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Ultima versione del Quicky Mousetrap con telaio in blocchi di schiuma per un corso estivo intitolato “Engineering Through Models”.

Introduzione

Quasi tutto quello che so sulle auto trappola per topi lo posso accreditare alla lettura di questo libro di Doc Fizzix. Consiglio vivamente di acquistare questo libro e anche un kit di auto trappola per topi da Doc Fizzix’s. Dopo aver costruito un buon kit di auto, progettare le proprie sarà molto più facile.

Doc Fizzix’s Basic Mousetrap Car

Dopo aver costruito un paio di kit di auto trappola per topi di Doc Fizzix ho progettato diverse mie auto anche se erano fondamentalmente due diversi progetti principali e poi piccole variazioni. L’ultima auto trappola per topi usa un blocco di schiuma per il telaio, filo per appendiabiti per gli assi e ruote CD. Questo design funziona bene ma è stato progettato principalmente per essere economico. Le auto trappola per topi di Doc Fizzix usano materiali più costosi come assi di ottone e braccio di leva, il che è meglio.

Nella riprogettazione di questa pagina web di auto trappola per topi ho voluto introdurre più dell’aspetto fisico educativo alle auto trappola per topi. La mia discussione non è assolutamente completa ed è per questo che suggerisco l’acquisto del libro Doc Fizzix’s mousetrap car.

Fase II dei miei articoli

	Versione in balsa della Quicky Mousetrap Car del corso estivo di qualche anno fa.	Gli insegnanti hanno costruito Quicky Mousetrap Car alla conferenza del doposcuola.

Durante i primi anni di lavoro con le mie idee di progetti scientifici si trattava principalmente di far costruire e far funzionare i progetti con successo agli studenti. Attraverso i workshop che ho tenuto è stato costruito un numero abbastanza grande di auto trappola per topi del mio progetto. Ho imparato molto da questo e ho cercato di migliorare alcuni aspetti del mio progetto. Queste trappole per topi sono state costruite anche senza il mio aiuto in tutte le parti del mondo.

Il mio piano è di espandere questo e introdurre aspetti educativi ancora maggiori che vanno insieme ai progetti. Questo sarà principalmente nell’area della fisica e delle applicazioni matematiche. Cercherò di presentare tutto questo in modo divertente e facile da capire. Guardando i laboratori che le scuole stanno facendo con le auto trappola per topi, sembra che siano legati alla registrazione della distanza totale e/o al calcolo dell’accelerazione durante la corsa. Sarà utile un background in forza e movimento che includa una discussione sulle leggi di Newton.

Come funziona l’auto trappola per topi?

Come funziona l’auto trappola per topi potrebbe sembrare molto semplice per persone un po’ inclini alla meccanica, ma molte persone che vedono una delle mie auto trappola per topi spesso chiedono, “come funziona”? L’auto trappola per topi è spinta dall’energia elastica torsionale della molla avvolta della trappola per topi che muove una leva che tira una corda che è avvolta intorno a un asse dell’auto trappola per topi. Mentre la leva tira la corda, l’asse gira mentre la corda si srotola fino a quando tutta la corda è stata tirata, a quel punto l’estremità della corda che era avvolta intorno all’asse dovrebbe liberarsi e l’auto trappola per topi dovrebbe percorrere una certa distanza a causa dell’energia cinetica fino a quando l’attrito la fa fermare.

La trappola per topi di marca Victor sulla destra è più spesso utilizzata nelle auto trappola per topi.		Schema vista laterale della molla con braccio di leva attaccato.

Il braccio di leva che è attaccato alla molla della trappola per topi si muove attraverso un mezzo cerchio che 180 gradi. La coppia (quantità di forza di torsione) diminuisce proporzionalmente man mano che si misura più lontano dalla molla lungo il braccio di leva.

Quando il braccio di leva viene tirato completamente indietro la coppia sarà massima. Questo è un bene perché l’auto ha bisogno della forza extra quando inizia a muoversi per superare la forza d’inerzia opposta (prima legge di Newton). Questa è energia potenziale con il braccio di leva tirato indietro mentre l’auto trappola per topi si muove, che si converte in energia cinetica. La forza della molla avvolta diminuirà man mano che la leva si muove verso la posizione opposta a quella di partenza.

Concetti di fisica

Spero che abbiate identificato che ci sono molti concetti di fisica in questo apparentemente semplice modello di auto. Vediamo alcuni concetti che dovrebbero essere studiati per capire il funzionamento della macchina trappola per topi:

Macchine semplici – leva – ruota e asse: questo si riferisce al vantaggio meccanico.

Macchina semplice – La leva

Macchina semplice – ruota & Asse

Il vantaggio meccanico è il rapporto tra la forza in uscita e quella in entrata che è un compromesso tra la distanza spostata e la quantità di forza. Spostandosi più lontano sul lato d’ingresso della leva, il lato d’uscita si sposta su una distanza minore ma con più forza. Con il vantaggio meccanico che lavora nella direzione opposta, lo spostamento di una breve distanza con più forza si traduce in una minore forza in uscita ma in uno spostamento maggiore. Nell’asse motore dell’auto trappola per topi, la piccola circonferenza fatta girare dalla corda avvolta intorno ad essa per una lunghezza relativamente breve spinge le ruote motrici molto più grandi a una distanza molto maggiore ma con una piccola quantità di forza. Questo è il motivo per cui l’auto deve rotolare con poco attrito.

Nell’auto trappola per topi la leva (braccio di leva) è collegata a ruota e asse attraverso una linea sottile.

Le tre leggi del moto di Newton

Prima legge – un oggetto a riposo rimane a riposo a meno che non sia agito da una forza non equilibrata. Un oggetto in movimento continua a muoversi con la stessa velocità e nella stessa direzione, a meno che non sia agito da una forza sbilanciata. Legge d’inerzia

Seconda legge – afferma che la forza è proporzionale all’accelerazione ma l’accelerazione è inversamente proporzionale alla massa. La formula Forza = Massa x Accelerazione si riferisce a questa legge e l’unità di forza è il Newton.

Terza legge – Per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria.

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Prima legge – la macchina trappola per topi è a riposo, ha bisogno di una forza sbilanciata per iniziare a muoversi, qualche idea da dove viene questa forza? Se non ci fosse attrito continuerebbe a muoversi nella stessa direzione, ma l’attrito è una forza sbilanciata, puoi pensare a fonti di attrito nella macchina trappola per topi?

Seconda legge – la forza è proporzionale all’accelerazione, pensando alla formula della coppia un _____ braccio di leva darebbe un’accelerazione più veloce? L’accelerazione è inversamente proporzionale alla massa. Questo significa che più pesante è l’auto trappola per topi l’accelerazione sarebbe ______?

Terza legge – per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria, nell’auto trappola per topi le ruote spingono giù sul pavimento e il pavimento spinge su _________?

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Guarda il mio post sul blog: Le leggi di Newton e l’auto ibrida

Terminologia
Accelerazione – la maggior parte degli esercizi di laboratorio sulle auto trappola per topi che ho visto riguardano la distanza totale e la misurazione dell’accelerazione.

Accelerazione = tasso di variazione della velocità

Velocità = tasso di variazione della posizione di un oggetto (quantità vettoriale)

Forza = Massa x Accelerazione

Nota: Velocità e Velocità non sono la stessa cosa:

Velocità = tasso che un oggetto copre una distanza (quantità scalare) La velocità media è solo la distanza divisa per il tempo pensa miglia per ora.

Più veloce è l’auto che accelera più grande è la forza ma più grande è la massa più grande sarà la resistenza all’accelerazione. Pensate a come un grande camion o un treno acceleri più lentamente di un’automobile.

Lavoro – Potenza – Energia

Il lavoro viene fatto quando una forza che agisce su un oggetto causa uno spostamento dell’oggetto (si muove).

Potenza il tasso con cui viene fatto il lavoro Potenza = Lavoro / Tempo l’unità metrica standard della potenza è il watt. Per una trappola per topi a lunga distanza è auspicabile una bassa potenza, il lavoro dovrebbe essere fatto per un lungo periodo di tempo.

La definizione standard di energia è “la capacità di fare lavoro”, questo potrebbe non essere troppo utile. Ci sono diverse forme di energia e spesso una forma di energia può essere convertita in un’altra. Nell’auto trappola per topi l’energia potenziale nella molla avvolta (energia elastica) muove l’auto trappola per topi convertendola in energia cinetica.

Costruire l’auto trappola per topi

Comprendere la fisica dell’auto trappola per topi dovrebbe aiutare a progettare un’auto trappola per topi più efficiente. Nella costruzione della macchina trappola per topi è necessario capire i componenti di base necessari.

Telaio – telaio della macchina a cui si attaccano gli altri componenti. Per l’auto trappola per topi deve essere rigido ma leggero. La prima macchina che ho costruito ho usato una struttura di bambù che ha richiesto ulteriori rinforzi perché la tensione della trappola per topi che tirava la corda per tutta la lunghezza del telaio lo faceva torcere. La generazione successiva di auto trappola per topi è stata costruita con legno di balsa e la generazione attuale usa un telaio fatto da un blocco di schiuma.

Nei primi prototipi dell’auto trappola per topi di bambù ho notato che il telaio si torceva per la forza del braccio di leva che tira sull’asse posteriore.		Sono stati aggiunti dei rinforzi per irrigidire il telaio che hanno risolto il problema. Quando il telaio si è attorcigliato ha causato la macchina a girare in una direzione.

Hub – questo è il centro della ruota che si attacca all’asse. Il mozzo deve tenere l’asse nel centro esatto della ruota e i lati del mozzo devono essere esattamente a 90 gradi rispetto all’asse, altrimenti la ruota oscillerà.

Ho fatto mozzi dal taglio di quadrati da cinghie di gomma tarp e foratura attraverso il centro.		Il mozzo quadrato è incollato in modo da coprire il foro.

Le rondelle del rubinetto possono entrare nel foro dei CD ma ho trovato che quelle acquistate tramite Doc Fizzix si adattano meglio.		Rondelle del rubinetto sull’auto trappola per topi di Doc Fizzix.

Axle – l’albero è attaccato alle ruote attraverso i mozzi e deve essere il più dritto possibile o le ruote traballeranno. Nell’auto trappola per topi un asse agisce come una puleggia quando la corda è avvolta intorno ad esso. Il diametro dell’asse in relazione al diametro delle ruote motrici è il vantaggio meccanico.

Ruota – la macchina trappola per topi rotola su ruote questa è la forma geometrica di un cerchio. Questo significa che dovresti capire termini come diametro, circonferenza, raggio, pi greco, resistenza al rotolamento e inerzia rotazionale. Ho usato CD, strati trasparenti, e coperchi di formaggio per le ruote.

Ruote grandi – usando ruote motrici di diametro veramente grande si ottiene un vantaggio meccanico ancora maggiore per una maggiore distanza.

Cuscinetto – questo è il punto di contatto tra l’asse di rotazione e l’attacco al telaio; minore è l’attrito nei cuscinetti più efficiente è l’auto trappola per topi. Con troppo attrito nei cuscinetti la trappola per topi potrebbe anche non muoversi o fermarsi ripetutamente.

Braccio di leva

Il braccio di leva si estende dalla molla della trappola per topi come una leva per tirare la corda. Tre considerazioni principali per il braccio di leva:

* Materiale, deve essere molto rigido ma leggero.
* Attacco alla molla della trappola per topi, c’è una grande forza dove il braccio di leva è attaccato alla molla.
* La lunghezza del braccio di leva è importante, più lungo è il braccio più linea può essere tirata attraverso e l’auto trappola per topi dovrebbe andare più lontano.

Il braccio di leva su questa macchina è fatto da un calcio quadrato di un legno duro, inizialmente ho iniziato con la balsa con un giunto a T ma gli studenti rompevano la balsa. Dopo aver maneggiato delicate strutture di balsa negli aeromodelli non è stato un problema per me.

Calcoli di coppia e braccio di leva per un’auto trappola per topi

La coppia è stata definita come una forza di torsione o la tendenza a ruotare intorno ad un asse. Un esempio comune di coppia è il serraggio di un bullone con una chiave inglese. Per sapere quanta coppia viene applicata a un bullone, i meccanici spesso usano un tipo speciale di chiave, nota come “chiave dinamometrica”, in modo da poter applicare una determinata quantità di coppia a un bullone.

La formula della coppia è molto semplice se la forza viene applicata perpendicolarmente alla leva: Coppia = raggio x forza. Normalmente le unità di misura della coppia sono piedi-libbre o newton metri. Questa equazione dà la coppia applicata al punto di rotazione, questo è il concetto di vantaggio meccanico.

Ho pensato di più a come la matematica potrebbe essere usata per prevedere un risultato. Per iniziare con una macchina trappola per topi, se si potesse calcolare quale forza è disponibile alla fine del braccio di leva in base alla coppia sull’asse, si avrebbe un’idea di quanta forza è disponibile per spingere la macchina trappola per topi. È anche interessante vedere come la forza diminuisce man mano che la molla si srotola.

Per un’auto trappola per topi che percorre una lunga distanza il braccio di leva deve essere più lungo per tirare più filo che è avvolto intorno all’asse di guida. Da questi calcoli si può facilmente vedere che la quantità di forza disponibile diminuisce rapidamente all’aumentare della lunghezza del braccio di leva.

Per me è anche interessante se si possono misurare i risultati calcolati e pensare alle ragioni delle imprecisioni. Per questo esperimento l’imprecisione era legata alla scala a molla che stavo usando e come la stavo usando. Doc Fizzix vende una ruota di torsione per misurare la coppia della molla della trappola per topi. Link al prodotto Torsion Wheel.

Per il mio esperimento ho misurato la forza in grammi a 4 centimetri dall’asse a 25, 90 e 180 gradi. Ho poi misurato a 28 centimetri dall’asse e poi ho calcolato quale dovrebbe essere la forza in base alle misure a 4 centimetri. Le misure sono state prese anche a 28 centimetri in modo da poter fare un confronto tra il calcolato e il misurato. Risultati abbastanza vicini.

GF*CM è la coppia, dividendo per il raggio si ottiene la forza. Esempio: 1600 / 28 = 57.14, 3200 / 28 = 114.29, e 4400 / 28 = 157.14.

Sopra ci sono i confronti delle misure e dei calcoli che appaiono in rosso.

Forze misurate sul braccio della leva a 25 gradi

Forze misurate sul braccio della leva a 90 gradi

Forze misurate sul braccio della leva a 180 gradi

Il concetto di coppia è importante anche nel volo come in questo quadcopter, controlla il mio articolo Quadcopter di base.

Note sulle unità

Molte volte le formule sono basate su unità diverse da quelle con cui avete raccolto i vostri dati. La mia bilancia a molla visualizza anche i Newton, ma i grammi sono un’unità molto più piccola che aiuta a prendere misure più accurate.

Per esempio, per calcolare l’energia potenziale di una molla torsionale, è necessaria la conversione in Newton, metri e radianti.

1 grammo = .0098 Newton

Radiani = (gradi * π) / 180

1 centimetro = .01 metri

1 joule = forza di 1 Newton attraverso una distanza di 1 metro

• Blog Article 10-10-2017 Dimostrazione di auto trappola per topi alla casa di cura

Doc Fizzix Mousetrap Car Kit