Förstå V5 mekaniska uppskjutningssystem

Det vanligaste sättet att avfyra föremål med en V5-robot är att snurra ett hjul i hög hastighet och sedan mata in föremålet i hjulet. Det här dokumentet förklarar den relevanta fysiken bakom ett snurrande system, vad som händer när ett objekt avfyras och hur du kan justera ett system för att avfyra objekt bättre.

Fysiken bakom snurrande objekt

Rotationsenergi, måttet på energin i ett roterande objekt, definieras av ekvationen:

E_{Rotationsmässig} = 1/2 Iw²

• I står för rotationströghet (även kallat "tröghetsmoment" eller "MOI"), vilket är ett mått på hur svårt det är att vrida objektet.
• w är den hastighet med vilken objektet roterar.

Det betyder att vi kan ändra två variabler – antingen rotationströgheten i vårt system (I) eller den hastighet med vilken det roterar (w) – för att ändra rotationsenergin i vårt uppskjutningssystem.

Så varför bryr vi oss om rotationsenergin i vår raket? Energilagen säger att energi varken skapas eller förstörs, utan bara överförs. Det betyder att uppskjutningssystemet kommer att överföra en del av sin rotationsenergi till objektet vi avfyrar, och det är den energin som får objektet att skjutas upp genom luften!

Ett objekt som rör sig i en riktning har en linjär energi, definierad av ekvationen:

E_Linjär =1/2 mv²

• står för objektets massa
• v är objektets hastighet

Det betyder att ett objekt som avfyras med en viss hastighet har en viss mängd energi. Detta värde är fast för en viss hastighet, men energin i vår launcher är det inte. Energin i vår raket direkt efter en uppskjutning kommer att vara mindre än precis före på grund av energiöverföringen till det uppskjutna objektet. Genom att ändra energin i vårt uppskjutningssystem före uppskjutningen kan vi ändra andelen energi som överförs till det uppskjutna objektet, och därmed påverka både hur väl uppskjutningsraketen uppskjuter objektet och hur förberedd den är för att uppskjuta nästa objekt.

Vad är ett svänghjul?

Som nämnts ovan är ett av sätten vi kan ändra rotationsenergin hos vår raket genom att ändra systemets rotationströghet. Det är viktigt att veta två saker: För det första har varje objekt ett visst rotationströghetsvärde kring en rotationsaxel, och för det andra läggs rotationströgheten för alla delar av ett system samman för att bilda systemets rotationströghet. Ett objekt som används för att öka rotationströgheten i ett system kallas ett svänghjul, och det finns en ny VEX V5 svänghjulsvikt för att göra just detta i V5-ekosystemet.

Svänghjulets inverkan på systemets prestanda

Det viktigaste att förstå är hur olika tröghetsmoment i ett system påverkar dess prestanda.

Om vi ​​ökar tröghetsmomentet kommer rotationsenergin att öka (som visas av den första ekvationen ovan). Med mer energi i systemet vid en viss hastighet tar det längre tid att få in energin i systemet, så uppstartstiden ökar. Med mer MOI kommer varvtalsfallet efter en uppskjutning att minska och ett objekt kommer generellt att uppskjutas längre. Med en minskning av tröghetsmomentet får vi alla motsatta effekter: rotationsenergi och uppsnurrningstid minskar, varvtalsfallet ökar och både energin som överförs till objektet och hur långt objektet kommer att röra sig minskar.

Hur man använder V5 svänghjulsvikten

Precis som med allt som tillverkas har alla delar en tolerans i sin design på grund av små, oundvikliga felaktigheter i tillverkningsprocessen. V5-svänghjulsvikten är inget undantag från denna regel, och det finns risk för en liten mängd asymmetri i svänghjulet som resulterar i vibrationer. Vibrationer i din robot kan lossa bultar, göra din utskjutare oprecis eller till och med skada robotkomponenter. Det finns två sätt att bekämpa detta. För det första, om mer än ett svänghjul används, kan svänghjulen roteras i förhållande till varandra så att de utjämnar varandras asymmetriska balans. För det andra, om det bara används ett svänghjul, kan en bult placeras i ett oanvänt monteringshål för att motverka den asymmetriska balansen. I båda fallen är det lämpligt att använda en trial-and-error-metod för att ta reda på vilken konfiguration som är bäst.

Lager eller bussning: Vilken behöver du?

Med introduktionen av High Strength Shaft Ball Bearinghar VEX-användare nu tillgång till två olika sätt att stödja rotationssystem i sina robotar. Den del som kallas "lagerplattan" är faktiskt känd inom industrin som en bussning eftersom den inte har några rörliga delar. Både lager och bussningar fungerar genom att minska friktionen mellan den roterande axeln och det fasta stödet. Bussningar – ”lager plant” eller ”höghållfast axellager” i VEX (i detta dokument kallade bussningar) – gör det genom att ge en jämn, rund yta som axeln kan kontakta. Lager, å andra sidan, innehåller många små kulor som rullar när axeln snurrar. Trots att friktionen minskar, eliminerar varken lager eller bussningar den helt. På grund av deras olika konstruktioner och ett par andra faktorer har lager och bussningar olika styrkor, svagheter och användningsområden.

	Styrkor	Svagheter
Lager	Minskad friktion i förhållande till bussning Klarar av att ta mer last Mer robust Kan göra saker som en bussning inte kan göra Presterar bra i höga hastigheter	Dyrare Tyngre Svårare att montera
Bussning	Lätt att använda Billigare Tändare Bra för de flesta applikationer	Svagare Inte bra i höga hastigheter

Om vi ​​tittar på en roterande mekanism i samband med dess energi, som vi har gjort tidigare i den här guiden, "läcker" lager eller bussningar ständigt energi bort från systemet i form av värme genom friktion. Hastigheten med vilken de gör det är dock olika. Bussningar förlorar energi från systemet snabbare än kullager, och effekten är betydande.

Lagren uppnådde en betydligt högre stabil topphastighet och accelererade snabbare än bussningarna. I energisammanhang betyder detta att systemet med lager kunde hålla mer energi i systemet och avfyra sitt objekt längre och snabbare än systemet med bussningarna. Skillnaden i verkningsgrad var ungefär 8 %, med en skillnad på 300 varv/min vid växellådans utgång.

Det finns ett par viktiga saker vi kan se i den här grafen:

• Varvtalsfallet – skillnaden mellan målvarvtalet (600) och det lägsta varvtalet direkt efter ett skott – minskade avsevärt i testet med två svänghjul. Testerna med 0 svänghjul hade ett varvtalsfall på ~150 varv/min medan testet med 2 svänghjul hade ett varvtalsfall på ~75 varv/min.
• Återhämtningstiden – den tid det tar för utskjutaren att återgå till målvarvtalet (600) – minskades avsevärt i testet med två svänghjul. Detta är logiskt eftersom en lägre andel av den totala energin överförs till den uppskjutna skivan, vilket diskuterats tidigare i artikeln.
• Den totala utskjutningstiden minskades med ~40 % per skott och totalt sett för testet med två svänghjul.

Slutsatser

• Det är enklast att tänka på uppskjutna raketer i termer av deras rotationsenergi och uppskjutningar som en överföring av den rotationsenergin till det uppskjutna objektet.
• Svänghjul låter dig öka rotationsenergin i din raket, vilket gör att du kan avfyra föremål längre bort. Den nya V5-svänghjulsvikten öppnar upp alternativen för svänghjul i VRC och V5-ekosystemet.
• V5-svänghjulsvikter kan behöva fästas i förhållande till varandra för att minska asymmetrisk balans som uppstår under tillverkningsprocessen.
• Lager och bussningar "läcker" energi från din raket genom värme från friktion. Genom att använda de nya höghållfasta lagren istället för traditionella lagerbussningar kan du uppnå en högre topphastighet i din utskjutningsraket och minska den ihållande strömförbrukningen från dina utskjutningsraketmotorer. Detta ökar energin i ditt avfyrningssystem samtidigt som dina motorer svalare.