Morningside Heights - Esse é um carro ratoeira Eles são comuns em competições de aulas de física no ensino médio Assim como o desafio de deixar cair o ovo ou construir pontes com palitos de dente O objetivo é construir o carro que viaja mais longe ou que é o mais veloz Mas em qualquer um dos casos, a única energia fornecida para mover o carro vem de uma única ratoeira Então hoje eu vou te mostrar como vencer o primeiro lugar Construindo uns carros com o vencedor do recorde mundial E depois iremos aos campeonatos de West Coast para ver todos esses princípios em ação E espere, espere! Não vá embora! Eu sei que 99.7% de vocês nunca fez nem nunca fará um desses Mas eu vou destrinchar em termos simples Como eu sei que esse carro irá duas vezes mais rápido do que esse E então eu provarei. E então iremos discutir porque vocês vêem tanto essas rodas de DVD Mas elas funcionam? Por que alguns carros vencedores tem rodas que parecem assim? Mas antes de voarmos até o Texas para conhecer o vencedor do recorde mundial Eu preciso passar a fundação para o abrangente princípio físico fundamental Por de trás do carro ratoeira Se chama vantagem mecânica E para fazer isso eu vou precisar das minhas sobrinhas e sobrinhos Eu aposto com vocês que eu consigo levantar meu carro do chão usando apenas meus mindinhos Se eu não conseguir, vocês ficam com essa bela nota de cem Mas se eu conseguir, vocês tem que me comprar sorvete - Fechado? - Beleza, ok. Eu falei nada mais além do seu mindinho Eu estou apenas usando meus mindinhos! - Só o seu mindinho! - É isso que eu estou fazendo! Isso é muito bom, gente Obrigado Se você está disposto a mover uma maior distância Você pode reduzir a quantidade de força por uma quantidade proporcional Eu não posso levantar 200 kg de carro de uma vez Mas eu poderia levantar 10 kg 20 vezes E a vantagem mecânica é a divisão entre a força na saída pela força na entrada Então nesse caso é 50, isso significa que minha mão teve que viajar 50 vezes mais Do que apenas levantar o carro em uma tentativa Mas o peso foi 50 vezes menor, então valeu a pena totalmente Esse princípio de vantagem mecânica está por toda parte Vamos dar uma olhada em alguns exemplos Se eu tiver 4 polias, isso significa que eu tenho que puxar a corda 4 vez mais longe do que o sino sobe Mas em troca, eu sinto 4 vezes mais leve Então isso tem uma vantagem mecânica de 4 Para a rampa, olhe para a relação entre o comprimento e a altura, portanto sua vantagem mecânica é 2.2 Significa que eu tenho que viajar mais longe Mas o tijolo deve sentir 2.2 vezes mais leve Sendo puxado pela rampa versos apenas puxado direto para cima E com certeza, se você medir cada um com uma balança, isso é exatamente o que você vê Se você pensar em um parafuso como uma rampa amarrada em volta de um prego Se você olhar, isso viajou em volta do fio, e se eu dividir pelo espaço entre os fios Você ganha uma vantagem mecânica de 9 E como você sabe, se você realmente quiser multiplicar sua força Use uma chave de fenda Agora desde que sua mão viajou por uma rotação completa, é 300 mais longo Do que a distância que o parafuso se move verticalmente entre um fio Então a vantagem mecânica total é 300 É como uma rampa curta bem longa Então se essa balança ler 3 kgs, a real força de aperto seria 300 vezes maior Ou quase uma tonelada E com rodas e eixos é a mesma história, já que o diâmetro dessa roda é duas vezes o tamanho desse Como você pode adivinhar até agora Desse jeito pesa duas vezes mais Então agora estamos equilibrados com a vantagem mecânica de 2 E você também perceberá, se eu mover isso, o peso menor viajar duas vezes mais longe E por fim nós temos alavancas, que é onde começamos com minhas sobrinhas e sobrinhos Aqui se você comparar a taxa das distâncias ao ponto de pivô Nós temos uma vantagem mecânica de 4, o que obviamente significa que eu tenho que mover Essa ponta 4 vezes mais longe Mas é super fácil porque é um quarto do peso deste lado E em todos esses exemplos, que você vê por toda parte, você troca menos força por maior distância viajada Foi assim que humanos construíram coisas incríveis Antes dessas máquinas chiques com motores aparecerem Músculos humanos são totalmente fortes o suficiente, desde que você esteja disposto a gastar um pouco mais de distância para fazer a tarefa. Então esse princípio de vantagem mecânica está acontecendo mais uma vez com os carros ratoeira Só que ao inverso, funciona dos dois jeitos Em outras palavras, eu não quero que toda a força da mola agindo por cima dessa distância minúscula Para agir diretamente nas rodas, por onde elas ficariam girando Essa seria uma transferência muito ineficiente de energia da mola Então usando a vantagem mecânica e fazendo a alavanca principal 15 vezes maior do que o braço alavanca da mola, e então o diâmetro da rola é 24 vezes maior do que o eixo da roda Então se nós multiplicarmos eles, nós vantagem mecânica total é 1/360 Isso significa que a força é 360 vezes menor Bem aqui na saída das rodas para o chão versus bem aqui na entrada, na mola Também significa que vai viajar 360 vezes mais longe Do que a distância que o braço da mola rotaciona Beleza, então isso é suficiente para fundação por agora, vamos para o Texas nos encontrar com meu amigo Al Para construir uns carros de corrida Não somente ele é o recordista de carro de ratoeira mundial Mas ele também meio que começou a coisa toda E ele foi o professor de física do ensino médido do ano do Texas E já que é meu sonho de trabalho um dia trocar de trabalho como engenheiro no setor privado Para ir ensinar física de ensino médio em algum lugar Eu fiz ele me mostrar todas as demonstrações legais dele Eu tive essa ideia em 1991 E desde aquele tempo eu literalmente já construi milhares e milhares de carros ratoeira eu mesmo Eu já vi cada design de engenharia possível que você possa inventar Há muitas variações de regras para corridas de carros ratoeiras Vamos falar sobre como construir o melhor carro de longa distância primeiro Para os nossos testes, nós começamos com três carros idênticos A única diferença foi o comprimento do braço alavanca Então um era curto, um era médio e um era longo E eu calculei cada uma das vantagens mecânicas deles que você pode ver escritas aqui E dado o que sabemos sobre vantagem mecânica O que você acha que está prestes à acontecer? - Pronto? - Sim Como você deve ter adivinhado, aquele com braço alavanca curto tem uma partida forte mais cedo Isso faz sentido pois ele tem a maior vantagem mecânica Portanto, a força mais alta onde as rodas e o chão se encontram O lado negativo é que é uma explosão de curta duração E os com alavanca média e longa passam ele uma vez que ele rapidamente usou toda sua energia No final, isso é o quão longe cada um viajou Com o carro com alavanca mais longa indo mais devagar Mas chegando até 9 metros Isso traz à tona o primeiro princípio para o carro de longa distância Para vencer, você quer a menor força possível Durante a maior distância possível Em outras palavras, a menor fração de vantagem mecânica possível Você quer que seu carro mal ande adiante e gaste a menor quantidade de energia possível Você pensa sobre a energia total da mola como essa quantidade de água nesse copo E esse copo representa a quantidade de energia que foi passada ao seu carro para ele se mover Se você rapidamente jogar toda a energia Muita coisa derrama e é jogada para fora Isso é devido à perdas por calor extra gerado Ou até mesmo força de arraste do vento Que é proporcional à sua velocidade ao quadrado Mas se você fizer lentamente e com mais controle Muito mais energia vai para de fato mover o seu carro para frente A próxima coisa que testamos foi adicionar grafite ao eixos em todos os três carros E então fizemos a corrida com eles Isso fez uma diferença enorme e dessa vez eles foram essa distância De novo, a alavanca maior no carro 1 porque foi o mais lento Mas isso mostra a importância de lidar com fricção É definitivamente o seu maior inimigo com esses carros E a fricção vem de dois pontos Você tem a fricção de rolamento entre as rodas e o chão E a maiorzinha é entre os seus eixos e o corpo do carro É por isso que botamos o pó lubrificante lá Para levar nosso teste mais um passo à diante Nós pegamos o carro com alavanca longa E adicionamos rolamentos com bolas no lugar do grafite E esse nos deu um novo recorde de 15 metros Então se você só tem uma hora para fazer seu carro e quer fazer uma boa amostra Você pode usar um braço de alavanca longo assim Em conjunto com as rodas de CD Para te dar uma vantagem mecânica de cerca de 1/360 E então use rolamentos com bolas nos eixos ou apenas aplique um pouco de grafite e você se sairá bem Próximo, nós pensamos que se braços alavanca fazem ele viajar mais lentamente E portanto mais longe, nós deveríamos fazer um braço alavanca super longo Mas apenas chegou até aqui, o que foi pior do que até o carro com braço alavanca curto O problema é que ele não se locomoveu muito bem Porque nós tivemos que fazê-lo muito grande, o que significa que ele é mais pesado O que significa mais fricção Você já sabe disso intuitivamente Porque é mais difícil empurrar um objeto pesado numa mesa do que um objeto leve Porque há mais fricção resistindo à isso Então o princípio três é fazê-lo leve Mas eu amo esse exemplo Porque mostra que você precisa balançar esses princípios Se você levar qualquer um deles longe demais Então outro princípio irá entrar e começar a te penalizar É um problema de otimização E é isso que torna as corridas de carros de ratoeira um projeto tão bom É por isso também que testes são tão importantes Então mexer e testar coisas diferentes como eu e o Al fizemos É crítico para aprimorar no lugar certo o seu design específico Em seguida nós testamos esse design com rodas grandes Que é uma abordagem popular A estratégia aqui é que a roda é 56 vezes maior do que o eixo da roda Então quando você combina com o braço alavanca Você tem uma vantagem mecânica interna de 1/840 E isso é o equivalente de um braço alavanca que tem 75 cm de comprimento Mas sem precisar do carro grande e pesado Isso parece um bom negócio e como tal, foi nosso melhor carro até agora E chegou até aqui O lado ruim é que precisa de energia para fazer uma roda grande assim girar Se chama inércia rotacional Aqui vai uma demonstração que eu construi para mostrar esse princípio Essas duas rodas são idênticas Exceto que essa tem os pesos de aço colocados do lado externo da roda Versus perto do eixo Isso significa que tem uma maior inércia rotacional Então quando giramos ambas idênticamente Essa na direita começa a girar mais rápido E alcançará uma velocidade máxima mais alta Mas aquela na esquerda se mexerá por mais tempo Por ter maiores rodas pesadas Você está basicamente usando-as como armazenamento temporário para sua energia E você devolve durante a fase de locomoção O problema com isso é que toda vez que você transfere energia, você perde um pouco Voltando aos copos, um pouco é derramado cada vez que você despeja Não importa quão lentamente você faz isso Então ao invés de você jogar sua energia da mola em um copo grande E eventualmente recebê-la de novo na fase de locomoção É melhor ter rodas de tamanho razoável E derramar apenas uma vez diretamente para fazer seu carro se mover Adiocionalmente, rodas grandes assim podem ser difíceis de guiar Então o princípio quatro é reduzir a inércia rotacional É também por isso que você vê as pessoas fazerem isso com suas rodas às vezes É um esforço manter as rodas grandes em diâmetro para se ter aquela vantagem mecânica interna Mas fazê-las pesar menos para reduzir a energia dada à inércia rotacional Então o último teste que fizemos foi com o carro do recorde mundial do Al Que viajou supreendentes 182 m Quando ele estabeleceu o recorde, ele fez coisas loucas como usar rolamentos de joalheiro nos eixos Mas o verdadeiro segredo é essa polia aqui no meio Se nós olharmos as taxas e calcularmos a vantagem mecânica Da alavanca para a polia para as rodas Nós estaremos olhando para 1/4.608 O equivalente à um braço alavanca de 2 metros Ou uma roda traseira de 1.4 metros de diâmetro Mas sem o lado ruim do peso extra ou perdas na inércia rotacional Essa coisa mal rasteja É até mesmo difícil de ver o braço da mola se movendo Enquanto essa roda traseira se move É bem difícil vencer um design como esse E agora nós vamos rapidamente passar pelos princípios do carro de corrida Já que muitos dos mesmos princípios se aplicam A maior diferença é que desta vez nós queremos acessar toda a energia da mola Num tempo curto bem no início Porque a linha de chegada fica à apenas 4.5 metros de distância Então não faz sentido ter uma vantagem mecânica muito pequena, como o carro com polia Aqui nós queremos ele muito mais perto da força direta da própria mola O que seria a vantagem mecânica um O problema é, se nós fizéssemos isso, as rodas iriam escorregar Então você basicamente quer incrementalmente aumentar sua vantagem mecânica Fazendo seu eixo traseiro mais e mais grosso com fita Até que suas rodas traseiras comecem a escorregar Escorregar é ruim, claro, porque isso é energia desperdiçada Porque sua roda está girando sem de fato mover seu carro para frente Ajuda se você der um zoom e usar a câmera lenta do seu celular Para ver se suas rodas estão escorregando ou não Isso significa que ter boa tração na suas rodas traseiras é importante Porque significa que você pode ter forças maiores antes de começar a escorregar Essas rodas de espuma mole funcionam muito bem E assim como no carro de distância, reduzir fricção usando rolamentos ou grafite definitivamente ajuda, assim como torná-lo leve Porque a segundo lei de Newton nos ensina que coisas mais pesadas são mais difíceis de acelerar Assim como se você jogar uma bola de basebol ao invés de uma bola de boliche pesada E rodas com diâmetro pequena não somente ajudam por manter sua vantagem mecânica próxima de um Mas você não tem tempo para dar energia à essas rodas grandes E depois devolver para o deslocamento Você quer que toda aquela energia da mola vá direto para fazer seu carro ir adiante Ok, então esses são os princípios básicos Antes de nós irmos para os campeonatos de carros ratoeira da West Coast Eu vou mencionar que botei uma lista de dez dicas de construção práticas na descrição do vídeo Por exemplo, você deveria molhar seus rolamentos em WD-40 para remover toda a graxa A graxa é útil se os rolamentos realmente estiverem sobre bastante carga Mas como esses carros pesam quase nada Vai apenas torná-los mais lentos Eu também menciono que meu amigo Al tem um site incrível chamado docfizzix.com Em que você pode comprar todas as partes que eu mostrei hoje Para experimentar e inventar o seu próprio e único design Também botei esse link aqui em baixo, aqui vamos nós Para essa competição, o objetivo era viajar para frente 4.5 metros E depois voltar para trás e parar o mais próximo do lugar exato em que você começou No menor tempo possível Esses movimentos podem parecer complicados mas você pode mudar de frente para trás Simplesmente mudando a direção em que você rotaciona seu eixos na metade do caminho E você pode parar em um ponto determinado Usando uma porca de orelhas num eixo rosqueado Então dadas as regras, suas decisões de design deveriam promover ambos velocidade e precisão Cerca de metade dos designs foram baseados em noções pré-concebidas e usaram rodas de CD Que são uma péssima escolha aqui, porque você não está querendo distância Eles tem maior inércia rotacional e uma tração ruim O carro do time vencedor, que eu não mostrarei aqui, porque as finais são no próximo mês Realmente focaram em precisão Eles usaram rolamentos com bolas, pequenas rodas de espuma E eles fizeram o corpo do carro deles de alumínio Pesa mais do que madeira de balsa, então precisou de mais energia para fricção Mas há bastante energia na mola para viajar apenas 4.5 metros Então valeu a troca para a extra rigidez e repetibilidade Eles também me falaram que testaram e mexeram em seu design por seis meses Foi incrível passar um tempo e ver todos as várias abordagens de design Espero que você tenha aprendido o suficiente até agora Para ter uma fundação sólida para criar seu próprio design único Para que você possa construir, testar, mexer que nem um louco E então dominar a competição por favor considere se inscrever Eu passei tempo demais fazendo esses vídeos idiotas Mas eu não posso fazer nada, já que eu meio que fico obcecado porque sou apaixonado pelo conteúdo Skillshare.com não somente ajudou a tornar esse vídeo possível Mas o site deles é repleto de pessoas iguais a mim Exceto que sobre qualquer tópico imaginável Veja o designer gráfico Aaron Draplin de Portland, por exemplo Esse cara é um sábio que se tornou famoso pelo seu incrível trabalho com logomarcas E sua filosofia de design Ele é um ótimo professor e ele é hilário Eu aprendi muito fazendo o curso dele O Skillshare custa menos de $10 por mês para a conta premium deles E isso te dá acesso completo para todas as aulas deles E as primeiras 1000 pessoas á clicarem no link da descrição Ganham 2 meses para testar por $0.99 Então se você gosta do trabalho que eu boto nesses vídeos E você quer aprender mais com pessoas que são apaixonadas pelo que fazem Clique no link 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