La forma más común de lanzar objetos con un robot V5 es hacer girar una rueda a altas velocidades y luego introducir el objeto en la rueda. Este documento explica la física relevante detrás de un sistema giratorio, qué sucede cuando se lanza un objeto y cómo se puede ajustar un sistema para lanzar objetos mejor.
Física detrás de objetos giratorios
La energía rotacional, la medida de la energía contenida en un objeto que gira, se define mediante la ecuación:
E = 12 Iw
- I representa la inercia rotacional (también llamada "Momento de Inercia" o "MOI"), que es una medida de qué tan difícil 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 rotacional de nuestro sistema (I) o la velocidad a la que gira (w), para cambiar la energía rotacional en nuestro sistema de lanzamiento.
Entonces, ¿por qué nos preocupamos por la energía rotacional de nuestro lanzador? La Ley de Conservación de la Energía establece que la energía ni se crea ni se destruye, sólo 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:
E =12 mv
- m representa la masa del objeto
- v es la velocidad del objeto
Esto significa que un objeto lanzado a cierta velocidad tiene una cantidad determinada de energía. Este valor es fijo para una determinada velocidad, pero la energía en nuestro lanzador no. La energía en nuestro lanzador inmediatamente después del lanzamiento será menor que 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?
Como se mencionó anteriormente, una de las formas en que podemos cambiar la energía rotacional de nuestro lanzador es cambiando la inercia rotacional 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 suma para formar la inercia rotacional del sistema. Un objeto que se utiliza para aumentar la inercia rotacional 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 de un sistema afectan 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 conseguir la energía en el sistema, por lo que el tiempo de aceleración aumentará. Con más MOI, la caída de RPM después de un lanzamiento disminuirá y, por lo general, un objeto se lanzará más lejos. 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 que llegará el objeto disminuirán.
Mayor MOI | Menor MOI |
Mayor consumo de corriente en el giro inicial | Menor consumo de corriente en el giro inicial |
Se necesita menos velocidad para lanzar el objeto a la distancia deseada | Se necesita mayor velocidad 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 utilizar el peso del volante V5
El peso del volante V5 se puede montar de dos maneras diferentes. Primero, un patrón de montaje cuadrado de paso estándar de ½” permite montar el volante en los engranajes de alta resistencia 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 orificios rojos coinciden con el patrón de montaje cuadrado estándar y los orificios azules coinciden con el patrón hexagonal de versahub.
Un ejemplo que muestra el ejemplo n.º 1 de montaje del contrapeso del volante V5.
Un ejemplo que muestra el ejemplo n.º 2 de montaje del contrapeso del volante V5.
Como ocurre con todo lo que se fabrica, todas las piezas tienen una tolerancia en su diseño debido a pequeñas e inevitables imprecisiones en el proceso de fabricación. El peso del volante V5 no es una excepción a esta regla y existe la posibilidad de que se produzca una pequeña asimetría en el volante que provoque vibración. La vibración en su robot puede aflojar los pernos, hacer que su lanzador sea impreciso 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 entre sí de manera que cancelen el equilibrio asimétrico de cada uno. 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 recomendable utilizar un proceso de prueba y error para determinar qué configuración es mejor.
Cojinete o buje: ¿cuál necesitas?
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 sistemas rotacionales en sus robots. La parte conocida como “plana del rodamiento” en realidad se conoce en la industria como casquillo porque no tiene partes móviles. Tanto los rodamientos como los casquillos funcionan reduciendo la fricción entre el eje giratorio y el soporte fijo. Los bujes, los “rodamiento plano” o “Cojinete de eje de alta resistencia” en VEX (a los que se hace referencia en este documento como bujes), lo hacen proporcionando una superficie lisa y redonda con la que el eje puede hacer contacto. Los rodamientos, por otro lado, contienen muchas bolas pequeñas que ruedan cuando gira el eje. A pesar de reducir la fricción, ni los rodamientos ni los casquillos la eliminan por completo. Debido a sus diferentes construcciones y un par de factores más, los rodamientos y casquillos tienen diferentes fortalezas, debilidades y casos de uso.
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Fortalezas | Debilidades |
Cojinete |
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Cojinete |
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Si analizamos un mecanismo de giro en el contexto de su energía, como lo hemos hecho anteriormente en esta guía, los cojinetes o casquillos constantemente “fugan” energía del sistema en forma de calor a través de la fricción. Sin embargo, el ritmo al que lo hacen es diferente. Los casquillos pierden energía del sistema más rápido que los rodamientos de bolas y el impacto es significativo.
Realizamos una serie de pruebas con un lanzador, primero usando casquillos y luego cojinetes. En ambas versiones, el lanzador contaba con 2 cojinetes/casquillos engranados a 600 rpm y 2 cojinetes/casquillos engranados a 3600 RPM, utilizando dos Smart Motors V5 con cartuchos azules. La diferencia entre los cojinetes y los casquillos fue significativa. Esta es la gráfica de la velocidad del motor durante un giro normal.
Los rodamientos alcanzaron una velocidad máxima estable significativamente mayor y aceleraron más rápido que los casquillos. 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 casquillos. La diferencia de eficiencia fue aproximadamente del 8%, con una diferencia de 300 RPM en 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 rodamientos, con una configuración por lo demás idéntica. La diferencia en el consumo de corriente fue significativa, ya que el lanzador basado en casquillos consumió más del doble de la corriente que el lanzador basado en cojinetes. Este es el gráfico del consumo actual a lo largo del tiempo.
Finalmente, para demostrar el impacto de los volantes discutidos anteriormente en este artículo, realizamos una prueba rastreando las RPM de uno de los motores mientras lanzamos 3 discos. Una prueba no tenía volantes 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 0 volantes 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 le toma al lanzador volver a las RPM objetivo (600)) se redujo significativamente en la prueba con 2 volantes. Esto tiene sentido ya que una proporción menor de la energía total se transfiere al disco lanzado, como se analizó anteriormente en el artículo.
- El tiempo total de lanzamiento se redujo en aproximadamente un 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 te permiten aumentar la energía de rotación en tu lanzador, permitiéndote lanzar objetos más lejos. El nuevo peso del volante V5 abre las opciones para volantes en VRC y el ecosistema V5.
- Es posible que sea necesario colocar los contrapesos del volante V5 de manera relativa entre sí para reducir el equilibrio asimétrico producido durante el proceso de fabricación.
- Los cojinetes y casquillos “pierden” energía del lanzador a través del calor generado por la fricción. El uso de los nuevos cojinetes de alta resistencia en lugar de las superficies planas de los cojinetes tradicionales (bujes) puede permitirle alcanzar una velocidad máxima más alta en su lanzador y reducir el consumo de corriente sostenido de los motores de su lanzador. Esto aumenta la energía en su sistema de lanzamiento mientras mantiene sus motores más fríos.