Il modo più comune per lanciare oggetti con un robot V5 è far girare una ruota ad alta velocità e quindi inserire l'oggetto nella ruota. Questo documento spiega la fisica rilevante dietro un sistema rotante, cosa succede quando un oggetto viene lanciato e come è possibile regolare un sistema per lanciare meglio gli oggetti.
Fisica dietro gli oggetti rotanti
L'energia di rotazione, la misura dell'energia contenuta in un oggetto rotante, è definita dall'equazione:
E = 12 Iw
- I sta per inerzia rotazionale (chiamato anche “Momento di Inerzia” o “MOI”), che è una misura di quanto è difficile ruotare l'oggetto.
- w è la velocità con cui l'oggetto gira.
Ciò significa che possiamo modificare due variabili: l'inerzia rotazionale del nostro sistema (I) o la velocità con cui gira (w) - per modificare l'energia rotazionale nel nostro sistema di lancio.
Allora perché ci preoccupiamo dell'energia di rotazione nel nostro lanciatore? La Legge di Conservazione dell’Energia afferma che l’energia non si crea né si distrugge, ma solo si trasferisce. Ciò significa che il sistema di lancio trasferirà parte della sua energia rotazionale all'oggetto che stiamo lanciando, ed è quell'energia che fa lanciare l'oggetto in aria!
Un oggetto che si muove in una direzione ha un'energia lineare, definita dall'equazione:
ELineare =12 mv
- m rappresenta la massa dell'oggetto
- v è la velocità dell'oggetto
Ciò significa che un oggetto lanciato ad una certa velocità ha una determinata quantità di energia. Questo valore è fisso per una certa velocità, ma l'energia nel nostro lanciatore non lo è. L'energia nel nostro lanciatore subito dopo il lancio sarà inferiore a quella precedente a causa del trasferimento di energia all'oggetto lanciato. Modificando l'energia nel nostro sistema di lancio prima del lancio, possiamo modificare la proporzione di energia trasferita all'oggetto lanciato e, così facendo, influenzare sia la capacità del lanciatore di lanciare l'oggetto sia la sua preparazione a lanciare l'oggetto successivo.
Cos'è un volano?
Come accennato in precedenza, uno dei modi in cui possiamo modificare l'energia rotazionale del nostro lanciatore è modificando l'inerzia rotazionale del sistema. È importante sapere due cose: in primo luogo, ogni oggetto ha un certo valore di inerzia rotazionale attorno a un asse di rotazione e, in secondo luogo, l'inerzia rotazionale di tutte le parti di un sistema sommate per creare l'inerzia rotazionale del sistema. Un oggetto che viene utilizzato per aumentare l'inerzia rotazionale di un sistema è noto come volano, e nell'ecosistema V5 è disponibile un nuovo VEX V5 Flywheel Weight che svolge esattamente questo compito.
Impatto di un volano sulle prestazioni del sistema
La cosa più importante da capire è come i diversi momenti di inerzia di un sistema influiscono sulle sue prestazioni.
Se aumentiamo il momento d'inerzia, l'energia rotazionale aumenterà (come mostrato dalla prima equazione sopra). Con più energia nel sistema a una certa velocità, ci vorrà più tempo per ottenere l'energia nel sistema, quindi il tempo di rotazione aumenterà. Con un MOI maggiore, il calo RPM dopo il lancio diminuirà e l'oggetto verrà generalmente lanciato più lontano. Con una diminuzione del momento di inerzia, otteniamo tutti gli effetti opposti: l'energia di rotazione e il tempo di rotazione diminuiranno, il calo di giri aumenterà e diminuiranno sia l'energia trasferita all'oggetto che la distanza percorsa dall'oggetto.
| MOI più elevato | MOI inferiore |
| Assorbimento di corrente più elevato durante la rotazione iniziale | Assorbimento di corrente inferiore durante la rotazione iniziale |
| Meno velocità necessaria per lanciare l'oggetto alla distanza desiderata | È necessaria una velocità maggiore per lanciare l'oggetto alla distanza desiderata |
| Minore calo di velocità al lancio dell'oggetto (meno tempo tra i lanci) | Maggiore calo di velocità al lancio dell'oggetto (più tempo tra i lanci) |
Come utilizzare il peso del volano V5
Il peso del volano V5 può essere montato in due modi diversi. In primo luogo, uno schema di montaggio standard con passo quadrato da ½" consente di montare il volano sugli ingranaggi ad alta resistenza 48T, 60T, 72T e 84T. In secondo luogo, uno schema di montaggio esagonale standard da 1,875" consente di montare il volano su un versahub, che può essere montato su un albero ad alta resistenza con un adattatore versahub. L'immagine a sinistra mostra i fori di montaggio sul peso del volano V5. I fori rossi corrispondono allo schema di montaggio quadrato standard e i fori blu corrispondono allo schema esagonale versahub.
Un esempio che mostra l'esempio n. 1 di montaggio del peso del volano V5.
Un esempio che mostra l'esempio n. 2 di montaggio del peso del volano V5.
Come per tutto ciò che viene prodotto, tutte le parti presentano una tolleranza nella progettazione dovuta a piccole e inevitabili imprecisioni nel processo di produzione. Il peso del volano V5 non fa eccezione a questa regola ed è possibile che si verifichi una piccola asimmetria nel volano che provoca vibrazioni. Le vibrazioni nel tuo robot possono allentare i bulloni, rendere impreciso il lanciatore o addirittura danneggiare i componenti del robot. Ci sono due modi per combattere questo. Innanzitutto, se viene utilizzato più di un volano, i volani possono essere ruotati l'uno rispetto all'altro in modo tale da annullare l'equilibrio asimmetrico dell'altro. In secondo luogo, se viene utilizzato un solo volano, è possibile posizionare un bullone in un foro di montaggio non utilizzato per contrastare l'equilibrio asimmetrico. In entrambi i casi, è consigliabile utilizzare un processo di tentativi ed errori per capire quale sia la configurazione migliore.
Cuscinetto o boccola: quale ti serve?
Con l'introduzione del cuscinetto a sfere ad alta resistenza , gli utenti VEX hanno ora accesso a due diversi modi per supportare i sistemi rotazionali nei loro robot. La parte conosciuta come “cuscinetto piatto” è in realtà conosciuta nell'industria come boccola perché non ha parti mobili. Sia i cuscinetti che le boccole funzionano riducendo l'attrito tra l'albero rotante e il supporto fisso. Le boccole, ovvero il “cuscinetto piatto” o il “cuscinetto per albero ad alta resistenza” in VEX (indicati nel presente documento come boccole), svolgono questa funzione fornendo una superficie liscia e rotonda con cui l'albero può entrare in contatto. I cuscinetti, invece, contengono tante piccole sfere che rotolano quando l'albero gira. Nonostante la riduzione dell'attrito, né i cuscinetti né le boccole lo eliminano completamente. A causa delle loro diverse costruzioni e di un paio di altri fattori, cuscinetti e boccole hanno punti di forza, punti deboli e casi d'uso diversi.
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Punti di forza | Punti deboli |
| Cuscinetto |
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| Boccola |
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Se osserviamo un meccanismo rotante nel contesto della sua energia, come abbiamo fatto in precedenza in questa guida, i cuscinetti o le boccole “perdono” costantemente energia dal sistema sotto forma di calore attraverso l'attrito. La velocità con cui lo fanno, tuttavia, è diversa. Le boccole perdono energia dal sistema più velocemente dei cuscinetti a sfera e l'impatto è significativo.
Abbiamo eseguito una serie di test con un lanciatore, prima utilizzando boccole e poi utilizzando cuscinetti. In entrambe le versioni, il lanciatore aveva 2 cuscinetti/boccole calibrati a 600 giri al minuto e 2 cuscinetti/boccole calibrati a 3600 giri al minuto, utilizzando due motori Smart Motors V5 con cartucce blu. La differenza tra cuscinetti e boccole era significativa. Questo è il grafico della velocità del motore durante una normale rotazione verso l'alto.
I cuscinetti hanno raggiunto una velocità massima stabile significativamente più elevata e hanno accelerato più velocemente delle boccole. Nel contesto dell'energia, ciò significa che il sistema con cuscinetti è stato in grado di trattenere più energia nel sistema e lanciare il suo oggetto più lontano e più velocemente del sistema con le boccole. La differenza di efficienza era di circa l'8%, con una differenza di 300 giri al minuto all'uscita del cambio.
Con la stessa configurazione, abbiamo misurato l'assorbimento di corrente di uno dei motori durante una normale rotazione del lanciatore. Proprio come l'ultimo test, abbiamo effettuato un test con boccole e un altro con cuscinetti, con una configurazione per il resto identica. La differenza nell'assorbimento di corrente era significativa, con il lanciatore basato su boccola che assorbe più del doppio della corrente del lanciatore basato su cuscinetto. Questo è il grafico dell'assorbimento di corrente nel tempo.
Infine, per dimostrare l'impatto dei volani discussi in precedenza in questo articolo, abbiamo eseguito un test monitorando il numero di giri di uno dei motori durante il lancio di 3 dischi. Un test non aveva volani mentre l'altro ne aveva due. Questo è il grafico:
Ci sono un paio di cose importanti che possiamo vedere in questo grafico:
- Il calo di giri, ovvero la differenza tra il numero di giri target (600) e il numero di giri più lento subito dopo uno sparo, è stato significativamente ridotto nel test con 2 volani. I test con 0 volani hanno avuto un calo di ~150 RPM mentre il test con 2 volani ha avuto un calo di ~75 RPM.
- Il tempo di recupero, ovvero il tempo impiegato dal lanciatore per tornare agli RPM target (600), è stato ridotto significativamente nel test con 2 volani. Ciò ha senso poiché una percentuale inferiore dell’energia totale viene trasferita al disco lanciato, come discusso in precedenza nell’articolo.
- Il tempo di lancio complessivo è stato ridotto del 40% circa per colpo e complessivamente per il test con 2 volani.
Conclusioni
- È più semplice pensare ai lanciatori in termini di energia rotazionale e ai lanci come al trasferimento di quell'energia rotazionale all'oggetto lanciato.
- I volani ti consentono di aumentare l'energia di rotazione nel tuo lanciatore, permettendoti di lanciare oggetti più lontano. Il nuovo peso del volano V5 apre le opzioni per i volani in VRC e nell'ecosistema V5.
- Potrebbe essere necessario fissare i pesi del volano V5 in modo relativo l'uno rispetto all'altro per ridurre il bilanciamento asimmetrico prodotto durante il processo di produzione.
- Cuscinetti e boccole "perdono" energia dal lanciatore attraverso il calore derivante dall'attrito. L'utilizzo dei nuovi cuscinetti ad alta resistenza rispetto ai tradizionali cuscinetti piatti (boccole) può consentire di ottenere una velocità massima più elevata nel lanciatore e ridurre l'assorbimento di corrente sostenuto dei motori del lanciatore. Ciò aumenta l'energia nel tuo sistema di lancio mantenendo i motori più freddi.