Hoe de natuurkunde concurrentierobots kan beïnvloeden
Bij het ontwerpen van een robot voor VEX Robotics Competitions moet je onthouden dat elke motor zal vechten tegen de traagheid van de robot wanneer de robot draait. Traagheid is de weerstand van een object tegen veranderingen in zijn snelheid. De traagheid neemt toe naarmate de massa van het object en dus het momentum toeneemt. Dit betekent dat als je massa aan je robot toevoegt en deze zwaarder maakt dan nodig is, de motoren niet zo effectief zullen zijn in het veranderen van de snelheid van de robot! Daarom moet u proberen zo licht en zo min mogelijk materialen te gebruiken als u de efficiëntie van de motoren wilt maximaliseren.
Aan de andere kant kan het heel snel laten draaien van een lichte robot ook tot problemen leiden. Als u tijdens een wedstrijd precieze en nauwkeurige bewegingen probeert te maken, moet u mogelijk de kracht verminderen door de snelheid tijdens uw bewegingen te verminderen.
Laten we het idee onderzoeken dat het momentum van twee botsende objecten voorspelt wat er zal gebeuren nadat ze met elkaar in botsing zijn gekomen. Dit is een belangrijke factor waarmee u rekening moet houden bij het ontwikkelen van wedstrijdprojecten, omdat u wilt dat uw robot zo snel mogelijk beweegt. Je wilt ook zoveel mogelijk componenten in de robot hebben ingebouwd die hem een voordeel geven bij het manipuleren en verzamelen tijdens het spel.
Momentum is de hoeveelheid beweging die een object heeft en wordt bepaald door de massa en snelheid van het bewegende object. Een wedstrijdrobot met al zijn componenten kan dus zwaar zijn en zo snel mogelijk bewegen. Daarom is het momentum erg hoog. Dit is het moment waarop je moet overwegen wat er gebeurt als het in contact komt met delen van het veld of andere robots.
Kijk nog eens naar je tabel van de activiteit Snelheid verkennen. Je testte de energieoverdracht tijdens botsingen door verschillende snelheden voor de robot in te stellen en hem naar voren te laten rijden totdat hij de bal raakte. Je had moeten opmerken dat hogere snelheden die voor de robot waren ingesteld de bal na een botsing verder duwden 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 daardoor het momentum toenam.
Iets belangrijks om te overwegen bij die test is dat de bal niet bewoog. Het had een snelheid, een momentum en een versnelling van allemaal nullen voordat de robot ermee in botsing kwam. Belangrijk is dat de massa waarschijnlijk veel kleiner was dan de massa van de robot. Na de botsing namen de versnelling en dus de snelheid en het momentum allemaal toe. Hoe hoog de snelheid van de bal was na de botsing, hing gedeeltelijk 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 ver kunnen zijn bewogen.
Nogmaals, dit is belangrijk om te overwegen bij het plannen van een wedstrijd, omdat je delen van het veld, delen van je 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 had en tegen een object botste dat niet weg kon rollen zoals de bal in de vorige activiteit. Dat object zou kunnen zijn gebroken door de impactkrachten (energie) van de botsing.
Teacher Toolbox
-
Een botsing verder uitleggen
Een ander belangrijk punt bij het begrijpen van de invloed van snelheid op momentum is het verschil tussen versnelling en snelheid. Versnelling is de snelheid waarmee de snelheid verandert. In de vorige activiteit Exploring Velocity was versnelling een belangrijke factor omdat de bal vóór de botsing stilstond. Het is dus te wijten aan de versnelling veroorzaakt door de botsing dat de bal dan zijn eindsnelheid bereikt.
Dit sluit aan bij de Tweede Bewegingswet van Newton: dat de versnelling van een object afhankelijk is van twee variabelen: de netto of som van de kracht(en) die op het object inwerkt, en de massa van het object. De nettokracht die op de bal inwerkte, was aantoonbaar nul omdat deze in rust was. De versnelling nadat hij door de robot werd geraakt, was het product van de kracht (momentum) van de robot en de hoeveelheid massa van de bal. Zwaardere ballen (bijvoorbeeld een bowlingbal of basketbal) zouden bij deze activiteit niet zo snel zijn versneld als lichtere ballen (bijvoorbeeld een voetbal of een springkussen).
Breid uw leerproces uit
-
Honkbal
Om deze activiteit in verband te brengen met andere botsingen, kunnen leerlingen de snelheid van de zwaai van een honkbalslagman onderzoeken en hoe snel honkballen reizen nadat ze in botsing zijn gekomen met of geraakt zijn door de knuppel. Laat ze nadenken over de massa van de vleermuis en de afwegingen tussen de massa van de vleermuis (hout versus aluminium), de snelheid wanneer deze wordt gezwaaid en het momentum wanneer deze de bal raakt.