Занятия по робототехнике примечательны тем, что наглядно иллюстрируют применение законов физики в реальной жизни. Дети «выходят» за рамки теории из учебника, пробуют экспериментировать – тем самым у детей складывается не только представление о тех или иных явлениях физики, но и накапливается практический опыт. Именно поэтому занятия в нашей секции построены по принципу 20/80: теоретический материал занимает 20% времени от занятия, оставшееся время посвящено практике.
Давайте наглядно посмотрим, какие термины и явления из таких разделов физики как механика и динамика, можно закрепить на занятиях по робототехнике.
Скорость
Скорость – это характеристика, показывающая насколько быстро объект перемещается в пространстве. Когда большинство из нас употребляет этот термин, то подразумевается некое расстояние, пройденное за определённое время. Но это лишь одна сторона медали, более известная как линейная скорость V, измеряемая в километрах в час (км/ч). Есть и другая разновидность – скорость вращения ώ, которая показывает насколько быстро объект вращается. Скорость вращения измеряется, в свою очередь, в оборотах в минуту (об/мин).
В большинстве случаев работы с конструктором LEGO мы сталкиваемся с обоими видами скоростей, однако в строго определённой последовательности. Весь процесс перемещения объекта в пространстве, как правило, начинается с запуска электродвигателя, который имеет ведущую ось, через которую передается вращение к колёсам/гусеницам. Таким образом, по отношению к оси двигателя, колёсам и гусеницам используется понятие скорости вращения, а в отношении самого объекта применим уже термин линейной скорости. Различные типы электродвигателей, выпускаемые компанией LEGO, имеют скорости вращения в диапазоне от 20 об/мин до более 1000 об/мин.
Крутящий момент (Момент силы)
Крутящий момент (он же момент силы) – это сила, приложенная к вращающемуся объекту. Например, когда электродвигатель LEGO вращает ведущую ось, то этой оси передаётся крутящий момент определённой величины. По сути своей крутящий момент – это произведение силы на плечо рычага приложения этой силы, поэтому и единица измерения его – Ньютон на метр (Н·м). Если мы говорим, про модели роботов из конструктора LEGO, то речь о метрах, конечно же, не идёт, и оперируем мы зачастую сантиметрами (Н·см). Маломощные двигатели серии LEGO могут обеспечить совсем небольшой крутящий момент порядка 0.5Н·см, более мощные моторы обеспечивают момент силы до 20Н·см.
К слову, это показатели крутящего момента на «валу» двигателя и их значения можно увеличить, используя нужный тип механической передачи, например, червячный редуктор. А в специализированном образовательном наборе LEGO WeDo 2.0 через программную среду можно регулировать и скорость вращения, и крутящий момент.
Понимание физического смысла момента силы является важным для оценки нагрузочной способности моторов и механизмов, которые они приводят в движение. С одной стороны, модель робота может быть настолько тяжелой, что крутящего момента будет недостаточно для ее «оживления». С другой стороны, наоборот, величина момента может стать разрушительной для некоторых моделей. Важно задуматься об этом не в момент, когда робот уже готов, а на стадии его проектирования. И ещё один нюанс – величина крутящего момента обратно пропорциональна величине скорости вращения – эту зависимость также необходимо учитывать по ходу работы над проектом.
Мощность
В различных разделах физики есть понятие мощности. Мы на занятиях используем понятие механической мощности – произведение скорости вращения на крутящий момент. Единица измерения мощности всем знакома – ватт (Вт). Если говорить о диапазоне мощностей у электродвигателей LEGO, то она варьируется от 0,02Вт до 3Вт, в зависимости от модели.
Мощность двигателей определяется источником питания. Большинство источников питания LEGO (серия Technic) требуют источника питания напряжением 9V (шесть батареек по 1,5В). Моторы из образовательной серии WeDo функционируют от напряжения 3В. В этом отношении есть немаловажный аспект – моторы будут работать при меньшем напряжении, с меньшей мощностью, однако если напряжение превысит допускаемый лимит – это может привести к поломке двигателя. Именно за счет изменения напряжения, подаваемого на мотор, можно изменять его скорость вращения и крутящий момент.