Thiết kế với động lực trong tâm trí
Vật lý có thể ảnh hưởng đến robot thi đấu như thế nào
Khi thiết kế robot cho Cuộc thi Robot VEX, bạn phải nhớ rằng bất kỳ động cơ nào cũng sẽ phải chống lại quán tính của robot mỗi khi robot chạy. Quán tính là sức cản của vật thể đối với sự thay đổi vận tốc của nó. Quán tính tăng lên khi khối lượng của vật tăng lên và do đó động lượng của vật cũng tăng lên. Điều này có nghĩa là nếu bạn thêm khối lượng vào robot và làm cho nó nặng hơn mức cần thiết, động cơ sẽ không hiệu quả trong việc thay đổi vận tốc của robot! Do đó, bạn nên cố gắng sử dụng vật liệu nhẹ và ít nhất có thể nếu muốn tối đa hóa hiệu suất của động cơ.
Mặt khác, việc vận hành một robot nhẹ rất nhanh cũng có thể dẫn đến khó khăn. Nếu bạn đang cố gắng thực hiện những chuyển động chính xác trong quá trình thi đấu, bạn có thể cần giảm sức mạnh bằng cách giảm tốc độ trong khi di chuyển.
Chúng ta hãy cùng khám phá ý tưởng cho rằng động lượng của hai vật va chạm có thể dự đoán điều gì sẽ xảy ra sau khi chúng va chạm. Đây là yếu tố quan trọng cần cân nhắc khi phát triển các dự án thi đấu vì bạn muốn robot của mình di chuyển nhanh nhất có thể. Bạn cũng muốn có càng nhiều thành phần được tích hợp vào robot càng tốt để mang lại lợi thế cho việc điều khiển và thu thập trong suốt trò chơi.
Động lượng là lượng chuyển động của một vật thể và được xác định bởi khối lượng và vận tốc của vật thể chuyển động. Vì vậy, một robot thi đấu với đầy đủ các thành phần có thể nặng và di chuyển nhanh nhất có thể. Vì vậy, động lượng của nó rất cao. Đây là lúc bạn cần cân nhắc điều gì sẽ xảy ra khi nó tiếp xúc với các bộ phận của sân hoặc các rô-bốt khác.
Nhìn lại bảng của bạn từ hoạt động Khám phá vận tốc. Bạn đã kiểm tra sự truyền năng lượng trong quá trình va chạm bằng cách thiết lập các vận tốc khác nhau cho robot và lái nó về phía trước cho đến khi chạm vào quả bóng. Bạn hẳn đã nhận thấy rằng tốc độ cao hơn được thiết lập cho robot đẩy quả bóng đi xa hơn sau va chạm so với tốc độ thấp hơn. Đây là tác động rõ ràng của động lượng của robot vì khối lượng của robot vẫn giữ nguyên nhưng vận tốc tăng lên và do đó, động lượng của nó cũng tăng lên.
Một điều quan trọng cần cân nhắc về thử nghiệm đó là quả bóng không chuyển động. Nó có vận tốc, động lượng và gia tốc bằng 0 trước khi robot va chạm với nó. Điều quan trọng là khối lượng của nó có thể nhỏ hơn nhiều so với khối lượng của robot. Sau va chạm, gia tốc và do đó vận tốc cũng như động lượng của nó đều tăng lên. Tốc độ của quả bóng sau va chạm phụ thuộc một phần vào khối lượng của quả bóng. Quả bóng nhẹ hơn sẽ tăng tốc và chuyển động nhanh hơn. Nếu lớp của bạn sử dụng một quả bóng có khối lượng lớn hơn, hãy tưởng tượng một quả bóng bowling, quả bóng có thể di chuyển chậm và không quá xa sau va chạm.
Một lần nữa, điều này rất quan trọng cần cân nhắc khi lập kế hoạch cho một cuộc thi vì bạn có thể phá vỡ một phần sân, một phần robot của bạn hoặc một phần robot khác nếu động lượng của robot quá cao. Hãy tưởng tượng nếu robot của bạn có vận tốc cao và đâm vào một vật thể không thể lăn đi như quả bóng trong hoạt động trước đó. Vật thể đó có thể bị vỡ do lực tác động (năng lượng) của vụ va chạm.
Hộp công cụ giáo viên
-
Giải thích thêm về va chạm
Một điểm quan trọng khác để hiểu được ảnh hưởng của vận tốc đến động lượng là sự khác biệt giữa gia tốc và vận tốc. Gia tốc là tốc độ thay đổi vận tốc. Trong hoạt động Khám phá vận tốc trước đó, gia tốc là một yếu tố quan trọng vì quả bóng ở trạng thái đứng yên trước khi va chạm. Vì vậy, chính nhờ gia tốc do va chạm mà quả bóng đạt được vận tốc cuối cùng.
Điều này liên quan đến Định luật chuyển động thứ hai của Newton: gia tốc của một vật phụ thuộc vào hai biến - lực tác dụng lên vật và khối lượng của vật. Lực tác dụng lên quả bóng có thể được cho là bằng không vì quả bóng đang ở trạng thái nghỉ. Gia tốc của nó sau khi bị robot đánh là tích của lực (động lượng) của robot và khối lượng của quả bóng. Những quả bóng nặng hơn (ví dụ như bóng bowling hoặc bóng rổ) trong hoạt động này sẽ không chuyển động nhanh bằng những quả bóng nhẹ hơn (ví dụ như bóng đá hoặc bóng bơm hơi nảy).
Mở rộng việc học của bạn
-
Bóng chày
Để liên hệ hoạt động này với các vụ va chạm khác, học sinh có thể tìm hiểu tốc độ vung bóng chày của người đánh bóng chày và tốc độ di chuyển của bóng chày sau khi va chạm hoặc bị đánh bởi gậy. Yêu cầu họ xem xét khối lượng của gậy bóng chày và sự đánh đổi giữa khối lượng của gậy (gỗ so với nhôm), tốc độ vung gậy và động lượng của gậy khi đánh vào bóng.