Muizenval Theorie 6m3b54

Theorie Het doel van onze proef is het behalen van zeven meter met een zelf gemaakt autootje, met als aandrijvingskracht een muizenval. Een dergelijke wagen noem je ook wel een muizenvalauto of mousetrap car. Een muizenvalauto verkrijgt zijn energie door de omzetting van veerenergie, afkomstig van de muizenval, naar bewegingsenergie, het rijden van de wagen. Om deze energie optimaal te benutten, moet er veel tijd besteedt worden aan het ontwerp. Verschillende factoren hebben met de snelheid en gelegde afstand te maken, zoals gewicht en wrijvingskracht. Met al deze factoren moet je goed rekening houden om de ultieme muizenvalauto te bouwen.

Het chassis De massa van de auto behoort tot een van de belangrijkste factoren. Deze houd je zo minimaal mogelijk door een ielig chassis te maken. Een chassis is een andere term voor het frame van de muizenvalauto. Door alleen de benodigde onderdelen te gebruiken en aan te bevestigen, krijg je een zo licht mogelijke massa van je auto. De muizenval zorgt voor de uiteindelijke kinetische energie van de wagen. Lichtere wagens zullen bij dezelfde snelheid minder kinetische energie verbruiken dan zwaardere wagens. Dit verschijnsel valt de bewijzen aan de hand van de formule: F = m x a. De kracht die kan worden omgezet blijft bij de muizenvalauto constant. De formule is dus afhankelijk van de massa; een lichte auto is dus altijd essentieel. Dit fenomeen wordt in de natuurkunde traagheid genoemd. Traagheid duidt aan dat een lichte auto gemakkelijker versnelt kan worden dan een zware auto.

De muizenval en hefboom De aandrijvingskracht van de muizenvalauto is, zoals de naam al aangeeft, de muizenval. Wanneer de muizenval afschiet, komt er een bepaalde veerenergie vrij. In de meeste gevallen is aan de muizenval een hefboom bevestigd. Tussen de as van de wielen en de hefboom van je auto loopt een draad. Deze draad zit om de as heen gewikkeld. De veerenergie wordt door middel van de draad omgezet in kinetische energie. Dit gebeurt vanwege de behoefte van de draad om af te wikkelen. Hierdoor zet hij de as in beweging en beginnen op die manier de achterwielen te draaien. Op het moment dat de muizenval volledig is afgschoten en je de wrijvingskrachten verwaarloost, kun je spreken van volledige overzetting van energie.

Of je de energie optimaal benut, heeft met verschillende factoren te maken. Een daarvan is de aanhechtingsplaats van je muizenval. De keuze voor de plek werkt veel invloed uit op de snelheid en de afstand die auto zal afleggen, de hoofd onderwerpen in dit onderzoek. Plaatsing van de muizenval dicht op de as van de achterwielen, zorgt voor veel snelheid, maar in praktijk weinig afstand. Veel snelheid zorgt voor een enorme haal aan de achterwielen, waardoor deze zullen slippen. Wanneer je voor deze plaats kiest, moet je compenseren door middel van de het ruwer maken van de wielen. Dit zorgt echter weer voor meer rolweerstand, waar ik later op zal terugkomen. De andere uiterste mogelijkheid is het plaatsen van de muizenval op grote afstand van de achteras. Dit zorgt niet voor meer snelheid, maar wel voor een grotere afstand. Dit komt doordat de hefboom een grotere afstand zal afleggen. Bij deze twee uiterste gevallen heb je maar een ultieme uitkomt; je kiest hier of voor de snelheid (dichtbij) of voor de afstand (ver af). Aangezien er bij deze proef geen prioriteiten liggen bij een van beide, is de ultieme aanhechtingsplaats precies tussen de twee uiterste in. De energie die wordt benut in deze proef, kun je ook definieren als de arbeid die wordt verricht. De formule voor arbeid is W = F x s. De afstand (s) in deze formule is een variabele en op die manier afhankelijk van de arbeid (W) en kracht (F). Een manier om de afstand te vergroten, is het verlengen van de hefboom. Echter zal zo wel de kracht afnemen. De moeilijkheidsgraad is hier het vinden van de perfecte verhouding tussen de juiste kracht en de ultieme lengte van de hefboom. Daarnaast zijn er nog twee factoren die te maken hebben met de ultieme hefboom. Ten eerste moet je ook goed kijken naar de lengte van je karretje. Wanneer je hebt gekozen voor een klein karretje, moet je niet met dezelfde lengte arm komen. Alles moet goed in evenwicht zijn. Wanneer je een kleine wagen hebt lange arm, zal alle kracht en arbeid verloren gaan in het in beweging krijgen van de wagen. Als laatste, is het nodig voor de ultieme hefboom, om rekening te houden met de momentenwet. De momentenwet heeft als formule: M = F x r. Ook hier blijft de kracht (F) van de wagen gelijk. Bij de momentenwet geldt: hoe kleiner het moment (M), hoe sneller je muizenvalauto zal acceleren. Echter legt hij op deze manier minder afstand af. Ook hier moet je de perfecte verhouding zoeken. De voornaamste manier om dit te onderzoeken, is door vele proeven te doen met verschillende arm lengtes.

De wielen en de as Ook bij de keuze voor wielen en de as zijn weer vele mogelijkheden en hindernissen. Bij een keuze voor grote wielen, krijg je weer te maken met het fenomeen traagheid. Grote wielen bedragen veel traagheid. Op deze manier zal de muizenvalauto minder gemakkelijk kunnen versnellen. Echter bevat een keuze voor kleine wielen ook nadelen. Hierbij draait de as vaker rond, dan bij grote wielen, wat zal zorgen voor meer weerstand. Wel moet de muizenval minder arbeid verrichten om de wielen een keer rond te draaien. Zo zal de auto genieten van een grote versnelling. Maar ook hier zullen de wielen minder vaak rond draaien, waardoor een kleinere afstand wordt behaald.

Naast de diameter van de wielen, krijg je in de praktijk ook veel te maken met verschillende soorten weerstand. Ook hier zijn weer verschillende aspecten die positief en tegelijkertijd negatief uit kunnen werken. Daarnaast gelden er ook andere eisen voor de voor- en achterwielen. Onder het kopje Weerstand kun je hier meer over vinden. De wielen zitten in een samenwerkingsverband met de achteras. Deze heeft dus ook veel invloed op de versnelling en afstand die zal worden afgelegd. Wanneer je kiest voor een as met een grote diameter, krijgen de wielen te maken met veel snelheid. Echter zit hier ook een negatieve kant aan; de wielen zullen niet vaak ronddraaien, dit zal de afstand verminderen. Ditzelfde geldt ook omgekeerd. Een as met een kleine diameter zorgt voor vaak draaiende wielen, maar met een kleinere snelheid. De taak van de ontwerper is eveneens het zoeken van de perfecte combinatie. Ook hier geldt weer; het vinden van de juiste diameter voor de wielen en de as.

Weerstand In de theorie wordt bij het vak natuurkunde de weerstand vaak verwaarloosd. Vanwege het feit dat het onderzoek praktische onderdelen bevat, moet je in dit geval er zeker rekening mee houden. Bij een muizenvalauto krijg je te maken met voornamelijk twee soorten weerstanden: lucht- en rolweerstand. Weerstand werkt altijd negatief, dus voor een optimale uitkomst probeer je altijd een zo klein mogelijk weerstandpercentage te behalen.

Luchtweerstand is de wrijving van lucht op bewegende voorwerpen. Deze weerstand neemt af bij een vermindering van snelheid, of een betere stroomlijning. De eerste mogelijkheid, het verminderen van snelheid, is niet relevant voor deze proef, aangezien het doel. Bij vele ontwerpen van muizenvalauto’s is het lastig de auto te stroomlijnen. In dit soort gevallen verminder je de luchtweerstand, door middel van een zo ielig mogelijke chassis. Daarnaast krijgen de wielen ook te maken met luchtweerstand. De grootte van de wielen, die je hebt bepaald door verschillende voorgaande proeven, ga je niet hierop aanen. Wel verminder je de luchtweerstand, door middel van dichte wielen. Echter is het in deze proef wijzer om wel gebruik te maken van wielen met gaten. Dit zorgt voor een lichtere massa van de wagen. De voordelen hiervan kun je nalezen onder het kopje ‘het chassis’. In onze proef geven wij prioriteit

aan de massa van de auto, in plaats van de luchtweerstand. Vanwege het feit dat onze wagen wordt getest binnen de muren, zal het effect van het verminderen van de luchtweerstand kleiner uitvallen dan het effect van een verkleinde massa. Rolweerstand is de wrijving van de ondergrond op de wielen. Om deze weerstand minimaal te krijgen, wil je het oppervlak tussen de grond en de wielen zo klein mogelijk houden. Er zijn hierbij verschillen tussen de voor- en achterwielen. De achterwielen worden direct aangedreven door middel van de draad. Wanneer deze te licht of dun zijn, krijgen ze een grotere kracht dan waarmee ze kunnen hendelen. Dit zorgt ervoor dat ze zullen slippen, waardoor er dus geen afstand wordt afgelegd. Aan de andere hand moet je ervoor zorgen, dat de achterwielen niet te zwaar of te stroef worden. Hiermee veroorzaak je, dat de hefboom met draad de achterwielen niet weet aan te drijven. De voorwiel(en) hebben deze eisen niet. Hier zorg je voor een minimale rolweerstand. Dit doe je door ze precies cirkelvormig te maken, zodat de weerstand met de ondergrond klein is. Daarnaast moet je kiezen voor zo weinig mogelijk wielen, wat de minimale rolweerstand nog beter zal bevorderen. De optimale situatie is dus een muizenvalauto met maar een voorwiel. Echter ligt hier wel de val kuil, dat de wagen lastig recht meters zal afleggen. Het is noodzakelijk dit te coriggeren om geen meters te verliezen aan geslinger van je auto. Hiervoor kun je zorgen door de wielen vast te klemmen tussen twee onderdelen. Dit zorgt ervoor dat het wiel, naast rechtvooruit, nergens naartoe kan. Op deze manier heb je een win-winsituatie. Door de keuze voor een voorwiel, vindt er minimaal met de grond plaats en zal desondanks de wagen rechte meters afleggen. veroorzaakt rolweerstand