Eenvoudige en aangedreven machines

Freewheelen

Kennismaken met de wetenschappelijke concepten: massa, wrijving en potentiële en kinetische energie.

45-90 min.
Gevorderd
Groep 8 tot het tweede jaar
freewheeling-connect

Combineren

(5-10 Min.)

Jan en Jannie zijn het weer eens niet met elkaar eens. In het Groene park onderzoeken ze wie er in zijn kar het verst door kan rijden na van de ‘lanceerhelling’ te zijn gerold.
Jannie beweert, dat haar kar verder rolt als ze extra gewicht aan boord neemt, omdat hij dan zwaarder is. Volgens Jan wordt de kar van Jannie moeilijker vooruit te krijgen als hij zwaarder wordt - dus hij denkt dat zijn eigen kar verder komt. Hij geeft ook de voorkeur aan grotere wielen, maar volgens Jannie helpt dat niet.

Welke kar rolt verder? Een zware of een lichtere? Met grote of juist met kleine wielen?
Dat gaan we uitzoeken!

freewheeling-connect

Construeren

(20-25 Min.)

Bouw eerst de ‘lanceerhelling’
Teken een startlijn op ingeveer 1 meter van het einde van de plank. Plaats een ondersteuning die de startlijn ongeveer 15 cm van de vloer optilt.

Waarom hebben we een startlijn nodig?
De startlijn is nodig om te zorgen dat de test eerlijk verloopt: alle karren moeten vanaf precies dezelfde hoogte starten.

ramp-freewheeler

Tip
als de dikte van de plank maakt dat de karretjes met een ‘schok’ op de vloer terechtkomen, kun je een strook karton gebruiken om de overgang tussen plank en vloer regelmatiger te maken.

Bouw de Freewheeler
(Alles uit boekje 3A, en boekje 3B tot bladzijde 6, stap 12)

freewheeling-building-instructions-front-page

Test de Freewheeler op de helling. Rolt het model soepel naar beneden? Zo niet, controleer dan alle assen en bussen en zorg ervoor dat de wielen makkelijk kunnen draaien. Zorg er ook voor dat alle andere stenen stevig op elkaar gedrukt zijn

freewheeler-hand

Trek de schaalschijf over
Teken direct op de blauwe plastic schijf, of teken hem over op papier en knip hem uit.
Teken hier dan de schaalverdeling op en maak het papier vast op de blauwe schijf.

freewheeler-scale-drawing

Contempleren

(20-25 min.)

Meet hoe ver de lege kar doorrolt. Meet eerst met de rolmaat en vergelijk de gevonden afstand dan met de meting van de wijzer en de schaalschijf. Maak een aantekening van de afstand en leg een LEGO® steen waar de kar stopte. Herhaal de test ten minste 3 keer om er zeker van te zijn dat het resultaat wetenschappelijk betrouwbaar is.

Een leeg karretje zou ongeveeer 160 cm moeten rollen. Dit is meer dan één keer de schaalschijf rond. De schaalschijf is tot op een paar centimeter nauwkeurig.

Trek de 1 m schaalverdeling op de plastic schaalschijf over met een uitwisbare whiteboard stift. Laat de freewheeler nogmaals van de helling afrollen en controleer of hij weer ca. 160 cm doorrolt door op de schaalschijf en de wijzer te kijken (een hele omdraaiing van de schijf, plus iets meer dan een halve omdraaiing). Voer meerdere tests uit. Je hoeft nu geen rolmaat of meetlint meer te gebruiken – lees de afstand direct af op de schaalschijf.

Tip
Kijk hoe ver de kar over de plank rijdt. De wijzer op de plastic schijf passeert “nul” voor het eerst rond het moment dat de kar de vloer raakt, dus de er wordt vrijwel precies 1 meter afgelegd voor iedere rotatie van de wijzer.

freewheeler-small-wheels

Leg nu een gewicht op de kar (bladzijde 7, stap 13). Probeer te voorspellen hoe ver de kar deze keer zal rollen, door een LEGO steen langs de baan te leggen op de plaats waar je denkt dat de kar stopt.
Voer daarna de test uit.

De kar rolt bijna twee keer zo ver door. Door het gewicht, dat tegelijk met de kar ‘valt’ kreeg de kar bijna twee keer zo veel bewegingsenergie. Maar het is ook zo dat het extra gewicht wat meer wrijving (of ‘druk’-weerstand) geeft op de assen, waardoor de kar ietsje langzamer wordt.

Valt je iets op aan de wijzer op de schaalschijf?
De wijzer draait meerdere keren rond. Je zult moeten tellen hoeveel keer hij ronddraait.

Herhaal de test een aantal keren om er zeker van te zijn dat je metingen kloppen.

Wist je dit?
De lege kar weegt ongeveer 58 gram en de gewichtsteen weegt 53 gram - dus bijna evenveel!

freewheeler-small-wheels-weight

Jan pakt het groot aan
Zal de kar met grote wielen verder kunnen rollen dan met kleine wielen? Zet de grote wielen op de achteras en test de kar op de helling (bladzijde 7, stap 14).

freewheeler-big-wheels

Probeer het eerst met een ‘lege’ kar (bladzijde 7, stap 14), en daarna met het gewicht aan boord (bladzijde 8, stap 15).
De kar zal normaal gesproken verder doorrollen. Dit heeft twee oorzaken: meer gewicht = meer energie, en de achteras draait langzamer, dus er is minder energieverlies door wrijving.

Wist je dit?
De grote wielen wegen 16 gram per stuk; de kleine wegen niet meer dan 6 gram per stuk.

freewheeler-big-wheels-weight

Continueren

(25-30 Min.)

Super Schaalschijf
Bouw het model uit boekje 3B, tot bladzijde 12, stap 12.
Vervang het tandwiel met 8 tanden door een wiel met 24 tanden. Probeer te voorspellen hoe ver de kar nu moet rollen om de wijzer op de schaal één keer te laten ronddraaien - en voer dan de test uit.
De kar moet 3 meter rollen. Het nieuwe tandwiel heeft 3 keer zo veel tanden als het kleine tandwiel. Het wormwiel moet dus ook 3 keer vaker ronddraaien om het 24-tandwiel één keer rond te laten draaien. Je zult de schaalschijf nu moeten kalibreren, om te zorgen dat hij afstanden tot 3 meter nauwkeurig kan meten.

Super starthelling
Probeer eerst te voorspellen wat er gebeurt als je de helling twee keer zo hoog maakt - en doe dan de test.
De potentiële energie en de bewegingsenergie worden verdubbeld - maar de wrijving in de assen blijft hetzelfde.

freewheeler-super-slope

Ondersteuning voor de leraar

De leerlingen maken kennis met de concepten:

Design en technologie
Mechanismen gebruiken – wielen en assen
Onderdelen aan elkaar monteren

Wetenschap
Afstanden meten
Aflezen en kalibreren van schaalschijven
Krachten
Bewegingsenergie
Energie van positie (potentiële energie)
Wrijving en luchtweerstand
Wetenschappelijk onderzoek

9686 Eenvoudige en aangedreven machines set (één set per twee leerlingen wordt aanbevolen)
4 meter gladde vloer
Afplaktape
Rolmaat of meetlint
Houten plank of strook van ten minste 1 meter
Stapel boeken of dozen om de plank op te tillen
Extra LEGO® stenen om mee te meten
Whiteboard stift(en)
Schaar
Optioneel: kopieën van gekalibreerde schaalschijven

Materiaal voor de leerlingen

Leerlingenwerkblad

Download to view and share the student worksheet.

LEGO, the LEGO logo, the Minifigure, DUPLO, the SPIKE logo, MINDSTORMS and the MINDSTORMS logo are trademarks and/or copyrights of the LEGO Group. ©2020 The LEGO Group. All rights reserved. Use of this site signifies your agreement to the terms of use.