7.3 Ontwerpen

De iPad was niet het resultaat van een briljante ingeving van één persoon, maar van een ontwerpcyclus waarbij veel mensen betrokken waren. Uit welke fasen bestaat zo’n cyclus? En wat doe je in elke fase?

Figuur 7.19

▶ practicum

Egg-drop De ontwerpcyclus

Het resultaat bij een ontwerpvraag is een product of een deel daarvan. Je gaat eerst na wat de eisen aan het product zijn. Vervolgens bedenk je oplossingen om aan deze eisen te voldoen. Je kiest de beste combinatie van oplossingen en maakt een eerste versie van het product. Daarna test je of het product voldoet aan de eisen. Is het ontwerp nog niet goed, dan begint het proces weer opnieuw. Daarom noem je dat een ontwerpcyclus. Het stappenplan zie je terug in fi guur 7.20.

ontwerpvraag

Voorbereidingsfase

In de voorbereidingsfase stel je vast aan welke eisen het product moet voldoen. Die eisen bestaan uit taken en eigenschappen van het product. Een taak is een handeling die het ontwerp moet kunnen verrichten. Bij de zonnewagen is dat bijvoorbeeld ‘rijden bij bewolkte lucht’. Een eigenschap is een kenmerk van het product. Bij de zonne wagen is dat bijvoorbeeld ‘de massa moet kleiner zijn dan 170 kg’.

Elke taak en eigenschap is een deel van het ontwerp. Door taken en eigenschappen te formuleren splits je het ontwerp in deelontwerpen. Een overzicht van alle taken en eigenschappen noem je het programma van eisen. Voor iedere eis bedenk je meerdere oplossingen. Om overzicht te houden, zet je de oplossingen in een tabel.

Figuur 7.20

Bij een zonnewagen voor de World Solar Challenge is de ontwerpvraag: ‘Hoe ontwerp je een wagen op zonne-energie die het snelst een afstand van 3000 km aflegt?’ Bovendien stelt het wedstrijdreglement eisen aan de wagen. In tabel 7.1 staan vijf eisen met telkens drie oplossingen bij deze ontwerpvraag.

Eis aan ontwerp Oplossing 1 Oplossing 2 Oplossing 3

1 kan ook rijden bij bewolkte lucht

2 massa kleiner dan 170 kg 3 C w -waarde kleiner dan 0,10

4 opgewekt vermogen is groter dan benodigd vermogen bij maximale snelheid

5 genoeg ruimte voor de bestuurder polykristallijne zonnecellen combinatie van polykristallijne en monokristallijne zonnecellen een accu die vermogen levert bij bewolkte lucht

lichte materialen holle constructies afmetingen zo klein mogelijk platte vorm goede stroomlijn gladde materialen

rendement zonnecellen boven de 22,5% motor met hoog rendement zo groot mogelijk oppervlak aan zonnecellen

personenautomodel ligfietsmodel nieuw model

Tabel 7.1

De ene eis is belangrijker dan de andere. De eis ‘massa kleiner dan 170 kg’ is een eis in het wedstrijdreglement. Daaraan moet de zonnewagen voldoen, anders wordt hij gediskwalificeerd. Zo’n eis noem je een randvoorwaarde. Een eis als ‘moet een spectaculaire uitstraling hebben’ is leuk voor de presentatie, maar het is meer een wens dan een eis. Daarom is het goed om een volgorde aan te brengen in de eisen. De belangrijkste eisen krijgen daarbij de hoogste prioriteit.

Voorbeeld 7 Prioriteiten stellen

In tabel 7.1 staan vijf eisen waaraan de zonnewagen moet voldoen. De eis met de hoogste prioriteit krijgt nummer 1. Twee eisen staan niet op de juiste plaats. a Welk eis moet nummer 1 krijgen? Licht je antwoord toe. b Welk eis moet nummer 5 krijgen? Licht je antwoord toe.

Uitwerking Eis 2 moet nummer 1 krijgen. Die eis is een randvoorwaarde. Eis 3 moet nummer 5 krijgen. Een C w-waarde van 0,11 is ook nog goed. Aan de andere eisen moet worden voldaan om een zonnewagen te ontwerpen die de eindstreep kan halen.

Uitvoeringsfase

Tijdens de uitvoeringsfase maak je een ontwerpvoorstel op grond van de beste combinatie van oplossingen. Dat wil niet zeggen dat je de beste oplossing voor elke eis kunt gebruiken. Zo leidt de oplossing ‘zo groot mogelijk oppervlak aan zonnecellen’ tot een ontwerp waarmee je in de problemen komt met eis 2 en/of eis 3 van tabel 7.1. Het ontwerpvoorstel vertaal je naar een testversie van het product. Dit noem je het prototype van het ontwerp.

Testfase

In de testfase ga je na of het prototype voldoet aan de eisen van het ontwerp. De tabel met eisen is dan een checklist die je afwerkt. Zie tabel 7.2.

Eis aan ontwerp Prototype voldoet wel aan de eis Prototype voldoet niet aan de eis

1 massa kleiner dan 170 kg 2 kan ook rijden bij bewolkte lucht 3 opgewekt vermogen is groter dan benodigd vermogen bij maximale snelheid X

X

4 genoeg ruimte voor de bestuurder X 5 C w-waarde kleiner dan 0,10

Tabel 7.2

X

X

Evaluatiefase

Als het prototype niet voldoet aan een of meer eisen, ga je na of je het prototype op die punten kunt verbeteren. Dit noem je de evaluatiefase. De tekortkomingen leiden weer tot een ontwerpvraag met een programma van eisen. Je bedenkt nieuwe oplossingen en verwerkt die in het ontwerp. Je past het prototype aan en test het opnieuw. Je doorloopt dan opnieuw een ontwerpcyclus.

Opgaven

15 Stel een programma met vijf eisen op voor deze producten: a een brandalarm voor doven; b een VR-bril die gebruiksvriendelijk is; c een theemok die aangeeft dat de temperatuur laag genoeg is om de thee te kunnen drinken.

16 Een trebuchet of slingerarm is een middeleeuws wapen dat projectielen over grote afstanden wegslingert. In figuur 7.21 zie je een trebuchet in werking. Aan de linkerkant hangt de kogel in een slinger. Aan de rechterkant valt een groot contragewicht naar beneden. In figuur 7.22a zie je de beginsituatie, in figuur 7.22b de situatie als de trebuchet in werking is.

Figuur 7.21 Figuur 7.22

a b

Door de balk aan de rechterkant langer te maken komt de kogel verder. a Leg dit uit met behulp van twee krachtwetten. De balk aan de rechterkant kun je echter niet te lang maken. b Leg ook dit uit. c Noem nog een verandering die je aan de rechterkant kunt aanbrengen om de kogel verder weg te slingeren.

17 Bekijk de foto van de Nuna-zonnewagen (figuur 7.1). In tabel 7.1 staan oplossingen voor de eisen aan de Nuna-zonnewagen.

Geef voor eis 3 tot en met 5 aan welke oplossing waarschijnlijk door het Nuna-team is gekozen.

18 In 2016 won Marlou van Rhijn op de

Paralympische Spelen in Rio de Janeiro zowel de 100 meter als de 200 meter sprint. Zij heeft twee blades waarmee zij zich afzet tegen de ondergrond. Zie figuur 7.23. In figuur 7.24 zie je hoe de protheses de werking van de onderbenen overnemen. De protheses zijn gemaakt van koolstofvezels.

In BINAS tabel 9 staan acht stofeigenschappen. a Leg uit welke stofeigenschap voor dit type prothese zo klein mogelijk moet zijn.

Bij het testen bleek dat een atleet met blades 9% minder kracht op de ondergrond kan uitoefenen dan een atleet met onderbenen. b Welke eigenschap van de blades zorgt voor de krachtwerking op de ondergrond? Licht je antwoord toe.

Het internationale sporttribunaal heeft besloten dat je geen voordeel ondervindt als je blades gebruikt. Je mag daarom met blades ook deelnemen aan reguliere wedstrijden, zoals de Olympische Spelen. c Geef een argument dat deze beslissing ondersteunt en een tegenargument.

Figuur 7.23

a

b

Figuur 7.24

19 Figuur 7.25 toont een thermometer met schaalverdeling. a Lees de temperatuur zo goed mogelijk af. Als de temperatuur stijgt, zet de alcohol uit. Voor de toename van het volume geldt: ∆V = V0 ∙ g ∙ ∆T ▪ ∆V is de volumetoename van de alcohol. ▪ V0 is het oorspronkelijke volume. ▪ g is de kubieke uitzettings coëffi ciënt van alcohol. ▪ ∆T is de toename van de temperatuur. b Leid de eenheid van de kubieke uitzettingscoëffi ciënt af. Je hebt een thermometer nodig waarmee je betrouwbaarder kunt meten. Er zijn drie mogelijkheden om de thermometer van fi guur 7.25 nauwkeuriger te maken. c Leg uit welke mogelijkheden dat zijn.

Figuur 7.25