Pozadí

V této lekci fyzikálních věd se studenti budou zabývat pohybem objektů a také silami, které na ně působí. Pohyb a síla jsou klíčové pojmy ve fyzikální vědě. Všechny věci ve vesmíru jsou neustále v pohybu a jsou ovlivňovány vyváženými a nevyváženými silami, jako je gravitace.

Nevyvážená síla působící na objekt mění jeho rychlost a/nebo směr pohybu. Pokud jsou síly vyvážené, objekt bude v klidu. Pokud jsou síly působící na těleso nevyvážené, bude se pohybovat. V této lekci budou studenti experimentovat s vyváženými a nevyváženými silami působícími na superauto.

Co je Síla?

Síla je tlak nebo tah na objekt. Když na objekt působí síla a tato síla není nijak obrácena, změní se jeho pohyb. Existují vyvážené i nevyvážené síly. Síly, které jsou stejné, ale mají opačný směr, se nazývají vyvážené síly. Vyvážené síly nezpůsobují pohyb objektu.

Příkladem vyvážené síly by byly dvě skupiny lidí hrající přetahovanou se stejnou silou. To by způsobilo, že lano zůstane na místě, protože opačné síly působící na obou stranách jsou ekvivalentní. Nevyvážené síly však způsobí pohyb jednoho nebo více objektů.

Pokud jsou obě strany taženy stejnou silou, lano se nepohybuje a ani lidé, kteří táhnou. Pokud je však tažná síla na jedné straně větší, způsobí to pohyb lana i osob na druhé straně.

Gravitace nebo gravitační síly jsou síly přitažlivosti. Na Zemi je gravitace síla, kterou na nás Země působí, přitahuje nás a drží nás na zemi. Tato síla určuje naši hmotnost, výšku létajícího míče nebo jakoukoli jinou fyzikální sílu na planetě.

 

V této lekci budou studenti experimentovat s vyváženou a nevyváženou gravitační silou umístěním svého nepoháněného superautomobilu na rampu.

Během cvičení 5 se studenti seznámí s rychlostí pomocí programu VEXcode GO, který umožňuje měnit nastavení rychlosti vozu Code Super Car. Rychlost je měřítkem toho, jak rychle a jakým směrem se objekt pohybuje. Pokud studenti sníží rychlost auta Code Super Car, sníží se tím i síla, kterou Code Super Car vyvíjí. Vyvážené síly zajistí, že rychlost vozu Code Super Car zůstane konstantní. Nevyvážená síla by způsobila zrychlení nebo zpomalení Code Super Car.

Co je to pohyb?

Pohyb je pohyb. Tento pohyb lze analyzovat pozorováním a měřením toho, jak daleko se objekt pohybuje, jak rychle se pohybuje a jakým směrem se pohybuje. Přesněji řečeno, pohyb lze popsat pomocí tří Newtonových zákonů.

Newtonův první pohybový zákon

Newtonův první pohybový zákon: říká, že objekt v klidu zůstává v klidu a objekt v pohybu zůstává v pohybu, pokud na něj nepůsobí nevyvážená nebo vnější síla.

Když jsou objekty v klidu, je pro studenty snazší pochopit, proč jsou v klidu. Když se však objekty pohybují a poté buď postupně zpomalují, nebo se náhle zastaví v důsledku nějakých sil, jako je tření nebo gravitace, tyto koncepty často nelze snadno vidět. Proto je obtížnější je konceptualizovat. Objekty v klidu jsou často způsobeny vyvážením sil, které na ně působí. Když se objekt pohybuje, bude se pohybovat, dokud na něj nepůsobí nějaká nevyvážená nebo vnější síla. Například pokud kutálíte míč z kopce, bude se kutálet dál, dokud do něčeho nenarazí nebo se nevyrovná na rovném povrchu a nezpomalí v důsledku tření a/nebo gravitace.

Newtonův druhý pohybový zákon

Newtonův druhý pohybový zákon: říká, že zrychlení objektu závisí na hmotnosti objektu a síle, která na něj působí. Zákon definuje sílu jako rovnou hmotnosti krát zrychlení. (tj F = m*a).

Čím větší síla je na objekt aplikována, tím více je na něj působeno. Je třeba zvážit mnoho podmínek. Například, jak těžký nebo velký je předmět? Čím těžší nebo větší je předmět, tím větší síla bude potřeba k jeho pohybu.

Newtonův třetí pohybový zákon

Newtonův třetí pohybový zákon: říká, že na každou akci existuje stejná a opačná reakce. Jinými slovy, pokud objekt 1 vyvíjí sílu na objekt 2, pak objekt 2 také vyvíjí stejnou sílu na objekt 1.

Představte si, že si sednete na židli. Síle, kterou musíte udělat, abyste se posadili, musí proti sobě působit síla působící nahoru, jinak by se židle zhroutila. Pokud jde o vyvážené a nevyvážené síly, když jsou síly vyvážené, objekt se nepohybuje a je nehybný. Představte si například, že tlačíte rukou o zeď. Síla vaší paže je vyvážena silou vyvíjenou stěnou, abyste zůstali v klidu. Síly mohou být také nevyvážené. Když jsou síly nevyvážené, objekty se pohybují. Je to způsobeno tím, že jedna síla je větší než druhá.

Co jsou ozubená kola?

Ozubená kola jsou kola se zuby po okrajích používaná k přenosu síly z jedné polohy do druhé. Toho lze dosáhnout pomocí ozubených kol stejné velikosti pro přenos stejné síly nebo použitím ozubených kol různých velikostí pro vytvoření rychlostní nebo výkonové výhody při přenosu síly.

Existují dva typy mechanických výhod, které mohou převody vytvářet. výhoda nastává, když k vykonání stejného množství práce potřebujete menší sílu, protože ke zvýšení a změně směru působící síly se používá jednoduchý stroj (v tomto případě: ozubená kola). Mechanickou výhodu lze upravit tak, aby vyhovovala specifickým potřebám. Když jsou dva ozubená kola stejné velikosti zapojené dohromady, vytvoří se přenos výkonu v poměru 1:1. Dva další typy mechanické výhody jsou rychlost a točivý moment.

Co se týče způsobu pohybu ozubených kol, existuje hnací kolo a hnané kolo. Hnací ozubené kolo je ozubené kolo, které přenáší nebo přenáší výkon na jiné ozubené kolo. Hnané ozubené kolo je ozubené kolo poháněné dopředu jiným ozubeným kolem.

Točivý moment je mechanická výhoda, která zvyšuje výkon poháněného ozubeného kola nebo stroje. Točivý moment vzniká, když menší ozubené kolo pohání větší ozubené kolo. Menšímu ozubenému kolu je zapotřebí více otáček, aby se velké ozubené kolo otočilo o jednu celou otáčku. Podívejte se na animaci níže, kde uvidíte, jak malé ozubené kolo otáčí větším ozubeným kolem.

Rychlost je vzdálenost, o kterou se objekt v čase pohybuje, a představuje mechanickou výhodu, která zvyšuje výkon poháněného ozubeného kola nebo stroje. Tato výhoda vzniká, když větší ozubené kolo pohání menší ozubené kolo. Podívejte se na animaci níže, kde uvidíte, jak velké ozubené kolo otáčí menším ozubeným kolem.

Rychlost je nepřímo úměrná točivému momentu. Pokud je na výstupu požadována rychlost, je nutné snížit točivý moment. Platí i opačně, pokud je jako výstup požadován větší točivý moment nebo výkon, pak se otáčky sníží.

Sada VEX GO má čtyři typy ozubených kol: červené ozubené kolo má 8 zubů, zelené ozubené kolo má 16 zubů, modré ozubené kolo má 24 zubů a růžové ozubené kolo má 24 zubů.  Červené, zelené a modré ozubené kolo dokáže přenášet rychlost a točivý moment. Růžové ozubené kolo nemá uprostřed čtvercový otvor a jedná se o „vložené“ ozubené kolo. Často se používá k přenosu točivého momentu z jedné polohy do druhé bez změny převodového poměru.