3728 TUE Eureka covers 09:Opmaak 1 12-01-2009 12:24 Pagina 6 projectorganisatie Technische Universiteit Eindhoven hoofdsponsor Universiteit Utrecht pilot HAVO-scholen Fontys Hogescholen Downhill Vehicle Eureka!Cup Postbus 513 5600 MB Eindhoven telefoon 040 247 3127 e-mail info@eurekacup.nl TNO is een wetenschappelijk onderzoeksinstituut dat kennis en technologie bruikbaar maakt voor het bedrijfsleven en de overheid. Voor een onderzoek op het gebied van veiligheid van voertuigen vraagt TNO jullie hulp om een voertuig te ontwerpen en bouwen. Het voertuig moet vanaf een helling worden gestart en na een vastgestelde afstand stilstaan. TNO daagt jullie uit om ervoor te zorgen dat het voertuig, dat na het afdalen van de helling een te grote snelheid heeft, toch op tijd stopt. Eureka!Cup is een samenwerkingsproject van de Nederlandse universiteiten en Fontys Hogescholen, de Nederlandse Natuurkundige Vereniging en stichting FOM met het bedrijfsleven. Doel is om leerlingen van HAVO en VWO 1, 2 en 3 kennis te laten maken met techniek en toepassingen van natuurwetenschappen. www.eurekacup.nl Een opdracht van Eureka!Cup in samenwerking met #06.
Eureka!City De duurzame stad van de toekomst De burgemeester van Eureka!City heeft een nobel doel: zijn stad moet voorop gaan lopen in ontwikkelingen in de wereld van energie. Zo wil hij als eerste een duurzame energiecentrale bouwen, de beste hoogspanningsmasten plaatsen, energiezuinige auto s laten rijden, experimenteren met zonlicht om water te verwarmen en een groot windmolenpark in zee bouwen. Allemaal ambities die ervoor moeten zorgen dat het leven in Eureka!City gezonder, veiliger en aangenamer wordt. Eureka!City wil een voorbeeld zijn voor heel veel andere grote en kleine steden en hoopt dan ook dat jullie, als medewerkers van de bedrijven die met deze uitdagingen bezig zijn, een handje daarbij kunnen helpen. De burgemeester nodigt jullie dan ook van harte uit om eens een bezoek te brengen aan zijn stad. Op www.eurekacup.nl kun je door Eureka!City wandelen en rondkijken zoveel als je wilt. En dan kun je alvast dromen hoe de duurzame stad van de toekomst met jouw idee een stapje dichterbij komt. Een aantal vergezichten van de digitale stad Eureka!City. Vormgeving en opmaak binnenwerk: Hanneke Geurts van Kessel Studio eau, www.studioeau.nl in opdracht van Eureka!Cup 2
Downhill Vehicle Veilig en verstandig remmen! Opdrachtgever Project Vooronderzoek Werkwijze De test 2 4 6 8 11 Figuur 1: De landingsbaan van een vliegdekschip. (Bron: www.wikipedia.nl) 1
Opdrachtgever TNO (de Nederlandse organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek) is een wetenschappelijk onderzoeksinstituut dat erop is gericht om kennis toepasbaar te maken voor zowel het bedrijfsleven als de overheid. TNO probeert hierbij de brug te leggen tussen wetenschap en innovaties voor het bedrijfsleven. TNO probeert dus nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen direct toe te passen in alledaagse gebruiksvoorwerpen. Deze combinatie van het ontwikkelen van kennis én het toepassen ervan onderscheidt TNO van andere kennisinstellingen. Bij de ontwikkeling van de techniek in Nederland is TNO een essentiële schakel. Met deze brede instelling in het achterhoofd richt TNO zich op een groot aantal zaken. Zo houdt TNO zich bezig met de Kwaliteit van Leven in Nederland, Defensie en Veiligheid, Industrie en Techniek, Bouw en Ondergrond en Informatie- en Communicatietechnologie. De afdeling Automotive van TNO houdt zich bezig met onderzoek aan en de ontwikkeling van systemen en onderdelen voor de auto-industrie. Een belangrijk aspect daarvan is onderzoek naar veiligheid. Figuur 2: Het remsysteem van een auto. (Bron: www. courtesygoodyear.nl) 2
Figuur 3: Dit krantenartikel is ook na te lezen op www.eurekacup.nl (Bron: De volkskrant) Om de veiligheid van de inzittenden van een auto en die van de andere verkeersgebruikers te verbeteren, wordt continu allerlei onderzoek gedaan. Hierbij kan gedacht worden aan onderzoek naar betere kreukelzones, betere gordels, betere airbags, betere helmen (voor racecoureurs) en het optimaliseren van de remmen. 3
Project Wanneer een voertuig zich met een bepaalde snelheid voortbeweegt, heeft dit voertuig energie. In het verkeer is het voor de veiligheid noodzakelijk dat voertuigen deze energie gecontroleerd kunnen kwijtraken en zo tot stilstand kunnen komen. De afdeling Automotive van TNO zoekt momenteel een projectgroep die zich bezig gaat houden met het ontwerpen van een remsysteem waarmee een voertuig op een nauwkeurige manier geremd kan worden. TNO vraagt jou als ontwerper deel te nemen in deze projectgroep en al je creativiteit in te zetten om deze ontwerpopdracht tot een goed einde te brengen. De uitdaging voor jouw projectgroep is om out of the box te denken en met revolutionaire ideeën te komen. De precieze ontwerpopgave is om een voertuig te bedenken die met een vastgestelde beginenergie door middel van een remsysteem op gecontroleerde wijze tot stilstand kan worden gebracht op een van te voren bepaalde afstand. Om de genoemde beginenergie vast te leggen, zal je voertuig op een bepaalde hoogte op een helling geplaatst worden. Om te laten zien hoe goed je remsysteem heeft gewerkt, moet je voertuig ook in staat zijn om met dezelfde beginenergie zo ver mogelijk te komen. Je remsysteem moet dus ook uit te schakelen zijn. Figuur 3: De beginenergie zal vastgelegd worden. Hoogte bepaalt beginenergie. 4
Criteria Om je ontwerp te testen, moet je hiervan een schaalmodel bouwen. TNO stelt hier de volgende eisen aan: het voertuig mag maximaal 30 centimeter lang zijn; het voertuig mag maximaal 20 centimeter breed zijn; het voertuig mag maximaal 15 centimeter hoog zijn; het voertuig mag maximaal 2 kg wegen; het voertuig moet 4 wielen hebben; het remsysteem moet verwerkt zijn in/op je voertuig; het remsysteem moet regelbaar (op zijn minst uit te schakelen) zijn; het remsysteem mag het wegdek absoluut niet beschadigen; het voertuig moet in staat zijn om zichzelf op de gewenste afstand tot stilstand te brengen (je mag het voertuig dus niet meer aanraken als het van de heuvel afrijdt en een afstandsbediening is ook niet toegestaan). Voor het maken van je voertuig zijn in principe alle materialen toegestaan, maar er is geen enkele aandrijving van het voertuig toegestaan. 5
Vooronderzoek Om een goed product af te leveren is het belangrijk dat je grondig vooronderzoek verricht. Voordat je jouw daadwerkelijke voertuig en remsysteem gaat ontwerpen, verwacht TNO dat je je goed realiseert wat de mogelijkheden, maar ook de beperkingen zijn van deze opdracht. TNO wil dat je een rapport maakt waarin de volgende deelonderzoeken zijn verwerkt. Deelonderzoek 1 Onderdeel 1.1: Vormen van energie Om een beter beeld te krijgen van het begrip energie, vraagt TNO je een fotoboek (plaatjes mogen ook) te maken waarin te zien is hoe minstens vijf vormen van energie gebruikt worden. Benoem de vormen van energie die je verwerkt hebt in je collage. De begrippen potentiële energie en kinetische energie mogen hierbij niet ontbreken: leg goed uit wat de beide begrippen inhouden. Leg ook uit waarom de beginenergie is vastgelegd op het moment dat je voertuig op een bepaalde hoogte op de helling staat. Figuur 3: Remmen kan op veel verschillende manieren! (Bron:www. richard-seaman.com) Onderdeel 1.2: Bestaande remsystemen TNO vraagt om een poster op A3-formaat met daarop foto s van verschillende remsystemen. Geef hierbij in elk geval aan hoe elk remsysteem werkt. TNO verwacht op de poster minstens vijf remsystemen die allemaal op een verschillende manier werken. 6
Deelonderzoek 2: Remmen Onderdeel 2.1: Energieverlies TNO vraagt om een lijst van minstens 10 bezigheden/activiteiten/ processen in het dagelijks leven waar energieverlies (waarom klopt dit eigenlijk niet?) plaatsvindt met een toelichting bij elke bezigheid. In de toelichting staat waar de verloren energie dan blijft en hoe dit verlies ontstaat. Hierbij wordt aangegeven of het verschijnsel wenselijk is of niet en hoe het mogelijk verbeterd kan worden. Als er wrijving optreedt, staat er toegelicht waar deze wrijving plaatsvindt en of de wrijving groot of klein is. Hierbij wordt aangegeven welke factoren de grootte van de wrijving beïnvloeden. Onderdeel 2.2: Remmen met wrijving TNO wil een testrapport van ten minste verschillende 3 manieren om een rollende bal (of een rolschaats) te laten afremmen. De test laat de resultaten van een onderzoek zien naar de manier(en) die het beste werkt/werken en de manieren die het nauwkeurigst is/zijn. Bij elk test wordt toegelicht hoe de oorspronkelijke energie wordt omgezet, zodat de eindenergie 0 is. Figuur 4: Wrijving met de grond wordt soms ook gebruikt. (Bron: pics. summitonline.com) 7
Deelonderzoek 3: Het Prototype Nu vraagt TNO om het ontwerp van een prototype. Bij het ontwerp wordt rekening gehouden met wrijving, de maximale benutting van de energie van het voertuig en het gecontroleerd tot stilstand brengen van het voertuig. Van het ontwerp verwacht TNO een gedetailleerde tekening van het voor-, zij- en bovenaanzicht en van je remsysteem. Ten slotte verwacht TNO een gebouwde versie op schaal die getest kan worden. Werkwijze Team Dit project voor TNO voeren jullie uit in een team van 4 of 5 klasgenoten. Jullie docent is jullie begeleider, bij hem of haar kun je altijd met vragen terecht. Plan van aanpak Voor elk deelonderzoek van het project wil de opdrachtgever dat je een plan van aanpak maakt. Dit is maximaal een A4 tje waar overzichtelijk de volgende dingen op staan: de naam van het project; voor welk onderdeel dit het plan van aanpak is; welke werkzaamheden jullie uit gaan voeren; hoe jullie de taken verdelen; wanneer de werkzaamheden uitgevoerd gaan worden en hoelang je hierover gaat doen; welke materialen er nodig zijn; wanneer jullie als team overleggen en waarover dat zal gaan. 8
Tijdsplanning De planning van het project over een periode van 5 of 6 weken ziet er als volgt uit: Week 1: - Maken van het plan van aanpak voor deelonderzoek 1. - Uitvoeren van het plan van aanpak van deelonderzoek 1. Week 2: - Maken van het plan van aanpak voor deelonderzoek 2. - Uitvoeren van het plan van aanpak van deelonderzoek 2. Week 3: - Maken van het plan van aanpak voor deelonderzoek 3. - Uitvoeren van het plan van aanpak van deelonderzoek 3. Week 4: - Uitvoeren van het plan van aanpak van deelonderzoek 3. - Maken van het plan van aanpak voor het bouwen van het uiteindelijke product. Week 5 en eventueel week 6: - Uitvoeren van het plan van aanpak van het maken of bouwen van het uiteindelijke product. - Afronden van het project en voltooien van het rapport. Materialen Voor het bouwen van jullie model hebben jullie verschillende materialen nodig. Voor deze materialen zorg je zelf. Alleen als het echt niet lukt, kun je hulp aan je docent vragen. 9
Informatiebronnen Voor delen van het vooronderzoek zullen jullie informatie van andere bronnen nodig hebben. Dit kunnen bijvoorbeeld de bibliotheek en het internet zijn. Op internet is www.eurekacup.nl een goede plek om te beginnen met zoeken. Daar vind je een aantal stukjes theorie en handige links die betrekking hebben op jullie project. Je kunt natuurlijk ook zelf zoeken naar nuttige internetpagina s. Onderzoeksrapport TNO vraagt jullie om een onderzoeksrapport te maken, waarin jullie advies uitbrengen met betrekking tot de opdracht die jullie gekregen hebben. In het onderzoeksrapport staan: het probleem van TNO; de uitwerking van de vooronderzoeken van het project; het ontwerp van jullie product; hoe jullie bij dat ontwerp gekomen zijn; eventueel de resultaten van jullie eigen tests; waarom jullie later nog dingen aan het product aangepast hebben. Het is belangrijk dat het onderzoeksrapport duidelijk en overzichtelijk is. Probeer zoveel mogelijk dingen samen te vatten, bijvoorbeeld in tabellen en grafieken. Model TNO verwacht ook een model van het door jullie ontworpen product, zie daarvoor de projectomschrijving. Dit model wordt getest in jullie klas, en wie weet ook op Eureka!Day. Succes! 10
De test Producttest Om je ontwerp te testen heeft TNO een testopstelling bedacht. Om de beginenergie vast te leggen, zal TNO je ontwerp op een helling plaatsen en vervolgens loslaten. De helling zal onder een hoek van 30 met de grond komen te staan en zal 2,5 meter lang zijn (wat is dan de hoogte?). De helling en de baan erachter zullen van multiplex zijn, beschilderd met een witte grondlaklaag. Je voertuig zal in totaal vier keer van de helling afrollen. Voordat de runs plaatsvinden, leg je jouw idee kort uit aan de jury. Bij de eerste run zal de ongeremde, maximaal af te leggen afstand van je voertuig bepaald worden. Voor de behaalde afstand krijg je een score. De testbaan zal 11,54 meter lang zijn, dus als je voertuig het einde haalt, zal de maximale score worden toegekend. Nadat deze maximale afstand bepaald is, krijg je de kans om het remsysteem van je voertuig te activeren. Het remsysteem moet dus wel verwerkt zijn in/op je voertuig! Verder is het niet toegestaan om de remmen op afstand te besturen, het voertuig moet dus in staat zijn om zichzelf tot stilstand te brengen op de gewenste afstand. Bij de tweede, de derde en de vierde run wordt van je voertuig verwacht dat het op de juiste afstand tot stilstand komt. Om dit te meten zal er een schietschijf getekend zijn op 3 meter van de helling. De lijnen van de schietschijf zullen 2 cm breed zijn en ze zullen met zwarte verf op de baan geschilderd zijn. Elke ring van de schietschijf is een bepaald aantal punten waard en het midden van de schietschijf is uiteraard de meeste punten waard. Bij het tellen van de punten zal er gekeken worden in welke cirkel het voertuig met ten minste 3 wielen staat. Indien het voertuig dus met 2 wielen in elke ring staat, wordt de lagere score toegekend. Na elke run krijg je de kans om je remsysteem eventueel bij te stellen. Aangezien TNO het liefst een remsysteem ziet dat nauwkeurig bij te stellen is, is dit wel aan te raden! Als het tijdens de 2 e, 3 e en 4 e run niet nodig is geweest om het remsysteem bij te stellen, krijg je de kans om met een 5 e run te laten zien dat het remsysteem dit wel kan. Verder is het NIET toegestaan om vooraf een testrun te maken! Je remsysteem moet vooraf dus zo ingesteld zijn dat hij het meteen doet! 11
Testopstelling Schematisch ziet de opstelling er als volgt uit: Figuur 5: zijaanzicht van de testopstelling. Figuur 6: bovenaanzicht van de testopstelling. De uiteindelijke beoordeling zal plaatsvinden door een deskundige jury. Voor de beoordeling wegen de volgende aspecten mee: de maximale afstand die je voertuig kan afleggen; de som van de punten van de drie runs in de schietschijf; de originaliteit en innovativiteit van het remsysteem; de nauwkeurigheid van het remsysteem. Vergeet niet dat je voertuig moet voldoen aan de criteria die in het hoofdstuk Project zijn vastgesteld. Als je voertuig hier niet aan voldoet, zal dit resulteren in een mindere beoordeling, dus let hier goed op! Wanneer je remsysteem de baan toch beschadigd heeft, zal het voertuig zelfs verder niet meer getest worden. Vraag bij twijfel voor de zekerheid aan de organisatie van de Eureka!Cup of je idee is toegestaan. De Eureka!Cup en TNO wensen je in elk geval veel succes toe met het ontwerpen van je voertuig en remsysteem! 12
Eureka!Cup Watt s Going On? 2009 Toen James Watt in 1769 de stoommachine uitvond, had hij nooit kunnen weten hoe de wereld hierdoor zou gaan veranderen. Al die machines die het leven van de mens makkelijker maken hebben iets gemeen: ze zetten energie om naar een andere vorm. In een auto zet je verbrandingsenergie van benzine om in bewegingsenergie, een zonnecel zet energie uit licht om in elektrische energie en een waterkoker kan die elektrische energie weer gebruiken om er warmte van te maken. Energie kun je niet zien, maar is er in vele vormen. Een wereld zonder energie is onmogelijk: energie is er altijd al geweest, en zal ook nooit verdwijnen. Energie mag er dan wel altijd zijn: het is een grote uitdaging om deze op een goede manier te kunnen gebruiken. Want hoe zet je elektrische energie het beste om in licht? Hoe kun je energie transporteren naar de plek waar je het nodig hebt? En hoe zorg je ervoor dat een vrachtwagen die van een berg afrolt niet tevéél bewegingsenergie krijgt? Bovendien helpt het begrip energie om vanalles te kunnen verklaren. Bijvoorbeeld waarom je op een röntgenfoto je botten ziet, welke snelheid een balletje krijgt dat van een berg afrolt en waarom het toch zo moeilijk is om water te splitsen in waterstof en zuurstof. En dan rest er nog een belangrijke vraag: waar moeten we de warmte, de bewegingsenergie en de elektrische energie die we nodig hebben vandaan halen wanneer we in de toekomst geen fossiele brandstoffen meer hebben? Zonder technische kennis zouden we de wereld zoals die nu is nooit gekend hebben. Op school krijg je vakken als natuurkunde, scheikunde, techniek en biologie. Je ervaart dan hoe belangrijk energie is in ons leven. Maar ook waarom sommige mensen met een bril op beter kunnen zien, waarom een boot niet zinkt of waaruit afwasmiddel bestaat. Wat je nu op school leert, zie je terug in heel veel vakgebieden die technisch zijn, en meestal ook een maatschappelijke kant hebben. Je leert in die vakgebieden op een verantwoorde manier problemen uit de natuur en techniek op te lossen. Vaak zijn deze oplossingen de basis voor nieuwe uitvindingen en ontwikkelingen. Niet alleen op het gebied van energie, maar in bijna alles wat je om je heen ziet. De Eureka!Cup is een project dat je op een andere en leuke manier kennis wil laten maken met techniek en toepassingen van natuurwetenschappen. We willen laten zien hoe belangrijk en hoe leuk het is om met technische uitdagingen bezig te zijn. In de derde klas zul je een profiel gaan kiezen. We hopen dat dit project je helpt met nadenken hierover, zodat jij een goede keuze voor jezelf kunt maken. We wensen je veel succes en een leuke en leerzame Eureka!Cup. 13