基本物理概念-乐高模型的秘密(2)

我们将要解释在构建时所涉及的基本概念。值得注意的是,这些知识是经过实践得来的。它的目标是让您在构建可运作的乐高机械装置时,熟知它所涉及的物理定律,并不是让你成为结构工程师或物理学家,我们现在就开始讲述基础知识吧!

【速度】

速度描述物体移动的速度。当您想什么是速度时,您可能会考虑车辆在特定时间内可以行驶的距离。 我们称之为线性速度,我们将以公里/小时(kph)为单位进行测量。 但是还有另一种速度,称为转速,它告诉我们物体旋转的速度。 我们需要了解转速,因为大多数乐高机制都是由旋转轴驱动的,其旋转运动作用在车轮上,转换为车辆的线性速度。 转速是以每分钟转数(RPM)测量的, 各种类型的乐高电机提供不同的RPM,从低于20RPM到超过1,000RPM。

【扭矩】

扭矩是指施加在物体上的旋转力。例如,当乐高电机驱动转轴时,它会向该转轴施加扭矩。电机施加的扭矩越大,旋转力越强,停止电机所需的阻力也越大。例如,一个电机只能够力驱动一台1kg的小车,但是如果让它驱动一台2kg的小车,可能就会动不了。

在乐高科技系列中,乐高电机的扭矩可以用牛顿厘米(N cm)为单位进行测量。对于恒定的电源,电机可用的扭矩是恒定的:例如,最弱的乐高电机输出0.5 N cm的扭矩,而最强的电机输出16.7 N cm的扭矩。当您手动驱动机械装置时,情况会有所不同,扭矩的大小是可变的,取决于您的用力程度。了解扭矩对于理解电机的性能及其驱动机制,以及乐高件的能力范围,这都十分重要。高扭矩输出的力量可能会破坏模型结构,我们将在后面的文章会讲述如何防止这种情况的发生。现在更重要的是,我们要了解扭矩和转速之间的关系。

【功率】

功率是指机械功率,它是扭矩和转速的乘积(功率=扭矩*转速)。 因此,扭矩乘以速度会产生机械功率,通常以瓦特(W)为单位测量。不同型号的乐高电机输出的功率,从0.021 W到2.38 W。虽然功率概念有点复杂,我们用一个更直观的方式表达就是“速度和扭矩合起来就是功率”。 乐高电机的输出功率受其电源电压(即电池电压)的影响,目前大多数乐高电机都是以9V供电,如果电压低(电池不够电时)电机输出的功率就会降低,如果电压过高电机就会损坏。

【摩擦】

当两个或多个表面相互接触并相互滑动时,摩擦力是抵抗其运动的力。只要两个乐高件接触并以不同的速度移动,您就会看到摩擦力。反过来,这意味着每个乐高机械装置都受到摩擦的影响,我们在驱动机械装置时必须克服这种摩擦。摩擦减弱了我们应用于机械装置的一些输入力量,从而降低了扭矩和速度。随着部件彼此相互挤压,摩擦量会增加。另外摩擦力还取决于表面类型:平滑坚固的表面产生的摩擦力小于粗糙的柔软表面。通过用润滑介质(例如油脂)分离表面可以减少摩擦。

在构建乐高机械装置时,位于两个齿轮之间的摩擦点需要注意一下,一个旋转轴和一个带有销孔的零件之间,以及轮子在一个表面上滚动等。如果大量活动部件产生大量摩​​擦,会使机械装置动不起来,甚至会使积木磨损和损坏。当然,乐高件之间的静态,不动的连接也存在摩擦力,这就是它们能粘在一起的原因。

【牵引】

牵引力(也称为抓地力)描述了两个表面在滑动之前可以产生的最大摩擦力。我们将在讲述轮胎时使用该术语,牵引力差的轮胎就容易打滑,牵引力好的就不会。牵引力主要取决于轮胎的硬度、形状、以及轮胎的材料类型。例如,橡胶轮胎比固体塑料轮具有更好的牵引力,因为与硬塑料相比,橡胶是柔软和有粘性的。轮胎形状的差异主要是两方面:轮廓和胎面的花纹,轮胎与道路的接触面积越大牵引力越好,轮廓和胎面的花纹决定了与道路接触面积的大小。如果在平坦的路面上,扁平轮廓的花纹平滑的轮胎有比圆形轮廓花纹较深的轮胎具有更好的牵引力,因为小轮胎的接触面积更大,但如果在松散的泥泞路面上,圆形轮廓花纹较深的轮胎就具有更好的牵引力。我们可以观察一下日常的车辆,第一种类型的轮胎一般安装在跑车上,因为它是为道路设计的,而后一种类型的轮胎一般安装在越野车上,因为它是为崎岖地形设计的。最后,决定牵引力的还有轮胎的宽度,这很简单,因为更宽的轮胎就有更大接触表面。 在大多数情况下,您希望您的轮胎尽可能提供牵引力。不过也有例外的情况,当您希望轮胎滑动时,例如,让您的车辆漂移。乐高8366超音速遥控套装配有两套后轮胎:一套带有用于常规行驶的橡胶轮胎,另一套带有用于漂移的固体塑料。

【滚动阻力】

滚动阻力说的是一个物体在另一个物体上滚动物体产生的阻力,这对于车轮尤其重要。实心车轮的滚动阻力都差不多,但对于带轮胎的车轮,滚动阻力取决于轮胎的特性。轮胎柔软而宽阔的轮胎比坚硬而狭窄的轮胎产生更大的滚动阻力。阻力还取决于车辆的重量,因为重量会使轮胎变形,从而增加其滚动阻力。最后,车轮接触的表面类型会​​影响阻力。光滑,平坦,坚固的表面(如瓷砖或玻璃)滚动阻力会减低,而松散柔软和粘性的表面(如沙子,泥土或草)滚动阻力就会增加。选择车轮和轮胎时,滚动阻力是一个重要因素,但通常不如牵引力那么重要。只有少数类型的乐高轮胎的滚动阻力是一个严重的问题,所以在大多数情况下,你会发现提高牵引力,阻力也随之提高,良好的牵引力几乎总是以额外的滚动阻力为代价。

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