙質包裝的,在包裝的外形方面也有各種各樣的形狀,有圓柱形、長方體等形狀,飲料的包裝設計包含了一定的數學原理,對于包裝的設計要考慮成本因素外,還須考慮生態環境的保護,便于攜帶等因素,因此,廠家在設計包裝時就要從上述方面入手。通過對本課題的研究,得出對飲料的包裝的一種較為合理的設計方案,同時通過我們的親身參與,使我們能夠更深入的了解自然,走向社會,養成科學的精神和態度,提高綜合運用所學的數學知識解決實際問題的能力。
二、研究的內容
(1) 飲料的體積固定時不同的包裝的形狀對所用材料的多少的影響及對制造容器時的工作量的影響;
(2) 飲料包裝的材料選擇及包裝的發展方向。
三、有關數據的采集
在周六等課余時間我們到超市等場所測量了相關數據
表一:易拉罐的相關數據(鋁質包裝)
品種 | 高(cm) | 底面半徑(cm) | 體積(cm3) |
雙鹿啤酒 | 11.9 | 3.15 | 350 |
椰子汁 | 13.2 | 2.65 | 250 |
旺仔牛奶 | 8.5 | 3.2 | 245 |
露露飲料 | 16.8 | 3.2 | 500 |
健力寶 | 10.2 | 3.25 | 330 |
四、有關易拉罐制造成本問題的數學建模及計算過程
假設易拉罐的上、下底面及側面所用的材料相同,則在相同的體積情況下,哪種飲料所用的材料zui少則成本就越低,也就zui合理,
① 易拉罐(雙鹿啤酒)的表面積S=2π×3.15×11.9+2π×3.152≈297.8(cm2)
每立方厘米啤酒所需包裝材料是297.8/350=0.85(cm2)
② 易拉罐(椰子汁)的表面積S=2π×2.65×13.2+2π×2.652≈264(cm2)
每立方厘米椰子汁所需包裝材料是264/250=1.06(cm2)
③ 易拉罐(旺仔牛奶)的表面積S=2π×3.2×8.5+2π×3.22≈235(cm2)
每立方厘米旺仔牛奶所需包裝材料是235/245=0.96(cm2)
④易拉罐(露露飲料)的表面積S=2π×3.2×16.8+2π×3.22≈402(cm2)
每立方厘米露露飲料所需包裝材料是402/500=0.804(cm2)
⑤易拉罐(健力寶)的表面積S=2π×3.25×10.2+2π×3.252=274(cm2)
每立方厘米健力寶飲料所需包裝材料是274/330=0.83(cm2)
從上面五種飲料的計算結果可以看出,在相同體積的情況下,露露飲料所用的材料要比其它飲料的少,即節省了資源。那么,從節省資源的角度來說,何種設計是zui合理的呢?
設易拉罐的高為h,底面圓半徑為r,由圓柱的體積公式V=
πr2·h,得h=V/πr2,又易拉罐的表面積S=2πr2 +2πr h,所以S=2πr2 +2V/r
按設計要求知,體積V是常數,半徑r是變量,表面積S是r的函數,故問題轉化為數學問題:當r取何值時函數S取zui小值?
由S=2πr2 +2V/r =2πr2 + V/r + V/r≥3 =3, 當且僅當2πr2 = V/r ,即r =時,易拉罐具有zui小的表面積3 ,此時易拉罐的高h =2r。也即當易拉罐設計成等邊圓柱時,消耗的材料zui少。
五、飲料包裝的材料的選擇及發展方向
市場上飲料的包裝除了用鋁合金作原料外,還有許多用了紙質包裝和塑料來作包裝,制造易拉罐用的鋁錠中鋁的含量在97%以上,另含有微量的鐵、錳、鎂、銅、鋅等,用紙質來作包裝材料在材料價格上要便宜些,對環境也可起保護作用,但紙質包裝容易破損,在飲料的保質期上也遠遠不如用鋁合金作包裝的長,用塑料(聚乙烯)作包裝材料同樣在價格上便宜,但一個明顯的不足是對環境的影響較大,穩定性好,不易分解,容易造成污染。
近幾年來,包裝工業正在進行著一場技術革新 綠色包裝,它是指可以回收利用的、不會對環境造成污染的包裝,其內涵為資源的再生利用和環境保護,綠色包裝發源于1987年聯合國環境與發展委員會發表《我們共同的未來》,到1992年6月聯合國與環境與發展大會通過《里約環境與發展宣言》、《21世紀議程》,在*范圍內掀起了一個以保護生態環境為核心的綠色浪潮。“綠色包裝”(Green package)有人稱作:“環境之友包裝”(Enviromental
Fiendly package)或生態包裝(Ecological package)。綠色包裝應是:對生態環境和人體健康無害,能循環復用和再生利用,可促進持續發展的包裝。也就是說包裝產品從原材料的選擇、產品制造、使用、回收和廢棄物的整個過程均應符合生態環境保護的要求。它包括了節省資源、能源、減量、避免廢棄物的產生,易回收復用,再循環利用,可焚燒或降解等生態環境保護要求的內容。也就是世界工業發達國家要求包裝做到的“3R”和“1D”(Reduce減量化、Reuse重復使用、Recycle再循環和Degradable可降解)原則。
六、小結
鑒于對以上的材料分析,我們認為對于飲料的包裝設計材料若選擇塑料(聚乙烯)為原料,雖然成本較低,但由于對它的降解性的研究方面作的還不夠,對環境影響很大,因而不宜采用,而應選擇可回收再利用的金屬或較容易分解的紙質為包裝材料更恰當,并且在外形制作上以選擇等邊圓柱形比較合適。
指導老師:劉偉杰
課題研究小組成員:朱海霞 蔣清清 吳淑芳 鄭靖慷 富吉勇 林建南 鄭明星 張 鎮