7.5 Afsluiting

Samenvatting

Een onderzoek leidt tot nieuwe kennis. Je begint met een onderzoeksvraag. Het antwoord dat je hierop verwacht noem je een hypothese. Je doet een experiment, waarbij je eerst een werkplan maakt. Dan doe je een pilotproef om na te gaan of het werkplan klopt. De resultaten van de proef verwerk je in tabellen en diagrammen. Hieruit trek je conclusies, waarmee je antwoord geeft op de onderzoeksvraag en nagaat of je hypothese klopt. Heb je geen bevredigend antwoord gekregen op je onderzoeksvraag, dan doorloop je opnieuw een onderzoekscyclus.

De resultaten van een onderzoek zijn bruikbaar als de metingen valide en betrouwbaar zijn. De waarschijnlijkheid is dan groot dat zo’n onderzoek op elke plaats in de wereld vergelijkbare resultaten oplevert.

Een ontwerp leidt tot een nieuw product. Je begint met een ontwerpvraag. Het antwoord op de ontwerpvraag vind je door een aantal keren een ontwerpcyclus te doorlopen. Zo’n cyclus bestaat uit voorbereiden, uitvoeren, testen en evalueren. In de voorbereidingsfase bedenk je aan welke eisen het product moet voldoen. Dit leg je vast in een programma van eisen. Tijdens de uitvoeringsfase maak je een ontwerpvoorstel op grond van de beste combinatie van oplossingen. Vervolgens maak je een prototype. In de testfase onderzoek je of het prototype aan elke eis voldoet. De evaluatiefase gebruik je om na te gaan of er nog verbeteringen mogelijk zijn aan het ontwerp. Als dat het geval is, doorloop je opnieuw een ontwerpcyclus.

In een modelstudie gebruik je een schaalmodel of een computermodel. In een modelstudie ga je op dezelfde manier te werk als in een experiment of een ontwerpcyclus. Je kiest voor een modelstudie als dat goedkoper, veiliger of praktischer is.

De materiaalkunde bestudeert de eigenschappen van materialen. Op basis van hun bouw worden materialen ingedeeld in metalen, keramische materialen, polymeren en composieten. Bij nieuwe materialen, zoals smart materials, kijk je ook naar andere eigenschappen.

Opgaven

▶ hulpblad 25 In 2001 won de Nuna voor het eerst de

World Solar Challenge, een 3000 km lange race voor zonnewagens. De Nuna was bedekt met 8,4 m2 zonnecellen met een rendement van 25%. Bij volle zonneschijn leverden ze in totaal een elektrisch vermogen van 1,5 kW. a Bereken het stralingsvermogen dat per m2 zonnecel wordt opgenomen.

Figuur 7.30

De door de zonnecellen geproduceerde energie drijft de elektromotoren aan. De elektromotoren hebben een rendement van vrijwel 100%. Het verband tussen het vermogen dat de motor levert en de snelheid van de Nuna zie je in tabel 7.4. Behalve over zonnecellen beschikt de auto over een accu, die ook kan worden ingeschakeld voor de aandrijving.

Vermogen dat de motor levert (kW) 1,0 1,7 2,8

Tabel 7.4 Snelheid (kmh−1)

80

100

120

b Leg uit dat bij een snelheid van 100 km h−1 gebruikgemaakt moet worden van de zonnecellen én van de accu. Het vermogen dat de zonnecellen leveren, hangt af van het weer. Het Nuna-team denkt daarom voortdurend na over de te volgen strategie. Op de laatste dag is de Nuna nog 500 km van de finish verwijderd. De eerste 200 km is de hemel onbewolkt, de daarop volgende 300 km is het bewolkt. Het team overweegt twee strategieën.

Strategie 1 Met een hoge snelheid rijden tot de accu leeg is. De resterende afstand afleggen met de snelheid die nog mogelijk is met het vermogen dat de zonnecellen leveren in het bewolkte gebied.

Figuur 7.31

In figuur 7.31 zijn de snelheden en afstanden aangegeven bij deze strategie. c Bepaal met behulp van figuur 7.31 hoe lang de Nuna er dan over doet om de finish te bereiken.

Strategie 2 De hele afstand afleggen met een zodanige constante snelheid dat aan de finish de accu bijna leeg is.

Figuur 7.32

Strategie 2 blijkt de winnende strategie te zijn. De kunst is om vooraf te berekenen hoe groot die constante snelheid dan moet zijn. Aan het begin van de laatste dag bevat de accu 5,0 kWh energie. In het bewolkte gebied leveren de zonnecellen een vermogen van 0,24 kW. Het team besluit de Nuna te laten rijden met een snelheid van 100 km h−1 . In figuur 7.32 zie je de snelheid en de afstand bij strategie 2. d Laat met een berekening zien dat met een snelheid van 100 km h−1 de accu inderdaad bijna leeg is bij de finish. De Nuna is zo ontworpen dat hij zo weinig mogelijk luchtweerstand ondervindt. Voor de luchtweerstandskracht Fw,lucht geldt de volgende formule:

Fw,lucht 1 __

2 ρ. C w

. A . v2 ▪ ρ is de dichtheid van de lucht. ▪ C w is de luchtweerstandscoëfficiënt. ▪ A is de frontale oppervlakte van de auto. ▪ v is de snelheid van de auto.

e Welke van deze vier grootheden zijn bij het ontwerp zo klein mogelijk gehouden?

Licht je antwoord toe aan de hand van figuur 7.30.

▶ tekenblad 26 Jasper en Bas maken een waarschuwingssysteem waarbij een led gaat branden als de temperatuur 20 °C of hoger is. Ze gebruiken hierbij een NTC-weerstand. Op de practicumtafel staan de volgende spullen klaar, zie fi guur 7.33: – een driepoot met brander en een bekerglas gevuld met ijs; – een NTC en een thermometer die zich in het water bevinden; – een regelbare spanningsbron, een voltmeter en een ampèremeter.

Ze gaan eerst onderzoeken hoe de weerstand van de NTC afhangt van de temperatuur. Daarbij gebruiken ze de opstelling van fi guur 7.33.

In de fi guur zijn de aansluitdraden nog niet getekend. a Schets in fi guur 7.33 de draden die nodig zijn om hun onderzoek uit te voeren. In het onderzoek meten Jasper en

Bas drie grootheden: spanning, stroomsterkte en temperatuur. b Welke grootheid stellen ze in en welke grootheden meten zij? De resultaten van hun metingen staan in fi guur 7.34. c Leg uit of het verband tussen de weerstand en de temperatuur omgekeerd evenredig is of niet.

Figuur 7.33

Figuur 7.34

T

Figuur 7.35 Figuur 7.36

Voor het waarschuwingssysteem bouwen ze de opstelling van figuur 7.35. De spanning van de spanningsbron is 5,0 V. In figuur 7.36 staat het (I,U)-diagram van de led. De led geeft licht vanaf een stroomsterkte van 1,0 mA. De waarde van de regelbare weerstand bereken je met de spanning over en de stroomsterkte door de weerstand. d Toon aan dat de spanning over de regelbare weerstand minstens 1,5 V is als de led brandt. Om de stroomsterkte door de regelbare weerstand te berekenen, moet je eerst de stroomsterkte door de NTC weten. e Toon aan dat de stroomsterkte door de NTC bij 20 °C gelijk is aan 5,9·10−3 A. f Bereken hoe groot de regelbare weerstand moet zijn, zodat de led bij 20 °C gaat branden.