Σχεδιάζοντας με γνώμονα την ορμή
Πώς η Φυσική Μπορεί να Επηρεάσει τα Ρομπότ Αγώνων
Όταν σχεδιάζετε ένα ρομπότ για τους Διαγωνισμούς Ρομποτικής VEX, πρέπει να θυμάστε ότι οποιοσδήποτε κινητήρας θα παλεύει ενάντια στην αδράνεια του ρομπότ κάθε φορά που το ρομπότ λειτουργεί. Η αδράνεια είναι η αντίσταση ενός αντικειμένου στις μεταβολές της ταχύτητάς του. Η αδράνεια αυξάνεται καθώς αυξάνεται η μάζα του αντικειμένου και επομένως η ορμή του. Αυτό σημαίνει ότι αν προσθέσετε μάζα στο ρομπότ σας και το κάνετε βαρύτερο από όσο χρειάζεται, οι κινητήρες δεν θα είναι τόσο αποτελεσματικοί στην αλλαγή της ταχύτητας του ρομπότ! Επομένως, θα πρέπει να προσπαθήσετε να χρησιμοποιήσετε όσο το δυνατόν πιο ελαφριά και λιγότερα υλικά, εάν θέλετε να μεγιστοποιήσετε την απόδοση των κινητήρων.
Από την άλλη πλευρά, η πολύ γρήγορη λειτουργία ενός ελαφρού ρομπότ μπορεί επίσης να οδηγήσει σε δυσκολίες. Αν προσπαθείτε να κάνετε ακριβείς και σωστές κινήσεις κατά τη διάρκεια ενός αγώνα, ίσως χρειαστεί να μειώσετε τη δύναμη μειώνοντας την ταχύτητα κατά τη διάρκεια των κινήσεών σας.
Ας διερευνήσουμε την ιδέα ότι η ορμή δύο συγκρουόμενων αντικειμένων προβλέπει τι θα συμβεί μετά τη σύγκρουσή τους. Αυτός είναι ένας σημαντικός παράγοντας που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά την ανάπτυξη διαγωνιστικών έργων, επειδή θέλετε το ρομπότ σας να κινείται όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Θέλετε επίσης να έχετε όσο το δυνατόν περισσότερα εξαρτήματα ενσωματωμένα στο ρομπότ που θα του δώσουν πλεονέκτημα για χειρισμό και συλλογή κατά τη διάρκεια του παιχνιδιού.
Η ορμή είναι η ποσότητα κίνησης που έχει ένα αντικείμενο και καθορίζεται από τη μάζα και την ταχύτητα του κινούμενου αντικειμένου. Έτσι, ένα ρομπότ αγώνων με όλα τα εξαρτήματά του μπορεί να είναι βαρύ και να κινείται όσο το δυνατόν πιο γρήγορα. Επομένως, η ορμή του είναι πολύ υψηλή. Σε αυτό το σημείο πρέπει να λάβετε υπόψη τι συμβαίνει όταν έρχεται σε επαφή με μέρη του πεδίου ή άλλα ρομπότ.
Κοιτάξτε ξανά τον πίνακά σας από τη δραστηριότητα Εξερεύνησης Ταχύτητας. Δοκιμάσατε τη μεταφορά ενέργειας κατά τη διάρκεια συγκρούσεων ορίζοντας διαφορετικές ταχύτητες για το ρομπότ και οδηγώντας το προς τα εμπρός μέχρι να χτυπήσει την μπάλα. Θα έπρεπε να έχετε παρατηρήσει ότι οι υψηλότερες ταχύτητες που ορίστηκαν για το ρομπότ έσπρωξαν την μπάλα πιο μακριά μετά από μια σύγκρουση από ό,τι οι χαμηλότερες ταχύτητες. Αυτή είναι μια προφανής επίδραση της ορμής του ρομπότ, επειδή η μάζα του ρομπότ παρέμεινε η ίδια αλλά η ταχύτητα αυξήθηκε και επομένως η ορμή του αυξήθηκε.
Κάτι σημαντικό που πρέπει να ληφθεί υπόψη σχετικά με αυτή τη δοκιμή είναι ότι η μπάλα δεν κινούνταν. Είχε ταχύτητα, ορμή και επιτάχυνση μηδενικών βαθμών πριν το ρομπότ συγκρουστεί μαζί του. Είναι σημαντικό ότι η μάζα του ήταν πιθανότατα πολύ μικρότερη από τη μάζα του ρομπότ. Μετά τη σύγκρουση, η επιτάχυνσή του και επομένως η ταχύτητά του και η ορμή του αυξήθηκαν. Η ταχύτητα της μπάλας μετά τη σύγκρουση εξαρτιόταν εν μέρει από τη μάζα της. Οι ελαφρύτερες μπάλες επιταχύνονται και κινούνται πιο γρήγορα. Αν η τάξη σας χρησιμοποιούσε μια μπάλα με μεγαλύτερη μάζα, φανταστείτε μια μπάλα μπόουλινγκ, η μπάλα μπορεί να κινήθηκε αργά και όχι πολύ μακριά μετά τη σύγκρουση.
Και πάλι, αυτό είναι σημαντικό να ληφθεί υπόψη κατά τον σχεδιασμό ενός διαγωνισμού, επειδή μπορείτε να σπάσετε μέρη του γηπέδου, μέρη του ρομπότ σας ή μέρη άλλων ρομπότ εάν η ορμή του ρομπότ είναι πολύ υψηλή. Φανταστείτε το ρομπότ σας να είχε μεγάλη ταχύτητα και να έπεφτε πάνω σε ένα αντικείμενο που δεν μπορούσε να κυλήσει μακριά όπως η μπάλα στην προηγούμενη δραστηριότητα. Αυτό το αντικείμενο θα μπορούσε να είχε σπάσει από τις δυνάμεις πρόσκρουσης (ενέργεια) της σύγκρουσης.
Εργαλειοθήκη Εκπαιδευτικού
-
Περαιτέρω Εξήγηση μιας Σύγκρουσης
Ένα άλλο σημαντικό σημείο στην κατανόηση της επίδρασης της ταχύτητας στην ορμή είναι η διαφορά μεταξύ επιτάχυνσης και ταχύτητας. Η επιτάχυνση είναι ο ρυθμός μεταβολής της ταχύτητας. Στην προηγούμενη δραστηριότητα Εξερεύνησης της Ταχύτητας, η επιτάχυνση ήταν ένας σημαντικός παράγοντας επειδή η μπάλα ήταν ακίνητη πριν από τη σύγκρουση. Έτσι, λόγω της επιτάχυνσης που προκαλείται από τη σύγκρουση, η μπάλα φτάνει στη συνέχεια στην τελική της ταχύτητα.
Αυτό συνδέεται με τον Δεύτερο Νόμο Κίνησης του Νεύτωνα: ότι η επιτάχυνση ενός αντικειμένου εξαρτάται από δύο μεταβλητές - το καθαρό ή άθροισμα της δύναμης (ή των δυνάμεων) που ασκούνται στο αντικείμενο και τη μάζα του αντικειμένου. Η καθαρή δύναμη που ασκούνταν στην μπάλα ήταν αναμφισβήτητα μηδέν επειδή ήταν σε ηρεμία. Η επιτάχυνσή του μετά το χτύπημα από το ρομπότ ήταν το γινόμενο της δύναμης (ορμής) του ρομπότ και της ποσότητας μάζας της μπάλας. Οι βαρύτερες μπάλες (π.χ. μια μπάλα του μπόουλινγκ ή του μπάσκετ) σε αυτή τη δραστηριότητα δεν θα είχαν επιταχυνθεί τόσο γρήγορα όσο οι ελαφρύτερες μπάλες (π.χ. μια μπάλα ποδοσφαίρου ή μια φουσκωτή μπάλα που αναπηδά).
Επεκτείνετε τη Μάθησή σας
-
Μπέιζμπολ
Για να συσχετίσουν αυτή τη δραστηριότητα με άλλες συγκρούσεις, οι μαθητές μπορούν να διερευνήσουν την ταχύτητα της κίνησης ενός μπαλέτου του μπέιζμπολ και την ταχύτητα με την οποία κινούνται οι μπάλες του μπέιζμπολ αφού συγκρουστούν ή χτυπηθούν από το ρόπαλο. Ζητήστε τους να σκεφτούν τη μάζα του νυχτερίδας και τους συμβιβασμούς μεταξύ της μάζας του νυχτερίδας (ξύλινο έναντι αλουμινίου), της ταχύτητάς του όταν το κουνάει και της ορμής του καθώς χτυπά την μπάλα.