Trilplaat

In dit artikel gaan we uitleggen hoe je een trilplaat kan maken onder de 66 euro om zo resonantie aan te tonen. Dit is een uitstekende optelling om leerlingen van de middelbarenschool te enthousiasmeren over natuurkunde, terwijl het principe val trillingen en eigenfrequentie visueel wordt verduidelijkt. We nemen je stap voor stap mee hoe jij dit met enige gereedschap in elkaar kan zetten en zullen alle benodigde bestanden en materialen erbij zetten.

Gebruikte tools:

Houtzaag, bankschroef, lasersnijder, diverse schroevendraaiers, diverse moersleutels, diverse inbussen, stift, handboor, schuurpapier, houtlijm, laptop, usb c kabel.

Bijlage er ook bij doen enz

Benodigdheden

1. Lasersnijder
2. Schroevendraaier/boormachine
3. 600mm x 450mm MDF 6mm dik
4. 300mm x 450mm MDF 6mm dik
5. 10 bouten met diameter van 8mm
6. 11 moeren met diameter van 8mm
7. 17 sluitringen met diameter van 8mm
8. Houtlijm
9. Motor (Stappenmotor)
10. Flenskoppeling met diameter van 5mm
11. Schroef 5mm lang 2mm diameter

Snijd de volgende bestanden uit. Let goed op dat het bestand van de platen uit de grote plaat gesneden wordt en het bestand van de scharniertjes uit de kleine plaat.

Leg de onderste plaat plat op tafel. Dit is de plaat zonder gaten in het midden, onderop te zien in afbeelding 1. Stop vervolgens de houdertjes in de gaten met een beetje hout lijm zodat deze (na het opdragen) stevig vastzitten. Zorg ervoor dat de houdertjes er diep in zitten, en niet aan de ene kant meer dan in de ander. Vervolgens pak je de bovenste plaat en leg je deze ook op tafel. Dit is de plaat mét gaten in het midden, te zien in afbeelding 2. Plaats hier de houdertjes op dezelfde plek als op de onderste plaat in de bovenste plaat met uiteraard een beetje houtlijm. Let net als bij de onderste plaat goed op dat de houdertjes er goed in zitten.

Pak vervolgens de bouten, poten en de sluitringen. Er zijn in totaal 5 soorten poten, zorg ervoor dat je voor dit deel de kleinste 4 hebt. Plaats de onderste plaat verticaal op zijn lange zijde. Leg vervolgens 2 sluitringen op elkaar en plaats deze tussen twee van de houdertjes op de onderste in een hoek van de onderste plaat. Zorg ervoor dat het gat van de sluitringen boven het gat van het onderste houdertje zit. Stop de bout vanuit onder door het gat van het houdertje en door de sluitringen. Hou de bout op een hoogte zodat het nog net in de sluitringen zit. Pak met je andere hand een van een poot en schuif een van de gaten van de poot tussen de sluitringen en het bovenste houdertje. Wanneer de gaten allemaal boven elkaar zitten doe je de bout helemaal omhoog en draai je de moer op de bout zodat de bout niet heen en weer kan bewegen, maar niet strak genoeg waardoor er veel druk op de houdertjes komt te staan. Uiteindelijk hoort het eruit te zien zoals in afbeelding 3. Doe dit voor alle hoeken van de plaat. Vervolgens ga je hetzelfde doen voor de bovenste plaat. Let goed op dat de poten van de onderste en bovenste plaat goed verbonden zijn, zodat elke poot verbonden is met zowel de bovenste als onderste plaat, zoals te zien in afbeelding 1.

Stop vervolgens door het ronde gat aan het uiteinde van de bovenste plaat een bout met de kop van de bout naar de onderste plaat toe gericht. Draai twee moeren op de bout zodat deze vastzit aan de bovenste plaat. Ook hier geldt dat de moeren niet heel strak gedraaid hoeven te worden, maar wel strak genoeg zodat er geen beweging in zit. Het moet er hetzelfde uit zien als in afbeelding 4.

Pak de flenskoppeling en snijd een deel ervan af. Het deel dat ervan af moet worden gesneden is het deel buiten de dikkere buis. Let goed op dat als er vier gaten op de flenskoppeling zitten om schroeven te boren, dat je er dan drie overhoudt waar nog goed een schroef doorheen geboord kan worden.

Pak vervolgens de houten ronde plaat en schroef deze vast aan de flenskoppeling. Zorg ervoor dat het gat van de flenskoppeling en het gat van de ronde houten plaat goed boven elkaar staan en zorg ervoor dat de rechthoekige holte aan de kant zit waar het deel van de flenskoppeling is afgezaagd.

Plaats vervolgens de bout door het rechthoekige gat in de ronde houten plaat met de kop van de bout aan dezelfde kant als de flenskoppeling. Plaats vervolgens de sluitring op de bout en daarna de moer. In afbeelding 5 is te zien hoe dit er van ‘onderaf’ uitziet.

Vervolgens kan je de ronde houten plaat met flenskoppeling op de motor plaatsen, met de flenskoppeling naar de motor gericht. Als de as van de motor en de ronde houten plaat een glad oppervlakte vormen (hier kan kracht voor nodig zijn), kan er een schroef door de flenskoppeling geplaats worden om deze zo vast te zetten aan de as van de motor. De motor met het deel erop hoort eruit te zien zoals in afbeelding 6.

Elektronische systeem:

Het elektronische systeem bestaat uit de volgende onderdelen: De voedingskabel (een 230V naar 24V adaptor die in de muur gestoken kan worden. Dit kan een eenvoudige laptop adaptor zijn met de laptop connector eraf geknipt en de draadeindes en de isolatie verwijderd van de uiteindes van de losse + en - kabeltjes), de motor regelaar (regelt a.h.v. een input de stroom voor de verschillende solenoïdes in de stappenmotor), de stappenmotor, de arduino (dit stuurt inputwaarden naar de motor regelaar) en een potentiometer (een draaiknopje. Zorg dat deze 1k Ohm waarde heeft).

Het aansluitschema:

Deze regelaar heeft twee aansluitingen voor elk signaal (bijvoorbeeld PUL+ en PUL-). De positieve aansluitingen moeten met de Arduino verbonden worden en de negatieve met de GND (massa) van de Arduino.

1. PUL+: Arduino pin 10
2. DIR+: Arduino pin 9
3. EN+: Arduino pin 8
4. PUL-, DIR-, EN-: Allemaal verbinden met het ‘min-strookje’ van de breadboard en deze vervolgens weer in serie aansluiten op de GND-pin van de Arduino.
5. VCC: Verbind hier het rode draadje van de voedingskabel (adaptor) op aan
6. GND: Verbind hier het zwarte draadje van de voedingskabel (adaptor) op aan.

De motor komt met een connector met 4 verschillende draden: rood, paars, groen en zwart. Deze moeten bij de volgende aansluitingen verbonden worden:

1. A+: Zwarte draad
2. A-: Groene draad
3. B+: Rode draad
4. B-: Paarse draad

En dan nog de connecties voor de potentiometer:

1. Linker pin: Arduino 5V
2. Middelste pin: Arduino analoge pin A0
3. Rechter pin: Sluit dit aan op het ‘min-strookje’ van de breadboard die nu in serie staat aangesloten met de GND-pin van de Arduino.

Als laatste moet er nog een usb C kabel worden aangesloten op de arduino usb c port. Deze andere uiteinde van deze usb C kabel moet dan naar de laptop. Download en open het programma 'Arduino IDE'. Zorg dat je de verbinding op Arduino IDE instelt voor de juiste serial port. Download vervolgens in Arduino IDE de library AccelStepper. Kopieer vervolgens de volgende code en upload het naar de Arduino:

#include <AccelStepper.h>

// --- Pin Definities ---

#define STEP_PIN 10

#define DIR_PIN 9

#define EN_PIN 8

#define POT_PIN A0

// Initialiseer de stappenmotor

AccelStepper stepper(1, STEP_PIN, DIR_PIN);

void setup() {

// Stel de Enable pin in

pinMode(EN_PIN, OUTPUT);

digitalWrite(EN_PIN, LOW);

// Configureer de absolute maximale snelheid

stepper.setMaxSpeed(4000);

}

void loop() {

// 1. Lees de waarde van de potentiometer (tussen 0 en 1023)

int potValue = analogRead(POT_PIN);

// 2. Reken de draaiknopwaarde om naar de doelsnelheid

int targetSpeed = map(potValue, 0, 1023, 0, 4000);

// 3. Geef de snelheid door aan de motor en laat hem draaien

stepper.setSpeed(targetSpeed);

stepper.runSpeed();

}

Als de voedingskabel (24V adaptor) in de muur wordt gestopt en de usb C kabel wordt verbonden met een spanningsbron (laptop of adaptor blokje) dan begint de motor met bewegen en kan de snelheid met de potentiometer worden aangepast.

Nu hebben we dus een complete bovenplaat en onderplaat en een werkende elektrische systeem. We moeten deze dus aan elkaar verbinden. In de bijlage is een file voor lasersnijden voor een kastje waarin de elektromotor gemonteerd kan worden.

Snij de behuizing uit een 3mm dikke MDF plaat. Wanneer deze uit de lasersnijdmachine komt moeten alle platen van het kastje aan elkaar worden gelijmd. Er zijn 2 zijplaten, 1 achterplaat, 1 onderplaat, een kleine voorplaat en een plaatje waarop de motor gemonteerd wordt. De aansluiting spreekt voor zich, aangezien het door de noppen maar op 1 manier aangesloten kan worden, zorg in ieder geval dat het plaatje voor de motor vooraf door de gaten in de voorplaat en achterplaat komt te zitten. Lijm deze verbindingen bij de noppen met houtlijm en het kastje is klaar.

Nu kan de kast met restmateriaal van de vorige lasersnijdopdrachten gemonteerd worden aan de onderplaat. Om de afstand tussen de behuizing voor de motor en de onderplaat goed te krijgen kan de as waarmee de bovenplaat met de motor verbonden wordt het beste worden gebruikt als een metertje. Oog de afstand van de as een stel het kastje op dezelfde hoogte (de preciese afstand maakt niet veel uit). Gebruik vervolgens 2 stukken resthout: 1 plaat waarop het kastje geschroef moet worden en nog 1 plaat om de vorige plaat aan de onderplaat te monteren. Zorg dat er genoeg schroeven in komen te zitten (in ons geval hadden wij 6 aan het kastje en 8 op de verbindingspunt.

Nu kan alle electronica vast worden gezet. De motor die moet in het vakje in het kastje gelegd worden met de as naar boven en de connector naar binnen. Boor vervolgens aan de achterplaat van het kastje naast de motor twee gaten om bouten in te stoppen om de motor vast te klemmen. Schroef vervolgens de regalaar vast aan de onderplaat en plak de rest van de elektronica aan de regelaar met duct tape. Zorg dat de potentiometer op een plek wordt geplakt waar je er makkelijk bij kan.

Nu is de hele opstelling bijna klaar: het enige dat moet gebeuren is het verstevigen van de installatie. Gebruik een metalen hoekverbinding en schroef deze vast aan de achterplaat van de behuizing op zo een manier dat de hoek onderin zit en drukt tegen de tafel er onder. Snij vervolgens een lat uit van restmateriaal van ongeveer 20cm. Schroef deze vast aan de onderplaat en aan de behuizing op zo een manier dat hij drukt tegen de behuizing. Nu is de hele opstelling genoeg versterkt.

Model gebouwen

Om de eigenfrequentie te visualiseren zijn 4 gebouwmodellen gemaakt met verschillende geometrieën. In dit deel van de instructables zal worden beschreven hoe deze exact gebouwd zijn.

De modellen zijn gebouwd uit losse houten onderdelen die met een lasersnijder uit een 3mm dikke MDF-plaat zijn gesneden. Deze onderdelen kunnen in elkaar geklikt worden en voor extra stevigheid met houtlijm aan elkaar gelijmd worden. Hoe dit exact moet wordt verderop beschreven.

Ook zijn er nog extra dakmodules gemaakt waarmee een gewichtje aan het dak van de opstelling toegevoegd kan worden om de eigenfrequentie van de modellen te verlagen. Deze zijn gemaakt voor een gewicht met een specifieke diameter, maar dit kan gemakkelijk aangepast worden om ook gewichten van ander formaat te kunnen behuizen.

In de bijlagen van deze instructable zullen de svg files toegevoegd worden waarmee de onderdelen uitgesneden kunnen worden.

Benodigdheden

1. Lasersnijder
2. Schuurpapier (voor het bijwerken van de lasersnedes indien nodig)
3. Houtlijm
4. 1 3 mm dikke MDF-plaat van 600x450 mm
5. 1 3 mm dikke MDF-plaat van 300x450 mm
6. Een gewichtje (optioneel om de eigenfrequentie van de modellen te kunnen verlagen)

Alle onderdelen voor de gebouwen zijn genummerd in het document dus je kan zien welke onderdelen bij welk gebouw horen. Hieronder wordt per gebouw kort beschreven hoe ze in elkaar gezet moeten worden. Verder zullen er in de bijlagen ook foto's staan van alle individuele opstelling zodat deze als voorbeeld gebruikt kunnen worden.

Gebouw 1

De pilaren hebben een kant met een pin en een kant met een uitkeping. De uitkeping moet om de pin van de dakplaat geklemd worden en dient dan voor extra stevigheid met houtlijm vastgelijmd te worden. De hoek tussen de pilaren en de dakplaat moet 90 graden zijn, zodat de pinnen aan de onderkant uiteindelijk goed in de inkepingen in de trilplaat passen.

Gebouw 2

De pilaren hebben 2 pinnen aan de uiteinden een lange aan de ene kant en een korte aan de andere kant. De Korte pin moet in de spleten van de dakplaat geklemd worden en met houtlijm vastgezet worden. De hoek tussen de pilaren en de dakplaat moet wederom 90 graden zijn.

Gebouw 3

De pilaren hebben wederom een korte en een lange pin, de korte pin moet weer onder een hoek van 90 graden in de spleten in de dakplaat geklemd en vastgelijmd worden. Als dit goed opgedroogd is moet de opstelling omgedraaid worden zodat deze op de dakplaat ligt en de pilaren naar boven wijzen. Dan kan de tussenplaat over de pilaren geschoven worden tot deze op de onderkant van de dakplaat ligt. Dan kunnen de wigpinnen (de u vormige pinnetjes) vastgelijmd worden in de inkeping halverwege de pilaren. Als dit goed opgedroogd is dient er lijm aangebracht te worden op de bovenkant van deze wigpinnen. Dan kan de opstelling omgedraaid worden en de tussenplaat omlaag worden geschoven tot op de wigpinnen, zodat ook deze vastgelijmd wordt.

Gebouw 4

Dit gebouw bestaat uit 2 verdiepingen met in totaal 8 identieke pilaren (4 per verdieping). De eerste 4 pilaren moeten met de korte pin weer vastgelijmd worden in de spleten in de dakplaat onder een hoek van 90 graden. De laatste 4 pilaren moeten op dezelfde wijze in de buitenste spleten in de dakplaat vastgezet worden. Als dit allemaal goed gedroogd is moeten de onderkanten van de pilaren die in de dakplaat zitten wederom op dezelfde manier in de binnenste spleten van de tussenplaat vastezet worden.

Gebouw 5

De pilaren hebben een korte en lange pin, de korte pin moet in de spleten van de dakplaat vastgelijmd worden onder een hoek van 90 graden.

Extra dakmodule voor extra gewicht

In het bestand waar ook de snede voor model 5 in staat zijn ook nog een aantal extra platen toegevoegd waarmee een rond gewichtje aan het dak kan worden toegevoegd. Dit kan gedaan worden door de twee platen met de naam, plaat gewicht op elkaar te lijmen en dan op de plaat, ondergewicht plaat te lijmen. Er zijn 2 versies voor 2 verschillende gewichten dus let er goed op dat je de platen met naam 1 op elkaar lijmt en de platen met naam 2 op elkaar lijmt.