Ideas-Inspire

Laatste versie van de Quicky Mousetrap met een chassis van schuimblokken voor een zomercursus getiteld “Engineering Through Models”.

Inleiding

Alles wat ik weet over muizenvalauto’s kan ik danken aan het lezen van dit boek van Doc Fizzix. Ik raad je ten zeerste aan dit boek te kopen en ook een bouwpakket van Doc Fizzix. Na het bouwen van een goede bouwpakket auto, zal het ontwerpen van je eigen auto veel gemakkelijker zijn.

Doc Fizzix’s Basic Mousetrap Car

Na het bouwen van een paar van Doc Fizzix’s muizenval auto kits heb ik een aantal van mijn eigen auto’s ontworpen, hoewel het in principe twee verschillende grote ontwerpen waren en dan kleine variaties. De laatste muizenval auto maakt gebruik van een blok schuim voor een chassis, kleerhanger draad voor de assen, en CD wielen. Dit ontwerp werkt goed, maar het was vooral ontworpen om niet duur te zijn. De muizenvalauto’s van Doc Fizzix gebruiken duurdere materialen zoals messing assen en een hefboomarm, wat beter is.

Bij het herontwerpen van deze muizenvalauto webpagina wilde ik meer van het educatieve natuurkundige aspect van muizenvalauto’s introduceren. Mijn bespreking is zeker niet volledig en daarom stel ik voor het boek “De muizenval auto” van Doc Fizzix aan te schaffen.

Fase II in mijn website-artikelen

	Balsa-versie van Quicky Mousetrap Car uit de zomerklas van een paar jaar geleden.	Docenten hebben Quicky Mousetrap Car gebouwd op naschoolse conferentie

Tijdens de eerste paar jaar waarin ik met mijn wetenschapsgerelateerde projectideeën werkte, ging het er vooral om dat de leerlingen de projecten met succes konden bouwen en bedienen. Door middel van workshops die ik heb gegeven is een vrij groot aantal muizenvalauto’s van mijn ontwerp gebouwd. Ik heb hier veel van geleerd en heb geprobeerd sommige aspecten van mijn ontwerp te verbeteren. Deze muizenvalauto’s zijn ook zonder mijn hulp gebouwd in alle delen van de wereld.

Het is mijn plan om dit uit te breiden en nog meer educatieve aspecten te introduceren die samengaan met de projecten. Dit zal vooral op het gebied van natuurkunde en wiskundige toepassingen zijn. Ik zal proberen dit op een leuke en makkelijk te begrijpen manier te presenteren. Bij het bekijken van de practica die scholen doen met muizenvalauto’s blijkt dat deze te maken hebben met het registreren van de totale afstand en/of het berekenen van de versnelling tijdens de rit. Een achtergrond in kracht en beweging zal nuttig zijn, waaronder een bespreking van de Wetten van Newton.

Hoe werkt de muizenvalauto?

De manier waarop de muizenvalauto functioneert, lijkt misschien heel eenvoudig voor mensen die enigszins mechanisch aangelegd zijn, maar veel mensen die een van mijn muizenvalauto’s zien, vragen vaak: “hoe werkt dit”? De auto in de muizenval wordt aangedreven door de torsie-elastische energie van de gewonden veer van de muizenval die een hefboom beweegt die aan een touwtje trekt dat rond een as van de auto in de muizenval is gewikkeld. Als de hefboom aan het touwtje trekt, draait de as terwijl het touwtje zich afwikkelt totdat het touwtje helemaal is doorgetrokken. Op dat moment laat het uiteinde van het touwtje dat om de as was gewikkeld los en rijdt het muizenval autootje een eindje door vanwege de kinetische energie totdat het door wrijving tot stilstand komt.

Victor merk muizenval rechts wordt het meest gebruikt in muizenval auto’s.		Zijaanzicht diagram van de veer met hefboomarm eraan.

De hefboomarm die aan de muizenvalveer is bevestigd, beweegt een halve cirkel die 180 graden maakt. Het koppel (de hoeveelheid verdraaikracht) neemt evenredig af naarmate verder van de veer langs de hefboomarm wordt gemeten.

Wanneer de hefboomarm helemaal naar achteren wordt getrokken, zal het koppel het grootst zijn. Dat is goed, want de auto heeft de extra kracht nodig om de tegengestelde traagheidskracht te overwinnen (eerste wet van Newton). Dit is potentiële energie met de hefboomarm naar achteren getrokken als de muizenval auto beweegt wordt dit omgezet in kinetische energie. De kracht van de gewonden veer zal afnemen als de hefboom naar de tegenovergestelde positie van het begin beweegt.

Natuurkundige concepten

Hopelijk heb je vastgesteld dat er veel natuurkundige concepten in dit ogenschijnlijk eenvoudige model auto zitten. Laten we enkele concepten schetsen die moeten worden bestudeerd om de werking van de muizenvalauto te begrijpen:

Eenvoudige machines – hefboom – wiel en as : dit heeft betrekking op mechanisch voordeel .

Eenvoudige machine – De hefboom

Eenvoudige machine – Wiel & As

Mechanisch voordeel is de verhouding tussen de uitgaande kracht en de ingaande kracht, wat een afweging is tussen de afstand die wordt verplaatst en de hoeveelheid kracht. Beweeg verder naar buiten aan de ingangszijde van de hefboom en de uitgangszijde beweegt over een kortere afstand maar met meer kracht. Als het mechanisch voordeel in de omgekeerde richting werkt, resulteert een korte verplaatsing met meer kracht in minder kracht aan de uitgang, maar een grotere verplaatsing. In de aandrijfas van de muizenvalauto stuwt de kleine omtrek die wordt rondgedraaid door het touwtje dat er over een relatief korte lengte omheen is gewikkeld, de veel grotere aandrijfwielen over een veel grotere afstand voort, maar met een kleine hoeveelheid kracht. Daarom moet de auto rollen met weinig wrijving.

In de muizenvalauto is de hefboom (hefboomarm) via een dunne lijn verbonden met wiel en as.

De drie bewegingswetten van Newton

Eerste wet – een voorwerp in rust blijft in rust tenzij er een onevenwichtige kracht op wordt uitgeoefend. Een voorwerp in beweging blijft in beweging met dezelfde snelheid en in dezelfde richting tenzij er een onevenwichtige kracht op wordt uitgeoefend. Traagheidswet

Tweede Wet – stelt dat kracht evenredig is met versnelling maar dat versnelling omgekeerd evenredig is met massa. De formule Kracht = Massa x Versnelling heeft betrekking op deze wet en de eenheid van kracht is de Newton.

Derde Wet – Voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie.

Relate This to a Mousetrap Car

Eerste Wet – muizenval auto is in rust, het heeft een onevenwichtige kracht nodig om in beweging te komen, enig idee waar deze kracht vandaan komt? Als er geen wrijving was zou hij in dezelfde richting blijven bewegen, maar de wrijving is een onevenwichtige kracht. Kun je bronnen bedenken voor de wrijving in de muizenvalauto?

Tweede wet – de kracht is evenredig met de versnelling, denkend aan de formule voor het koppel zou een hefboomarm van _____ een snellere versnelling geven? De versnelling is omgekeerd evenredig met de massa. Dit betekent dat hoe zwaarder de muizenvalauto is, hoe sneller de versnelling ______?

Derde wet – voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie, in de muizenvalauto duwen de wielen op de vloer en de vloer duwt op de _________?

Dit relateren aan een voorbeeld uit de echte wereld

Kijk eens naar mijn blog post: Newtons Wetten en de Hybride Auto

Terminologie
Acceleratie – de meeste laboratoriumoefeningen voor muizenvalauto’s die ik heb gezien, gaan over totale afstand en het meten van versnelling.

Versnelling = snelheid waarmee een voorwerp van plaats verandert

Versnelling = snelheid waarmee een voorwerp van plaats verandert (vectorgrootheid)

Kracht = Massa x Versnelling

Merk op dat snelheid en versnelling niet hetzelfde zijn:

Snelheid = snelheid waarmee een voorwerp een afstand aflegt (scalaire grootheid) Gemiddelde snelheid is gewoon afstand gedeeld door tijd denk mijlen per uur.

Hoe sneller de auto accelereert, hoe groter de kracht, maar hoe groter de massa, hoe groter de weerstand tegen de acceleratie zal zijn. Bedenk dat een grote vrachtwagen of een trein langzamer optrekt dan een auto.

Werk – Kracht – Energie

Werk wordt verricht wanneer een kracht die op een voorwerp werkt een verplaatsing van het voorwerp veroorzaakt (het beweegt).

Kracht de snelheid waarmee arbeid wordt verricht Kracht = Arbeid / Tijd standaard metrische eenheid van kracht is de watt. Voor een muizenval over lange afstand is een laag vermogen wenselijk, het werk moet over een lange periode worden verricht.

Energie de standaarddefinitie is “het vermogen om arbeid te verrichten”, dit is misschien niet al te behulpzaam. Er zijn verschillende vormen van energie en vaak kan de ene vorm van energie worden omgezet in een andere. In de muizenval auto beweegt de potentiële energie in de gewonden veer (elastische energie) de muizenval auto en zet deze om in kinetische energie.

Bouwen van de muizenval auto

Inzicht in de fysica van de muizenval auto moet helpen bij het ontwerpen van een efficiënter werkende muizenval auto. Bij het bouwen van de muizenval-auto moet je de basiscomponenten begrijpen die nodig zijn.

Chassis – frame van de auto waar de andere componenten aan worden bevestigd. Voor de muizenval auto moet het stijf maar toch licht zijn. De eerste auto die ik bouwde had een raamwerk van bamboe, dat extra versteviging nodig had omdat de spanning van de muizenval, die aan het touwtje over de lengte van het chassis trok, het chassis deed verdraaien. De volgende generatie muizenvalauto’s werd gebouwd van balsahout en de huidige generatie gebruikt een chassis gemaakt van een schuimrubberen blok.

In de eerste prototypes van de bamboe muizenval auto merkte ik dat het chassis verdraaide door de kracht van de hefboomarm die aan de achteras trok.			Bracing werd toegevoegd om het chassis stijver te maken en dat loste het probleem op. Als het chassis verdraaide, draaide de auto in één richting.

Hub – dit is het midden van het wiel dat aan de as vastzit. De naaf moet de as precies in het midden van het wiel houden en de zijkanten van de naaf moeten precies 90 graden ten opzichte van de as staan, anders gaat het wiel wiebelen.

Ik heb naven gemaakt door vierkantjes van rubberen spanbanden te knippen en een gat door het midden te boren.		De vierkante naaf is zo gelijmd dat het gat bedekt is.

Kraanschroefringen kunnen in het gat van CD’s passen, maar ik vond die van Doc Fizzix nauwer aansluiten.			Faucet washers op Doc Fizzix’s muizenval auto.

De as – de as is via de naven aan de wielen bevestigd – moet zo recht mogelijk zijn, anders gaan de wielen wiebelen. In de muizenvalauto werkt één as als een katrol, omdat het touw eromheen is gewikkeld. De diameter van de as ten opzichte van de diameter van de aandrijfwielen is het mechanische voordeel.

Wiel – de muizenvalauto rolt op wielen dit is de geometrische vorm van een cirkel. Dit betekent dat je termen als diameter, omtrek, radius, pi, rolweerstand en rotatietraagheid moet begrijpen. Ik heb CD’s, doorzichtige lagen en kwarkdeksels als wielen gebruikt.

Grote wielen – het gebruik van aandrijfwielen met een echt grote diameter geeft een nog groter mechanisch voordeel voor een grotere afstand.

Lagers – dit is het contactpunt tussen de draaiende as en de bevestiging aan het chassis; hoe minder wrijving in de lagers, hoe efficiënter de muizenvalauto. Met te veel wrijving in de lagers zal de muizenval misschien niet eens bewegen of herhaaldelijk stoppen.

Hefboomarm

De hefboomarm steekt uit de veer van de muizenval als een hefboom om aan het touwtje te trekken. Drie belangrijke overwegingen voor de hefboomarm:

* Materiaal, het moet zeer stijf zijn, maar licht in gewicht.
* Bevestiging aan de muizenvalveer, er is een grote kracht waar de hefboomarm aan de veer is bevestigd.
* De lengte van de hefboomarm is belangrijk, hoe langer de arm hoe meer lijn er kan worden doorgetrokken en de muizenvalauto verder moet gaan.

De hefboomarm op deze auto is gemaakt van een vierkante voorraad van een hardhout, oorspronkelijk ben ik begonnen met balsa met een T-verbinding maar studenten braken de balsa. Na het werken met delicate balsa-constructies in modelvliegtuigen was dat voor mij geen probleem.

Koppel en hefboomarmberekeningen voor een muizenvalauto

Koppel wordt gedefinieerd als ofwel een draaiende kracht ofwel de neiging om rond een as te draaien. Een veel voorkomend voorbeeld van koppel is het aandraaien van een bout met een moersleutel. Om te weten hoeveel koppel er op een bout wordt uitgeoefend, gebruiken monteurs vaak een speciaal soort sleutel, een zogenaamde “momentsleutel”, waarmee een bepaalde hoeveelheid koppel op een bout kan worden uitgeoefend.

De formule voor koppel is heel eenvoudig als de kracht loodrecht op de hefboom wordt uitgeoefend: Koppel = straal x kracht. Normaal gesproken zijn de eenheden van draaimoment voetponden of newtonmeters. Deze vergelijking geeft het koppel dat op het draaipunt wordt uitgeoefend, dit is het concept mechanisch voordeel.

Ik heb meer nagedacht over hoe wiskunde kan worden gebruikt om een uitkomst te voorspellen. Om met een muizenvalauto te beginnen: als je kunt berekenen hoeveel kracht er aan het eind van de hefboomarm beschikbaar is op basis van het koppel aan de as, dan zou je een idee krijgen hoeveel kracht er beschikbaar is om de muizenvalauto voort te stuwen. Het is ook interessant om te zien hoe de kracht afneemt als de veer afrolt.

Voor een muizenvalauto die een lange afstand wil afleggen moet de hefboomarm langer zijn om meer lijn te kunnen trekken die om de aandrijfas gewikkeld is. Uit deze berekeningen kan gemakkelijk worden opgemaakt dat de beschikbare hoeveelheid kracht snel afneemt naarmate de lengte van de hefboomarm toeneemt.

Voor mij is het ook interessant als je berekende uitkomsten kunt meten en kunt nadenken over de redenen van onnauwkeurigheden. Voor dit experiment was de onnauwkeurigheid gerelateerd aan de veerschaal die ik gebruikte en hoe ik hem gebruikte. Doc Fizzix verkoopt een torsiewiel om de torsie van de muizenvalveer te meten. Link naar Torsion Wheel product.

Voor mijn experiment heb ik de kracht in grammen gemeten op 4 centimeter van de as bij 25, 90, en 180 graden. Vervolgens heb ik op 28 centimeter van de as gemeten en vervolgens berekend wat de kracht zou moeten zijn op basis van de metingen op 4 centimeter. Metingen werden ook gedaan op 28 centimeter, zodat een vergelijking kon worden gemaakt tussen de berekende en de gemeten kracht.

GF*CM is de torsie, delen door de straal geeft de kracht. Voorbeeld: 1600 / 28 = 57,14, 3200 / 28 = 114,29, en 4400 / 28 = 157,14.

Hierboven staan de vergelijkingen van de metingen en de berekeningen die in het rood zijn weergegeven.

Gemeten krachten op hefboomarm bij 25 graden

Gemeten krachten op hefboomarm bij 90 graden

Gemeten krachten op hefboomarm bij 180 graden

Het begrip koppel is ook belangrijk bij het vliegen zoals bij deze quadcopter, kijk maar eens naar mijn artikel Basis Quadcopters.

Aantekeningen over eenheden

Vele malen zijn formules gebaseerd op andere eenheden dan die waarmee je je gegevens hebt verzameld. Mijn veerweegschaal geeft ook Newtons weer, maar grammen zijn een veel kleinere eenheid die helpt bij het nemen van meer nauwkeurige metingen.

Voor het berekenen van de potentiële energie van een torsieveer zijn omrekeningen naar Newtons, meters en radialen nodig.

1 gram = .0098 Newtons

Radialen = (graden * π) / 180

1 centimeter = .01 meter

1 joule = kracht van 1 Newton door een afstand van 1 meter

• Blogartikel 10-10-2017 Demonstratie muizenvalauto in verpleeghuis

Doc Fizzix Muizenvalauto bouwpakketten