In dieser physikalischen Einheit erforschen die Schüler, wie sich Objekte bewegen und welche Kräfte auf sie einwirken. Bewegung und Kraft sind Schlüsselkonzepte in der Physik. Alle Dinge im Universum sind ständig in Bewegung und werden von ausgeglichenen und unausgeglichenen Kräften wie der Schwerkraft beeinflusst.
Eine unausgeglichene Kraft, die auf ein Objekt einwirkt, ändert seine Geschwindigkeit und/oder Bewegungsrichtung. Wenn die Kräfte ausgeglichen sind, bleibt das Objekt still. Wenn die auf das Objekt einwirkenden Kräfte unausgeglichen sind, bewegt es sich. In dieser Einheit experimentieren die Schüler mit ausgeglichenen und unausgeglichenen Kräften am Superauto.
Was ist Kraft?
Kraft ist ein Stoß oder Zug auf ein Objekt. Wenn auf ein Objekt Kraft ausgeübt wird und diese Kraft auch ungehindert ist, verändert sie die Bewegung eines Objekts. Es gibt sowohl ausgeglichene als auch unausgeglichene Kräfte. Kräfte, die gleich, aber in entgegengesetzter Richtung gerichtet sind, werden ausgeglichene Kräfte genannt. Ausgeglichene Kräfte bewirken keine Bewegung eines Objekts.
Ein Beispiel für eine ausgeglichene Streitmacht wären zwei Gruppen von Menschen, die mit der gleichen Stärke Tauziehen spielen. Dies würde dazu führen, dass das Seil an Ort und Stelle bleibt, da die auf beiden Seiten wirkenden Gegenkräfte gleich groß sind. Unausgeglichene Kräfte führen jedoch dazu, dass sich ein oder mehrere Objekte bewegen.
Wenn beide Seiten mit der gleichen Kraft gezogen werden, bewegt sich das Seil nicht und die ziehenden Personen auch nicht. Ist die Zugkraft jedoch auf einer Seite größer, führt dies dazu, dass sich sowohl das Seil als auch die Personen auf der anderen Seite bewegen.
Schwerkraft oder Gravitationskräfte sind Anziehungskräfte. Auf der Erde ist die Schwerkraft die Kraft, die die Erde auf uns ausübt, die an uns zieht und uns am Boden hält. Diese Kraft bestimmt unser Gewicht, die Höhe eines Flugballs oder jede andere physikalische Kraft auf dem Planeten.

In dieser Einheit experimentieren die Schüler mit ausgeglichener und unausgeglichener Schwerkraft, indem sie ihr Superauto ohne Antrieb auf eine Rampe stellen.

In Labor 5 werden die Schüler mit der Geschwindigkeit vertraut gemacht, indem sie VEXcode GO verwenden, um die Geschwindigkeitseinstellungen des Code Super Car zu ändern. Die Geschwindigkeit ist ein Maß dafür, wie schnell und in welche Richtung sich ein Objekt bewegt. Wenn die Schüler die Geschwindigkeit des Code-Superautos reduzieren, verringert sich auch die Kraft, die das Code-Superauto ausübt. Ausgewogene Kräfte sorgen dafür, dass die Geschwindigkeit des Code Super Car konstant bleibt. Eine unausgeglichene Kraft würde dazu führen, dass das Code Super Car beschleunigt oder abbremst.
Was ist Bewegung?
Bewegung ist Bewegung. Diese Bewegung kann analysiert werden, indem beobachtet und gemessen wird, wie weit sich ein Objekt bewegt, wie schnell es sich bewegt und in welche Richtung es sich bewegt. Genauer gesagt kann Bewegung mit den drei Newtonschen Gesetzen beschrieben werden.
Newtons erstes Bewegungsgesetz
Newtons erstes Bewegungsgesetz: besagt, dass ein ruhender Gegenstand in Ruhe bleibt und ein bewegter Gegenstand in Bewegung bleibt, sofern nicht eine unausgeglichene oder äußere Kraft auf ihn einwirkt.
Wenn Objekte ruhen, ist es für Schüler einfacher zu verstehen, warum sie ruhen. Wenn sich Objekte jedoch bewegen und dann aufgrund von Kräften wie Reibung oder Schwerkraft entweder allmählich langsamer werden oder plötzlich anhalten, sind diese Konzepte oft nicht leicht zu erkennen. Daher sind sie schwieriger zu konzeptualisieren. Ruhende Objekte sind oft darauf zurückzuführen, dass Kräfte auf das Objekt einwirken. Wenn sich ein Objekt bewegt, bewegt es sich weiter, bis eine unausgeglichene oder äußere Kraft auf es einwirkt. Wenn Sie beispielsweise einen Ball einen Hügel hinunterrollen, rollt er weiter, bis er auf etwas trifft oder auf einer ebenen Fläche landet und aufgrund von Reibung und/oder Schwerkraft langsamer wird.
Newtons zweites Bewegungsgesetz
Newtons zweites Bewegungsgesetz: besagt, dass die Beschleunigung eines Objekts von der Masse eines Objekts und der auf es wirkenden Kraft abhängt. Das Gesetz definiert eine Kraft als Masse mal Beschleunigung. (d. h F = m*a).
Je größer die Kraft ist, die auf ein Objekt ausgeübt wird, desto stärker wird das Objekt beeinflusst. Es sind viele Bedingungen zu berücksichtigen. Wie schwer oder groß ist beispielsweise das Objekt? Je schwerer oder größer das Objekt ist, desto mehr Kraft ist erforderlich, um es zu bewegen.
Newtons drittes Bewegungsgesetz
Newtons drittes Bewegungsgesetz: besagt, dass es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion gibt. Mit anderen Worten: Wenn Objekt 1 eine Kraft auf Objekt 2 ausübt, dann übt Objekt 2 auch die gleiche Kraft auf Objekt 1 aus.
Denken Sie darüber nach, sich auf einen Stuhl zu setzen. Der Kraft beim Hinsetzen muss eine nach oben gerichtete Kraft entgegenwirken, sonst würde der Stuhl zusammenbrechen. Was ausgeglichene und unausgeglichene Kräfte angeht: Wenn die Kräfte ausgeglichen sind, bewegt sich ein Objekt nicht und ist stationär. Denken Sie zum Beispiel daran, wie Sie Ihren Arm gegen die Wand drücken. Die Kraft Ihres Arms wird mit der Kraft der Wand ausgeglichen, um im Stillstand zu bleiben. Kräfte können auch unausgeglichen sein. Wenn die Kräfte unausgeglichen sind, bewegen sich Objekte. Dies liegt daran, dass eine Kraft größer ist als eine andere.
Was sind Zahnräder?
Zahnräder sind Räder mit Zähnen an den Kanten, die dazu dienen, Kraft von einer Position in eine andere zu übertragen. Dies kann mit Zahnrädern gleicher Größe erfolgen, um die gleiche Kraft zu übertragen, oder durch die Verwendung von Zahnrädern unterschiedlicher Größe, um bei der Kraftübertragung einen Geschwindigkeits- oder Leistungsvorteil zu erzielen.
Es gibt zwei Arten mechanischer Vorteile, die Zahnräder bieten können. Ein mechanischer Vorteil liegt vor, wenn Sie weniger Kraft benötigen, um die gleiche Arbeitsmenge zu verrichten, da eine einfache Maschine (in diesem Fall: Zahnräder) verwendet wird, um die Richtung der ausgeübten Kraft zu erhöhen und zu ändern. Ein mechanischer Vorteil kann an spezifische Anforderungen angepasst werden. Wenn zwei Zahnräder gleicher Größe miteinander kämmen, entsteht eine Kraftübertragung im Verhältnis 1:1. Zwei weitere Arten von mechanischen Vorteilen sind Geschwindigkeit und Drehmoment.

In Bezug auf die Art und Weise, wie sich Zahnräder bewegen, gibt es ein Antriebsrad und ein Abtriebsrad. Ein Antriebsrad ist das Zahnrad, das Kraft an ein anderes Zahnrad weiterleitet oder überträgt. Ein angetriebenes Zahnrad ist das Zahnrad, das von einem anderen Zahnrad vorwärts angetrieben wird.
Drehmoment ist ein mechanischer Vorteil, der die Leistung eines angetriebenen Zahnrads oder einer angetriebenen Maschine stärker macht. Drehmoment entsteht, wenn ein kleineres Zahnrad ein größeres Zahnrad antreibt. Das kleinere Zahnrad benötigt mehr Umdrehungen, um das große Zahnrad um eine volle Umdrehung zu drehen.
Geschwindigkeit ist die Entfernung, die ein Objekt im Laufe der Zeit zurücklegt, und ist ein mechanischer Vorteil, der die Leistung des angetriebenen Zahnrads oder der angetriebenen Maschine beschleunigt. Dieser Vorteil entsteht, wenn ein größeres Zahnrad ein kleineres Zahnrad antreibt.
Die Geschwindigkeit ist umgekehrt proportional zum Drehmoment. Wenn die Drehzahl am Abtrieb gewünscht ist, muss das Drehmoment verringert werden. Das Umgekehrte gilt auch: Wenn mehr Drehmoment oder mehr Leistung als Ausgangsleistung gewünscht wird, sinkt die Drehzahl.
Das VEX GO Kit verfügt über vier Arten von Zahnrädern: das rote Zahnrad hat 8 Zähne, das grüne Zahnrad hat 16 Zähne, das blaue Zahnrad hat 24 Zähne und das rosa Zahnrad hat 24 Zähne. Die roten, grünen und blauen Zahnräder können Geschwindigkeit und Drehmoment übertragen. Das Pink Gear hat kein quadratisches Loch in der Mitte und ist ein „Leerlauf“-Zahnrad. Es wird häufig verwendet, um ein Drehmoment von einer Position in eine andere zu übertragen, ohne das Übersetzungsverhältnis zu ändern.