DEF-E Watergolfgenerator Met Wateraandrijving

Het doel van dit ontwerp is om de energieoverdracht van vallend water aan te tonen. Hierbij is het in het onderwijs van belang om te onderwijzen hoe energieoverdrachten werken. Dit ontwerp is bedacht om in het middelbaar onderwijs een practicum te bieden dat deze energieoverdracht in beeld brengt.

Er wordt een waterrad aangedraaid door water dat van een hoogte door het rad heen wordt gestuurd. Dit rad zit dan verbonden aan een houder waar het water goed doorheen kan wegstromen. In deze houder zitten aan de verbindingstukken met het rad 2 kogellagers verbonden. De draaiing van het rad wordt doorgezet naar een piston waar deze draaibeweging zorgt voor een op-en-neerbeweging. Door een schuine plaat aan de onderkant van de piston te bevestigen en een bak water eronder te zetten, creëer je een watergolf in de bak die aangeeft hoe het vallende water met een omzetting kan zorgen voor een golf in een golfslagbad.

Voor het bouwen van deze opstelling heb je de volgende machines tot je beschikking nodig:

1. Een 3D-printer met een minimaal printoppervlak van 250x250 mm en PLA-filament
2. Boormachine (minimaal een bitje die kleiner is dan een M5 schroefdraad)
3. Schroevendraaier met kruiskopbitje
4. Houtzaag
5. Liniaal
6. Snijmat
7. Bankschroef
8. Lijmpistool
9. Klem
10. Schroefdraadsnijder (voor het ITEM)
11. Schuurmachine
12. Lasersnijmachine voor plexiglas, MDF en triplex (optioneel, anders een 1 cm dikke plaat hout op maat zagen)

Voor het maken van dit proefje heb je overigens de volgende materialen nodig:

Kant en klaar:

1. 3 10L emmers
2. Een tafel of een andere soort steun voor de dakgoot en de waterbak voor het golfgedeelte.
3. Een lage langwerpige plastic opbergbox (wij hebben afmetingen 78x37x18 cm).
4. Een dakgoot/buis van 2 meter lang en een breedte/diameter van ongeveer 15 cm

Voor het maken van de behuizing

1. Een houten plank van 1 centimeter dik, 1 m lang en 15 cm breed. ongeveer.
2. Een houten plank van 2 cm dik, 1,5 m lang en 7 cm breed. ongeveer
3. 2 kogellagers met schroefgaten (er moet M5 schroefdraad doorheen passen)
4. 1 losse kogellager (er moet M5 schroefdraad doorheen passen)
5. M5 schroefdraad
6. ITEM staven van 30 cm en 5 cm lang
7. Stukje schuimbuis

Voor het maken van het waterrad

1. Een ge-3D-printe schoepen houder voor het waterrad met afmetingen van 24 diameter en 15 cm breed.
2. 1 triplex plaat van 600x450 mm van 3 mm dik. Hieruit haal je 18 lasergesneden/gezaagde schoepbladen voor het waterrad met afmetingen 12 bij 16 cm (3 mm dik MDF hebben wij gebruikt, maar dit hangt af van jullie mogelijkheden).

Voor het maken van het zuigermechanisme

1. Een laser gesneden schijf met een gat voor de kogellager erin. Ook zit er een ITEM-profiel als as erin. De slag van het kogellager moet minimaal 10 cm zijn.
2. Een PVC buisje van ongeveer 20 cm lang met 4 cm diameter.
3. Een stop voor in de PVC buis met M5 schroefdraad tot halverwege erin.
4. 3 ge-3D-printe blokjes met breedtes van 5, 10, 15 cm (driehoekig als dwarsdoorsnede) met schroefdraad erin (die in de stop past).
5. 1 reststukje plexiglas van 3 mm dik. Hieruit haal je 2 plexiglas geleiders voor de PVC-buis.

Verbindingsstukken

1. Verbindingsstukken: M5 schroeven en M5 moertjes
2. Ducttape

Voor in de bak

1. 1 MDF plaat van 600x450 mm en 3 mm dik. Ook nog een reststukje MDF van 3 mm dik. Hieruit haal je 3 lasergesneden platen die de opbergbox naar keuze opvullen en de lengte en breedte kunnen aanpassen voor het compartiment waarin je golven gaat maken (anders op maat gemaakt met een houtzaag).

Om water door het waterrad te laten stromen moet je een pad construeren waar het door heen kan lopen. Maak met een houten plank de “grond” voor dit pad, 35 x 15 cm. Schroef dan twee houten palen met kogellagers daarop die gericht zijn op elkaar, op een afstand van 33 cm. Met de rest van het hout maak je een helling met zijwanden, waaraan het dakgoot samen met het schuim buis wordt vast getapet.

1. Voor het rad moet je eerst een stuk ITEM pakken die lang genoeg is om door de hele breedte van het rad te passen en nog 20 cm groter om de marges en verbindingen aan de zijkanten te maken. Pak ook nog 1 extra korter stukje ITEM om de verbinding naar de piston te maken.
2. Maak een 3D-ontwerp van de 2 buitenplaten van het waterrad in een programma naar keuze dat het ontwerp kan laten 3d-printen. Zorg er in het ontwerp voor dat er precies in het midden een gat zit om het item in te kunnen glijden, Bij dit gat moet je om de buitenranden zorgen dat je een marge van 2% aanhoud zodat het ITEM er goed in past. Voor de dikte van de zijkanten moet je de helft van de dikte gebruiken om inkepingen te maken waar de schoepen in komen. (Wij hebben gewerkt met een dikte van 1 cm, het rad zelf had een omtrek van 22 cm en een breedte van 15 cm). Zorg er bij de inkepingen voor dat deze precies boven elkaar uitkomen en een even grote hoek uit elkaar zitten. Hiervoor hebben wij 18 inkepingen op beide platen gezet met allemaal een onderlinge afstand van 20 graden, hiermee komen de schoepen precies boven elkaar. Ook aan de zijkanten van de inkepingen moet rekening gehouden worden met een marge van 0.3 mm ten opzichte van de dikte van het hout wat voor de schoepen gebruikt gaat worden, hierdoor passen de schoepen in de inkepingen
3. Maak voor het rad de rechte schoepen van hout. Deze moeten worden gelasersneden om zo’n precieze schoepen te krijgen. Laat de breedte van de platen 1 cm breder zijn dan de lengte van de inkepingen, hierdoor steken de schoepen een klein stukje uit. Laat de lengte van deze platen precies de gewenste lengte van het rad zijn, minus 1 keer de dikte van een buitenplaat.
4. Maak in beide ITEM-delen een schroefdraadprofiel waar je een bijpassend schroefdraad hebt. Maak in het lange stuk ITEM aan beide kanten dit profiel; in het kleine stuk hoeft dit maar aan één kant.
5. Als je alle onderdelen hebt, zet dan alle schoepen in de 3d-geprinten buitenplaten en zet deze met lijm steviger vast. Schuif terwijl je het rad in elkaar zet de platen in het ITEM voor een goede uitlijning. Als het rad in elkaar zit, schroef je het rad met de schroefdraad door de 2 kogellagers in de houder heen. Draai aan één kant het andere itemstuk aan de schroefdraad vast, deze verbind dan aan de piston.

De kogellager kan bevestigd worden in de houten schijf met lijm, waarin de M5 schroefdraad vastgezet kan worden met moeren. Boor dan een gat onder een van de uiteindes van het “verbindingshout” waar het schroefdraad in gezet kan worden met meer moeren. Stop het andere uiteinde in de pvc buis en boor nog een gat daardoor heen, weer kan de M5 schroefdraad hier vastgemaakt worden. De “pvc dop” kan in de onderkant geschroefd worden om de verschillende golfblokken met het boutje in te zetten.

Voor het maken van de “golfruimte” in de plastic opbergbox zijn er hier 2 routes: lasersnijden (1) of zelf zagen (2).

Route 1: lasersnijden

Stap 1: Maak in inkscape een svg bestand waarin je de MDF platen ontwerpt. Als voorbeeld hebben wij 2 platen ontworpen in de lengte en 1 in de breedte met gleuven tot halverwege de plaat zodat je de 2 lengteplaten in de breedteplaat kan schuiven. Hieronder een voorbeeld die wij hebben gebruikt:

Stap 2: Schuif de gleuven in elkaar waardoor je een mooi langwerpige rechthoekige baan hebt voor de golf om zich in te bewegen. Plaats deze in de bak met water.

Stap 3: Tape via de bovenrand van de lengteplaten de wanden iets dichter bij elkaar, zo zal de kwaliteit van de golven verbeteren. Niet te dichtbij dan wel weer, want anders zal de zuiger te veel weerstand ondervinden.

Route 2: zelf zagen

Voor het zelf zagen maak je een soortgelijk ontwerp maar dan met een dikkere plaat. Dan zal het hout veel minder snel per ongeluk breken tijdens de vorming.

Nog extra tips om de golven mooier te maken:

1. Hoe langer de golfruimte hoe lager het aantal buiken en knopen
2. De diepte van de golfruimte beïnvloed op onze schaal de golven zelf bijna niet, zorg ervoor dat het ten minste 5 cm of meer is en het golfblokje voldoende zich in het water beweegt.
3. Voor een lopende golf kan je in plaats van een breedteplaat ook steentjes in gaas neerleggen voor verminderde terugkaatsing van de golven.
4. Maak een raster op de bodem van de plastic opbergbox zodat de wanden beter en stabieler zijn en geen enkele golf afwijkt van de golfruimte. Nu zal het na een tijdje zo zijn dat het water buiten de golfruimte ook zal bewegen en met de hoofdgolven gaat interfereren. Zonder dit effect zullen de golven zuiverder zijn.