Ideas-Inspire

Najnowsza wersja pułapki na myszy Quicky z podwoziem z klocków piankowych na letnie zajęcia zatytułowane „Inżynieria poprzez modele”.

Wprowadzenie

Prawie wszystko, co wiem o samochodach typu mousetrap, mogę zawdzięczać lekturze tej książki Doca Fizzixa. Gorąco polecam zakup tej książki, a także zestawu samochodu pułapki na myszy od Doc Fizzix’s. Po zbudowaniu dobrego samochodu z zestawu, zaprojektowanie własnego będzie o wiele łatwiejsze.

Podstawowy samochód pułapki na myszy Doca Fizzixa

Po zbudowaniu kilku zestawów samochodu pułapki na myszy Doca Fizzixa zaprojektowałem kilka własnych samochodów, chociaż w zasadzie były to dwa różne główne projekty, a następnie małe wariacje. Najnowszy samochód pułapka na myszy wykorzystuje blok pianki jako podwozie, drut z wieszaka na płaszcze jako osie i koła CD. Ten projekt działa dobrze, ale został zaprojektowany głównie po to, aby być niedrogim. Samochody pułapki na myszy Doca Fizzixa używają droższych materiałów, takich jak mosiężne osie i ramię dźwigni, co jest lepsze.

W przeprojektowaniu tej strony z samochodami pułapki na myszy chciałem wprowadzić więcej aspektu edukacyjnego fizyki do samochodów pułapki na myszy. Moja dyskusja nie jest w żaden sposób wyczerpująca i dlatego sugeruję zakup książki Doca Fizzixa o samochodach pułapkach na myszy.

Faza II w Artykułach Mojej Strony

	Balsa wersja Quicky Mousetrap Car z zajęć letnich kilka lat temu.	Nauczyciele zbudowali Quicky Mousetrap Car na konferencji po zajęciach szkolnych.

Podczas pierwszych kilku lat pracy z moimi pomysłami na projekty związane z nauką, chodziło głównie o to, aby uczniowie z powodzeniem budowali i obsługiwali projekty. Dzięki warsztatom, które prowadziłem, udało się zbudować dość dużą liczbę samochodów pułapek na myszy mojego projektu. Wiele się z tego nauczyłem i starałem się poprawić niektóre aspekty mojego projektu. Te samochody pułapki na myszy zostały również zbudowane bez mojej pomocy we wszystkich częściach świata.

Mam zamiar rozwinąć to i wprowadzić jeszcze więcej aspektów edukacyjnych, które idą w parze z projektami. Będzie to głównie w dziedzinie fizyki i zastosowań matematycznych. Postaram się przedstawić to w zabawny i łatwy do zrozumienia sposób. Patrząc na laboratoria, które szkoły robią z samochodami pułapkami na myszy, wydaje się, że są one związane z rejestrowaniem całkowitej odległości i/lub obliczaniem przyspieszenia podczas biegu. Pomocne będą podstawy z zakresu siły i ruchu, które obejmą omówienie praw Newtona.

Jak działa samochód pułapka na myszy?

Jak działa samochód pułapka na myszy może wydawać się bardzo prosty dla osób o skłonnościach mechanicznych, ale wiele osób, które widzą jeden z moich samochodów pułapek na myszy często pyta: „jak to działa”? Samochód pułapka na myszy jest napędzany przez energię sprężystości skrętnej ze zwiniętej sprężyny pułapki na myszy poruszającej dźwignię, która pociąga za sznurek, który jest owinięty wokół jednej osi samochodu pułapki na myszy. Gdy dźwignia pociąga za sznurek, oś obraca się, gdy sznurek się rozwija, aż do momentu, gdy cały sznurek zostanie przeciągnięty, w którym to momencie koniec sznurka, który był owinięty wokół osi, powinien się zwolnić, a samochód-pułapka powinien przejechać pewien dystans dzięki energii kinetycznej, dopóki tarcie nie spowoduje jego zatrzymania.

Pułapka na myszy marki Victor po prawej stronie jest najczęściej stosowana w samochodach typu mousetrap.		Schemat boczny sprężyny z przymocowanym ramieniem dźwigni.

Ramię dźwigni, które jest przymocowane do sprężyny pułapki na myszy, porusza się po półokręgu o 180 stopni. Moment obrotowy (wielkość siły skręcającej) maleje proporcjonalnie do odległości mierzonej dalej od sprężyny wzdłuż ramienia dźwigni.

Gdy ramię dźwigni zostanie pociągnięte do tyłu, moment obrotowy będzie największy. Jest to dobre, ponieważ samochód potrzebuje dodatkowej siły, gdy zaczyna się poruszać, aby pokonać przeciwną siłę bezwładności (pierwsze prawo Newtona). Jest to energia potencjalna, która wraz z odciągnięciem ramienia dźwigni do tyłu, gdy samochodzik porusza się, zamienia się w energię kinetyczną. Siła pochodząca od zwiniętej sprężyny będzie się zmniejszać, gdy dźwignia będzie się poruszać w kierunku przeciwnym do pozycji wyjściowej.

Koncepcje fizyki

Mam nadzieję, że zauważyłeś, że w tym pozornie prostym modelu samochodu jest wiele koncepcji fizyki. Przedstawmy w skrócie kilka pojęć, które należy poznać, aby zrozumieć działanie samochodu pułapki na myszy:

Maszyny proste – dźwignia – koło i oś : odnosi się to do przewagi mechanicznej .

Maszyna Prosta – Dźwignia

Maszyna Prosta – Koło & Oś

Przewaga mechaniczna to stosunek siły wyjściowej do siły wejściowej, który jest wynikiem kompromisu pomiędzy odległością przesunięcia a wielkością siły. Przesuwając dźwignię dalej po stronie wejściowej, strona wyjściowa przesuwa się na mniejszą odległość, ale z większą siłą. Przy przewadze mechanicznej działającej w odwrotnym kierunku przesunięcie krótkiego dystansu z większą siłą skutkuje mniejszą siłą na wyjściu, ale przesunięciem większego dystansu. W osi napędowej samochodu pułapki na myszy mały obwód obracany przez sznurek owinięty wokół niego na stosunkowo niewielkiej długości napędza znacznie większe koła napędowe na znacznie większą odległość, ale z niewielką siłą. Dlatego samochód musi się toczyć z niewielkim tarciem.

W samochodzie pułapce na myszy dźwignia (ramię dźwigni) jest połączona z kołem i osią za pomocą cienkiej linki.

Trzy prawa ruchu Newtona

Pierwsze prawo – obiekt w spoczynku pozostaje w spoczynku, chyba że działa na niego niezrównoważona siła. Obiekt w ruchu pozostaje w ruchu z tą samą prędkością i w tym samym kierunku, chyba że działa na niego niezrównoważona siła. Prawo bezwładności

Drugie prawo – mówi, że siła jest proporcjonalna do przyspieszenia, ale przyspieszenie jest odwrotnie proporcjonalne do masy. Wzór Siła = Masa x Przyspieszenie odnosi się do tego prawa, a jednostką siły jest Newton.

Trzecie prawo – Dla każdej akcji istnieje równa i przeciwna reakcja.

Odnieś to do samochodu pułapki na myszy

Pierwsze prawo – samochód pułapka na myszy jest w spoczynku, potrzebuje niezrównoważonej siły, aby zacząć się poruszać, masz pomysł skąd ta siła pochodzi? Gdyby nie było tarcia, nadal poruszałby się w tym samym kierunku, ale tarcie jest niezrównoważoną siłą, czy możesz pomyśleć o źródłach tarcia w samochodzie pułapce na myszy?

Drugie prawo – siła jest proporcjonalna do przyspieszenia, myśląc o wzorze na moment obrotowy _____ ramię dźwigni dałoby szybsze przyspieszenie? Przyspieszenie jest odwrotnie proporcjonalne do masy. Oznacza to, że im cięższy jest samochód pułapka na myszy, tym przyspieszenie będzie ______?

Trzecie prawo – dla każdej akcji istnieje równa i przeciwna reakcja, w samochodzie pułapce na myszy koła naciskają w dół na podłogę, a podłoga naciska w górę na _________?

Relate This to Real World Example

Check out my blog post: Newton’s Laws and the Hybrid Car

Terminologia
Przyspieszenie – większość ćwiczeń laboratoryjnych z samochodem pułapką na myszy, które widziałem, zajmuje się całkowitą odległością i mierzeniem przyspieszenia.

Przyspieszenie = szybkość zmiany prędkości

Przyspieszenie = szybkość, z jaką obiekt zmienia położenie (wielkość wektorowa)

Siła = Masa x Przyspieszenie

Uwaga Prędkość i Prędkość nie są takie same:

Prędkość = szybkość, z jaką obiekt pokonuje odległość (wielkość skalarna) Średnia Prędkość jest po prostu odległością podzieloną przez czas, myśląc mile na godzinę.

Im szybciej samochód przyspiesza, tym większa jest siła, ale im większa jest masa, tym większy będzie opór dla przyspieszenia. Pomyśl o tym, że duża ciężarówka lub pociąg przyspiesza wolniej niż samochód.

Praca – Moc – Energia

Praca jest wykonywana, gdy siła działająca na obiekt powoduje przemieszczenie obiektu (porusza się on).

Moc szybkość, z jaką wykonywana jest praca Moc = Praca / Czas Standardową jednostką metryczną mocy jest wat. Dla długodystansowej pułapki na myszy niska moc jest pożądana, praca powinna być wykonywana przez długi okres czasu.

Energia Standardowa definicja to „zdolność do wykonywania pracy”, może to nie być zbyt pomocne. Istnieje kilka form energii i często jedna forma energii może być przekształcona w inną. W samochodzie pułapce na myszy energia potencjalna w zwiniętej sprężynie (energia sprężystości) porusza samochód, zamieniając się w energię kinetyczną.

Konstruowanie samochodu pułapki na myszy

Zrozumienie fizyki samochodu pułapki na myszy powinno pomóc w zaprojektowaniu bardziej efektywnie działającego samochodu pułapki na myszy. Przy budowie samochodu pułapki na myszy musisz zrozumieć podstawowe potrzebne komponenty.

Podwozie – rama samochodu, do której mocowane są inne komponenty. W przypadku samochodu pułapki na myszy powinno być ono sztywne, a jednocześnie lekkie. W pierwszym zbudowanym przeze mnie samochodzie użyłem szkieletu z bambusa, który wymagał dodatkowego usztywnienia, ponieważ napięcie pułapki na myszy ciągnące za sznurek na całej długości podwozia powodowało jego skręcanie. Następna generacja samochodów pułapek na myszy została zbudowana z drewna balsa, a obecna generacja używa podwozia wykonanego z bloku pianki.

W pierwszych prototypach samochodu bambusowej pułapki na myszy zauważyłem, że podwozie skręcało się od siły, z jaką ramię dźwigni ciągnęło tylną oś.		Usztywnienie podwozia zostało dodane w celu usztywnienia podwozia, co rozwiązało problem. Kiedy podwozie się skręcało, powodowało to, że samochód obracał się w jednym kierunku.

Piasta – to środek koła, który mocuje się do osi. Piasta powinna trzymać oś w dokładnym środku koła, a boki piasty powinny być dokładnie pod kątem 90 stopni do osi, w przeciwnym razie koło będzie się chybotać.

Wykonałem piasty z kwadratów wyciętych z gumowych pasów brezentowych i wywierciłem otwór przez środek.		Piasta kwadratowa jest przyklejona tak, aby zakryć otwór.

.

Podkładki pod kran mogą pasować do otworów w płytach CD, ale ja zauważyłam, że te kupione przez Doc Fizzix pasują bardziej.		Podkładki do kranu na samochodzie pułapki na myszy Doca Fizzixa.

Oś – wał jest przymocowany do kół poprzez piasty, powinien być prosty jak to tylko możliwe, inaczej koła będą się chybotać. W samochodzie pułapce na myszy jedna oś działa jak koło pasowe, ponieważ sznurek jest owinięty wokół niej. Średnica osi w stosunku do średnicy kół napędowych to przewaga mechaniczna.

Koło – samochód pułapka na myszy toczy się na kołach, jest to geometryczny kształt koła. Oznacza to, że powinieneś rozumieć takie pojęcia jak średnica, obwód, promień, pi, opór toczenia i bezwładność obrotowa. Używałem płyt CD, przezroczystych warstw i pokrywek od twarogu jako kół.

Duże koła – użycie kół napędowych o naprawdę dużej średnicy daje jeszcze większą przewagę mechaniczną dla większego dystansu.

Łożyska – jest to punkt styku pomiędzy osią skrętną a mocowaniem do podwozia; im mniejsze tarcie w łożyskach, tym bardziej wydajny samochód typu mousetrap. Przy zbyt dużym tarciu w łożyskach pułapka na myszy może się nawet nie poruszać lub zatrzymywać wielokrotnie.

Ramię dźwigni

Ramię dźwigni rozciąga się od sprężyny pułapki na myszy jako dźwignia do ciągnięcia sznurka. Trzy główne kwestie dotyczące ramienia dźwigni:

* Materiał, powinien być bardzo sztywny, ale lekki.
* Przymocowanie do sprężyny pułapki na myszy, w miejscu, w którym ramię dźwigni jest przymocowane do sprężyny, działa duża siła.
* Długość ramienia dźwigni jest ważna, im dłuższe ramię, tym więcej linki można przeciągnąć i samochód-pułapka powinien pojechać dalej.

Ramię dźwigni w tym samochodzie jest wykonane z kwadratowego kawałka twardego drewna, pierwotnie zacząłem od balsy z przegubem T, ale studenci łamali balsę. Po tym jak zajmowałem się delikatnymi strukturami z balsy w modelach samolotów, nie stanowiło to dla mnie problemu.

Obliczenia momentu obrotowego i ramienia dźwigni dla samochodu pułapki na myszy

Moment obrotowy został zdefiniowany jako siła skręcająca lub tendencja do obracania się wokół osi. Powszechnym przykładem momentu obrotowego jest dokręcanie śruby kluczem. Aby wiedzieć, jak duży moment obrotowy jest przyłożony do śruby, mechanicy często używają specjalnego typu klucza, znanego jako „klucz dynamometryczny”, dzięki czemu do śruby może być przyłożona określona ilość momentu obrotowego.

Wzór na moment obrotowy jest bardzo prosty, jeśli siła jest przyłożona prostopadle do dźwigni: Moment obrotowy = promień x siła. Zazwyczaj jednostkami momentu obrotowego są funty lub niutonometry. To równanie daje moment obrotowy przyłożony do punktu obrotu, to jest koncepcja przewagi mechanicznej.

Myślałem więcej o tym, jak matematyka może być użyta do przewidywania wyniku. Aby rozpocząć z samochodu pułapki na myszy, jeśli można obliczyć, co siła jest dostępna na końcu ramienia dźwigni w oparciu o moment obrotowy na osi to daje pewne pojęcie o tym, jak wiele siły jest dostępna do napędzania samochodu pułapki na myszy. Jest to również interesujące, aby zobaczyć, jak siła maleje, gdy sprężyna rozwija.

Dla samochodu pułapki na myszy, który będzie przejść długą odległość ramię dźwigni musi być dłuższy, aby pociągnąć więcej linii, która jest owinięta wokół osi napędowej. Z tych obliczeń można łatwo zauważyć, że ilość dostępnej siły gwałtownie maleje wraz ze wzrostem długości ramienia dźwigni.

Dla mnie jest to również interesujące, jeśli możesz zmierzyć obliczone wyniki i zastanowić się nad przyczynami niedokładności. Dla tego eksperymentu niedokładność była związana z używaną przeze mnie skalą sprężynową i sposobem jej użycia. Doc Fizzix sprzedaje koło skrętne do pomiaru momentu obrotowego sprężyny pułapki na myszy. Link do produktu Torsion Wheel.

Dla mojego eksperymentu zmierzyłem siłę w gramach na 4 centymetrach od osi pod kątem 25, 90 i 180 stopni. Następnie dokonałem pomiaru w odległości 28 centymetrów od osi, a następnie obliczyłem, jaka powinna być siła na podstawie pomiarów w odległości 4 centymetrów. Pomiary zostały również wykonane w odległości 28 centymetrów, więc można było dokonać porównania pomiędzy wyliczoną i zmierzoną siłą. Wyniki są bardzo zbliżone.

GF*CM to moment obrotowy, dzieląc przez promień otrzymujemy siłę. Przykład: 1600 / 28 = 57,14, 3200 / 28 = 114,29, i 4400 / 28 = 157,14.

Powyżej znajdują się porównania pomiarów i obliczeń, które są zaznaczone na czerwono.

Zmierzone siły na ramieniu dźwigni przy 25 stopniach

Zmierzone siły na ramieniu dźwigni przy 90 stopniach

Zmierzone siły na ramieniu dźwigni przy 180 stopniach

Pojęcie momentu obrotowego jest również ważne w locie jak w tym quadcopterze, sprawdź mój artykuł Podstawowe Quadcoptery.

Uwagi o jednostkach

Wielokrotnie wzory są oparte na jednostkach innych niż te z którymi zebrałeś dane. Moja waga sprężynowa wyświetla również Newtony, ale gramy są znacznie mniejszą jednostką, która pomaga w wykonaniu dokładniejszych pomiarów.

Dla przykładu, aby obliczyć energię potencjalną sprężyny skrętnej, potrzebna jest konwersja do Newtonów, metrów i radianów.

1 gram = .0098 Newtonów

Radiany = (stopnie * π) / 180

1 centymetr = .01 metrów

1 dżul = siła 1 Newtona działająca na odległość 1 metra

• Blog Article 10-10-2017 Mousetrap Car Demonstration at Nursing Home

Doc Fizzix Mousetrap Car Kits