ねずみ取りカー｜Ideas-Inspire

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「モデルを使ったエンジニアリング」と題した夏期講習のために、フォームブロックシャーシを使用した Quicky Mousetrap の最新バージョンです。

はじめに

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私がねずみ取り自動車について知っていることのほとんどすべては、Doc Fizzix氏のこの本を読んだことによるものです。この本と、Doc Fizzix’sのネズミ捕りカーキットの購入を強くお勧めします。

MseRight11 Doc Fizzix’s Basic Mousetrap Car

Doc Fizzix’sのねずみ取り車キットをいくつか作った後、私は自分でいくつかの車をデザインしましたが、基本的には2つの異なる主要なデザインと、それに続く小さなバリエーションでした。最新のネズミ捕りカーは、シャーシに発泡スチロールのブロックを使い、車軸にはコートハンガーのワイヤーを使い、ホイールにはCDを使っています。このデザインはよくできているが、主に安価であることを目的としたものだ。

このねずみ捕りカーの Web ページを再設計するにあたり、ねずみ捕りカーの教育的な物理学の側面をもっと紹介したいと思いました。

このねずみ取り車のページをリニューアルするにあたり、ねずみ取り車の教育的な物理学の側面をもっと紹介したいと思いました。私の議論は決して完全に網羅的なものではありません。

私のウェブサイトの記事のフェーズII

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	数年前の夏休みの授業で習ったQuicky Mousetrap Carのバルサ版。

私の科学関連のプロジェクトのアイデアに取り組んだ最初の数年間は、主に生徒がプロジェクトをうまく構築し、操作することができるようにすることだけでした。私が教えたワークショップでは、私が設計したネズミ捕りカーがかなりの数作られました。ここから多くのことを学び、私のデザインのいくつかの側面を改善しようとしました。

このプロジェクトを拡大し、プロジェクトに沿ってさらに大きな教育的側面を導入することを計画しています。

これをさらに発展させ、プロジェクトに付随する教育的側面をさらに充実させることを計画しています。楽しく、わかりやすい方法で紹介していきたいと思います。学校で行われているネズミ捕りカーの実験を見てみると、総距離の記録や走行中の加速度の計算に関連しているようです。

ネズミ捕りカーはどのようにして動くのですか？

ネズミ捕りカーがどのように機能するかは、多少機械に強い人にとっては非常に単純に見えるかもしれませんが、私のネズミ捕りカーを見た多くの人は、「これはどのようにして動くのか」と尋ねます。ねずみ取りカーは、ねずみ取りの巻いたバネのねじり弾性エネルギーによって、レバーを動かし、ねずみ取りカーの片方の車軸に巻き付けられたひもを引っ張ることで推進力を得ている。レバーがひもを引くと、車軸が回転し、ひもがすべて引き出されると、車軸に巻き付けられていたひもの端が解放され、運動エネルギーによってネズミ捕りカーは遠くまで惰性で進み、摩擦によって停止します。


右のビクターブランドのネズミ捕りは、ネズミ捕りカーによく使われています。		レバーアームを取り付けたバネの側面図

mseleft5 ねずみ取りのバネに取り付けられたレバーアームは、180度の半円の中を動きます。

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レバーアームを一番後ろまで引いたときに、トルクが一番大きくなります。これは、車が動き出すときに、反対側の慣性力（ニュートンの第一法則）に打ち勝つための余分な力を必要とするからです。これは位置エネルギーで、ネズミ捕りの車が動くときにレバーの腕が引き戻され、これが運動エネルギーに変わります。

物理学の概念

このシンプルに見える車の模型には、多くの物理学の概念があることがおわかりいただけたと思います。

単純な機械 – てこ – 車輪と車軸 : 機械的な利点に関連しています。

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単純な機械-てこ

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機械的な優位性とは、入力力に対する出力力の比率であり、移動距離と力の大きさのトレードオフになります。レバーの入力側を遠くに移動すると、出力側は移動距離が短くなりますが、力は大きくなります。機械的な優位性が逆に働くと、短い距離をより大きな力で動かすことができ、出力側の力は小さくなりますが、より大きな距離を動かすことができます。ねずみ取り自動車の駆動軸では、小さな円周が比較的短い長さで巻き付けられた紐によって回転し、大きな駆動輪を小さな力でより大きな距離を動かすことができます。

MseCenter8 ねずみ取り自動車では、レバー（レバーアーム）は細い線で車輪と車軸につながっています。

Newton

ニュートンの運動三法

第一法則-静止している物体は、不均衡な力が作用しない限り静止したままである。運動している物体は、不均衡な力が作用しない限り、同じ速度で同じ方向に運動し続ける。慣性の法則

第2の法則-力は加速度に比例するが、加速度は質量に反比例するというもの。

第三の法則 – すべての作用には、等しくて反対の反応がある。

これをネズミ捕りカーに関連づけると

第一の法則 – ネズミ捕りカーは静止していますが、動き出すには偏った力が必要です。摩擦がなければ同じ方向に動き続けますが、摩擦は不均衡な力です。ネズミ捕りカーの摩擦の原因を考えてみましょう。

第二法則：力は加速度に比例します。トルクの公式を考えてみましょう。_____ レバーアームを使えば加速度は速くなるでしょうか？加速度は質量に反比例します。つまり、ネズミ捕りカーが重ければ重いほど、加速度は______?

第三法則 – すべての作用には等しく、反対の反応がある。ネズミ捕りカーでは、車輪が床を押し下げ、床が_________?

これを実世界の例と関連付ける

私のブログ記事をご覧ください。 Newton’s Laws and the Hybrid Car

priusNgraph

用語解説
加速度 – 私が見たネズミ捕りカーの実験課題のほとんどは、総距離と加速度の測定を扱っていました。

加速度＝速度の変化率

速度＝物体が位置を変える率（ベクトル量）

力＝質量×加速度

注意速度と速度は同じではありません：

速度＝物体が距離をカバーする率（スカラー量）

平均速度は距離を時間で割ったもので、1時間あたりのマイル数と考えてください。

車が速く加速すればするほど、力は大きくなりますが、質量が大きくなればなるほど、加速に対する抵抗は大きくなります。

仕事 – 電力 – エネルギー

仕事は、物体に作用する力が物体の変位を引き起こすときに行われます(物体が動く)。

電力は、仕事が行われる速度です。

エネルギーの標準的な定義は「仕事をする能力」ですが、これはあまり役に立たないかもしれません。エネルギーにはいくつかの形態があり、多くの場合、ある形態のエネルギーは別の形態に変換することができます。

ネズミ捕りカーを作る

ネズミ捕りカーの物理を理解することは、より効率的に動作するネズミ捕りカーを設計するのに役立つはずです。

シャシー – 他の部品が取り付けられる車のフレーム。ねずみ取り車の場合、剛性が高く、かつ軽量であることが必要です。私が最初に作った車では、竹の骨組みを使っていましたが、ネズミ捕りがシャシーの長さに渡ってひもを引っ張る張力でねじれてしまうため、追加のブレースが必要でした。次の世代のねずみ取り自動車はバルサ材で作られ、現在の世代は発泡ブロックで作られたシャーシを使用しています。


竹とんぼカーの最初のプロトタイプでは、リアアクスルを引っ張るレバーアームの力でシャーシがねじれていることに気づきました。		シャーシの剛性を高めるためにレースを追加して問題を解決しました。

ハブ – 車軸に取り付けられたホイールの中心部。ハブは車軸をホイールの正確な中心に保持する必要があり、ハブの側面は車軸に対して正確に90度でなければ、ホイールはぐらついてしまいます。


ラバータープのストラップから四角いものを切り取り、中心に穴を開けてハブを作りました。		四角いハブは穴を覆うように接着されています。


蛇口のワッシャーはCDの穴に入ることがありますが、 Doc Fizzix’sで購入したものの方がしっかり入ることがわかりました。		Doc Fizzixのネズミ捕りカーに付いている蛇口のワッシャー。