La manière la plus courante de lancer des objets avec un robot V5 consiste à faire tourner une roue à grande vitesse, puis à introduire l'objet dans la roue. Ce document explique la physique pertinente derrière un système en rotation, ce qui se passe lorsqu'un objet est lancé et comment vous pouvez ajuster un système pour mieux lancer des objets.
Physique derrière les objets en rotation
L'énergie de rotation, mesure de l'énergie contenue dans un objet en rotation, est définie par l'équation :
E = 1 Iw
- I signifie inertie de rotation (également appelée « moment d'inertie » ou « MOI »), qui mesure la difficulté de faire tourner l'objet.
- w est la vitesse à laquelle l'objet tourne.
Cela signifie que nous pouvons modifier deux variables — soit l'inertie de rotation de notre système (I) ou la vitesse à laquelle il tourne (w) — pour modifier l'énergie de rotation de notre système de lanceur.
Alors pourquoi nous soucions-nous de l’énergie de rotation de notre lanceur ? La loi de conservation de l’énergie stipule que l’énergie n’est ni créée ni détruite, mais seulement transférée. Cela signifie que le système de lancement transférera une partie de son énergie de rotation à l’objet que nous lançons, et c’est cette énergie qui permet à l’objet de se lancer dans les airs !
Un objet se déplaçant dans une direction a une énergie linéaire, définie par l'équation :
ELinéaire =1 mv24
- m représente la masse de l'objet
- v est la vitesse de l'objet
Cela signifie qu'un objet lancé à une certaine vitesse possède une quantité d'énergie définie. Cette valeur est fixe pour une certaine vitesse, mais l'énergie de notre lanceur ne l'est pas. L'énergie dans notre lanceur juste après un lancement sera inférieure à celle juste avant en raison du transfert d'énergie vers l'objet lancé. En modifiant l'énergie de notre système de lancement avant le lancement, nous pouvons modifier la proportion d'énergie transférée à l'objet lancé et, ce faisant, affecter à la fois la qualité du lancement de l'objet par le lanceur et sa préparation au lancement de l'objet suivant.
Qu'est-ce qu'un volant d'inertie ?
Comme mentionné ci-dessus, l’une des façons de modifier l’énergie de rotation de notre lanceur consiste à modifier l’inertie de rotation du système. Il est important de savoir deux choses : premièrement, chaque objet a une certaine valeur d’inertie de rotation autour d’un axe de rotation, et deuxièmement, l’inertie de rotation de toutes les parties d’un système s’additionnent pour former l’inertie de rotation du système. Un objet utilisé pour augmenter l'inertie de rotation d'un système est connu sous le nom de volant d'inertie, et il existe un nouveau poids de volant d'inertie VEX V5 pour faire exactement cela dans l'écosystème V5.
Impact d'un volant d'inertie sur les performances du système
La chose la plus importante à comprendre est de savoir comment les différents moments d’inertie d’un système affectent ses performances.
Si nous augmentons le moment d'inertie, l'énergie de rotation augmentera (comme le montre la première équation ci-dessus). Avec plus d'énergie dans le système à une certaine vitesse, il faudra plus de temps pour obtenir l'énergie dans le système, donc le temps de rotation augmentera. Avec plus de MOI, la baisse de RPM après un lancement diminuera et un objet sera généralement lancé plus loin. Avec une diminution du moment d'inertie, nous obtenons tous les effets opposés : l'énergie de rotation et le temps de rotation diminueront, la chute de régime augmentera et l'énergie transférée à l'objet ainsi que la distance parcourue par l'objet diminueront.
MOI plus élevé | MOI inférieur |
Consommation de courant plus élevée lors de la mise en rotation initiale | Consommation de courant inférieure lors de la mise en rotation initiale |
Moins de vitesse nécessaire pour lancer l'objet à la distance souhaitée | Une vitesse plus élevée est nécessaire pour lancer l'objet à la distance souhaitée |
Moins de baisse de vitesse lorsque l'objet est lancé (moins de temps entre les lancements) | Chute de vitesse plus élevée lorsque l'objet est lancé (plus de temps entre les lancements) |
Comment utiliser le poids du volant V5
Le poids du volant V5 peut être monté de deux manières différentes. Premièrement, un modèle de montage carré standard à pas de ½" permet au volant d'inertie d'être monté sur les engrenages haute résistance 48T, 60T, 72T et 84T. Deuxièmement, un modèle de montage hexagonal standard de 1,875" permet de monter le volant sur un moyeu à versahub, qui peut être monté sur un arbre haute résistance avec un adaptateur versahub. L'image de gauche montre les trous de montage sur le poids du volant V5. Les trous rouges correspondent au modèle de montage carré standard et les trous bleus correspondent au modèle hexagonal Versahub.
Un exemple montrant l'exemple n°1 de montage du poids du volant moteur V5.
Un exemple illustrant l'exemple n°2 de montage du poids du volant d'inertie V5.
Comme pour tout ce qui est fabriqué, toutes les pièces ont une tolérance dans leur conception en raison de petites inexactitudes inévitables dans le processus de fabrication. Le poids du volant d'inertie du V5 ne fait pas exception à cette règle, et il existe un potentiel d'asymétrie dans le volant d'inertie qui entraîne des vibrations. Les vibrations de votre robot peuvent desserrer les boulons, rendre votre lanceur imprécis ou même endommager les composants du robot. Il existe deux manières de lutter contre cela. Premièrement, si plusieurs volants d'inertie sont utilisés, les volants d'inertie peuvent tourner les uns par rapport aux autres de telle sorte qu'ils annulent l'équilibre asymétrique des uns et des autres. Deuxièmement, si un seul volant d'inertie est utilisé, un boulon peut être placé dans un trou de montage inutilisé pour contrecarrer l'équilibre asymétrique. Dans les deux cas, il est conseillé d’utiliser un processus d’essais et d’erreurs pour déterminer quelle configuration est la meilleure.
Roulement ou bague : lequel avez-vous besoin ?
Avec l'introduction du roulement à billes à arbre haute résistance , les utilisateurs de VEX ont désormais accès à deux manières différentes de prendre en charge les systèmes de rotation dans leurs robots. La pièce connue sous le nom de « roulement plat » est en réalité connue dans l’industrie sous le nom de bague car elle ne comporte aucune pièce mobile. Les roulements et les bagues fonctionnent en réduisant la friction entre l'arbre rotatif et le support fixe. Les bagues – le «roulement plat» ou le «roulement d'arbre haute résistance» en VEX (référencés dans ce document sous le nom de bagues) – le font en fournissant une surface lisse et ronde avec laquelle l'arbre peut entrer en contact. Les roulements, quant à eux, contiennent de nombreuses petites billes qui roulent lorsque l'arbre tourne. Malgré la réduction du frottement, ni les roulements ni les bagues ne l’éliminent complètement. En raison de leurs différentes constructions et de quelques autres facteurs, les roulements et les bagues ont des forces, des faiblesses et des cas d'utilisation différents.
|
Forces | Faiblesses |
Palier |
|
|
Bague |
|
|
Si nous examinons un mécanisme de rotation dans le contexte de son énergie, comme nous l'avons fait précédemment dans ce guide, les roulements ou les bagues « évacuent » constamment de l'énergie du système sous forme de chaleur par friction. Le rythme auquel ils le font est cependant différent. Les bagues perdent de l'énergie du système plus rapidement que les roulements à billes, et l'impact est important.
Nous avons effectué une série de tests avec un lanceur, en utilisant d'abord des bagues, puis des roulements. Dans les deux versions, le lanceur disposait de 2 roulements/bagues orientés à 600 tr/min et de 2 roulements/bagues orientés à 3600 tr/min, utilisant deux Smart Motors V5 à cartouches bleues. La différence entre les roulements et les bagues était significative. Il s'agit du graphique de la vitesse du moteur lors d'une rotation normale.
Les roulements atteignaient une vitesse de pointe stable nettement plus élevée et accéléraient plus rapidement que les bagues. Dans le contexte énergétique, cela signifie que le système avec roulements était capable de conserver plus d'énergie dans le système et de lancer son objet plus loin et plus rapidement que le système avec bagues. La différence de rendement était d'environ 8 %, avec une différence de 300 tr/min en sortie de boîte de vitesses.
Avec la même configuration, nous avons mesuré la consommation de courant de l’un des moteurs lors d’une rotation normale du lanceur. Tout comme le dernier test, nous avons effectué un test avec des bagues et un autre avec des roulements, avec une configuration par ailleurs identique. La différence de consommation de courant était significative, le lanceur à douilles consommant plus du double du courant du lanceur à roulements. Ceci est le graphique du tirage actuel au fil du temps.
Enfin, pour démontrer l'impact des volants d'inertie évoqués plus haut dans cet article, nous avons effectué un test de suivi du régime de l'un des moteurs lors du lancement de 3 disques. Un test n’avait pas de volants d’inertie tandis que l’autre en avait deux. Voici le graphique :
Il y a quelques éléments importants que nous pouvons voir dans ce graphique :
- La chute de régime (la différence entre le régime cible (600) et le régime le plus lent juste après un tir) a été considérablement réduite lors du test avec 2 volants d'inertie. Les tests avec 0 volant d'inertie ont eu une chute d'environ 150 tr/min tandis que le test avec 2 volants d'inertie a eu une chute d'environ 75 tr/min.
- Le temps de récupération, le temps nécessaire au lanceur pour revenir au régime cible (600), a été considérablement réduit lors du test avec 2 volants d'inertie. Cela est logique dans la mesure où une proportion plus faible de l’énergie totale est transférée au disque lancé, comme indiqué plus haut dans l’article.
- Le temps de lancement global a été réduit d'environ 40 % par tir et globalement pour le test avec 2 volants d'inertie.
Conclusions
- Il est plus facile de considérer les lanceurs en termes de leur énergie de rotation et les lancements comme un transfert de cette énergie de rotation vers l'objet lancé.
- Les volants d'inertie vous permettent d'augmenter l'énergie de rotation de votre lanceur, vous permettant ainsi de lancer des objets plus loin. Le nouveau poids du volant d'inertie V5 ouvre les options pour les volants d'inertie dans VRC et l'écosystème V5.
- Les poids du volant d'inertie V5 peuvent devoir être fixés les uns par rapport aux autres afin de réduire l'équilibre asymétrique produit pendant le processus de fabrication.
- Les roulements et les bagues « fuient » l'énergie de votre lanceur à cause de la chaleur due à la friction. L'utilisation des nouveaux roulements à haute résistance par rapport aux roulements plats traditionnels (bagues) peut vous permettre d'atteindre une vitesse de pointe plus élevée dans votre lanceur et de réduire la consommation de courant soutenue de vos moteurs de lanceur. Cela augmente l'énergie de votre système de lancement tout en gardant vos moteurs plus frais.