Cartesiaanse duiker en Lego Mindstorms NXT
|
Cartesiaanse duiker en Lego Mindstorms NXT |
|
|
Datum: April 2010
Inleiding:
| Een van de experimenten die je op het web tegenkomt en waarvan je denkt dat wil ik gewoon zelf doen. Ik heb nl. de benodigde spullen en het is een leuke combinatie van automatisering en fysica. |
Principe:
Het demonstreren van het principe van drijfvermogen in een cyclisch proces.
Materiaal:
|
|
  NXT motor NXT |
|
 Pneumatische: pomp schakelaar slangen |
 |
Experimentele opstelling:
|
Bouw de opstelling op zoals deze weergegeven is op onderstaande en nevenstaande foto's en tevens zoals deze te zien is op het filmpje (NXT Cartesian Diver) en het voorschrift van Vernier (Vernier Cartesion Diver) die op het web te vinden zijn. Mijn opstelling wijkt op een paar kleine punten af van de Vernier versie, vnl omdat ik niet exact hetzelfde of niet voldoende onderdelen in mijn Lego collectie had zitten (bv de schakelaar). Ik ben bewust naalden gaan gebruiken omdat ik op die manier een betere afsluiting kon bereiken. |
 |
|
Indien je ook naalden gaat gebruiken pas dan
op! Naalden zijn scherp. Draai ze met een draaibeweging in de stop en
richt altijd van je af. Houd ook je hand niet onder het deel waar de naald
uitkomt. De pneumatische schakelaar heeft enige uitleg nodig. Als de schakelaar omhoog staat wordt er een verbinding gemaakt tussen de middelste en de onderste poort op de schakelaar. Als men nu de water fles verbindt met de middelste poort en de pomp met de onderste poort zal de druk in de fles toenemen als de pomp draait (zie ook Achtergrondinformatie). |
 |
 |
|
Uitvoering en resultaten:
|
In dit project is het de bedoeling om een
lucht pomp te bouwen die ervoor zorgt dat de druk in de waterfles toeneemt
(waardoor de druppelaar zakt), vervolgens de druk te laten dalen (waardoor
de druppelaar stijgt) en dan dit proces te herhalen.
We gebruiken een drukmeter om de druk in de fles te meten, een Lego pneumatische pomp om lucht in de fles te pompen, een Lego pneumatische schakelaar om de flow richting in te stellen, een Lego motor om de pomp aan te drijven, een Lego motor om de schakelaar om te zetten en een Lego Mindstorms NXT om het geheel aan te sturen. De druk sensor is aangesloten op poort 1, de motor die de luchtpomp aandrijft is aangesloten op poort A terwijl de motor die de pneumatische schakelaar bedient aangesloten is op poort B. We hebben nu twee mogelijkheden om de NXT aan te sturen. We kunnen een programma maken in Labview of in Lego Mindstorms NXT-G, de software die standaard meegeleverd wordt. Ik heb voor het laatste gekozen. Om de drukmeter uit te kunnen lezen heeft men de Vernier NXT Sensor adapter nodig. Om deze in NXT-G te kunnen gebruiken moet men het benodigde blok in NXT-G importeren. De benodigde software en instructies kan men vinden op de website van Vernier (Vernier NXT Downloads). Nadat ik de opstelling opgebouwd had ben ik wat betreft de programma code op de nette manier begonnen. Ik heb eerst een stroom diagram gemaakt en dat vervolgens omgezet in een NXT-G programma. Het stroom diagram is weergegeven in nevenstaande figuur. De NXT-G code is weergegeven in onderstaande figuur. |
|
 |
|
| Het
uiteindelijke resultaat is vastgelegd in nevenstaande videofragment.
Let op: Om het filmpje te kunnen bekijken moet
men toestemming geven om de ActiveX component uit te laten voeren. NB:
|
YouTube link: Cartesiaanse duiker |
|
De druppelaar moet nog net blijven drijven, zodat men maar een kleine druktoename nodig heeft om deze te laten zinken.
In nevenstaande foto's is het
resultaat ook weergegeven. In de rechter foto is te zien dat deze naar de bodem is gezakt. |
|
Discussie en conclusie:
| Het experiment
zoals we het hier uitvoeren is een klassiek experiment genaamd "Cartesiaanse
duiker" dat toegeschreven wordt aan Rene Descartes en dat het principe van
drijfvermogen demonstreert. De duiker is een buis die aan een kant
afgesloten is en open is aan de andere kant. Plaatsen we deze duiker in een
fles met water die luchtdicht afgesloten kan worden dan blijft deze drijven.
Verhogen we de luchtdruk in de fles dan zinkt de duiker. De Wet van Archimedes speelt hierin een rol. De Wet van Archimedes stelt dat de opwaartse druk die een voorwerp in het water ondervindt gelijk is aan het gewicht, van het door het lichaam verplaatste water. Hier hebben we met een afgesloten systeem te maken waarop we de wet van Boyle-Gay Lussac pV=nRT kunnen toepassen. nRT is constant en veranderd dus niet. Als p dus groter wordt in de fles moet V dus kleiner worden (de lucht in de druppelaar) om nRT constant kunnen houden. Daardoor neemt dan het drijfvermogen af aangezien er minder water verplaatst wordt, geheel volgens de Wet van Archimedes. We hebben hier ook te maken met het principe van Pascal dat aangeeft dat de druk die op een vloeistof uitgevoerd wordt onveranderd door de vloeistof doorgegeven wordt. De druk wordt hier doorgegeven naar de lucht die in de duiker aanwezig is. |
Literatuur:
|
Relevante websites:
Minder relevante websites:
Opmerkingen:
|
Achtergrondinformatie:
| Wet van
Archimedes Een van de eerste natuurwetten die wetenschappelijk zijn afgeleid: Een lichaam dat geheel of gedeeltelijk wordt ondergedompeld in een vloeistof, ondervindt een opwaartse kracht die gelijk is aan het gewicht van de verplaatste vloeistof. |
| Lego Pneumatische Schakelaar |
 |
02/05/2010
