Hogyan hathat a fizika a versenyrobotokra
Amikor robotot tervez a VEX Robotics Versenyekre, emlékeznie kell arra, hogy minden motor harcolni fog a robot tehetetlensége ellen, amikor a robot fut. A tehetetlenség az objektum ellenállása a sebességváltozással szemben. A tehetetlenség növekszik, ahogy a tárgy tömege és így lendülete is nő. Ez azt jelenti, hogy ha tömeget ad a robotjához, és a kelleténél nehezebbé teszi, a motorok nem lesznek olyan hatékonyak a robot sebességének megváltoztatásában! Ezért törekedjen a lehető legkönnyebb és minél kevesebb anyag felhasználására, ha maximalizálja a motorok hatékonyságát.
Másrészt egy könnyű robot nagyon gyors futtatása is nehézségekhez vezethet. Ha precíz és pontos mozdulatokat próbál végezni a verseny során, akkor előfordulhat, hogy csökkentenie kell az erőt a mozgás közbeni sebesség csökkentésével.
Vizsgáljuk meg azt az elképzelést, hogy két ütköző objektum lendülete megjósolja, mi fog történni ütközésük után. Ez egy fontos tényező, amelyet figyelembe kell venni a versenyprojektek kidolgozásakor, mert azt szeretné, hogy a robot a lehető leggyorsabban mozogjon. Azt is szeretné, hogy minél több olyan alkatrészt építsenek be a robotba, amely előnyt jelent a játék során történő manipuláláshoz és gyűjtéshez.
A lendület az a mozgás mértéke, amellyel egy tárgy rendelkezik, és a mozgó tárgy tömege és sebessége határozza meg. Tehát egy versenyrobot minden alkatrészével nehéz lehet, és a lehető leggyorsabban mozoghat. Ezért a lendülete nagyon nagy. Ilyenkor mérlegelnie kell, mi történik, ha a mező részeivel vagy más robotokkal érintkezik.
Nézz vissza az asztalodra az Exploring Velocity tevékenységből. Tesztelte az energiaátadást az ütközések során úgy, hogy különböző sebességeket állított be a robotnak, és addig vezette előre, amíg el nem találta a labdát. Észre kellett volna vennie, hogy a robotnak beállított nagyobb sebességek messzebbre lökték a labdát ütközés után, mint a kisebb sebességek. Ez nyilvánvaló hatása a robot lendületének, mivel a robot tömege változatlan maradt, de a sebessége nőtt, így a lendülete is nőtt.
A teszt során fontos figyelembe venni, hogy a labda nem mozdult. Sebessége, impulzusa és gyorsulása minden nulla volt, mielőtt a robot nekiütközött volna. Fontos, hogy a tömege valószínűleg sokkal kisebb volt, mint a robot tömege. Az ütközés után a gyorsulása, így a sebessége és lendülete is megnőtt. Az, hogy milyen gyors volt a labda sebessége az ütközés után, részben a labda tömegétől függött. A könnyebb golyók felgyorsulnak és gyorsabban mozognak. Ha az osztályod nagyobb tömegű labdát használt, képzelj el egy tekelabdát, lehet, hogy a labda lassan és nem túl messze mozog az ütközés után.
Ezt ismételten fontos figyelembe venni a verseny megtervezésekor, mert eltörheti a pálya egyes részeit, a robot részeit vagy más robotok részeit, ha a robot lendülete túl magas. Képzeld el, ha a robotodnak nagy sebessége lenne, és beleütközne egy tárgyba, amely nem tud elgurulni, mint a labda az előző tevékenység során. Ezt a tárgyat az ütközés ütközési ereje (energiája) eltörhette.
Tanári eszköztár
-
Az ütközés további magyarázata
A sebesség lendületre gyakorolt hatásának megértésében egy másik fontos pont a gyorsulás és a sebesség közötti különbség. A gyorsulás a sebesség változásának mértéke. Az előző Exploring Velocity tevékenységben a gyorsulás fontos tényező volt, mivel a labda az ütközés előtt nyugalomban volt. Tehát az ütközés okozta gyorsulásnak köszönhető, hogy a labda ekkor eléri végső sebességét.
Ez kapcsolódik Newton második mozgástörvényéhez: hogy egy objektum gyorsulása két változótól függ - a tárgyra ható erő(k) nettó vagy összegétől és a tárgy tömegétől. A labdára ható nettó erő vitathatatlanul nulla volt, mert nyugalomban volt. A robot általi elütés utáni gyorsulása a robot erejének (impulzusának) és a labda tömegének a szorzata volt. A nehezebb labdák (pl. tekelabda vagy kosárlabda) ebben a tevékenységben nem gyorsultak volna olyan gyorsan, mint a könnyebb labdák (pl. egy futballlabda vagy egy pattogó felfújható labda).
Bővítse tanulását
Ahhoz, hogy ezt a tevékenységet más ütközésekkel összefüggésbe lehessen hozni, a tanulók megvizsgálhatják a baseballütő lendítésének sebességét, és azt, hogy milyen gyorsan haladnak a baseball-labdák, miután ütköztek az ütővel vagy elütötték őket. Kérd meg őket, hogy vegyék figyelembe az ütő tömegét és az ütő tömege (fa és alumínium), a lendítési sebesség és a labdához ütő lendület közötti kompromisszumot.