La forma más común de lanzar objetos con un robot V5 es girando una rueda a altas velocidades y luego introduciendo el objeto en la rueda. Este documento explica la física relevante detrás de un sistema de giro, lo que sucede cuando se lanza un objeto y cómo se puede ajustar un sistema para lanzar mejor los objetos.
Física detrás de los objetos giratorios
La energía rotacional, la medición de la energía contenida en un objeto giratorio, se define mediante la ecuación:
ERotacional = 12 Iw2
- I significa inercia rotacional (también llamada "Momento de inercia" o "MOI"), que es una medida de lo difícil que es girar el objeto.
- w es la velocidad a la que gira el objeto.
Esto significa que podemos cambiar dos variables, ya sea la inercia de rotación de nuestro sistema (I) o la velocidad a la que gira (w), para cambiar la energía de rotación en nuestro sistema de lanzamiento.
Entonces, ¿por qué nos importa la energía de rotación en nuestro lanzador? La Ley de Conservación de la Energía establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transfiere. Esto significa que el sistema de lanzamiento transferirá parte de su energía de rotación al objeto que estamos lanzando, ¡y es esa energía la que hace que el objeto se lance por el aire!
Un objeto que se mueve en una dirección tiene una energía lineal, definida por la ecuación:
ELineal = 12 mv2
- m representa la masa del objeto
- v es la velocidad del objeto
Esto significa que un objeto lanzado a una cierta velocidad tiene una cantidad fija de energía. Este valor es fijo para una cierta velocidad, pero la energía en nuestro lanzador no lo es. La energía en nuestro lanzador justo después de un lanzamiento será menor que justo antes debido a la transferencia de energía al objeto lanzado. Al cambiar la energía en nuestro sistema de lanzamiento antes del lanzamiento, podemos cambiar la proporción de energía transferida al objeto lanzado y, al hacerlo, afectar tanto qué tan bien el lanzador lanza el objeto como qué tan preparado está para lanzar el siguiente objeto.
¿Qué es un volante de inercia?
Como se mencionó anteriormente, una de las formas en que podemos cambiar la energía de rotación de nuestro lanzador es cambiando la inercia de rotación del sistema. Es importante saber dos cosas: primero, cada objeto tiene un cierto valor de inercia rotacional alrededor de un eje de rotación, y segundo, la inercia rotacional de todas las partes de un sistema se suman para hacer la inercia rotacional del sistema. Un objeto que se utiliza para aumentar la inercia de rotación de un sistema se conoce como volante, y hay un nuevo VEX V5 Flywheel Weight para hacer exactamente esto en el ecosistema V5.
Impacto de un volante en el rendimiento del sistema
Lo más importante que hay que entender es cómo los diferentes momentos de inercia en un sistema afectan a su rendimiento.
Si aumentamos el momento de inercia, la energía de rotación aumentará (como se muestra en la primera ecuación anterior). Con más energía en el sistema a una cierta velocidad, tomará más tiempo obtener la energía en el sistema, por lo que el tiempo de centrifugado aumentará. Con más MOI, la caída de RPM después de un lanzamiento disminuirá y un objeto generalmente se lanzará más. Con una disminución en el momento de inercia, obtenemos todos los efectos opuestos: la energía de rotación y el tiempo de giro disminuirán, la caída de RPM aumentará y tanto la energía transferida al objeto como la distancia a la que llegará el objeto disminuirán.
| MOI más alto | MOI INFERIOR |
| Mayor consumo de corriente en el giro inicial | Menor consumo de corriente en el giro inicial |
| Menos velocidad necesaria para lanzar el objeto a la distancia deseada | Mayor velocidad necesaria para lanzar el objeto a la distancia deseada |
| Menos caída de velocidad cuando se lanza el objeto (menos tiempo entre lanzamientos) | Mayor caída de velocidad cuando se lanza el objeto (más tiempo entre lanzamientos) |
Cómo usar el peso del volante V5
El volante de inercia V5 se puede montar de dos maneras diferentes. En primer lugar, un patrón de montaje cuadrado de paso estándar de ½”permite montar el volante en los engranajes de alta resistencia de 48T, 60T, 72T y 84T. En segundo lugar, un patrón de montaje hexagonal estándar de 1.875" permite montar el volante en un versahub, que se puede montar en un eje de alta resistencia con un adaptador versahub. La imagen de la izquierda muestra los orificios de montaje en el peso del volante V5. Los agujeros rojos coinciden con el patrón de montaje cuadrado estándar y los agujeros azules coinciden con el patrón hexagonal versahub.
Un ejemplo que muestra el Ejemplo #1 de montaje del peso del volante V5.
Un ejemplo que muestra el Ejemplo #2 de montaje del peso del volante V5.
Al igual que con todo lo que se fabrica, todas las piezas tienen una tolerancia en su diseño debido a pequeñas e inevitables inexactitudes en el proceso de fabricación. El peso del volante V5 no es una excepción a esta regla, y existe la posibilidad de una pequeña cantidad de asimetría en el volante que resulte en vibración. La vibración en su robot puede aflojar los pernos, hacer que su lanzador sea inexacto o incluso dañar los componentes del robot. Hay dos formas de combatir esto. En primer lugar, si se utiliza más de un volante, los volantes se pueden girar uno con respecto al otro de tal manera que anulen el equilibrio asimétrico del otro. En segundo lugar, si solo se utiliza un volante, se puede colocar un perno en un orificio de montaje no utilizado para contrarrestar el equilibrio asimétrico. En ambos casos, es aconsejable utilizar un proceso de prueba y error para determinar qué configuración es la mejor.
Cojinete o buje: ¿cuál necesita?
Con la introducción del rodamiento de bolas de eje de alta resistencia, los usuarios de VEX ahora tienen acceso a dos formas diferentes de soportar los sistemas de rotación en sus robots. La parte conocida como "cojinete plano" en realidad se conoce en la industria como casquillo porque no tiene partes móviles. Tanto los cojinetes como los bujes funcionan reduciendo la fricción entre el eje giratorio y el soporte fijo. Los bujes, los "cojinetes planos" o los "cojinetes de eje dealta resistencia" en VEX (a los que se hace referencia en este documento como bujes), lo hacen proporcionando una superficie lisa y redonda en la que el eje pueda entrar en contacto. Los rodamientos, por otro lado, contienen muchas bolas pequeñas que ruedan cuando el eje gira. A pesar de reducir la fricción, ni los cojinetes ni los bujes la eliminan por completo. Debido a sus diferentes construcciones y un par de otros factores, los cojinetes y bujes tienen diferentes fortalezas, debilidades y casos de uso.
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Puntos fuertes | Debilidades |
| Cojinete |
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| Buje |
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Si nos fijamos en un mecanismo de giro en el contexto de su energía, como hemos hecho anteriormente en esta guía, los cojinetes o bujes constantemente "filtran" energía del sistema en forma de calor a través de la fricción. La velocidad a la que lo hacen, sin embargo, es diferente. Los bujes pierden energía del sistema más rápido que los rodamientos de bolas, y el impacto es significativo.
Hicimos una serie de pruebas con un lanzador, primero usando bujes y luego usando rodamientos. En ambas versiones, el lanzador tenía 2 rodamientos/bujes engranados a 600 rpm y 2 rodamientos/bujes engranados a 3600 RPM, utilizando dos motores inteligentes V5 con cartuchos azules. La diferencia entre los rodamientos y los bujes fue significativa. Este es el gráfico de la velocidad del motor durante un giro normal.
Los cojinetes alcanzaron una velocidad máxima estable significativamente mayor y aceleraron más rápido que los bujes. En el contexto de la energía, esto significa que el sistema con cojinetes pudo mantener más energía en el sistema y lanzar su objeto más lejos y más rápido que el sistema con los bujes. La diferencia de eficiencia fue de aproximadamente el 8%, con una diferencia de 300 RPM A la salida de la caja de cambios.
Con la misma configuración, medimos el consumo de corriente de uno de los motores durante un giro normal del lanzador. Al igual que en la última prueba, hicimos una prueba con casquillos y otra con cojinetes, con una configuración idéntica. La diferencia en el consumo de corriente fue significativa, con el lanzador basado en bujes consumiendo más del doble de la corriente del lanzador basado en cojinetes. Este es el gráfico del sorteo actual a lo largo del tiempo.
Finalmente, para demostrar el impacto de los volantes discutidos anteriormente en este artículo, realizamos una prueba de seguimiento de las RPM de uno de los motores mientras lanzábamos 3 discos. Una prueba no tenía volantes de inercia, mientras que la otra tenía dos. Este es el gráfico:
Hay un par de cosas importantes que podemos ver en este gráfico:
- La caída de RPM, la diferencia entre las RPM objetivo (600) y las RPM más lentas justo después de un disparo, se redujo significativamente en la prueba con 2 volantes. Las pruebas con volantes 0 tuvieron una caída de ~150 RPM, mientras que la prueba con 2 volantes tuvo una caída de ~75 RPM.
- El tiempo de recuperación, el tiempo que tarda el lanzador en volver a las RPM objetivo (600), se redujo significativamente en la prueba con 2 volantes. Esto tiene sentido ya que una menor proporción de la energía total se transfiere al disco lanzado, como se discutió anteriormente en el artículo.
- El tiempo total de lanzamiento se redujo en ~40% por disparo y en general para la prueba con 2 volantes.
Conclusiones
- Es más fácil pensar en los lanzadores en términos de su energía de rotación y los lanzamientos como una transferencia de esa energía de rotación al objeto lanzado.
- Los volantes le permiten aumentar la energía de rotación en su lanzador, lo que le permite lanzar objetos más lejos. El nuevo peso del volante V5 abre las opciones para volantes en VRC y el ecosistema V5.
- Es posible que los pesos del volante V5 deban fijarse de manera relativa entre sí para reducir el equilibrio asimétrico producido durante el proceso de fabricación.
- Los cojinetes y bujes "filtran" energía de su lanzador a través del calor de la fricción. El uso de los nuevos rodamientos de alta resistencia sobre los planos de rodamientos tradicionales (bujes) puede permitirle alcanzar una velocidad máxima más alta en su lanzador y reducir el consumo de corriente sostenida de sus motores de lanzador. Esto aumenta la energía en su sistema de lanzamiento mientras mantiene sus motores más fríos.