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物理學如何影響競賽機器人

在為 VEX 機器人競賽設計機器人時,您必須記住,每當機器人運作時,任何馬達都會與機器人的慣性作鬥爭。 慣性是物體對其速度變化的抵抗力。 慣性隨著物體質量的增加而增加,因此其動量也隨之增加。 這意味著,如果您增加機器人的質量並使其比必需的重量更重,則馬達在改變機器人的速度方面將不會那麼有效! 因此,如果您想最大限度地提高馬達的效率,您應該嘗試使用盡可能輕的材料和盡可能少的材料。

另一方面,快速運行輕型機器人也會帶來困難。 如果您想在比賽過程中做出精確且準確的動作,您可能需要透過降低動作過程中的速度來減輕力量。

讓我們探討一下兩個碰撞物體的動量可以預測碰撞後會發生什麼的想法。 這是開發競賽專案時要考慮的重要因素,因為您希望機器人移動得盡可能快。 您還希望在機器人中內建盡可能多的組件,這將使其在遊戲過程中的操作和收集方面具有優勢。

動量是物體的運動量,由運動物體的質量和速度決定。 因此,競賽機器人及其所有組件可能很重,並且移動得盡可能快。 因此,它的勢頭非常高。 這時您需要考慮當它接觸到場地的某些部分或其他機器人時會發生什麼。

從「探索速度」活動中回顧您的桌子。 您透過為機器人設定不同的速度並向前驅動直到擊中球來測試碰撞期間的能量傳遞。 您應該已經注意到,為機器人設定的較高速度在碰撞後比較低速度將球推得更遠。 這是機器人動量的明顯影響,因為機器人的質量保持不變,但速度增加,因此其動量增加。

關於該測試需要考慮的重要一點是球沒有移動。 在機器人與它碰撞之前,它的速度、動量和加速度都為零。 重要的是,它的質量可能遠小於機器人的質量。 碰撞後,它的加速度、速度和動量都增加了。 碰撞後球的速度有多快部分取決於球的質量。 較輕的球加速並移動得更快。 如果您的班級使用更大質量的球(想像保齡球),球可能會在碰撞後緩慢移動,並且移動距離不會太遠。

同樣,在計劃比賽時考慮這一點很重要,因為如果機器人的動量太高,您可能會破壞場地的部分、機器人的部分或其他機器人的部分。 想像一下,如果您的機器人速度很高,並且撞上了一個無法像之前活動中的球一樣滾動的物體。 該物體可能會被碰撞的衝擊力(能量)破壞。

教師工具箱圖標 教師工具箱 - 進一步解釋碰撞

要理解速度對動量影響的另一個重要點是加速度和速度之間的差異。 加速度是速度的變化率。 在先前的探索速度活動中,加速度是一個重要因素,因為球在碰撞之前處於靜止狀態。 因此,正是由於碰撞引起的加速度,球才達到其最終速度。
這與牛頓第二運動定律相關:物體的加速度取決於兩個變數 - 作用在物體上的力的淨值或總和,以及物體的質量。 作用在球上的淨力可以說為零,因為它處於靜止狀態。 它被機器人擊中後的加速度是機器人的力(動量)和球的質量的乘積。 在這個活動中,較重的球(例如保齡球或籃球)的加速速度不如較輕的球(例如足球或有彈性的充氣球)。

擴展你的學習圖標 擴展您的學習 - 棒球

為了將此活動與其他碰撞聯繫起來,學生可以研究棒球擊球手揮桿的速度以及棒球在與球棒碰撞或擊中後的移動速度。 讓他們考慮球棒的品質以及球棒品質(木製與鋁製)、揮動時的速度以及擊球時的動量之間的權衡。