Jak fizyka może wpłynąć na roboty konkurencyjne
Projektując robota na konkursy robotyki VEX, należy pamiętać, że każdy silnik będzie walczył z bezwładnością robota, gdy robot będzie pracował. Bezwładność to opór obiektu na zmiany jego prędkości. Bezwładność wzrasta wraz ze wzrostem masy obiektu, a tym samym zwiększa się jego pęd. Oznacza to, że jeśli dodasz masę do robota i sprawisz, że będzie on cięższy, niż jest to konieczne, silniki nie będą tak skuteczne w zmienianiu prędkości robota! Dlatego też, jeśli chcesz zmaksymalizować wydajność silników, powinieneś starać się używać jak najlżejszych i jak najmniejszej ilości materiałów.
Z drugiej strony bardzo szybkie uruchomienie lekkiego robota również może prowadzić do trudności. Jeśli podczas zawodów starasz się wykonywać precyzyjne i dokładne ruchy, być może będziesz musiał zmniejszyć moc, zmniejszając prędkość ruchów.
Przyjrzyjmy się idei, że pęd dwóch zderzających się obiektów pozwala przewidzieć, co się stanie po ich zderzeniu. Jest to ważny czynnik, który należy wziąć pod uwagę podczas opracowywania projektów konkursowych, ponieważ chcesz, aby Twój robot poruszał się tak szybko, jak to możliwe. Chcesz także mieć w robocie wbudowanych jak najwięcej komponentów, które dadzą mu przewagę w manipulowaniu i zbieraniu podczas gry.
Pęd to wielkość ruchu obiektu, określana na podstawie masy i prędkości poruszającego się obiektu. Zatem robot wyczynowy ze wszystkimi elementami może być ciężki i poruszać się tak szybko, jak to możliwe. Dlatego jego dynamika jest bardzo duża. W tym momencie należy wziąć pod uwagę, co się stanie, gdy wejdzie w kontakt z częściami pola lub innymi robotami.
Spójrz wstecz na swój stół z ćwiczenia Odkrywanie prędkości. Testowałeś transfer energii podczas zderzeń, ustawiając różne prędkości robota i popychając go do przodu, aż uderzy w piłkę. Powinieneś zauważyć, że wyższe prędkości ustawione dla robota po zderzeniu wypchnęły piłkę dalej niż mniejsze prędkości. Jest to oczywisty efekt pędu robota, ponieważ masa robota pozostała taka sama, ale prędkość wzrosła, a co za tym idzie, wzrósł także jego pęd.
W tym teście należy wziąć pod uwagę ważną kwestię: piłka się nie poruszała. Miał prędkość, pęd i przyspieszenie równe zerom, zanim robot się z nim zderzył. Co ważne, jego masa była prawdopodobnie znacznie mniejsza niż masa robota. Po zderzeniu jego przyspieszenie, a co za tym idzie prędkość i pęd, wzrosły. To, jak duża była prędkość piłki po zderzeniu, zależała częściowo od masy piłki. Lżejsze kulki przyspieszają i poruszają się szybciej. Jeśli w twojej klasie użyto piłki o większej masie, wyobraź sobie kulę do kręgli, kula mogła poruszać się powoli i niezbyt daleko po zderzeniu.
Ponownie należy to wziąć pod uwagę podczas planowania zawodów, ponieważ jeśli pęd robota będzie zbyt duży, można zniszczyć części pola, części robota lub części innych robotów. Wyobraź sobie, że Twój robot miał dużą prędkość i uderzył w obiekt, który nie mógł się potoczyć jak piłka z poprzedniego ćwiczenia. Obiekt ten mógł zostać rozbity przez siły uderzenia (energię) zderzenia.
Zestaw narzędzi dla nauczyciela
-
Dalsze wyjaśnianie kolizji
Kolejnym ważnym punktem w zrozumieniu wpływu prędkości na pęd jest różnica między przyspieszeniem a prędkością. Przyspieszenie to szybkość zmiany prędkości. W poprzednim ćwiczeniu „Odkrywanie prędkości” przyspieszenie było ważnym czynnikiem, ponieważ przed zderzeniem piłka znajdowała się w spoczynku. Zatem to na skutek przyspieszenia spowodowanego zderzeniem kula osiąga prędkość końcową.
Łączy się to z drugą zasadą dynamiki Newtona: że przyspieszenie obiektu zależy od dwóch zmiennych – sumy sił działających na obiekt oraz masy obiektu. Siła wypadkowa działająca na piłkę była prawdopodobnie zerowa, ponieważ była ona w spoczynku. Jego przyspieszenie po uderzeniu przez robota było iloczynem siły (pędu) robota i wielkości masy piłki. Cięższe piłki (np. kula do kręgli lub koszykówka) w tym ćwiczeniu nie przyspieszyłyby tak szybko, jak lżejsze piłki (np. piłka nożna lub sprężysta nadmuchiwana piłka).
Rozszerz swoją naukę
-
Baseball
Aby powiązać to ćwiczenie z innymi kolizjami, uczniowie mogą zbadać prędkość zamachu pałkarza baseballowego oraz prędkość poruszania się piłki baseballowej po zderzeniu z kijem lub uderzeniu kijem. Niech rozważą masę kija i kompromis między masą kija (drewnianego a aluminium), jego prędkością podczas zamachu i pędem podczas uderzenia piłki.