Φόντο

Σε αυτήν την Ενότητα Φυσικών Επιστημών, οι μαθητές θα εξερευνήσουν πώς κινούνται τα αντικείμενα και θα διερευνήσουν επίσης τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτά. Η κίνηση και η δύναμη είναι βασικές έννοιες στη φυσική. Όλα τα πράγματα στο σύμπαν βρίσκονται σε συνεχή κίνηση και επηρεάζονται από ισορροπημένες και μη ισορροπημένες δυνάμεις, όπως η βαρύτητα.

Μια μη ισορροπημένη δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο αλλάζει την ταχύτητα ή/και την κατεύθυνση κίνησής του. Αν οι δυνάμεις είναι ισορροπημένες, το αντικείμενο θα είναι ακίνητο. Αν οι δυνάμεις που ασκούνται στο αντικείμενο είναι ανισορροπημένες, αυτό θα κινηθεί. Σε αυτήν την Ενότητα, οι μαθητές θα πειραματιστούν με ισορροπημένες και μη ισορροπημένες δυνάμεις στο Υπεραυτοκίνητο.

Τι είναι η Δύναμη;

Η δύναμη είναι μια ώθηση ή έλξη σε ένα αντικείμενο. Όταν ασκείται δύναμη σε ένα αντικείμενο και αυτή η δύναμη δεν αντιτίθεται, αλλάζει την κίνηση ενός αντικειμένου. Υπάρχουν ισορροπημένες αλλά και μη ισορροπημένες δυνάμεις. Οι δυνάμεις που έχουν ίσες αλλά αντίθετες κατευθύνσεις ονομάζονται ισορροπημένες δυνάμεις. Οι ισορροπημένες δυνάμεις δεν προκαλούν την κίνηση ενός αντικειμένου.

Ένα παράδειγμα ισορροπημένης δύναμης θα ήταν δύο ομάδες ανθρώπων που παίζουν διελκυστίνδα με την ίδια ποσότητα δύναμης. Αυτό θα προκαλούσε την παραμονή του σχοινιού στη θέση του, καθώς οι αντίθετες δυνάμεις που ασκούνται και στις δύο πλευρές είναι ισοδύναμες. Ωστόσο, οι δυνάμεις που δεν είναι ισορροπημένες θα προκαλέσουν την κίνηση ενός ή περισσότερων αντικειμένων.

Αν και οι δύο πλευρές τραβιούνται με την ίδια δύναμη, το σχοινί δεν κινείται και ούτε οι άνθρωποι που το τραβούν. Ωστόσο, εάν η δύναμη έλξης είναι μεγαλύτερη στη μία πλευρά, θα προκαλέσει την κίνηση του σχοινιού τόσο καλά όσο και των ανθρώπων στην άλλη πλευρά.

Βαρύτητα ή Οι βαρυτικές δυνάμεις είναι δυνάμεις έλξης. Στη Γη, η βαρύτητα είναι η δύναμη που ασκεί πάνω μας, έλκοντάς μας και κρατώντας μας στο έδαφος. Αυτή η δύναμη καθορίζει το βάρος μας, το ύψος μιας μπάλας ή οποιαδήποτε άλλη φυσική δύναμη στον πλανήτη.

 

Σε αυτήν την Ενότητα, οι μαθητές θα πειραματιστούν με ισορροπημένη και μη ισορροπημένη βαρυτική δύναμη τοποθετώντας το μη μηχανοκίνητο υπεραυτοκίνητό τους στην κορυφή μιας ράμπας.

Κατά τη διάρκεια του Εργαστηρίου 5, οι μαθητές θα εισαχθούν στην ταχύτητα μέσω της χρήσης του VEXcode GO για να αλλάξουν τις ρυθμίσεις ταχύτητας του Code Super Car. Η ταχύτητα είναι ένα μέτρο της ταχύτητας και της κατεύθυνσης προς την οποία κινείται ένα αντικείμενο. Αν οι μαθητές μειώσουν την ταχύτητα του Code Super Car, θα μειωθεί και η δύναμη που ασκεί το Code Super Car. Ισορροπημένες δυνάμεις θα κάνουν την ταχύτητα του Code Super Car να παραμένει σταθερή. Μια ανισορροπημένη δύναμη θα προκαλούσε επιτάχυνση ή επιβράδυνση του Code Super Car.

Τι είναι η Κίνηση;

Η κίνηση είναι κίνηση. Αυτή η κίνηση μπορεί να αναλυθεί παρατηρώντας και μετρώντας πόσο μακριά ταξιδεύει ένα αντικείμενο, πόσο γρήγορα κινείται και προς την κατεύθυνση που κινείται. Πιο συγκεκριμένα, η κίνηση μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας τους τρεις νόμους του Νεύτωνα.

Πρώτος Νόμος Κίνησης του Νεύτωνα

Ο Πρώτος Νόμος Κίνησης του Νεύτωνα: ορίζει ότι ένα αντικείμενο σε ηρεμία παραμένει σε ηρεμία και ένα αντικείμενο σε κίνηση παραμένει σε κίνηση, εκτός εάν ασκηθεί σε αυτό κάποια μη ισορροπημένη ή εξωτερική δύναμη.

Όταν τα αντικείμενα είναι σε ηρεμία, είναι πιο εύκολο για τους μαθητές να κατανοήσουν γιατί είναι σε ηρεμία. Ωστόσο, όταν τα αντικείμενα κινούνται και στη συνέχεια είτε επιβραδύνονται σταδιακά είτε σταματούν ξαφνικά λόγω ορισμένων δυνάμεων όπως η τριβή ή η βαρύτητα, αυτές οι έννοιες συχνά δεν είναι εύκολα ορατές. Έτσι, είναι πιο δύσκολο να τα κατανοήσει κανείς εννοιολογικά. Τα αντικείμενα σε ηρεμία οφείλονται συχνά σε δυνάμεις που εξισορροπούνται σε αυτό το αντικείμενο. Όταν ένα αντικείμενο κινείται, θα συνεχίσει να κινείται μέχρι να ασκηθεί πάνω του κάποια ανισορροπημένη ή εξωτερική δύναμη. Για παράδειγμα, αν κυλήσετε μια μπάλα κάτω από έναν λόφο, αυτή θα συνεχίσει να κυλάει μέχρι να χτυπήσει κάτι ή να ισοπεδωθεί σε μια επίπεδη επιφάνεια και να επιβραδυνθεί λόγω τριβής ή/και βαρύτητας.

Δεύτερος Νόμος Κίνησης του Νεύτωνα

Δεύτερος Νόμος Κίνησης του Νεύτωνα: ορίζει ότι η επιτάχυνση ενός αντικειμένου εξαρτάται από τη μάζα του και τη δύναμη που ασκείται σε αυτό. Ο νόμος ορίζει μια δύναμη ως ίση με τη μάζα επί την επιτάχυνση. (δηλαδή F = m*a).

Όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο, τόσο περισσότερο επηρεάζεται το αντικείμενο. Υπάρχουν πολλές προϋποθέσεις που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Για παράδειγμα, πόσο βαρύ ή μεγάλο είναι το αντικείμενο; Όσο βαρύτερο ή μεγαλύτερο είναι το αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερη δύναμη θα απαιτηθεί για να το μετακινήσετε.

Ο Τρίτος Νόμος Κίνησης του Νεύτωνα

Ο Τρίτος Νόμος Κίνησης του Νεύτωνα: ορίζει ότι για κάθε δράση, υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση. Με άλλα λόγια, αν το αντικείμενο 1 ασκεί δύναμη στο αντικείμενο 2, τότε το αντικείμενο 2 ασκεί επίσης ίση δύναμη στο αντικείμενο 1.

Σκεφτείτε να καθίσετε σε μια καρέκλα. Η δύναμη που ασκείται όταν κάθεστε πρέπει να αντισταθμίζεται από μια δύναμη που ασκείται προς τα πάνω, διαφορετικά η καρέκλα θα κατέρρεε. Όσον αφορά τις ισορροπημένες και μη ισορροπημένες δυνάμεις, όταν οι δυνάμεις είναι ισορροπημένες, ένα αντικείμενο δεν κινείται και είναι ακίνητο. Για παράδειγμα, σκεφτείτε ότι σπρώχνετε το χέρι σας στον τοίχο. Η δύναμη του βραχίονά σας εξισορροπείται με τη δύναμη που ασκεί ο τοίχος προκειμένου να παραμείνει ακίνητος. Οι δυνάμεις μπορούν επίσης να είναι ανισόρροπες. Όταν οι δυνάμεις είναι ανισορροπημένες, τα αντικείμενα κινούνται. Αυτό οφείλεται στο ότι μια δύναμη είναι μεγαλύτερη από μια άλλη.

Τι είναι τα Gears;

Τα γρανάζια είναι τροχοί με δόντια γύρω από τις άκρες που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά δύναμης από τη μία θέση στην άλλη. Αυτό μπορεί να γίνει με γρανάζια του ίδιου μεγέθους για τη μεταφορά της ίδιας δύναμης ή χρησιμοποιώντας γρανάζια διαφόρων μεγεθών για να δημιουργηθεί πλεονέκτημα ταχύτητας ή ισχύος καθώς μεταφέρεται η δύναμη.

Υπάρχουν δύο τύποι μηχανικών πλεονεκτημάτων που μπορούν να δημιουργήσουν τα γρανάζια. Ένα Μηχανικό Πλεονέκτημα είναι όταν χρειάζεστε λιγότερη δύναμη για να κάνετε την ίδια ποσότητα εργασίας επειδή μια απλή μηχανή (σε αυτήν την περίπτωση: γρανάζια) χρησιμοποιείται για την αύξηση και την αλλαγή της κατεύθυνσης της εφαρμοζόμενης δύναμης. Ένα μηχανικό πλεονέκτημα μπορεί να προσαρμοστεί για να καλύψει συγκεκριμένες ανάγκες. Όταν δύο γρανάζια ίδιου μεγέθους εμπλέκονται, δημιουργείται μια αναλογία μεταφοράς ισχύος 1-1. Δύο άλλοι τύποι μηχανικού πλεονεκτήματος είναι η ταχύτητα και η ροπή.

Όσον αφορά τον τρόπο κίνησης των γραναζιών, υπάρχει ένα κινητήριο γρανάζι και ένα κινούμενο γρανάζι. Ένα γρανάζι κίνησης είναι το γρανάζι που αναμεταδίδει ή μεταδίδει ισχύ σε ένα άλλο γρανάζι. Ένα κινούμενο γρανάζι είναι το γρανάζι που προωθείται προς τα εμπρός από ένα άλλο γρανάζι.

Η ροπή είναι ένα μηχανικό πλεονέκτημα που καθιστά την απόδοση ενός κινούμενου γραναζιού ή μηχανής πιο ισχυρή. Η ροπή δημιουργείται όταν ένα μικρότερο γρανάζι κινεί ένα μεγαλύτερο γρανάζι. Χρειάζονται περισσότερες περιστροφές στο μικρότερο γρανάζι για να περιστραφεί το μεγάλο γρανάζι κατά μία πλήρη περιστροφή. Παρακολουθήστε την παρακάτω κινούμενη εικόνα για να δείτε ένα μικρό γρανάζι να περιστρέφει ένα μεγαλύτερο γρανάζι.

Η ταχύτητα είναι η απόσταση που κινείται ένα αντικείμενο με την πάροδο του χρόνου και αποτελεί ένα μηχανικό πλεονέκτημα που καθιστά την απόδοση του κινούμενου γραναζιού ή της μηχανής ταχύτερη. Αυτό το πλεονέκτημα δημιουργείται όταν ένα μεγαλύτερο γρανάζι κινεί ένα μικρότερο γρανάζι. Παρακολουθήστε την παρακάτω κινούμενη εικόνα για να δείτε ένα μεγάλο γρανάζι να γυρίζει ένα μικρότερο γρανάζι.

Η ταχύτητα είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη ροπή. Εάν η ταχύτητα εξόδου είναι επιθυμητή, τότε η ροπή πρέπει να μειωθεί. Ισχύει και το αντίστροφο, εάν επιθυμείται περισσότερη ροπή ή ισχύς ως έξοδος, τότε η ταχύτητα θα μειωθεί.

Το κιτ VEX GO διαθέτει τέσσερις τύπους γραναζιών: το κόκκινο γρανάζι έχει 8 δόντια, το πράσινο γρανάζι έχει 16 δόντια, το μπλε γρανάζι έχει 24 δόντια και το ροζ γρανάζι έχει 24 δόντια.  Τα κόκκινα, πράσινα και μπλε γρανάζια μπορούν να μεταφέρουν ταχύτητα και ροπή. Το ροζ γρανάζι δεν έχει τετράγωνη τρύπα στο κέντρο και είναι ένα "αδρανές" γρανάζι. Χρησιμοποιείται συχνά για τη μεταφορά ροπής από τη μία θέση στην άλλη, χωρίς να αλλάζει η σχέση μετάδοσης.