Як фізика може вплинути на змагальних роботів
Розробляючи робота для змагань VEX Robotics Competitions, ви повинні пам’ятати, що будь-який двигун буде боротися з інерцією робота, коли робот працює. Інерція — це опір тіла зміні його швидкості. Інерція збільшується в міру збільшення маси об’єкта і, отже, його імпульсу. Це означає, що якщо ви додасте своєму роботу масу і зробите його важчим, ніж має бути, двигуни не будуть настільки ефективними для зміни швидкості робота! Тому вам слід намагатися використовувати якомога легші матеріали та якомога менше, якщо ви хочете максимізувати ККД двигунів.
З іншого боку, дуже швидкий запуск легкого робота також може призвести до труднощів. Якщо ви намагаєтеся робити точні та точні рухи під час змагань, можливо, вам доведеться зменшити силу, зменшивши швидкість під час рухів.
Давайте дослідимо ідею про те, що імпульс двох об’єктів, що стикаються, передбачає, що станеться після їх зіткнення. Це важливий фактор, який слід враховувати під час розробки конкурсних проектів, оскільки ви хочете, щоб ваш робот рухався якомога швидше. Ви також хочете мати якомога більше компонентів, вбудованих у робота, які дадуть йому перевагу для маніпулювання та збирання під час гри.
Імпульс — це кількість руху об’єкта, яка визначається масою та швидкістю рухомого об’єкта. Таким чином, змагальний робот з усіма його компонентами може бути важким і рухатися максимально швидко. Тому його імпульс дуже високий. Саме тоді вам потрібно розглянути, що відбувається, коли він контактує з частинами поля чи іншими роботами.
Подивіться на свій стіл із вправи «Дослідження швидкості». Ви перевірили передачу енергії під час зіткнень, встановивши різні швидкості для робота та рухаючи його вперед, поки він не вдарить по м’ячу. Ви мали помітити, що вищі швидкості, встановлені для робота, штовхають м’яч далі після зіткнення, ніж менші швидкості. Це очевидний ефект імпульсу робота, тому що маса робота залишилася незмінною, але швидкість зросла, а отже, його імпульс збільшився.
У цьому тесті важливо враховувати те, що м’яч не рухався. Він мав швидкість, імпульс і прискорення всіх нулів до того, як робот зіткнувся з ним. Важливо те, що його маса, ймовірно, була набагато меншою за масу робота. Після зіткнення його прискорення, а отже, його швидкість і імпульс зросли. Швидкість м’яча після зіткнення частково залежала від маси м’яча. Більш легкі кульки прискорюються і рухаються швидше. Якщо у вашому класі використовувався м’яч більшої маси, уявіть м’яч для боулінгу, м’яч міг рухатися повільно й не дуже далеко після зіткнення.
Знову ж таки, це важливо враховувати під час планування змагань, оскільки ви можете зламати частини поля, частини вашого робота чи частини інших роботів, якщо імпульс робота надто високий. Уявіть, що ваш робот мав високу швидкість і врізався в об’єкт, який не міг відкотитися, як м’яч у попередній вправі. Цей об’єкт міг бути зламаний силою удару (енергією) зіткнення.
Інструменти вчителя
-
Подальше пояснення зіткнення
Іншим важливим моментом у розумінні впливу швидкості на імпульс є різниця між прискоренням і швидкістю. Прискорення — швидкість зміни швидкості. У попередній вправі «Дослідження швидкості» прискорення було важливим фактором, оскільки м’яч перебував у спокої перед зіткненням. Отже, завдяки прискоренню, спричиненому зіткненням, м’яч досягає кінцевої швидкості.
Це пов’язано з другим законом руху Ньютона: прискорення об’єкта залежить від двох змінних – чистої або сумарної сили (сил), що діє на об’єкт, і маси об’єкта. Сумарна сила, що діє на м’яч, дорівнювала нулю, оскільки він перебував у спокої. Його прискорення після удару робота було добутком сили (імпульсу) робота на кількість маси м’яча. Важчі м’ячі (наприклад, м’яч для боулінгу або баскетбол) у цій діяльності не прискорювалися б так швидко, як легші м’ячі (наприклад, футбольний м’яч або надувний м’яч, що стрибає).
Розширте своє навчання
Щоб пов’язати цю вправу з іншими зіткненнями, студенти можуть досліджувати швидкість розмаху бейсбольного м’яча та швидкість м’яча бейсбольного м’яча після зіткнення з битою або його удару. Нехай вони розглянуть масу бити та компроміс між масою бити (дерев’яна чи алюмінієва), її швидкістю під час розмаху та моментом удару по м’ячу.