Profielwerkstuk: Proefje over drukverschil om een voorwerp



  • Onderwerp: Proef aan de faculteit Lucht- en Ruimtevaart

    Beste Meneer/Mevrouw,

    In verband met ons profielwerkstuk na de zomer hebben wij contact met u gezocht. Wij zullen ons eerst even voorstellen:
    Wij zijn Mark en Alexander van het Stedelijk Gymnasium Leiden. Klas 5 hebben wij deze zomer afgesloten en gaan in september aan ons eindexamenjaar beginnen en in dit laatste jaar moet iedereen een profielwerkstuk maken. Het profielwerkstuk is het grootste werkstuk van de middelbare school en hierin moet zo'n 160 uur worden gestopt. Elk onderwerp mag worden aandragen voor een willekeurig vak. Je kunt kiezen uit zowel een theoretisch als een meer praktisch werkstuk. Wij zijn (gelukkig) ingedeeld bij natuurkunde en voelen meer voor een onderzoek met ook een praktisch deel dan een theoretisch onderzoek. Samen hebben wij de open dagen van de TU Delft al twee keer bezocht en zijn wij beide gefascineerd geraakt door de faculteit Lucht- en Ruimtevaart. Toen wij een onderwerp voor ons profielwerkstuk moesten vinden zijn we ook in de richting van Lucht- en Ruimtevaart gaan zoeken. Het onderzoek, zoals het er nu staat, zal ik kort beschrijven:
    Elk object dat door de aardse atmosfeer beweegt, krijgt aan de voorkant een ophoping van deeltjes en aan de achterkant een tekort aan deeltjes. Wij vroegen onszelf af of je met behulp van dit hoge en lage drukgebied de luchtdruk op het frontale oppervlak van het object kunt laten afnemen. Zelf dachten wij aan een kleine verbinding tussen de voor en achterkant doormiddel van een buisje aan de binnenkant. Om deze proef uit te voeren zouden we een constante luchtstroom nodig hebben. Wij vroegen ons af wat de mogelijkheden zijn om gebruik te maken van de windtunnels in het Lucht- en Ruimtevaart faculteit en wat voor meetinstrumenten wij dan eventueel zouden kunnen/mogen gebruiken.

    Alvast bedankt,

    Mark en Alexander

    Stedelijk Gymnasium Leiden


    Van: Voorlichting-LR [Voorlichting-LR@tudelft.nl]
    Verzonden: donderdag 5 juli 2012 11:58
    Aan: Alexander; Mark
    Onderwerp: RE: Profielwerkstuk

    Beste Alexander en Mark,

    Wat een gaaf en uitdagend profielwerkstuk! Ik denk dat ik jullie hier ook in ieder geval de goede richting over op kan sturen. Het is namelijk zo dat we op de TU het Scholierenlab (www.scholierenlab.nl) hebben. Deze groep houdt zich bezig met het assisteren van scholieren met workshops of profielwerkstukken. En toevallig is het zo dat ze een workshop hebben die gebruik maakt van een windtunnel, waarmee jullie dus die constante luchtstroom zouden kunnen creëren om vervolgens jullie proef te toetsen. Het beste dat jullie dat kunnen doen is contact opnemen met hen en kijken of zij jullie verder kunnen helpen.

    Mochten jullie verder nog vragen hebben stuur ze dan vooral door.

    Met vriendelijke groet,

    Team Voorlichting
    TU Delft / Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek



  • Hallo Alexander,
    Interessant onderwerp! We geven een aantal keren per jaar een windtunnel workshop waarbij we in een constante luchtstroom een aantal metingen doen. Metingen met luchtdrukken zijn nogal gevoelig voor verstoringen, dus de opstelling moet dan ook zeker robuust zijn. Ik stel voor dat jullie op een van de workshops langs komen zodat jullie wat meer te weten komen over het effect van Bernoulli en hoe je zo een meting kunt doen. We zouden dan of aan het einde van de workshop jullie opstelling kunnen testen of jullie kijken op de workshop hoe de opstelling er uit ziet en komen later nog een keer terug voor jullie eigen opstelling. Is dat een idee? Zou je voor mij een een schematische tekening kunnen maken hoe je je de opstelling voorstelt en een kort werkplan wat je wil testen en wat je verwacht?

    Heb je ook al wat literatuur gevonden trouwens of kan ik je daar bij helpen? Groetjes, Hubert



  • Beste Hubert,

    De eerste bijlage (http://dl.dropbox.com/u/4792677/Box I en Box II.docx) geeft schetsen van ons model weer en in de tweede bijlage (http://dl.dropbox.com/u/4792677/hypothese pws.docx) staat onze hypothese. In de eerste bijlage staan zowel de schetsen van box I als box die wij graag beide zouden willen testen. Onze nulhypothese bestaat dan uit een blok zonder buis. Verder zijn enkele nieuwe problemen duidelijk geworden:

    1. Materiaal keuze kubus: hout, goed?
    2. Soort windtunnel: wat voor soort windtunnel zullen wij gaan gebruiken?
    3. Wij vroegen ons af hoe we de druk moeten meten drukmeten. Een opzet staat in bijlage 3 (http://dl.dropbox.com/u/4792677/bijlage 3.docx). Waarschijnlijk is dit ook te zien tijdens de workshop.
    4. Wij vroegen ons af of het zinvol is om een afdekplaat te gebruiken (onderaan bijlage 1) om het frontaal oppervlak van onze nulhypothese gelijk te houden met dat van onze proeven?

    Verder vroegen wij ons af of de mogelijkheid bestaat om nog een afspraak met jou te maken voor de workshop om ons idee nog een keer goed door te nemen.
    Heb jij nog suggesties voor ons qua boeken die wij kunnen gebruiken voor ons literatuuronderzoek?

    Groeten,
    Alexander en Mark



  • Beste Hubert,

    Wij willen onderzoeken of de luchtweerstand over een gewone kubus meer of minder is dan een kubus met een interne buisje tussen de hoge- en lagedrukgebied. De voorkant van de buisje zijn wij van plan af te dekken zodat de lucht er niet meteen in kan stromen, maar echt aangezogen moet worden door de drukverschil(zie de meest onderste plaatje in http://dl.dropbox.com/u/4792677/Box I en Box II.docx).

    Wij zijn van plan de druk over de hele kubus te meten zoals in (http://dl.dropbox.com/u/4792677/bijlage 3.docx). Een veer is inderdaad een goedkope alternatief om de druk te meten, hier zullen wij zeker over nadenken.

    Verder zijn wij niet van plan om zelf een windtunnel te maken, maar we willen graag een al bestaande windtunnel te gebruiken. Als het mogelijk is om ons proef in een windtunnel van de TU Delft te doen zouden wij zeer dankbaar zijn.

    Nog bedankt voor de literatuurtips,

    Alexander en Mark



  • Hoi Alexander,

    Dank voor de uploads. Jullie concept is me nu een stuk duidelijker geworden. Maar het is me nog niet helemaal duidelijk waarom jullie dat op deze manier willen gaan testen. Dat hoge en lage drukgebied ontstaat namelijk puur uit de wind die van voren komt en zich ophoopt aan de voorkant, aan de achterkant kan de wind er 'minder' goed bij en daarom ontstaat daar en laag drukgebied. Als je een gat in het midden maakt ontstaat daar geen ophoping omdat de lucht kan stromen en dus heb je daar ook geen drukverschil meer omdat de lucht er als het ware 'onverstoord' doorheen kan stromen.

    Het is uiteraard wel zo dat hoeken altijd wervelingen met zich mee brengen en die hebben weer effect op weerstand. Weerstand is trouwens de totale kracht die in windrichting ontstaat, uiteindelijk veroorzaakt door alle drukken die op het hele object ontstaan. Je rekent het uit door dat je alle druk componenten in windrichting bij elkaar optelt. In jullie geval zal dat inderdaad grotendeels ontstaan door een positieve druk aan de voorkant en dus een negatieve druk (oftewel) zuiging aan de achterkant.

    Even wat technische vragen nog: Heb je er al over nagedacht of je de druk van de totale doos wil gaan bekijken of per oppervlakte eenheid? En heb je al naar de weerstands formule gekeken? Wat zijn je verwachtingen wat er gaat gebeuren als je de test doet? Moet je trouwens niet een cilindervormig object gebruiken, dan heb je minder last van de hoeken, die ook weer rare wervel verschijnselen met zich mee brengen.

    Wat je vragen betreft:

    1.) Als hout niet te duur is lijkt me dat prima, karton zou ook nog kunnen. Belangrijk is dat de oppervlakte zo glad mogelijk is.
    2.) Ik zou een zo simpel mogelijke maken, van hout of karton. Als je zoiets kan maken, zul je wel even bezig zijn: windtunnel Mijn tip hiervoor is om 'build your own windtunnel' of 'home made windtunnel' of 'windtunnel do it yourself' te googlen en daar zul je heel veel hobbyisten vinden die je vertellen hoe zij het gemaakt hebben. Ik denk dat het bouwen van de windtunnel uiteindelijk ook een belangrijk onderdeel zal zijn van je pws gezien je hem dus ook zelf gaat ontwerpen.
    3.) Het meten van de druk is inderdaad een beetje lastig, maar je kunt dit het beste met behulp van een gewicht of een veer doen. Als je de doos aan een draaiende bus vast maakt en die weer met arm aan een gewicht of een veer verbindt, kun je de kracht uitrekenen. Ik denk dat dat de makkelijkste manier is, een krachtopnemer kost rond de 500 euro, dat lijkt me iets te veel geld om te besteden aan je pws. :-)
    4.) Wat de afdekplaat betreft, misschien handig om dat tijdens de workshop even te bespreken.

    Wat jullie laatste vraag betreft; ik denk dat er voldoende tijd is tijdens de workshop om een en ander te bespreken. Is dat voor jullie oké?

    Hier nog wat literatuurtips:

    Als je ingewikkeldere dingen wil lezen zou je hier kunnen kijken:

    Kun je hier wat mee?

    Groeten,

    Hubert



  • Hey Alexander en Mark,

    Het is me iets duidelijker geworden, maar even onderstaande hypothese voor de check:

    Als je dus de weerstand formule neemt (D = Cd * 1/2 * rho * v^2 * A), dan zou je bij de twee genoemde opstellingen de oppervlakte (A) gelijk houden door het gebruik van de plaat en met het gat achter de plaat toon je aan dat vorm is veranderd, wat dus een effect op Cd moet hebben als de weerstand (D) veranderd. Klopt dat zo? Dit lijkt me een interessante hypothese en zeker leuk om als proefje te meten. Als tip zou ik dan wel achter de plaat het gat ook echt afplakken bij de 'afgesloten' buis proef.

    Wat de windtunnel voorzieningen op de TU betreft is het zo dat we windtunnels voor scholieren niet ter beschikking mogen stellen, met uitzondering van de windtunnel die we mogen gebruiken tijdens de workshop die we geven. Binnen deze workshop hebben we een opstelling waarmee we helaas alleen lift en geen weerstand kunnen meten, dus helaas kan ik jullie daarmee niet verder helpen.

    Groet, Hubert



  • Hey Alexander,

    De vleugel heeft aan zijn einden twee stangen welke in het frame worden gelegd. Deze stangen zijn kunnen om de as gedraaid worden, dus dat is geen probleem. Maar de kracht op de stang wordt in het frame gemeten en het frame is op zo een manier bevestigd dat het alleen in de loodrechte richting van de luchtstroom vrij kan bewegen. Dat is ook de richting waarin de krachtopnemer de kracht meet. Het is niet mogelijk om het frame om te bouwen, dus vandaar dat je met deze opstelling ook niet de weerstand kan meten. Als je de weerstand wel wil meten moet je dus een volledig eigen opstelling gaan bouwen.

    Als je dus een weerstands proef wil doen, is het dus inderdaad het handigst om een eigen windtunnel te bouwen. Komen jullie trouwens naar de workshop?

    Groeten,

    Hubert



  • Beste Hubert,

    Wij willen inderdaad de wrijving meten en wel door de lift verticaal naar boven te meten. Stel dat wij metalen stangen in de zijkant van de kubus steken zodat het 600 mm lang wordt en in de windtunnel van de workshop past, zou het dan mogelijk zijn om met de aanwezige instrumenten de kracht van de lucht op de kubus te meten? Het leek op de site of je de vleugel profielen kon draaien, dus wat is de maximale draaiingshoeh?
    Zo niet zullen we of:

    1. na moeten denken over een mechanisme dat de kracht omhoog omzet naar een horizontale kracht dat we wel kunnen meten.
    2. een eigen krachtmeter maken met een veer en die gebruiken
    3. een andere windtunnel gebruiken.

    Als we een andere windtunnel moeten gebruiken, heb jij dan ideëen over waar we ons proef uit zouden kunnen voeren?

    Groeten,
    Alexander en Mark



  • Beste Hubert,
    Uit de foto's van de verticale windtunnel hadden we later dit feit (het niet kunnen gebruiken van jullie meetapparatuur) zelf ook opgemaakt, daarom zijn we nu zelf bezig andere mogelijkheden. Zo denken we erover om apparatuur te huren. Dit zijn we nu aan het uitzoeken. Verder zijn wij nog steeds van plan om naar de workshop te komen en dan onze proef uit te voeren. Over de windtunnel hebben wij nog wel een vraag: hoe snel stroomt de lucht uit de windtunnel en hoeveel newton of gram zal de druk zijn op een oppervlak van onze kubus van 15x15 cm? Hierop moeten wij namelijk de nauwkeurigheid van het eventueel te huren apparaat selecteren.
    Wij hopen dat het op woensdag 26 september allemaal goed gaat,

    Alexander en Mark



  • Hallo Alexander en Mark,

    Wanneer moeten jullie de proef af hebben? Ik stel voor om de praktische zaken volgende week even te bespreken, voor dat jullie spullen gaan huren en ingewikkelde constructies bouwen, stel ik voor dat we een en ander volgende week bespreken. Misschien kunnen we bij die windtunnel wel iets op verzinnen (zelf bouwen) zodat jullie bij de volgende workshop (volgens mij in in november) eventueel daar wat testen kunnen doen.

    Wat de druk betreft: Je zou een benadering kunnen maken, waarbij je aanneemt dat de weerstand D volledig komt door de druk aan de voorkant tegen de cubus aan. Dat is natuurlijk niet waar, gezien de zijkanten frictie veroorzaken en aan de achterkant ontstaat er werveling waar een beetje zuiging ontstaat.

    Uiteindelijk vat D de kracht samen, die de cubus op de lucht uitvoert. Deze kracht veroorzaakt een verlies in moment in de lucht (Moment = m * v), en dit komt door lucht wat dus om de hele cubus wordt afgeremd, zie hier: link

    Als je aanneemt dat er dus geen frictie is kun je de weerstand delen door het frontale vlak en dan kom je uit op de druk.

    Groet, Hubert



  • Hoi Alexander,

    Dat is afhankelijk wat je windtunnel snelheid is. Als je een pitot buis hebt, kun je het met een pitot buis berekenen: link

    Groet, Hubert



  • Beste Hubert,
    Wij moeten op 21 november de proefversie van ons verslag afhebben en in december moet het werkstuk volledig worden ingeleverd. Het zal dus lastig zijn om de proef pas in november uit te gaan voeren, omdat we dan krap zitten in onze tijd. Toch rest ons nog de vraag: met welke snelheid de lucht de kubus raakt?
    Alexander en Mark



  • Beste Hubert,
    We begrijpen dat deze meter handig is, maar als wij de verticale windtunnel a.s. woensdag gebruiken tijdens de workshop, wat is dat de luchtsnelheid bij die windtunnel.
    Verder vroegen we ons ook af, wat de diameter van die windtunnel is.
    Alexander en Mark



  • Hey Alexander,

    De snelheid is verstelbaar en we zullen verschillende snelheden instellen. We zullen metingen doen vanaf 25 Pa (Pascal) drukverschil (Pt - Ps = Pd) en in stapjes van 25 omhoog gaan.

    De diameter weet ik helaas niet uit mijn hoofd, maar dat is naar schatting 80 cm. Als je het precies wil weten, raad ik je aan een meetlint mee te nemen.

    Groet,

    Hubert



  • Goede morgen Alexander en Mark,

    Dat klopt inderdaad zo. Het profiel zit vast aan de staf en deze leg je in de gleuven. In ons geval is het profiel trouwens erg zwaar en daarom wordt het niet wegblazen bij hoge snelheden, probeer inderdaad iets op te verzinnen dat je de buis vast kunt maken. Daarnaast mag hij ook niet draaien.

    Groet, Hubert



  • Beste Hubert,
    Wij hebben een vraag over hoe wij onze kubus moeten monteren in de windtunnel.
    http://dl.dropbox.com/u/4792677/MAIL.docx

    Alexander en Mark


Aanmelden om te reageren
 

Het lijkt erop dat je verbinding naar Forum verloren is gegaan, wacht even terwijl we de verbinding proberen te herstellen.