Ontwerpen met momentum in gedachten
Hoe natuurkunde de concurrentie van robots kan beïnvloeden
Wanneer u een robot ontwerpt voor VEX Robotics Competitions, moet u er rekening mee houden dat elke motor tegen de traagheid van de robot vecht wanneer de robot rent. Traagheid is de mate waarin een object weerstand biedt tegen veranderingen in zijn snelheid. De traagheid neemt toe naarmate de massa van het object toeneemt en dus ook het momentum. Dit betekent dat als u massa toevoegt aan uw robot en hem zwaarder maakt dan nodig is, de motoren niet zo effectief zullen zijn in het veranderen van de snelheid van de robot! Daarom moet je proberen om zo licht en zo min mogelijk materialen te gebruiken als je de efficiëntie van de motoren wilt maximaliseren.
Aan de andere kant kan het ook tot problemen leiden als je een lichte robot heel snel laat draaien. Als u tijdens een wedstrijd precieze en nauwkeurige bewegingen wilt maken, moet u mogelijk de kracht verminderen door de snelheid tijdens uw bewegingen te verlagen.
Laten we eens onderzoeken of het momentum van twee botsende objecten voorspelt wat er gebeurt nadat ze botsen. Dit is een belangrijke factor om rekening mee te houden bij het ontwikkelen van wedstrijdprojecten, omdat je wilt dat je robot zo snel mogelijk beweegt. Je wilt ook zoveel mogelijk onderdelen in de robot inbouwen die de robot een voordeel geven bij het manipuleren en verzamelen tijdens het spel.
Momentum is de hoeveelheid beweging die een object maakt en wordt bepaald door de massa en snelheid van het bewegende object. Een wedstrijdrobot met al zijn onderdelen kan dus zwaar zijn en zo snel mogelijk bewegen. Daarom is het momentum ervan heel hoog. Hierbij moet u bedenken wat er gebeurt als het in contact komt met delen van het veld of andere robots.
Kijk nog eens naar uw tabel uit de activiteit Snelheid verkennen. Je hebt de energieoverdracht tijdens botsingen getest door verschillende snelheden voor de robot in te stellen en hem vooruit te laten rijden totdat hij de bal raakte. Je had moeten opmerken dat hogere snelheden voor de robot de bal na een botsing verder opduwden dan lagere snelheden. Dit is een duidelijk effect van het momentum van de robot, omdat de massa van de robot hetzelfde bleef, maar de snelheid toenam en dus ook het momentum.
Het is belangrijk om bij deze test te bedenken dat de bal niet bewoog. Voordat de robot ermee botste, had het een snelheid, momentum en versnelling die allemaal nullen waren. Belangrijk is dat de massa ervan waarschijnlijk veel kleiner was dan de massa van de robot. Na de botsing nam de versnelling toe en daarmee ook de snelheid en het momentum. Hoe groot de snelheid van de bal was na de botsing, hing deels af van de massa van de bal. Lichtere ballen versnellen en bewegen sneller. Als jouw klas een bal met meer massa zou gebruiken (stel je een bowlingbal voor), dan zou de bal na de botsing langzaam en niet heel ver zijn verplaatst.
Ook dit is belangrijk om te overwegen bij het plannen van een wedstrijd, omdat je delen van het veld, delen van jouw robot of delen van andere robots kunt breken als het momentum van de robot te hoog is. Stel je voor dat je robot een hoge snelheid heeft en tegen een object botst dat niet weg kan rollen, zoals de bal in de vorige activiteit. Dat voorwerp zou door de impactkrachten (energie) van de botsing gebroken kunnen zijn.
Toolbox voor leerkrachten
-
Een botsing verder uitleggen
Een ander belangrijk punt om de invloed van snelheid op impuls te begrijpen, is het verschil tussen versnelling en snelheid. Versnelling is de mate van verandering in snelheid. Bij de vorige activiteit 'Verkenning van Snelheid' was versnelling een belangrijke factor, omdat de bal stil lag vóór de botsing. Het is dus door de versnelling die ontstaat door de botsing dat de bal zijn uiteindelijke snelheid bereikt.
Dit sluit aan bij de tweede wet van Newton: de versnelling van een object is afhankelijk van twee variabelen: het nettobedrag of de som van de kracht(en) die op het object inwerken, en de massa van het object. De netto kracht die op de bal werd uitgeoefend was vermoedelijk nul, omdat deze stil lag. De versnelling van de bal nadat deze door de robot werd geraakt, was het product van de kracht (impuls) van de robot en de massa van de bal. Zwaardere ballen (bijvoorbeeld een bowlingbal of een basketbal) zouden bij deze activiteit niet zo snel versnellen als lichtere ballen (bijvoorbeeld een voetbal of een opblaasbare stuiterbal).
Breid uw leerproces uit
-
Honkbal
Om deze activiteit te koppelen aan andere botsingen, kunnen leerlingen onderzoeken hoe snel een honkbalspeler slaat en hoe snel honkballen vliegen nadat ze met de knuppel in botsing zijn gekomen of ermee zijn geraakt. Laat ze nadenken over de massa van de knuppel en de afwegingen tussen de massa van de knuppel (hout versus aluminium), de snelheid waarmee ermee wordt gezwaaid en het momentum waarmee de knuppel de bal raakt.