Navrhování s ohledem na dynamiku
Optimalizace silpro soutěžní roboty výzvou Jak může fyzika ovlivnit soutěžní roboty
Při navrhování robota pro robotické soutěže VEX je třeba mít na paměti, že jakýkoli motor bude bojovat proti setrvačnosti robota, kdykoli je robot v chodu. Setrvačnost je odpor objektu vůči změnám jeho rychlosti. Setrvačnost se zvyšuje se zvyšující se hmotností objektu, a tedy i jeho hybností. To znamená, že pokud robotovi přidáte hmotnost a uděláte ho těžším, než je nutné, motory nebudou tak účinné při změně rychlosti robota! Proto byste se měli snažit použít co nejlehčí a co nejméně materiálů, pokud chcete maximalizovat účinnost motorů.
Na druhou stranu, velmi rychlý provoz lehkého robota může také vést k obtížím. Pokud se v průběhu soutěže snažíte o přesné a správné pohyby, možná budete muset zmírnit sílu snížením rychlosti během pohybů.
Pojďme prozkoumat myšlenku, že hybnost dvou srážejících se objektů předpovídá, co se stane po jejich srážce. Toto je důležitý faktor, který je třeba zvážit při vývoji soutěžních projektů, protože chcete, aby se váš robot pohyboval co nejrychleji. Také chcete mít v robotovi zabudováno co nejvíce komponent, které mu poskytnou výhodu pro manipulaci a sbírání během hry.
Hybnost je množství pohybu, které objekt vykonává, a je určena hmotností a rychlostí pohybujícího se objektu. Takže soutěžní robot se všemi svými komponenty může být těžký a pohybovat se co nejrychleji. Jeho dynamika je proto velmi vysoká. V tomto okamžiku je třeba zvážit, co se stane, když se robot dostane do kontaktu s částmi hřiště nebo jinými roboty.
Podívejte se zpět na svůj stůl z aktivity Průzkum rychlosti. Testovali jste přenos energie během srážek nastavením různých rychlostí robota a jeho pohybem vpřed, dokud nenarazil na míč. Měli jste si všimnout, že vyšší rychlosti nastavené pro robota tlačily míč po srážce dále než nižší rychlosti. To je zřejmý důsledek hybnosti robota, protože hmotnost robota zůstala stejná, ale rychlost se zvýšila, a proto se zvýšila i jeho hybnost.
Důležité je u tohoto testu zvážit, že míč se nepohyboval. Než se s ním robot srazil, měl rychlost, hybnost a zrychlení rovné nule. Důležité je, že jeho hmotnost byla pravděpodobně mnohem menší než hmotnost robota. Po srážce se jeho zrychlení, a tedy i rychlost i hybnost, zvýšily. Rychlost míče po srážce částečně závisela na hmotnosti míče. Lehčí kuličky zrychlují a pohybují se rychleji. Pokud by vaše třída použila kouli s větší hmotností, představte si bowlingovou kouli, koule by se po nárazu mohla pohybovat pomalu a ne příliš daleko.
Opět je důležité to zvážit při plánování soutěže, protože pokud je hybnost robota příliš vysoká, můžete zlomit části hřiště, části vašeho robota nebo části jiných robotů. Představte si, že by váš robot měl vysokou rychlost a narazil do objektu, který by se nemohl odkutálet jako míč v předchozí aktivitě. Tento objekt mohl být rozbit nárazovými silami (energií) srážky.
Sada nástrojů pro učitele
-
Další vysvětlení kolize
Dalším důležitým bodem pro pochopení vlivu rychlosti na hybnost je rozdíl mezi zrychlením a rychlostí. Zrychlení je míra změny rychlosti. V předchozí aktivitě Zkoumání rychlosti bylo zrychlení důležitým faktorem, protože míč byl před srážkou v klidu. Takže právě díky zrychlení způsobenému srážkou dosáhne míč své konečné rychlosti.
To souvisí s druhým Newtonovým pohybovým zákonem: zrychlení objektu závisí na dvou proměnných - součtu sil působících na objekt a hmotnosti objektu. Výsledná síla působící na míč byla pravděpodobně nulová, protože byl v klidu. Jeho zrychlení po nárazu robotem bylo součinem síly (hybnosti) robota a hmotnosti míče. Těžší míče (např. bowlingová koule nebo basketbalový míč) by v této aktivitě nezrychlily tak rychle jako lehčí míče (např. fotbalový míč nebo nafukovací skákací míč).
Rozšiřte si své učení
Aby studenti mohli tuto aktivitu propojit s jinými srážkami, mohou zkoumat rychlost švihu baseballového pálkaře a to, jak rychle se baseballové míčky pohybují po srážce s pálkou nebo po úderu jí. Nechte je zvážit hmotnost pálky a kompromisy mezi hmotností pálky (dřevěná vs. hliníková), její rychlostí při švihu a její hybností při úderu do míče.