Praktische opdracht Natuurkunde grasmaaier

Transcriptie

1 Praktische opdracht Natuurkunde grasmaaier Praktische-opdracht door een scholier 2363 woorden 8 mei ,4 14 keer beoordeeld Vak Natuurkunde Inleiding Dit verslag van de grasmaaier hebben wij gemaakt naar aanleiding van een praktische opdracht die wij moesten doen voor natuurkunde. De opdracht moest vooral praktisch en onderzoekend worden uitgevoerd. Wij kwamen op dit onderwerp nadat we tijdens de lessen natuurkunde op het internet aan het surfen waren naar geschikte onderwerpen. We vonden toen dit onderwerp, wat al was uitgevoerd door een aantal andere groepjes. Maar het verschil tussen onze grasmaaier en die van hen is dat wij in onze grasmaaier lichtweerstanden hebben verwerkt die dan een bepaalde reactie moet geven op de kleuren die het ziet. Bij de kleur van gras moet het verder gaan maaien, maar bij alle andere kleuren moet het stoppen. Ons plan was om de grasmaaier dan op zo n moment ook rechtsomkeert te laten maken, maar we hadden te weinig tijd om zo n systeem bij te maken. De andere groepjes hadden een gewone grasmaaier gemaakt die alleen kon maaien. Nadat we het onderwerp gekozen hadden en daarnaast hadden besloten om het op een andere manier te doen, dus door met lichtweerstanden te werken, stonden wij voor een grote uitdaging. Ten eerste moesten we onze geheugens weer eens opfrissen door informatie op te zoeken over het onderwerp (zie bladzijden...) en daarnaast leek onze idee haast onmogelijk, maar wij wilden het onmogelijke mogelijk maken en het lukte ons deels wel met onze eigen Seeker. En daar zijn we trots op! Als we wat meer tijd hadden, dan hadden we het zeker kunnen voltooien! Het was al een tijdje geleden dat we voor het laatst met elektrische schakelingen hadden gewerkt en deze waren tevens ook de belangrijkste elementen in onze PO. We moesten voortdurend met schakelingen werken en nieuwe componenten ontdekken die ons tot betere resultaten zouden helpen en hebben daardoor vele nieuwe dingen geleerd. Maar ondanks al onze inzet zouden we het nooit gered hebben zonder de hulp van de TOA, en natuurlijk onze natuurkunde docent. Zij hebben ons geholpen om de schakelingen juist samen te stellen en de juiste componenten voor deze schakelingen te vinden. En daarom zouden we ze van harte willen bedanken voor alle steun die ze ons hebben gegeven. Veel plezier met het doornemen van het verslag! Hoofdvraag & deelvragen Deze praktische opdracht gaat over de vraag: Is het mogelijk om een grasmaaier te bouwen die bepaalde kleuren kan waarnemen en daarop reageert door te stoppen of verder te maaien? Onze hypothese luidt: Pagina 1 van 6

2 Ja, het is mogelijk om een dergelijk machine te bouwen Voordat we de onderzoeksvraag kunnen beantwoorden moeten we eerst vele andere vragen, de deelvragen, beantwoorden die ons stap voor stap dichter bij het antwoord op de onderzoeksvraag brengen. Hieronder staan onze deelvragen voor dit onderzoek, van welke we de antwoorden in het verslag zullen verwerken. Deelvraag 1: Wat bestaat er al qua grasmaaiers die zoiets doen en hoe werkt dit bij de andere grasmaaiers? Deelvraag 2: Met wat voor systeem zal onze grasmaaier werken? Deelvraag 3: Waar zal dit systeem nog meer voor te gebruiken zijn? Deelvraag 4: Met welke componenten bouwen we de schakeling voor dit systeem en hoe werken die componenten? Deelvraag 5: Hoe zal deze schakeling werken en hoe komt dit eruit te zien? Theorie: Andere grasmaaiers Er bestaan alleen automatische grasmaaiers die reageren op perimeterdraden. Met perimeterdraad baken je dan het gebied af dat je wilt laten maaien. De grasmaaier herkent dan via een speciale sensor het perimeterdraad en blijft dan ook binnen de grenzen die je daarmee hebt gemaakt. Je hebt grasmaaiers die opgeladen moeten worden en soorten die zonnecellen hebben waarmee ze zichzelf met zonne-energie opladen. Verder bestaan er natuurlijk allerlei soorten grasmaaiers, zoals handmaaiers (die puur mechanisch werken, zonder elektriciteit), elektrische maaiers en van die maaiers waar je als een soort auto in kunt gaan zitten. Deze zullen we verder buiten beschouwing laten, omdat deze niks met onze opdracht te maken hebben. Wij hebben dus geen soortgelijke grasmaaiers kunnen vinden. Onze onderzoek duurt voort en we gaan proberen zelf het systeem te bouwen zonder voorbeelden. Het systeem moet de kleur van gras onderscheiden van andere kleuren, zoals modder etc. Hierbij moeten we dus weten uit welke kleuren de kleur van gras bestaat. We bedoelen hiermee het spectrum van gras. Maar allereerst moeten we weten wat een kleurenspectrum nou eigenlijk is en hoe je deze weer kan geven. THEORIE Logische poorten Hier volgt een overzicht van de standaard logische poorten. Bij onze schakeling zullen we alleen gebruik maken van AND-poorten en OF-poorten. AND-poort (ook wel EN-poort genoemd) geeft alleen een 1 als signaal als beide ingangen ook 1 zijn. OR-poort (ook wel OF-poort genoemd) geeft een 1 als één of beide van de ingangen een 1 is. NOT-poort (ook wel invertor genoemd) keert een signaal als het ware om. Deze heeft maar één invoer, als deze 1 is is de uitvoer 0 en vice versa. NAND-poort (staat voor NotAND, ook wel NEN-poort genoemd) is een AND-poort met invertor. Als minimaal één invoer 0 is geeft deze een 1. NOR-poort (staat voor NotOR, ook wel NOF-poort genoemd) geeft 1 als de ingang van geen van beide poorten 1 is. XOR-poort (staat voor exclusive OR) geeft alleen 1 als één van de ingangen 1 is, dus eigenlijk is dit een Pagina 2 van 6

3 soort OR-poort die niet werkt als beide ingangen 1 zijn. XNOR-poort (de inverse van de XOR-poort, ook wel coïncidentiepoort) kijkt of beide invoerwaarden gelijk zijn. Hierboven afgebeeld staat de AND-poort die wij gebruiken (HCF 4073). Deze werkt met 3 ingangen: beide ingangen moeten dan ja zijn voor de uitgang ja is. Dit bespaart ons 2 setjes AND- en/of OF-poorten. Hierboven afgebeeld staat de OF-poort die wij gebruiken (SN 7432 N). Spectra Een spectrum kan continu zijn, dat wil zeggen dat alle golflengtes in een bepaald gebied voorkomen (bijvoorbeeld bij een gloeilamp: deze heeft een continu spectrum waarin alle golflengtes van rood tot violet in meer of mindere mate voorkomen). Er bestaat ook een lijnenspectrum: hierin spelen enkele golflengtes een dominante rol (bijvoorbeeld bij een natriumlamp, die wordt gebruikt als straatlantaarns, of bij een tlbuis). Gras heeft een lijnenspectrum. Naar gelang van de aard van de lichtbron treden verschillende kleuren met verschillende intensiteit op in het spectrum. Dit werkt op zo n manier dat je het spectrum van een lichtbron als een soort handtekening kan opvatten, en aan het spectrum een bepaalde lichtbron kunt herkennen. Hiervan zullen wij gebruik maken bij onze schakeling. Bij onze schakeling zullen we gebruik maken van een spectrum om hiermee de kleuren van gras te herkennen. We bouwen lampjes in de schakeling, die dan op hetgene schijnen waar de grasmaaier over ongeveer 1 à 2 seconden overheen zal rijden. Het licht reflecteert dan en als de kleuren van hetgene waar de grasmaaier overheen gaat rijden overeenkomen met de kleuren in het spectrum van gras, rijdt de grasmaaier door. Hiervoor gebruiken we ook een tralie, die ik hieronder toe zal lichten. Tralie Een tralie wordt gebruikt om de elektromagnetische straling naar golflengte te scheiden. Het bestaat uit een serie van smalle, parallelle lijnen die op precies gelijke afstand van elkaar liggen. Als er monochromatisch licht (van exact één golflengte, dus met één enkele kleur) op valt, zal er interferentie (een gezamenlijke werking van meerdere lichtgolven op hetzelfde moment op dezelfde plaats) optreden tussen het licht dat door iedere van die lijnen komt. Dan ontstaat er een diffractie-effect, dat ervoor zorgt dat doorgelaten licht in een beperkt aantal richtingen (ordes) wordt geconcentreerd. De nulde orde is de rechtdoorgaande lichtbundel, en iedere bundel die hiernaast ligt heeft een ordenummer dat 1 groter is dan de vorige. De richting (θ) van de ne orde bundel wordt gegeven door de formule sin(θ) = nλ /δ Hierbij is λ de golflengte van het licht en d de afstand tussen de lijnen van het rooster. Als er wit licht of licht van meerdere golflengten op de tralie valt zal iedere golflengte in een andere richting worden gebroken. De precieze golflengte bepaalt de verstrooiingshoek van het licht in alle ordes, behalve voor dat in de nulde orde. Dit verklaart dat een rooster net als een prisma kan worden gebruikt: om de golflengten van het licht te scheiden en een spectrum te maken. Weerstanden Een weerstand is een elektrische component die de eigenschap elektrische weerstand heeft. Weerstanden hebben volgens de wet van Ohm een vaste verhouding tussen de spanning en de stroom over de Pagina 3 van 6

4 weerstand. Een weerstand heeft een waarde van 1 ohm als een spanning van 1 volt over de component leidt tot een stroom van 1 ampère. Wij gebruiken: LDR Variabele weerstanden Vaste ( gewone ) weerstanden Een LDR (Light Dependent Resistor; oftewel lichtgevoelige weerstand) is een weerstand waarvan de weerstandswaarde wordt beïnvloed door de hoeveelheid licht die erop valt. Hoe sterker de LDR wordt belicht, hoe kleiner de weerstandswaarde van de LDR wordt. Het materiaal waarvan de meeste LDR s worden gemaakt is cadmiumsulfide, waarbij de weerstand kan verschillen van 1-10 MΩ donkerweerstand tot Ω lichtweerstand. Het nadeel van LDR s is dat ze tamelijk traag reageren: ze hebben een reactietijd van enkele honderden milliseconden. De comparator De werking van een comparator komt er op neer dat de schakeling de 2 ingangen met elkaar vergelijkt, en aan de hand daarvan een bepaald signaal afgeeft. Dit signaal is hoog (de voedingsspanning) of laag (0 V). Meestal wordt op de negatieve ingang een referentiespanning aangesloten: hiermee wordt de spanning die op de positieve ingang is aangesloten vergeleken. Als het te vergelijken signaal groter is dan de referentiespanning, geeft de comparator een hoog signaal, en als deze lager is geeft de comparator een laag signaal. Dit zorgt ervoor dat een comparator vele praktische toepassingen heeft. Men kan namelijk ook de referentiespanning vergelijken met een variërende spanning, wat het erg eenvoudig maakt om er een soort tijdvertraging mee te realiseren. Dan wordt de vaste referentie vergeleken met een langzaam stijgende spanning, die op te wekken is door een condensator te laden via een weerstand. Deze schakeling wordt universele comparator met tijdvertraging genoemd. Bij het realiseren van een oplossing voor ons probleem van de schakeling gebruiken we de LM 324 comparator. De LM324 De 4e uitgang aan beide kanten zijn de + en de van de LM324. De + wordt doorverbonden met 1 als de spanning van 3 groter is dan de spanning van 2. Als dit niet zo is gebeurt er niks, dan is er geen signaal. De is gewoon voor de aansluiting van de LM324. Uit deze werking is af te leiden dat de LM324 gewoon een operationele versterker is, wat inhoudt dat het een comparator met doorverbinder erbij is. Verder zijn er geen verschillen tussen comparators en operationele versterkers. Hierboven afgebeeld staat een weergave van de in- en uitgangen van de LM 324. Ander gebruik van deze schakeling Wat heeft ons systeem dat bruikbaar kan zijn voor andere systemen? Bijzonder is bij ons dat we met kleurenspectra werken. We kunnen het bijvoorbeeld toepassen op bepaalde spelletjes waarbij kleur een grote rol speelt. Bijvoorbeeld een spelletje waarbij een speler een gekleurde kaart in een apparaat moet stoppen die daardoor de kleur herkent en een bepaalde actie daarop onderneemt. Bij elk ander kleur zal Pagina 4 van 6

5 het een andere soort actie ondernemen. Dit idee kan nog verder uitgewerkt worden. Dus het systeem kan toegepast worden op andere systemen waarbij bepaalde kleuren een grote rol spelen. Ook bij een leugendetector kan een schakeling die werkt op een dergelijke manier als de onze erg handig zijn. Bij een leugendetector worden de LDR s en het spectrum en tralie weggelaten en vervangen door een ander soort sensor, waarschijnlijk een warmtesensor of bewegingssensor. Het deel van de schakeling met de combinatie van AND- en OR-poorten blijft hierbij wel intact. Maar niet alleen bij een leugendetector is deze schakeling goed te gebruiken. Het deel met de AND- en OR-poorten is een vaak gebruikt systeem wat vooral gebruikt wordt bij schakelingen die als detector moeten functioneren, maar soms ook bij andere systemen waarbij de invoer bestaat uit vele signalen. Hierboven afgebeeld staat een leugendetector. Samenwerking - Foutdiscussie Er zullen waarschijnlijk dingen zijn die niet helemaal kloppen. Vandaar deze foutdiscussie, om te inventariseren wat er wat minder goed is gegaan en op een rijtje te zetten hoe dit anders had gekund. Wat had beter gekund? We hadden beter wat minder lessen kunnen besteden aan brainstormen over een onderwerp, maar gewoon snel een onderwerp kiezen. Het had beter geweest als we wat meer hadden uitgekeken met de lamp die we gebruikten in de simulatie van de grasmaaier, zodat deze niet was doorgebrand en we het praktisch werk sneller af hadden gehad. Dankwoord Eindelijk, het is zover dat ons PO afgerond is. Het was een lange weg met hier en daar wat blokkades die ons het zicht verzuimden, maar we kwamen er weer bovenop. En dat deden we niet alleen! Het zou ons nooit gelukt zijn zonder de mensen die altijd voor ons klaar stonden, de mensen die altijd raad wisten met onze problemen, de mensen die ons dan zeker goed advies gaven, de mensen die ons steeds in de juiste weg duwden. Over welke mensen hebben we het hier dan vraagt u zich waarschijnlijk af? Wie zijn deze mensen die onmisbaar zijn geweest tijdens het tot stand brengen van onze uiteindelijke PO? Dat zal ik u eens vertellen... Allereerst onze geliefde natuurkunde docent! Hij heeft ons altijd bij gestaan in barre tijden en goede ideeën gegeven. Daarnaast zouden we ook heel graag de TOA willen bedanken voor alle hulp en inzet die hij ons gegeven heeft. Zonder hem zouden we nooit de juiste componenten te pakken hebben kunnen krijgen! Maar hij heeft het mogelijk gemaakt voor ons. Nogmaals hartelijk bedankt en hopelijk heeft u genoten van dit verslag! Bronnen Pagina 5 van 6

6 NatuurkundeMap met beheer van alle beschikbare componenten op school Pagina 6 van 6