Opdracht Technisch Ontwerpen

• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Hoofdstukken

Beweging & Kracht

Technisch Ontwerpen

Wat is technisch ontwerpen?

Technisch ontwerpen betekent dat je een product ontwerpt en bouwt, dat een oplossing vormt voor een technisch probleem. Het proces van technisch ontwerpen verloopt in een aantal fasen, zoals weergegeven in onderstaande figuur, de ontwerpcyclus.

Opdracht

Met verschillende materialen kan je de parachute, verbindingen en de beker zo aan elkaar verbinden om de massa zo langzaam mogelijk te laten landen. 

Noteer in het werkblad alle onderdelen van de ontwerpcyclus die jullie doormaken.

Doel

Je gaat nu in een groepje van 3 het volgende

ontwerp realiseren: een parachute ontwikkelen
om een massa van 0,25 tot 0,5 kg langzaam te laten landen vanaf een hoogte van ongeveer 10-20 meter, zodat het niet breekt. (Het oorspronkelijke voorwerp is een ei, maar dat geeft teveel troep bij breken, en is dan ook voedselverspilling als het breekt.)

Opdracht

Met verschillende materialen kan je de parachute, verbindingen en de beker zo aan elkaar verbinden om de kerstbal zo langzaam mogelijk te laten landen. Om te voorkomen dat er overal in het lab kerstbalglas ligt van het testen, gebruik je een test-voorwerp dat hetzelfde gewicht heeft als de kerstbal zelf, namelijk een "fake lego"-constructie die makkelijk breekt na een val zonder parachute.

Noteer in het werkblad alle onderdelen die jullie in de ontwerpcyclus doormaken.

Doel

Je gaat nu in een groepje van 3 het volgende

ontwerp realiseren: een parachute ontwikkelen
om een kerstbal in een Lentiz-beker langzaam te laten landen vanaf een hoogte van ongeveer 6 meter, zodat het niet breekt. (Het oorspronkelijke voorwerp is een ei, maar dat geeft teveel troep bij breken, en is dan ook voedselverspilling als het breekt.)

Een test heeft uitgewezen dat een kerstbal in een beker na een val van 6 meter of in de beker kapot gaat, of na contact met de grond uit de beker stuitert en alsnog kapot gaat op de grond.

Opdracht

Bonuspunten kunnen verdiend worden door:

- Creativiteit

- Originaliteit

- Lage eindsnelheid (waarmee de beker de grond raakt)

Zodra je als groepje overtuigd bent dat je de optimale parachute ontwikkeld hebt, voer je de laatste test uit mét de kerstbal. Die moet natuurlijk goed gaan!

Je maakt van de laatste test ook een video-opname, zodat je dit later in een presentatie van max 5 minuten kan gebruiken.

Opdracht

Bonuspunten kunnen verdiend worden door:

- Creativiteit

- Originaliteit

- Lage eindsnelheid (waarmee de beker de grond raakt)

Zodra je als groepje overtuigd bent dat je de optimale parachute ontwikkeld hebt, voer je de laatste test uit mét de kerstbal. Die moet natuurlijk goed gaan!

Je maakt van de laatste test ook een video-opname, zodat je als groepje een (x,t)-diagram uit de video kan bepalen. Dit doe je door de video bijv. in slow-motion op te nemen, of door de video via een app op internet vertraagd af te spelen en daarin het verloop van de verplaatsing x in de tijd t te bepalen.

Als laatste presenteer je je ontwerp met het (x,t)-diagram aan de anderen in max 3 minuten. 

Behoefte aan een backstory?

Dit moet zo verspreid mogelijk gebeuren, dus worden de systemen in een zo wijdverspreid mogelijk gebied via parachute gedropt. 

Jullie bedrijf is gekozen om de parachutes te ontwikkelen om de systemen zo zacht mogelijk te laten landen.

Het is 2167 en de Weyland-Yutani Corporation wilt planeten buiten het zonnestelsel (exoplaneten) in aarde-achtige planeten veranderen. Een mogelijke planeetkandidaat is gekozen.

De atmosfeer is er net zo dicht als op aarde; alleen de samenstelling van de lucht wijkt nog wat af van die van aarde. Met kleine systemen kan de atmosfeer op de planeet veranderd worden in die van de aarde. 

Apollo & Leonardo da Vinci

^{Landing Apollo missie}

^{Leonardo da Vinci's ontwerp}

Inspiratie 

Hier een sheet ter inspiratie.

Let vooral op de vormen, hoeveelheid

parachutes, etc.

^{Landing Apollo missie}

^{Geallieerde parachutisten (vanaf 0:07)}

^{Supersonische parachute (vanaf 0:49)}

^{Paraglider (vanaf 0:35)}

^{Leonardo da Vinci} 

Fase 1: Ontwerpprobleem analyseren en beschrijven

Fase 2: Programma van Eisen opstellen

Aan de hand van een programma van eisen kan je als ontwerper een helder beeld krijgen van de functies die vervuld moeten worden. Je houdt daarbij rekening met de randvoorwaarden waarbinnen het product gemaakt moet worden, zoals bijvoorbeeld:

- beschikbare materialen

- aantal personen dat aan het ontwerp werkt

- afmetingen product (maak een schets)

- omgeving waarin het product gebruikt wordt 

- vorm product(bolvorming, piramidevorming, etc.)

- etc.

Formuleer de eisen zo concreet en eenduidig mogelijk. De eisen moeten meetbaar/ testbaar zijn. Geef aan hoe je ze gaat meten/ testen. 

Voor dit project ga je als groepje de hele ontwerpcyclus doorlopen. Om er op school mee aan het werk te kunnen, moet het probleem duidelijk en overzichtelijk omschreven worden door vragen te stellen.

Voorbeelden van dergelijke vragen zijn: Wie hebben dit probleem? Waar wordt het door veroorzaakt? Zijn er problemen die hier op lijken? Ken je daar oplossingen van? Door de antwoorden op deze vragen zo nauwkeurig mogelijk op te schrijven, krijg je goed zicht op het ontwerpprobleem. 

Fase 3: (Deel)uitwerkingen bedenken (1/2)

Fase 3: (Deel)uitwerkingen bedenken (2/2)

Voor de uitwerking van deze functies kan een ideeëntabel een handig hulpmiddel zijn. In zo'n tabel geef je de hoofdfunctie en de deelfuncties weer met daarbij praktische uitwerking. 

Als voorbeeld een ontwerpideeëntabel voor melkverpakking:

Nu de eisen bekend zijn, kun je het ontwerpprobleem gaan uitwerken. Er zijn altijd meerdere mogelijkheden. Iedere ontwerper gebruikt zijn eigen creativiteit en heeft eigen ideeën om het ontwerpprobleem op te lossen. 

Een technisch systeem bestaat altijd uit deelsystemen met een erbij horende functie (deeltaak). Daarom is het voor het bedenken van alternatieven handig om de hoofdtaak te onderscheiden van de deeltaken. Vervolgens kunnen dan per deeltaak alternatieve uitwerkingen gezocht worden.

Fase 4: Ontwerpvoorstel realiseren

Stap 6: productontwerp evalueren en testen

Als het prototype klaar is, kan het getest worden. Bij het evalueren van de testresultaten wordt bekeken in hoeverre het product voldoet aan de gestelde eisen (uit het programma van eisen!). Wordt aan sommige eisen onvoldoende voldaan, dan wordt bekeken waar dat aan ligt. 

Je bent het probleem dan opnieuw aan het analyseren. Om voorstellen voor verbetering te doen moet de ontwerpcyclus (gedeeltelijk) opnieuw doorlopen worden.

Na het opstellen van de ideeëntabel moet de ontwerper de beste combinatie van uitwerkingen kiezen. Daartoe moet worden nagegaan in hoeverre aan het Programma van Eisen wordt voldaan. 

De ontwerpers maken een planning van de nog uit te voeren werkzaamheden en bepalen welke informatie nog nodig is. Tevens wordt aangegeven welke materialen nodig zijn en wanneer men een prototype denkt klaar te hebben.

Het ontwerp moet natuurlijk nog in een prototype gebouwd worden. Als het voorwerk goed gedaan is, kan je redelijk efficiënt werken. Het ontwerp is immers goed doordacht.

Stap 5: ontwerp realiseren

Het bepalen van cw met je filmpjes (1/3)

Je weet uit de 3de klas dat de zwaartekracht gelijk is aan:

waarin:

F_z = zwaartekracht (N)

m = massa van object (kg)

g = valversnelling (m/s²)

Je weet dat de luchtweerstandskracht een belangrijk onderdeel is van de werking van de parachute.

waarin:

F_{w, lucht} = luchtwrijvingskracht (N)

c_w = luchtweerstandscoëfficiënt (-)

ρ = dichtheid van lucht (kg/m³) (T 12) 

A = frontaal oppervlak van object (m²)

v = snelheid van object (m/s)

F​z​​=mg

F​w, lucht​​=​2​​1​​c​w​​ρAv​2​​

Het bepalen van cw met je filmpjes (2/3)

Het doel is om de c_w van je parachute experimenteel te achterhalen. Dat doe je door het oppervlak A en de massa m van je parachute te bepalen. De grootheden g en ρ zijn in de Binas te vinden. 

Alleen de snelheid v moet nog achterhaald worden. 

Aan de hand van je filmpjes kan je de snelheid waarmee de parachute de grond raakt, bepalen.

Zorg ervoor dat je minimaal vijf verschillende massa's aan je parachute hangt zodat je je c_w zo nauwkeurig mogelijk kan bepalen. Zo krijg je ook vijf verschillende snelheden om in de formule te stoppen.

Wanneer de luchtweerstandskracht op de parachute én de zwaartekracht in evenwicht zijn, kunnen zij aan elkaar gelijk gesteld worden:

En dan krijg je voor c_w:

F​z​​=F​w, lucht​​

mg=​2​​1​​c​w​​ρAv​2​​

c​w​​=​ρAv​2​​​​2mg​​

Het bepalen van cw met je filmpjes (3/3)

Lengte van rode pijl is 3,32 meter.

Doel van parachuteproject

Een distributiecentrum in Oekraïne wil dat er insuline potjes worden bezorgd in een verwoestte stad. De snelheid waarmee de doos met de potjes op de grond terecht komt, moet dus zo laag mogelijk zijn om te voorkomen dat de potjes breken. Deze snelheid mag maximaal 1,50 m/s zijn. 

De mogelijke massa's van de dozen met insuline zijn 150 g, 300 g en 600 g. Het distributiecentrum wilt een parachute aanschaffen om te gebruiken voor de bezorging van de insuline. 

De hoofdvraag van jullie ontwerp en onderzoek is:

Is jullie parachute geschikt om deze massa's met 1,50 m/s laten afdalen naar de grond?

Aan het begin van het parachuteproject werd over de fictieve opdrachtgever voor jullie parachute verteld, het bedrijf Zipline. Zipline bezorgt medicijnen in moeilijk bereikbare gebieden met behulp van kleine  (vliegtuig)drones.

Jullie hebben als groepje een parachute ontworpen en uitgetest met als doel het mogelijke gebruik ervan bij de droppings

van de medicij-

nen. Hiernaast 

de video van het 

bedrijf.

Verslaggeving (1/4)

Tijdens het ontwerpen van jullie parachute hebben jullie rekening moeten houden met verschillende fases van het ontwerpproces. Welke antwoorden hadden jullie bedacht voor de verschillende fases en welke fases hebben jullie meerdere keren doorlopen? Dit moeten jullie allemaal noteren in jullie verslag.

Voorbeeld van een beknopt ontwerp:

De eerste parachute was ontworpen en uitgetest. De parachute draaide teveel tijdens de afdaling, dus er is een verandering bedacht aan het eerste ontwerp (Hier is dus de tweede cyclus gestart!). Er is een klein gat bovenin de parachute aangebracht en dit maakte een groot verschil in hoe stabiel de parachute naar beneden kwam.

Voor het parachuteproject schrijf je als groepje een verslag over het ontwerpen van de parachute en het bepalen van de c_w. Dit verslag hoeft niet enorm lang te zijn, zorg ervoor dat alle informatie die je als groepje hebt, erin verwerkt wordt.

Het verslag bestaat uit twee onderdelen: de verslaggeving over het ontwerpen van de parachute & het bepalen van de c_w van de parachute uit de data van filmpjes.

In jullie verslag beschrijf je eerst hoe jullie door het ontwerpproces heen gegaan zijn en welke veranderingen er aan de parachute zijn doorgevoerd om tot het eindresultaat te komen.

Verslaggeving (2/4)

Gebruik ook schetsen van jullie parachute om te beschrijven hoe de vorm van de bovenkant en zijkant eruit ziet, samen met de juiste afmetingen van de parachute en het touw eronder. Zo komt er een gedetailleerd beeld van de parachute naar voren.

Beide onderdelen van het verslag, zowel de verslaggeving over het ontwerp van de parachute, als het bepalen van de c_w moet als een goed verslag aan elkaar geschreven worden. 

Er is geen voorbeeld beschikbaar. Vergeet de bronnenlijst niet, en de referenties in de tekst naar de bronnen ook niet!

Voor het tweede deel van het verslag wordt de c_w-waarde van de parachute bepaald met behulp van de snelheden die uit de filmpjes gehaald zijn. Ook andere grootheden die nodig zijn om de formule voor c_w,

worden door jullie bepaald. 

Noteer dus uitgebreid met formules en krachtenevenwicht hoe de c_w bepaald kan worden en laat jullie resultaten in een tabel en grafiek zien. Zet daarvoor wel de massa (m) op de x-as en de c_w op de y-as.

c​w​​=​ρAv​2​​​​2mg​​

Verslaggeving (3/4)

Ontwerpproces parachute

Hierin leg je uit hoe het ontwerp van de parachute tot stand is gekomen. Dit is fase 3 t/m 6 van de ontwerpcyclus. Het kan zijn dat je twee of meerdere keren door de ontwerpcyclus bent gegaan, dat moet je dan wel zo vermelden.

Bepaling van luchtweerstandscoëfficiënt

Dit onderdeel bestaat uit twee andere onderdelen, benodigdheden & werkwijze. Je beschrijft welke onderdelen er nodig waren voor het experiment met je parachute (benodigdheden) en hoe het experiment is uitgevoerd (werkwijze).

Overzicht verslaggeving (1/2)

Voorblad

Zoals altijd, bedenk een mooi voorblad met een afbeelding met de nodige informatie op het voorblad, zoals de auteurs (jullie), klas, datum inlevering en vak.

Onderzoeksvraag

Hierin leg je uit wat het doel van het parachuteproject was (Fase 1 van de ontwerpcyclus, ontwerpprobleem analyseren). Dan leg je uit aan welke eisen de parachute moet voldoen volgens de opdrachtgever (Fase 2 van de ontwerpcyclus, Programma van Eisen).

Verslaggeving (4/4)

Conclusie

Hierin zet je de eindconclusie over de werking van de parachute. Kan je ontworpen parachute de dozen insuline met een maximale snelheid van 1,50 m/s de grond raken? Een grafiek met massa (van 0 t/m 900 g) op de x-as en snelheid op de y-as kan duidelijk aangeven welke vallende massa's onder de 1,50 m/s blijven.

Bronnenlijst

Hierin vermeld je de bronnen die je gebruikt hebt, zoals bijvoorbeeld Binas, in de APA-stijl. Ook andere bronnen die je misschein gebruikt hebt, moet je hierin vermelden. 

Vergeet niet verwijzingen naar je bronnen in de tekst te zetten, ook in APA-stijl.

Overzicht verslaggeving (2/2)

Resultaten

Hierin vermeld je de formules over het vallen van de parachute, zoals F_z en F_w,lucht, en hoe je vanuit die formules op de formule van c_w komt. 

Om de luchtweerstandscoëfficiënt c_w te berekenen moet je de snelheid berekenen. Vergeet dus niet bij dit onderdeel te vermelden met welke formule de snelheid v is berekend.

Hierna zet je met je resultaten in een tabel neer. Bereken de gemiddelde c_w uit je waarden en noteer deze als eindresultaat.

Het bepalen van cw met je filmpjes

De dichtheid van de lucht is afhankelijk van de luchtdruk en de temperatuur met de volgende formule:

waarin:

ρ = dichtheid van lucht (kg/m³)

p = luchtdruk (N/m²)

M = molaire massa van lucht (m/s)

Aan de hand van je filmpjes kan je naar je doel toe werken; het bepalen van de cw.

Je weet dat de luchtweerstandskracht een belangrijk onderdeel is van de werking van de parachute.

waarin:

F_{w, lucht} = luchtwrijvingskracht (N)

c_w = luchtweerstandscoëfficiënt (-)

ρ = dichtheid van lucht (kg/m³)

A = frontaal oppervlak van object (m²)

v = snelheid van object (m/s)

Het doel is om de cw van je parachute experimenteel te achterhalen. Dat doe je door het oppervlak van je parachute te bepalen, zodat je A hebt. 

F​w, lucht​​=​2​​1​​c​w​​ρAv​2​​

ρ=​R⋅T​​p⋅M​​

Luchtwrijvingskracht (VWO)

Een wrijvingskracht is de luchtwrijvingskracht (F_w,lucht), die op een object werkt wanneer het door de lucht verplaatst. Ook deze kracht werkt altijd tegen de bewegingsrichting in.

De grootte van de luchtwrijvingskracht kunnen we als volgt berekenen:

De luchtweerstandcoëffi-

ciënt (c_w) is een 

constante die afhangt van 

de vorm van het voorwerp. 

Zoals je in de formule kan 

zien is de luchtwrijvings-

kracht wel afhankelijk 

van de snelheid v. 

Het frontale oppervlak (A)

is het oppervlak van het 

voorwerp wat je ziet wanneer je met de luchtmoleculen in de bewegingsrichting meekijkt tegen het oppervlak aan. Voor een kubus is dit een vierkant, voor een bol is dit een cirkel.

F​w, lucht​​=​2​​1​​c​w​​ρAv​2​​