Ideas-Inspire

Dernière version du Quicky Mousetrap utilisant un châssis en blocs de mousse pour un cours d’été intitulé « Engineering Through Models ».

Introduction

Presque tout ce que je sais sur les voitures souricières, je peux le créditer à la lecture de ce livre de Doc Fizzix. Je recommande vivement d’acheter ce livre et aussi un kit de voiture souricière de Doc Fizzix’s. Après avoir construit une bonne voiture en kit, la conception de votre propre voiture sera beaucoup plus facile.

La voiture souricière de base de Doc Fizzix

Après avoir construit quelques kits de voitures souricières de Doc Fizzix, j’ai conçu plusieurs de mes propres voitures bien qu’il s’agisse essentiellement de deux conceptions majeures différentes, puis de petites variations. La dernière voiture souricière utilise un bloc de mousse pour le châssis, du fil de cintre pour les essieux et des roues CD. Ce modèle fonctionne bien mais il a été conçu principalement pour être peu coûteux. Les voitures souricières de Doc Fizzix utilisent des matériaux plus coûteux tels que des essieux en laiton et un bras de levier, ce qui est mieux.

En remaniant cette page Web de voiture souricière, je voulais introduire davantage l’aspect physique éducatif des voitures souricières. Ma discussion n’est en aucun cas complètement complète et c’est pourquoi je suggère d’acheter le livre sur les voitures pièges à souris du Doc Fizzix.

Phase II dans les articles de mon site web

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	Version balsa de la voiture Mousetrap rapide du cours d’été d’il y a quelques années.	Les enseignants ont construit Quicky Mousetrap Car lors d’une conférence après l’école.

Pendant les premières années de travail avec mes idées de projets liés à la science, il s’agissait principalement de simplement amener les étudiants à construire et à faire fonctionner les projets avec succès. Grâce aux ateliers que j’ai enseignés, un nombre assez important de voitures souricières de ma conception ont été construites. J’ai beaucoup appris de cette expérience et j’ai essayé d’améliorer certains aspects de ma conception. Ces voitures souricières ont également été construites sans mon aide dans toutes les parties du globe.

C’est mon plan de développer cela et d’introduire des aspects éducatifs encore plus importants qui vont de pair avec les projets. Ce sera principalement dans le domaine de la physique et des applications mathématiques. Je vais essayer de présenter cela d’une manière amusante et facile à comprendre. En regardant les laboratoires que les écoles font avec les voitures souricières, il semble qu’ils soient liés à l’enregistrement de la distance totale et/ou au calcul de l’accélération pendant la course. Un fond de force et de mouvement sera utile, ce qui inclura une discussion sur les lois de Newton.

Comment fonctionne la voiture souricière ?

Le fonctionnement de la voiture souricière peut sembler très simple pour les personnes un peu enclines à la mécanique, mais de nombreuses personnes qui voient une de mes voitures souricières demandent souvent :  » comment cela fonctionne-t-il ? « . La voiture souricière est propulsée par l’énergie élastique de torsion du ressort enroulé de la souricière qui déplace un levier qui tire une corde enroulée autour d’un axe de la voiture souricière. Lorsque le levier tire la ficelle, l’essieu tourne au fur et à mesure que la ficelle se déroule jusqu’à ce que toute la ficelle ait été tirée, à ce moment-là, l’extrémité de la ficelle qui était enroulée autour de l’essieu devrait se libérer et la voiture-souris devrait faire de la roue sur une certaine distance en raison de l’énergie cinétique jusqu’à ce que la friction la fasse s’arrêter.

La souricière de marque Victor à droite est le plus souvent utilisée dans les voitures souricières.		Schéma de la vue latérale du ressort avec le bras de levier attaché.

Le bras de levier qui est attaché au ressort de la souricière se déplace sur un demi-cercle qui fait 180 degrés. Le couple (quantité de force de torsion) diminue proportionnellement lorsqu’on le mesure plus loin du ressort le long du bras de levier.

Lorsque le bras de levier est tiré à fond, le couple sera le plus important. C’est une bonne chose car la voiture a besoin de cette force supplémentaire lorsqu’elle commence à se déplacer pour surmonter la force d’inertie opposée (première loi de Newton). Il s’agit d’une énergie potentielle qui, lorsque le bras de levier est tiré vers l’arrière et que la voiture-souris se déplace, se transforme en énergie cinétique. La force du ressort enroulé diminuera au fur et à mesure que le levier se déplace vers la position opposée au départ.

Concepts de physique

Hélas, vous avez identifié qu’il y a de nombreux concepts de physique dans ce modèle de voiture apparemment simple. Exposons quelques concepts à étudier pour comprendre le fonctionnement de la voiture souricière :

Machines simples – levier – roue et essieu : cela concerne l’avantage mécanique .

Machine simple – Le levier

Machine simple – La roue & Essieu

L’avantage mécanique est le rapport entre la force de sortie et la force d’entrée qui est un compromis entre la distance déplacée et la quantité de force. Déplacer plus loin sur le côté d’entrée du levier et le côté de sortie se déplace sur une distance plus courte mais avec plus de force. Avec l’avantage mécanique travaillant dans la direction opposée, le déplacement d’une courte distance avec plus de force résulte en moins de force dans la sortie mais le déplacement d’une plus grande distance. Dans l’essieu moteur de la voiture-souris, la petite circonférence tournée par la ficelle enroulée autour d’elle sur une longueur relativement courte propulse les roues motrices beaucoup plus grandes sur une distance beaucoup plus grande, mais avec une petite force. C’est pourquoi la voiture doit rouler avec peu de friction.

Dans la voiture-souris, le levier (bras de levier) est relié à la roue et à l’essieu par une fine ligne.

Les trois lois du mouvement de Newton

Première loi – un objet au repos reste au repos à moins d’être actionné par une force déséquilibrée. Un objet en mouvement continue à se déplacer à la même vitesse et dans la même direction, sauf s’il est actionné par une force déséquilibrée. Loi de l’inertie

Deuxième loi – stipule que la force est proportionnelle à l’accélération mais que l’accélération est inversement proportionnelle à la masse. La formule Force = Masse x Accélération se rapporte à cette loi et l’unité de force est le Newton.

Troisième loi – Pour toute action, il existe une réaction égale et opposée.

Reliez cela à une voiture souricière

Première loi – la voiture souricière est au repos, elle a besoin d’une force déséquilibrée pour commencer à bouger, une idée de l’origine de cette force ? S’il n’y avait pas de friction, il continuerait à se déplacer dans la même direction mais la friction est une force déséquilibrée pouvez-vous penser à des sources de friction dans la voiture souricière ?

Deuxième loi – la force est proportionnelle à l’accélération, en pensant à la formule du couple un bras de levier _____ donnerait une accélération plus rapide ? L’accélération est inversement proportionnelle à la masse. Cela signifie que plus la voiture souricière est lourde, plus l’accélération serait ______?

Troisième loi – pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée, dans la voiture souricière, les roues poussent vers le bas sur le sol et le sol pousse vers le haut sur le _________?

Reliez cela à un exemple du monde réel

Voyez mon article de blog : Les lois de Newton et la voiture hybride

Terminologie
Accélération – la plupart des exercices de laboratoire sur la voiture souricière que j’ai vus traitent de la distance totale et de la mesure de l’accélération.

Accélération = taux de changement de vitesse

Vélocité = taux de changement de position d’un objet (quantité vectorielle)

Force = Masse x Accélération

Note La vitesse et la vélocité ne sont pas les mêmes :

Vitesse = taux auquel un objet parcourt une distance (quantité scalaire) La vitesse moyenne est juste la distance divisée par le temps pensez aux miles par heure.

Plus la voiture accélère, plus la force est importante mais plus la masse est importante, plus la résistance à l’accélération sera grande. Pensez qu’un gros camion ou un train accélère plus lentement qu’une automobile.

Travail – Puissance – Énergie

Le travail est effectué lorsqu’une force agissant sur un objet provoque un déplacement de l’objet (il se déplace).

Puissance le rythme auquel le travail est effectué Puissance = Travail / Temps l’unité métrique standard de la puissance est le watt. Pour une souricière à longue distance, une faible puissance est souhaitable, le travail doit être effectué sur une longue période de temps.

La définition standard de l’énergie est « la capacité à effectuer un travail », cela pourrait ne pas être trop utile. Il existe plusieurs formes d’énergie et souvent une forme d’énergie peut être convertie en une autre. Dans la voiture souricière, l’énergie potentielle du ressort enroulé (énergie élastique) déplace la voiture souricière en se convertissant en énergie cinétique.

Construction de la voiture souricière

Comprendre la physique de la voiture souricière devrait aider à concevoir une voiture souricière fonctionnant plus efficacement. Pour construire la voiture souricière, vous devez comprendre les composants de base nécessaires.

Châssis – cadre de la voiture auquel s’attachent les autres composants. Pour la voiture souricière, il doit être rigide mais léger. La première voiture que j’ai construite, j’ai utilisé un cadre en bambou qui a nécessité un contreventement supplémentaire car la tension de la souricière tirant sur la ficelle sur toute la longueur du châssis le faisait se tordre. La génération suivante de voitures souricières a été construite en bois de balsa et la génération actuelle utilise un châssis fabriqué à partir d’un bloc de mousse.

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Dans les premiers prototypes de la voiture souricière en bambou, j’ai remarqué que le châssis se tordait sous l’effet de la force du bras de levier tirant sur l’essieu arrière.		Des renforts ont été ajoutés pour rigidifier le châssis ce qui a résolu le problème. Lorsque le châssis se tordait, cela faisait tourner la voiture dans un sens.

Moyeu – c’est le centre de la roue qui se fixe à l’essieu. Le moyeu doit maintenir l’essieu au centre exact de la roue et les côtés du moyeu doivent être exactement à 90 degrés par rapport à l’essieu, sinon la roue vacille.

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J’ai fabriqué des moyeux en découpant des carrés de sangles de bâche en caoutchouc et en perçant un trou au centre.		Le moyeu carré est collé de manière à couvrir le trou.

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Les rondelles de robinet peuvent s’insérer dans le trou des CD mais j’ai trouvé que celles achetées chez Doc Fizzix s’ajustaient mieux.		Les rondelles de robinet sur la voiture souricière de Doc Fizzix.

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Axe – l’axe est fixé aux roues par l’intermédiaire des moyeux il doit être le plus droit possible sinon les roues vont vaciller. Dans la voiture souricière, un essieu agit comme une poulie car la ficelle est enroulée autour. Le diamètre de l’essieu par rapport au diamètre des roues motrices est l’avantage mécanique.

Roue – la voiture souricière roule sur des roues c’est la forme géométrique d’un cercle. Cela signifie que vous devez comprendre des termes tels que diamètre, circonférence, rayon, pi, résistance au roulement et inertie de rotation. J’ai utilisé des CD, des couches transparentes et des couvercles de fromage blanc pour les roues.

Grandes roues – utiliser des roues motrices de très grand diamètre donne un avantage mécanique encore plus grand pour une plus grande distance.

Les roulements – c’est le point de contact entre l’axe de rotation et la fixation au châssis ; moins il y a de friction dans les roulements, plus la voiture souricière est efficace. Avec trop de friction dans les roulements, la souricière pourrait même ne pas bouger ou s’arrêter de façon répétée.

Bras de levier

Le bras de levier s’étend du ressort de la souricière comme un levier pour tirer la ficelle. Trois considérations majeures pour le bras de levier :

* Le matériau, il doit être très rigide mais léger.
* La fixation au ressort de la souricière, il y a beaucoup de force à l’endroit où le bras de levier est fixé au ressort.
* La longueur du bras de levier est importante, plus le bras est long, plus la ligne peut être tirée à travers et la voiture souricière devrait aller plus loin.

Le bras de levier sur cette voiture est fait à partir d’un stock carré d’un bois dur, à l’origine j’ai commencé avec du balsa avec un joint en T mais les étudiants cassaient le balsa. Après avoir manipulé des structures délicates en balsa dans des modèles réduits d’avions, ce n’était pas un problème pour moi.

Calculs du couple et du bras de levier pour une voiture souricière

Le couple a été défini soit comme une force de torsion, soit comme la tendance à tourner autour d’un axe. Un exemple courant de couple est le serrage d’un boulon avec une clé. Pour savoir combien de couple est appliqué à un boulon, un mécanicien utilisera souvent un type spécial de clé connu sous le nom de « clé dynamométrique » afin qu’une quantité spécifiée de couple puisse être appliquée à un boulon.

La formule du couple est très simple si la force est appliquée perpendiculairement au levier : Couple = rayon x force. Normalement, les unités de couple sont des pieds-livres ou des newtons-mètres. Cette équation donne le couple appliqué au point de pivot, c’est le concept d’avantage mécanique.

J’ai réfléchi davantage à la façon dont les mathématiques pourraient être utilisées pour prédire un résultat. Pour commencer avec une voiture souricière si vous pouviez calculer quelle force est disponible à l’extrémité du bras de levier en fonction du couple sur l’axe, cela vous donnerait une idée de la force disponible pour propulser la voiture souricière. Il est également intéressant de voir comment la force diminue au fur et à mesure que le ressort se déroule.

Pour une voiture souricière qui ira sur une longue distance, le bras de levier doit être plus long pour tirer plus de ligne qui est enroulée autour de l’axe d’entraînement. A partir de ces calculs, on peut facilement voir que la quantité de force disponible diminue rapidement lorsque la longueur du bras de levier augmente.

Pour moi, il est également intéressant si vous pouvez mesurer les résultats calculés et réfléchir aux raisons des inexactitudes. Pour cette expérience, l’imprécision était liée à la balance à ressort que j’utilisais et à la façon dont je l’utilisais. Doc Fizzix vend une roue de torsion pour mesurer le couple du ressort de la souricière. Lien vers le produit roue de torsion.

Pour mon expérience, j’ai mesuré la force en grammes à 4 centimètres de l’axe à 25, 90 et 180 degrés. J’ai ensuite mesuré à 28 centimètres de l’axe, puis j’ai calculé ce que devrait être la force en fonction des mesures à 4 centimètres. Des mesures ont également été prises à 28 centimètres afin de pouvoir faire une comparaison entre le calculé et le mesuré. Des résultats assez proches.

GF*CM est le couple, divisé par le rayon donne la force. Exemple : 1600 / 28 = 57,14, 3200 / 28 = 114,29 et 4400 / 28 = 157,14.

Vous trouverez ci-dessus les comparaisons des mesures et des calculs qui apparaissent en rouge.

Forces mesurées sur le bras de levier à 25 degrés

Forces mesurées sur le bras de levier à 90 degrés