Wie die Physik Wettkampfroboter beeinflussen kann
Beim Entwurf eines Roboters für VEX-Robotik-Wettbewerbe müssen Sie bedenken, dass jeder Motor während des Betriebs gegen die Trägheit des Roboters ankämpft. Trägheit ist der Widerstand eines Objekts gegenüber Änderungen seiner Geschwindigkeit. Die Trägheit nimmt zu, wenn die Masse des Objekts und damit auch sein Impuls zunehmen. Dies bedeutet, dass die Motoren die Geschwindigkeit des Roboters nicht mehr so effektiv ändern können, wenn Sie Ihrem Roboter Masse hinzufügen und ihn schwerer als nötig machen. Wenn Sie die Effizienz der Motoren maximieren möchten, sollten Sie daher versuchen, so wenig Material und so wenig wie möglich und möglichst leichte Bauweise zu verwenden.
Andererseits kann es auch zu Schwierigkeiten führen, einen leichten Roboter sehr schnell laufen zu lassen. Wenn Sie im Verlauf eines Wettkampfes präzise und akkurate Bewegungen ausführen möchten, müssen Sie möglicherweise die Kraft drosseln, indem Sie die Geschwindigkeit während Ihrer Bewegungen reduzieren.
Lassen Sie uns die Idee untersuchen, dass der Impuls zweier kollidierender Objekte vorhersagt, was nach der Kollision passieren wird. Dies ist ein wichtiger Faktor, den Sie bei der Entwicklung von Wettbewerbsprojekten berücksichtigen müssen, da Ihr Roboter sich so schnell wie möglich bewegen soll. Außerdem sollten möglichst viele Komponenten in den Roboter eingebaut sein, die ihm beim Manipulieren und Sammeln während des Spiels einen Vorteil verschaffen.
Der Impuls ist das Ausmaß der Bewegung eines Objekts und wird durch die Masse und Geschwindigkeit des bewegten Objekts bestimmt. Ein Wettkampfroboter mit all seinen Komponenten kann also schwer sein und sich so schnell wie möglich bewegen. Daher ist seine Dynamik sehr hoch. Dabei ist zu berücksichtigen, was bei Kontakt mit Feldteilen oder anderen Robotern passiert.
Schauen Sie noch einmal auf Ihre Tabelle aus der Aktivität „Geschwindigkeit erkunden“. Sie haben die Energieübertragung bei Kollisionen getestet, indem Sie den Roboter auf unterschiedliche Geschwindigkeiten eingestellt und ihn vorwärts getrieben haben, bis er den Ball traf. Ihnen dürfte aufgefallen sein, dass höhere, für den Roboter eingestellte Geschwindigkeiten den Ball nach einer Kollision weiter schleuderten als niedrigere Geschwindigkeiten. Dies ist offensichtlich ein Effekt der Dynamik des Roboters, da die Masse des Roboters gleich geblieben ist, die Geschwindigkeit jedoch zugenommen hat und somit auch seine Dynamik zugenommen hat.
Bei diesem Test ist es wichtig zu berücksichtigen, dass sich der Ball nicht bewegte. Es hatte eine Geschwindigkeit, einen Impuls und eine Beschleunigung von ausschließlich Null, bevor der Roboter mit ihm kollidierte. Wichtig ist, dass seine Masse wahrscheinlich weitaus geringer war als die Masse des Roboters. Nach dem Zusammenstoß nahmen seine Beschleunigung und damit auch seine Geschwindigkeit und sein Impuls zu. Wie hoch die Geschwindigkeit des Balls nach dem Zusammenstoß war, hing teilweise von der Masse des Balls ab. Leichtere Bälle beschleunigen und bewegen sich schneller. Wenn in Ihrer Klasse ein Ball mit größerer Masse verwendet worden wäre (stellen Sie sich eine Bowlingkugel vor), hätte sich der Ball nach dem Zusammenstoß möglicherweise langsam und nicht sehr weit bewegt.
Auch dies muss bei der Planung eines Wettkampfs berücksichtigt werden, da bei einer zu hohen Dynamik des Roboters Teile des Feldes, Teile Ihres Roboters oder Teile anderer Roboter zerstört werden können. Stellen Sie sich vor, Ihr Roboter hätte eine hohe Geschwindigkeit und würde mit einem Objekt zusammenstoßen, das nicht wegrollen kann wie der Ball in der vorherigen Aktivität. Das Objekt könnte durch die Aufprallkräfte (Energie) der Kollision zerbrochen sein.
Lehrer-Toolbox
-
Eine Kollision näher erklären
Ein weiterer wichtiger Punkt zum Verständnis des Einflusses der Geschwindigkeit auf den Impuls ist der Unterschied zwischen Beschleunigung und Geschwindigkeit. Beschleunigung ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit. In der vorherigen Aktivität „Geschwindigkeit erkunden“ war die Beschleunigung ein wichtiger Faktor, da sich der Ball vor dem Zusammenstoß im Ruhezustand befand. Die durch den Zusammenstoß verursachte Beschleunigung führt also dazu, dass der Ball seine Endgeschwindigkeit erreicht.
Dies steht im Zusammenhang mit Newtons zweitem Bewegungsgesetz: Die Beschleunigung eines Objekts hängt von zwei Variablen ab – dem Nettobetrag oder der Summe der auf das Objekt einwirkenden Kräfte und der Masse des Objekts. Die auf den Ball wirkende Nettokraft war vermutlich Null, da er ruhte. Seine Beschleunigung nach dem Treffer durch den Roboter war das Produkt aus der Kraft (dem Impuls) des Roboters und der Masse des Balls. Schwerere Bälle (z. B. eine Bowlingkugel oder ein Basketball) würden bei dieser Aktivität nicht so schnell beschleunigen wie leichtere Bälle (z. B. ein Fußball oder ein aufblasbarer Hüpfball).
Erweitern Sie Ihr Lernen
-
Baseball
Um diese Aktivität mit anderen Kollisionen in Beziehung zu setzen, können die Schüler die Geschwindigkeit des Schwungs eines Baseballschlägers untersuchen und wie schnell Bälle fliegen, nachdem sie mit dem Schläger kollidiert sind oder von ihm getroffen wurden. Lassen Sie sie die Masse des Schlägers und die Kompromisse zwischen der Masse des Schlägers (Holz vs. Aluminium), seiner Geschwindigkeit beim Schwingen und seiner Dynamik beim Auftreffen auf den Ball berücksichtigen.