كيف يمكن للفيزياء أن تؤثر على الروبوتات المنافسة
عند تصميم روبوت لمسابقات VEX Robotics، يجب أن تتذكر أن أي محرك سيقاوم القصور الذاتي للروبوت عندما يعمل الروبوت. القصور الذاتي هو مقاومة الجسم للتغيرات في سرعته. يزداد القصور الذاتي مع زيادة كتلة الجسم وبالتالي زيادة زخمه. وهذا يعني أنه إذا أضفت كتلة إلى الروبوت الخاص بك وجعلته أثقل مما ينبغي، فلن تكون المحركات فعالة في تغيير سرعة الروبوت! لذلك، يجب أن تحاول استخدام مواد خفيفة وأقل عدد ممكن من المواد إذا كنت ترغب في زيادة كفاءة المحركات إلى الحد الأقصى.
ومن ناحية أخرى، فإن تشغيل الروبوت الخفيف بسرعة كبيرة يمكن أن يؤدي أيضًا إلى صعوبات. إذا كنت تحاول القيام بحركات دقيقة ودقيقة أثناء المنافسة، فقد تحتاج إلى تخفيف الطاقة عن طريق تقليل السرعة أثناء تحركاتك.
دعونا نستكشف فكرة أن زخم جسمين متصادمين يتنبأ بما سيحدث بعد اصطدامهما. يعد هذا عاملاً مهمًا يجب مراعاته عند تطوير مشاريع المنافسة لأنك تريد أن يتحرك الروبوت الخاص بك بأسرع ما يمكن. تريد أيضًا أن يكون لديك أكبر عدد ممكن من المكونات المضمنة في الروبوت مما يمنحه ميزة للتلاعب والجمع أثناء اللعبة.
الزخم هو مقدار حركة الجسم ويتم تحديده من خلال كتلة الجسم المتحرك وسرعته. لذلك، يمكن للروبوت التنافسي بجميع مكوناته أن يكون ثقيلًا ويتحرك بأسرع ما يمكن. ولذلك، فإن زخمها مرتفع جدا. هذا هو الوقت الذي تحتاج فيه إلى التفكير فيما يحدث عندما تتلامس مع أجزاء من الحقل أو الروبوتات الأخرى.
انظر مرة أخرى إلى طاولتك من نشاط استكشاف السرعة. لقد قمت باختبار نقل الطاقة أثناء الاصطدامات من خلال تحديد سرعات مختلفة للروبوت ودفعه للأمام حتى يصطدم بالكرة. لا بد أنك لاحظت أن السرعات الأعلى المحددة للروبوت دفعت الكرة لمسافة أبعد بعد الاصطدام مقارنة بالسرعات المنخفضة. وهذا تأثير واضح لزخم الروبوت لأن كتلة الروبوت ظلت كما هي ولكن سرعته زادت وبالتالي زادت زخمه.
من الأمور المهمة التي يجب مراعاتها بشأن هذا الاختبار هو أن الكرة لم تكن تتحرك. كانت له سرعة وزخم وتسارع جميع الأصفار قبل أن يصطدم به الروبوت. والأهم من ذلك، أن كتلته كانت على الأرجح أقل بكثير من كتلة الروبوت. وبعد الاصطدام، زادت تسارعها، وبالتالي سرعتها وكمية حركتها. مدى سرعة الكرة بعد الاصطدام يعتمد جزئيًا على كتلة الكرة. الكرات الأخف تتسارع وتتحرك بشكل أسرع. إذا استخدم فصلك كرة ذات كتلة أكبر، تخيل كرة بولينج، فربما تحركت الكرة ببطء وليس بعيدًا جدًا بعد الاصطدام.
مرة أخرى، من المهم أخذ هذا في الاعتبار عند التخطيط للمنافسة لأنه يمكنك كسر أجزاء من الملعب، أو أجزاء من الروبوت الخاص بك، أو أجزاء من الروبوتات الأخرى إذا كان زخم الروبوت مرتفعًا جدًا. تخيل لو كان الروبوت الخاص بك يتمتع بسرعة عالية واصطدم بجسم لا يمكنه التدحرج بعيدًا مثل الكرة في النشاط السابق. من الممكن أن يكون هذا الجسم قد تم كسره بواسطة قوى الاصطدام (الطاقة) الناتجة عن الاصطدام.
أدوات المعلم - شرح التصادم بشكل أكبر
نقطة أخرى مهمة في فهم تأثير السرعة على الزخم هي الفرق بين التسارع والسرعة. التسارع هو معدل التغير في السرعة. في نشاط استكشاف السرعة السابق، كان التسارع عاملاً مهمًا لأن الكرة كانت في حالة سكون قبل الاصطدام. ومن ثم، وبسبب التسارع الناتج عن الاصطدام، تصل الكرة إلى سرعتها النهائية.
يرتبط هذا بقانون نيوتن الثاني للحركة: أن تسارع الجسم يعتمد على متغيرين - صافي أو مجموع القوة (القوى) المؤثرة على الجسم، وكتلة الجسم. يمكن القول إن القوة المحصلة المؤثرة على الكرة كانت صفرًا؛ لأنها كانت في حالة سكون. كان تسارعها بعد اصطدامها بالروبوت هو نتاج قوة (زخم) الروبوت وكمية كتلة الكرة. الكرات الأثقل (على سبيل المثال، كرة البولينج أو كرة السلة) في هذا النشاط لن تتسارع بنفس سرعة الكرات الأخف وزنًا (على سبيل المثال، كرة القدم أو الكرة النطاطة القابلة للنفخ).
توسيع التعلم الخاص بك - البيسبول
لربط هذا النشاط بالاصطدامات الأخرى، يمكن للطلاب التحقق من سرعة تأرجح مضرب البيسبول ومدى سرعة انتقال كرات البيسبول بعد الاصطدام بالمضرب أو التعرض له. اطلب منهم أن يأخذوا في الاعتبار كتلة المضرب والمفاضلات بين كتلة المضرب (الخشب مقابل الألومنيوم)، وسرعته عند تأرجحه، وزخمه عندما يضرب الكرة.