物理学が競技用ロボットに与える影響
VEX ロボット競技会用のロボットを設計する場合、ロボットが動作しているときは常に、モーターがロボットの慣性と競合することを覚えておく必要があります。 慣性は、物体の速度の変化に対する抵抗です。 物体の質量が増加すると慣性も増加し、その結果運動量も増加します。 つまり、ロボットに質量を追加して必要以上に重くすると、モーターはロボットの速度を変更するのにそれほど効果的ではなくなります。 したがって、モーターの効率を最大限に高めたい場合は、できるだけ軽量で材料を少なくするようにしてください。
一方、軽量ロボットを非常に高速に動作させると、問題が発生する可能性もあります。 競技中に正確で精密な動きをしようとする場合、動きの速度を落として力を弱める必要があるかもしれません。
衝突する 2 つの物体の運動量が衝突後に何が起こるかを予測するという考えを検討してみましょう。 ロボットをできるだけ速く動かしたいので、これは競技プロジェクトを開発するときに考慮すべき重要な要素です。 また、ゲーム中の操作や収集に有利になるように、ロボットにできるだけ多くのコンポーネントを組み込むことも必要です。
運動量とは、物体が持つ運動量であり、移動する物体の質量と速度によって決まります。 したがって、競技用ロボットは、すべてのコンポーネントを備え、可能な限り重く、高速で移動することができます。 そのため、その勢いは非常に強いです。 このとき、フィールドの一部や他のロボットと接触した場合に何が起こるかを考慮する必要があります。
「速度の探索」アクティビティの表をもう一度見てみましょう。 ロボットにさまざまな速度を設定し、ボールに当たるまで前進させることで、衝突時のエネルギーの伝達をテストしました。 ロボットに設定された速度が速いほど、衝突後にボールが遅い場合よりも遠くまで押し出されることに気づいたはずです。 これはロボットの運動量の明らかな効果です。ロボットの質量は同じままですが、速度が増加したため、運動量が増加したからです。
このテストについて考慮すべき重要な点は、ボールが動いていなかったことです。 ロボットが衝突する前は、速度、運動量、加速度はすべてゼロでした。 重要なのは、その質量がロボットの質量よりもはるかに小さかった可能性が高いということだ。 衝突後、加速度、つまり速度と運動量はすべて増加しました。 衝突後のボールの速度は、ボールの質量に部分的に依存します。 軽いボールは加速して速く動きます。 もし授業でもっと質量のあるボール、たとえばボウリングのボールを使ったとしたら、衝突後ボールはゆっくりと動き、あまり遠くまでは動かなかったかもしれません。
繰り返しになりますが、ロボットの運動量が高すぎると、フィールドの一部、自分のロボットの一部、または他のロボットの一部が壊れる可能性があるため、競技を計画する際にはこの点を考慮することが重要です。 ロボットの速度が速く、前のアクティビティのボールのように転がることができない物体に衝突した場合を想像してください。 その物体は衝突の衝撃力(エネルギー)によって破壊された可能性があります。
教師用ツールボックス - 衝突のさらなる説明
速度が運動量に与える影響を理解する上でもう一つ重要な点は、加速度と速度の違いです。 加速度は速度の変化率です。 前回の「速度の調査」アクティビティでは、ボールは衝突前に静止していたため、加速度が重要な要素でした。 したがって、ボールが最終速度に達するのは、衝突によって引き起こされた加速によるものです。
これは、ニュートンの運動の第二法則、つまり物体の加速は、物体に作用する力の正味または合計と、物体の質量という 2 つの変数に依存するという法則に関係しています。 ボールは静止していたため、ボールに作用する正味の力はゼロであると言えます。 ロボットに衝突された後のボールの加速度は、ロボットの力(運動量)とボールの質量の積でした。 このアクティビティでは、重いボール(ボウリングボールやバスケットボールなど)は、軽いボール(サッカーボールや弾むインフレータブルボールなど)ほど速く加速しません。
学習を拡張する - 野球
この活動を他の衝突と関連付けるために、生徒は野球の打者のスイングの速度と、野球ボールがバットに衝突したり打たれたりした後にどれだけ速く飛ぶかを調べることができます。 バットの質量と、バットの質量(木製 vs アルミ製)、スイング時の速度、ボールを打つときの運動量の間のトレードオフについて考えさせます。