Ideen-Inspiration

Die neueste Version der Quicky Mausefalle unter Verwendung von Schaumstoffblock-Chassis für einen Sommerkurs mit dem Titel „Engineering Through Models“.

Einführung

Fast alles, was ich über Mausefallen-Autos weiß, verdanke ich der Lektüre dieses Buches von Doc Fizzix’s. Ich empfehle sehr, dieses Buch zu kaufen und auch einen Mausefallen-Autobausatz von Doc Fizzix’s. Nach dem Bau eines guten Bausatzes wird es viel einfacher sein, ein eigenes Auto zu entwerfen.

Doc Fizzix’s Basic Mousetrap Car

Nach dem Bau einiger Bausätze von Doc Fizzix’s Mausefallenautos habe ich mehrere eigene Autos entworfen, obwohl es im Grunde zwei verschiedene Hauptdesigns und dann kleine Variationen waren. Das letzte Mausefallenauto verwendet einen Schaumstoffblock als Chassis, Kleiderbügeldraht als Achsen und CD-Räder. Dieses Design funktioniert gut, aber es wurde hauptsächlich entworfen, um preiswert zu sein. Die Mausefallenautos von Doc Fizzix verwenden teurere Materialien wie Messingachsen und Hebelarm, was besser ist.

Bei der Neugestaltung dieser Mausefallenauto-Webseite wollte ich mehr den pädagogischen Physik-Aspekt der Mausefallenautos einbringen. Meine Besprechung ist keineswegs vollständig und deshalb empfehle ich den Kauf des Mausefallenauto-Buches von Doc Fizzix.

Phase II in meinen Website-Artikeln

	Balsa-Version des Quicky Mousetrap Car aus dem Sommerkurs vor ein paar Jahren.	Lehrer bauten Quicky Mousetrap Car bei einer Konferenz nach der Schule.

In den ersten Jahren der Arbeit mit meinen naturwissenschaftlichen Projektideen ging es hauptsächlich darum, die Schüler dazu zu bringen, die Projekte erfolgreich zu bauen und zu betreiben. Durch Workshops, die ich unterrichtet habe, wurde eine ziemlich große Anzahl von Mausefallenautos meines Designs gebaut. Ich habe viel daraus gelernt und versucht, einige Aspekte meines Designs zu verbessern. Diese Mausefallenautos wurden auch ohne meine Hilfe in allen Teilen der Welt gebaut.

Es ist mein Plan, dies zu erweitern und noch mehr pädagogische Aspekte einzuführen, die mit den Projekten einhergehen. Das wird vor allem im Bereich der physikalischen und mathematischen Anwendungen sein. Ich werde versuchen, dies auf eine unterhaltsame und leicht verständliche Art und Weise zu präsentieren. Wenn man sich die Versuche ansieht, die Schulen mit Mausefallenautos machen, scheint es mit der Aufzeichnung der Gesamtstrecke und/oder der Berechnung der Beschleunigung während des Laufs zusammenzuhängen. Ein Hintergrund in Kraft und Bewegung wird hilfreich sein, der eine Diskussion der Newtonschen Gesetze einschließt.

Wie funktioniert das Mausefallenauto?

Wie das Mausefallenauto funktioniert, mag für Menschen, die etwas mechanisch veranlagt sind, sehr einfach erscheinen, aber viele Leute, die eines meiner Mausefallenautos sehen, fragen oft: „Wie funktioniert das? Das Mausefallenauto wird durch die elastische Torsionsenergie der gewickelten Feder der Mausefalle angetrieben, die einen Hebel bewegt, der an einer Schnur zieht, die um eine Achse des Mausefallenautos gewickelt ist. Wenn der Hebel an der Schnur zieht, dreht sich die Achse, während sich die Schnur abwickelt, bis die gesamte Schnur durchgezogen wurde. An diesem Punkt sollte sich das Ende der Schnur, die um die Achse gewickelt war, lösen und das Mausefallenauto sollte aufgrund der kinetischen Energie eine Strecke ausrollen, bis es durch Reibung zum Stillstand kommt.

Die rechte Mausefalle der Marke Victor wird am häufigsten in Mausefallenautos verwendet.		Seitenansicht der Feder mit angebrachtem Hebelarm.

Der Hebelarm, der an der Mausefallenfeder angebracht ist, bewegt sich um einen Halbkreis, der 180 Grad beträgt. Das Drehmoment (Betrag der Verdrehungskraft) nimmt proportional ab, je weiter man sich von der Feder entlang des Hebelarms entfernt.

Wenn der Hebelarm ganz nach hinten gezogen wird, ist das Drehmoment am größten. Das ist gut, denn das Auto braucht die zusätzliche Kraft, wenn es sich in Bewegung setzt, um die entgegengesetzte Trägheitskraft zu überwinden (erstes Newtonsches Gesetz). Dies ist potentielle Energie, die bei zurückgezogenem Hebelarm in kinetische Energie umgewandelt wird, wenn sich das Mausefallen-Auto bewegt. Die Kraft der aufgewickelten Feder wird abnehmen, wenn sich der Hebel in die entgegengesetzte Position vom Start bewegt.

Physikalische Konzepte

Hoffentlich haben Sie erkannt, dass in diesem scheinbar einfachen Modellauto viele physikalische Konzepte stecken. Lassen Sie uns einige Konzepte skizzieren, die studiert werden sollten, um die Funktionsweise des Mausefallen-Autos zu verstehen:

Einfache Maschinen – Hebel – Rad und Achse: Dies bezieht sich auf den mechanischen Vorteil.

Einfache Maschine – Der Hebel

Einfache Maschine – Rad&Achse

Mechanischer Vorteil ist das Verhältnis von Ausgangskraft zu Eingangskraft, das ein Kompromiss zwischen der bewegten Strecke und der Kraftmenge ist. Wird der Hebel auf der Eingangsseite weiter nach außen bewegt, bewegt sich die Ausgangsseite über eine kürzere Strecke, aber mit mehr Kraft. Wenn der mechanische Vorteil in die entgegengesetzte Richtung wirkt, führt das Bewegen einer kurzen Strecke mit mehr Kraft zu einer geringeren Kraft am Ausgang, aber zum Bewegen einer größeren Strecke. Bei der Antriebsachse des Mausefallen-Autos treibt der kleine Umfang, der durch die relativ kurz gewickelte Schnur gedreht wird, die viel größeren Antriebsräder eine viel größere Strecke, aber mit geringer Kraft an. Deshalb muss das Auto mit wenig Reibung rollen.

Beim Mausefallenauto ist der Hebel (Hebelarm) durch eine dünne Leitung mit Rad und Achse verbunden.

Newtons drei Bewegungsgesetze

Erstes Gesetz – Ein ruhendes Objekt bleibt in Ruhe, solange keine unausgewogene Kraft auf es einwirkt. Ein Objekt in Bewegung bleibt in Bewegung mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung, es sei denn, es wirkt eine unausgewogene Kraft auf es ein. Trägheitsgesetz

Zweites Gesetz – besagt, dass die Kraft proportional zur Beschleunigung ist, die Beschleunigung aber umgekehrt proportional zur Masse. Die Formel Kraft = Masse x Beschleunigung bezieht sich auf dieses Gesetz und die Einheit der Kraft ist das Newton.

Das dritte Gesetz – Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion.

Beziehen Sie dies auf ein Mausefallen-Auto

Erstes Gesetz – das Mausefallen-Auto ist in Ruhe, es braucht eine unausgeglichene Kraft, um sich in Bewegung zu setzen, irgendeine Idee, woher diese Kraft kommt? Wenn es keine Reibung gäbe, würde es sich weiter in die gleiche Richtung bewegen, aber die Reibung ist eine unausgewogene Kraft, können Sie sich vorstellen, woher die Reibung im Mausefallen-Auto kommt?

Zweites Gesetz – die Kraft ist proportional zur Beschleunigung, wenn man an die Formel für das Drehmoment denkt, würde ein _____ Hebelarm eine schnellere Beschleunigung ergeben? Die Beschleunigung ist umgekehrt proportional zur Masse. Das bedeutet, je schwerer das Mausefallenauto ist, desto größer wäre die Beschleunigung ______?

Das dritte Gesetz – für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion, im Mausefallenauto drücken die Räder auf den Boden und der Boden drückt auf den _________?

Beziehen Sie dies auf ein Beispiel aus der realen Welt

Schauen Sie sich meinen Blogbeitrag an: Newtons Gesetze und das Hybridauto

Terminologie
Beschleunigung – die meisten der Mausefallenauto-Laborübungen, die ich gesehen habe, befassen sich mit der Gesamtstrecke und der Messung der Beschleunigung.

Beschleunigung = Änderungsrate der Geschwindigkeit

Geschwindigkeit = Rate, mit der ein Objekt seine Position ändert (Vektorgröße)

Kraft = Masse x Beschleunigung

Beachten Sie, dass Geschwindigkeit und Geschwindigkeit nicht dasselbe sind:

Geschwindigkeit = Rate, mit der ein Objekt eine Strecke zurücklegt (skalare Größe) Durchschnittsgeschwindigkeit ist einfach die Strecke geteilt durch die Zeit, denken Sie Meilen pro Stunde.

Je schneller das Auto beschleunigt, desto größer ist die Kraft, aber je größer die Masse, desto größer ist der Widerstand gegen die Beschleunigung. Denken Sie daran, dass ein großer Lastwagen oder ein Zug langsamer beschleunigt als ein Auto.

Arbeit – Leistung – Energie

Arbeit wird verrichtet, wenn eine auf ein Objekt wirkende Kraft eine Verschiebung des Objekts bewirkt (es bewegt sich).

Leistung die Rate, mit der Arbeit verrichtet wird Leistung = Arbeit / Zeit Die metrische Standardeinheit der Leistung ist das Watt. Für eine Langstreckenmausefalle ist eine niedrige Leistung wünschenswert, die Arbeit sollte über einen langen Zeitraum verrichtet werden.

Energie Standarddefinition ist „die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten“, dies ist vielleicht nicht sehr hilfreich. Es gibt verschiedene Formen von Energie und oft kann eine Energieform in eine andere umgewandelt werden. Beim Mausefallenauto wird die potentielle Energie in der gewickelten Feder (elastische Energie) in kinetische Energie umgewandelt und bewegt das Mausefallenauto.

Der Bau des Mausefallenautos

Das Verständnis der Physik des Mausefallenautos soll helfen, ein effizienter arbeitendes Mausefallenauto zu konstruieren. Beim Bau des Mausefallenautos müssen Sie die grundlegenden Komponenten verstehen, die benötigt werden.

Chassis – Rahmen des Autos, an dem die anderen Komponenten befestigt werden. Für das Mausefallenauto sollte es steif und dennoch leicht sein. Beim ersten Auto, das ich gebaut habe, habe ich einen Rahmen aus Bambus verwendet, der zusätzliche Verstrebungen erforderte, da die Spannung der Mausefalle, die an der Schnur über die Länge des Chassis zog, es zum Verdrehen brachte. Die nächste Generation von Mausefallenautos wurde aus Balsaholz gebaut und die aktuelle Generation verwendet ein Chassis aus einem Schaumstoffblock.

Bei den ersten Prototypen des Bambus-Mausefallen-Autos fiel mir auf, dass sich das Chassis durch die Kraft des Hebelarms, der an der Hinterachse zieht, verwindet.		Zur Versteifung des Chassis wurde eine Verstrebung hinzugefügt, die das Problem löste. Wenn sich das Chassis verdrehte, verursachte es, dass sich das Auto in eine Richtung drehte.

Nabe – das ist das Zentrum des Rades, das an der Achse befestigt ist. Die Nabe sollte die Achse genau in der Mitte des Rades halten und die Seiten der Nabe sollten genau 90 Grad zur Achse stehen, sonst flattert das Rad.

	Ich habe mir Naben gemacht, indem ich Quadrate aus Gummiplanenbändern geschnitten und in der Mitte durchgebohrt habe.		Die quadratische Nabe wird so geklebt, dass sie das Loch verdeckt.

Die Unterlegscheiben des Wasserhahns können in das Loch der CD’s passen, aber ich fand, dass die, die über Doc Fizzix’s gekauft wurden, fester passen.		Wasserhahn-Unterlegscheiben auf dem Mausefallen-Auto von Doc Fizzix.

Die Achse – die Welle ist durch die Naben mit den Rädern verbunden – sollte möglichst gerade sein, sonst wackeln die Räder. Beim Mausefallen-Auto wirkt eine Achse wie eine Umlenkrolle, da die Schnur um sie gewickelt ist. Der Durchmesser der Achse im Verhältnis zum Durchmesser der Antriebsräder ist der mechanische Vorteil.

Rad – Mausefallenauto rollt auf Rädern das ist die geometrische Form eines Kreises. Das bedeutet, dass Sie Begriffe wie Durchmesser, Umfang, Radius, pi, Rollwiderstand und Rotationsträgheit verstehen sollten. Ich habe CD’s, Klarsichtfolien und Hüttenkäsedeckel für Räder verwendet.

Große Räder – die Verwendung von Antriebsrädern mit wirklich großem Durchmesser ergibt einen noch größeren mechanischen Vorteil für eine größere Strecke.

Lager – dies ist der Kontaktpunkt zwischen der Drehachse und der Befestigung am Chassis; je weniger Reibung in den Lagern, desto effizienter das Mausefallen-Auto. Bei zu viel Reibung in den Lagern könnte sich die Mausefalle gar nicht bewegen oder wiederholt anhalten.

Hebelarm

Der Hebelarm erstreckt sich von der Mausefallenfeder als Hebel zum Ziehen der Schnur. Drei wichtige Überlegungen für den Hebelarm:

* Das Material sollte sehr steif, aber leicht sein.
* Die Befestigung an der Mausefallenfeder, dort wo der Hebelarm an der Feder befestigt ist, wirkt eine große Kraft.
* Die Länge des Hebelarms ist wichtig, je länger der Arm, desto mehr Schnur kann durchgezogen werden und das Mausefallenauto sollte weiter fahren.

Der Hebelarm an diesem Auto ist aus einem Vierkantschaft eines harten Holzes gefertigt, ursprünglich habe ich mit Balsa mit einem T-Gelenk angefangen, aber die Schüler haben das Balsa gebrochen. Nach dem Umgang mit empfindlichen Balsastrukturen in Modellflugzeugen war das für mich kein Problem.

Drehmoment- und Hebelarmberechnungen für ein Mausefallen-Auto

Drehmoment wurde entweder als eine Verdrehungskraft oder die Tendenz zur Drehung um eine Achse definiert. Ein gängiges Beispiel für Drehmoment ist das Anziehen einer Schraube mit einem Schraubenschlüssel. Um zu wissen, wie viel Drehmoment auf eine Schraube ausgeübt wird, verwendet ein Mechaniker oft eine spezielle Art von Schlüssel, die als „Drehmomentschlüssel“ bekannt ist, so dass eine bestimmte Menge an Drehmoment auf eine Schraube ausgeübt werden kann.

Die Formel für Drehmoment ist sehr einfach, wenn die Kraft senkrecht zum Hebel ausgeübt wird: Drehmoment = Radius x Kraft. Normalerweise sind die Einheiten des Drehmoments Fußpfund oder Newtonmeter. Diese Gleichung gibt das Drehmoment an, das auf den Drehpunkt wirkt, das ist das Konzept des mechanischen Vorteils.

Ich habe mehr darüber nachgedacht, wie Mathematik verwendet werden könnte, um ein Ergebnis vorherzusagen. Um mit einem Mausefallenauto zu beginnen, wenn man berechnen könnte, welche Kraft am Ende des Hebelarms verfügbar ist, basierend auf dem Drehmoment an der Achse, würde es einem eine Vorstellung davon geben, wie viel Kraft verfügbar ist, um das Mausefallenauto anzutreiben. Es ist auch interessant zu sehen, wie die Kraft abnimmt, wenn sich die Feder abwickelt.

Für ein Mausefallenauto, das eine lange Strecke zurücklegen soll, muss der Hebelarm länger sein, um mehr Schnur zu ziehen, die um die Antriebsachse gewickelt wird. Aus diesen Berechnungen kann man leicht erkennen, dass die zur Verfügung stehende Kraft mit zunehmender Länge des Hebelarms schnell abnimmt.

Für mich ist es auch interessant, wenn man berechnete Ergebnisse messen und über die Gründe für Ungenauigkeiten nachdenken kann. Bei diesem Experiment hing die Ungenauigkeit mit der Federwaage zusammen, die ich verwendete und wie ich sie einsetzte. Doc Fizzix verkauft ein Torsionsrad, um das Drehmoment der Mausefallenfeder zu messen. Link zum Produkt Torsionsrad.

Für mein Experiment habe ich die Kraft in Gramm bei 4 Zentimetern von der Achse bei 25, 90 und 180 Grad gemessen. Dann habe ich in 28 cm Abstand von der Achse gemessen und dann berechnet, wie hoch die Kraft sein sollte, basierend auf den Messungen in 4 cm Abstand. Die Messungen erfolgten ebenfalls bei 28 cm, so dass ein Vergleich zwischen den berechneten und den gemessenen Werten durchgeführt werden konnte. Die Ergebnisse liegen ziemlich nahe beieinander.

GF*CM ist das Drehmoment, dividiert durch den Radius ergibt die Kraft. Beispiel: 1600 / 28 = 57,14, 3200 / 28 = 114,29 und 4400 / 28 = 157,14.

Oben sind die Vergleiche der Messungen und der Berechnungen, die in rot erscheinen.

Messwerte Kräfte am Hebelarm bei 25 Grad

Gemessene Kräfte am Hebelarm bei 90 Grad

Gemessene Kräfte am Hebelarm bei 180 Grad

Das Konzept des Drehmoments ist auch im Flug wichtig, wie bei diesem Quadcopter, Schauen Sie sich meinen Artikel Grundlegende Quadcopter an.

Hinweise zu Einheiten

Viele Formeln basieren auf anderen Einheiten als denen, mit denen Sie Ihre Daten erfasst haben. Meine Federwaage zeigt zwar auch Newton an, aber Gramm ist eine viel kleinere Einheit, die bei genaueren Messungen hilft.

Zur Berechnung der potentiellen Energie einer Torsionsfeder ist beispielsweise eine Umrechnung in Newton, Meter und Bogenmaß erforderlich.

1 Gramm = .0098 Newton

Bogenmaß = (Grad * π) / 180

1 Zentimeter = .01 Meter

1 Joule = Kraft von 1 Newton durch eine Strecke von 1 Meter

• Blogartikel 10-10-2017 Mausefallen-Auto-Vorführung im Pflegeheim

Doc Fizzix Mausefallen-Auto-Bausätze