Buoyaninator

Het is constant in het nieuws; de energiecrisis. Er blijkt een groot tekort te zijn aan hernieuwbare energie. Echter, er is een vorm van onbruikbare energie die vaak verloren gaat terwijl het verkregen kan worden op plekken dat een groot deel van ons aardoppervlak bevat; water.

De Buoyaninator is een oplossing die gebruik maakt van drijfvermogen; de opwaartse kracht die door een vloeistof wordt uitgeoefend op een object en ontstaat door het drukverschil tussen de boven- en onderzijde van het object, met in ons geval: een lege plastic fles. Door de aanwezigheid van kracht is er ook energie aanwezig, met name potentiële energie. Wanneer je bijvoorbeeld een opblaasbare strandbal onder water duwt en deze loslaat, wordt de potentiële energie omgezet in kinetische energie doordat de bal weer naar boven stijgt door de opwaartse kracht van het drijfvermogen.

Het drijfvermogen van voorwerpen in vloeistoffen bevat dus bruikbare energie. Om deze onbenutte energie op te vangen, maakt de Buoyaninator gebruik van elektromagnetische inductie. Dit gebeurt door magneten boven op de fles te plaatsen. Wanneer de fles omhoog schiet in het water en de magneten door de spoel bewegen, wekt het veranderende magnetisch veld een elektrische spanning op.

Deze instuctable is bedoeld voor iedereen die een kijkje wilt nemen in de wereld van ingenieurs, door een oplossing voor een groot probleem op een kleinschalig niveau tastbaar en ervaarbaar te maken. Het is niet alleen bedoeld om het begrip te versterken van de natuurkundige fenomenen drijfvermogen en elektromagnetische inductie, maar ook om de kans te bieden om zelf na te denken over milieuvriendelijke oplossingen voor een duurzame toekomst.

Hieronder zullen de onderdelen benoemd worden die wij zelf hebben gebruikt. Echter, dit is niet de enige manier om de Buoyaninator te maken. Wees dus niet bang om zelf na te denken over vervangend materiaal!

Watercontainer

1. Kliko of een andere grote bak.
2. Perspex plaat 20 m^2 3mm dik
3. MDF plaat 0.4 m^2 - 6 mm dik
4. 2 vellen karton/stevig papier 0.4 m^2

Drijver

1. PET fles 1.5 liter
2. 5 sterke magneten
3. 1 zwakkere magneet
4. 4 plastic magneet verdelers
5. 0.05 m^2 lasersnij hout - 3 mm dik

Spoel

1. 80 meter gelakt koperdraad met een dikte van ongeveer 0.2 mm
2. PVC buis met een diameter van 3.6 cm en 12 cm lang
3. Breadboard
4. Weerstand 120Ω
5. Rode LED
6. 2 jumper draden

Schoepenrad

1. Grijphaak
2. Tandriem HTD8 20 mm 1.20 m lang
3. Servo motor + één vier-tand servohoorn + schroef
4. Arduino
5. Breadboard
6. Drukknop Component
7. Potentiometer
8. Batterij
9. 20 jumper draden

Overig

1. MDF plaat 300x450mm van 6mm dikte
2. 5 draadeind van 70 cm van 6mm diameter
3. 2 draadeind van 9 cm van 6mm diameter
4. 6 draadeind van 3.3 cm van 6mm diameter
5. Waterdichte kit/lijm
6. 34 moeren

Gebruikte gereedschap

1. Lasersnijder
2. 3d-printer
3. Schuurpapier
4. Boormachine
5. Houtzaag
6. IJzerzaag

Allereerst zullen we beginnen met het maken van de drijver. Vul de fles met een klein laagje water van ongeveer een half glas en pak de magneten erbij. (Mocht de motor uiteindelijk niet sterk genoeg zijn om de fles omlaag de duwen, vul de fles dan met meer water.)

Let er op dat deze magneten vrij sterk zijn en zullen met voorzichtigheid behandeld moeten worden.

Bevestig om en om de sterke magneten met tussen elk paar een magneet verdeler. Plaats vervolgens de zwakkere magneet aan de onderkant van de dop van de PET fles en plaats de stapel sterke magneten aan de andere kant van de dop. Draai nu de dop voorzichtig dicht.

Om de drijver in een rechte lijn omhoog te geleiden in het water, zijn er houders ontworpen. De houders zijn zodanig ontworpen dat ze precies om de fles die wij hebben gebruikt heen passen. Let er dus op dat er mogelijk aanpassingen gemaakt moeten worden op de diameter indien je een andere fles gebruikt.

Snijd het bestand twee keer uit met een lasersnijder. Zet vervolgens het hout om de fles, zoals op de tweede foto is weergeven. Lijm het vast aan de fles als het niet stevig genoeg zit.

Er zijn vier rechthoekige gaten toegevoegd in het bestand die kunnen dienen als extra stevigheid door er verticale tussenstukjes van hout tussen te plaatsen.

Het bijgevoegde bestand bevat ontwerpen voor tandwielen die passen op de gebruikte tandriem. Daarnaast bevat het ring ontwerpen die bedoelt zijn voor de uiteindes van de spoel.

Gebruikt de MDF plaat van 300x450mm van 6mm dikte om dit bestand te laser snijden.

Lijm vervolgens de halve cirkel en twee kwart cirkels zodanig tussen twee hele cirkels dat je in totaal 3 gaten hebt op 12, 3 en 6 uur van minstens 6 mm breed. Herhaal dit proces zodat je twee houten cilinders hebt. Lijm vervolgens beide onderdelen op de boven-en onderkant van de PVC buis. Let er op dat de gaten boven en onder aan dezelfde kanten zitten.

Lijm vervolgens drie tandwielen aan elkaar vast. Merk op dat je dan uiteindelijk twee tandwielen hebt met een gat in het midden en één tandwiel met een ingang voor de servohoorn.

Indien je niet toegang hebt tot een automatische spoel wikkelaar, zul je de spoel met de hand moeten wikkelen. Plak hiervoor een uiteinde van de koperdraad vast met tape aan een zijkant van de PVC buis. Wikkel vervolgens de koperdraad strak en netjes naast elkaar van de ene naar de andere kant totdat het koperdraad op is. Tape het andere uiteinde van de draad af naar de zijkant. Verwijder vervolgens de isolatie van de uiteindes van het koperdraad en soldeer de uiteindes vast aan een lange male jumper kabel.

Test eventueel met een multimeter of de spoel goed geleid door de weerstand ervan te meten.

Voor de opstelling is het belangrijk dat alles stabiel en stevig staat. Hiervoor is het nodig dat de onderkant van de container recht staat. Indien de onderkant niet recht is, dan is het handig om dit recht te maken met behulp van een houten bodem. Maak hiervoor een template met karton en zaag vervolgens MDF hout in die vorm twee keer uit. De eerste bodem lijm je stevig vast op de bodem van de container zodanig dat dit waterpas is. De tweede bodem zal gebruikt wordt als onderplaat voor de opstelling.

Voor deze stap zijn de draadeind stangen nodig en de onderplaat die gemaakt is in stap 5. Meet van te voren af waar de draadeinden voor de drijver en het schoepenrad gaan komen. Boor op deze plekken gaten van 6mm en monteer de 70 cm draadeinden in de bodem. Zet vast met moeren aan beide kanten.

Boor vervolgens overeenkomende grotere gaten in de bodem die gelijmd is in de container. Hier zullen de uitstekende moeren van de onderplaat in passen waardoor de plaat plat op de onder bodem gezet kan worden.

Om de opstelling stabiel te houden is er een plafond nodig waar het draadeind uiteindelijk in gemonteerd wordt samen met de onderplaat die gemaakt is in stap 5. Meet hiervoor de bovenkant van je container af, teken weer af op karton, en zaag het uit MDF hout.

Boor vervolgens gaten in de plaat die overeenkomen met de bodem en maak een extra gat bij de spoel gaten voor de bedrading. Zaag vervolgens een gat waar de motor, tandwiel, en grijphaak uit zal steken zoals weergeven in de foto.

Om te kunnen zien wat er gebeurd tijdens het experiment moet er een gat gemaakt worden in de container. Als het gat is gesneden zullen de randen een geschuurd moeten worden zodat de lijm/kit beter plakt. Bewerk de perspex plaat zodanig dat het net iets groter is dan het gat. Plak vervolgens de perspex plaat met waterdichte lijm/kit tegen de binnenwand van de container bij het gat.

Print de 12 t-splitsingen uit op de 3D-printer uit het bijgevoegde bestand. Zet de fles tussen de draadeinden en monteer de T-splitsingen vervolgens met moeren op de plek waar de spoel en tandwielen komen aan de draadeinden die gemonteerd zijn in de onderplaat. Bevestig vervolgens de tandwielsysteem met de twee 9 cm draadeind en de spoel met zes 3.3 cm draadeind, met de tandriem er tussen zoals op de foto is weergeven. Indien dit niet stevig genoeg is kan er lijm/kit gebruikt worden om de horizontale draadeind te bevestigen aan de t-splitsingen.

Wanneer dit is gedaan en alles stevig vast staat, bevestig dan het plafond boven op de opstelling en leid de spoel draadjes door de gemaakte gat voor de bedrading. Bevestig ten slotte de servo motor op het plafond door het gat heen.

Het schoepenrad wordt aangedreven door een Arduino. Bevestig hiervoor de viertandige servohoorn aan het motor tandwiel en maak het circuit zoals weergeven in tweede foto. Bijgevoegd is de code voor het aandrijven van de motortandwiel. De potentiometer zorgt ervoor dat je de snelheid kan aanpassen en de rotatie kan omkeren. Met de knop kan je de beweging starten of stoppen.

Voor de spoel kan je de draadeindes door het gat in het plafond heen leiden die gemaakt was voor de bedrading. Vervolgens kan een breadboard gebruikt worden voor het aansluiten van het circuit die weergeven is in de derde foto.

Als alles tot nu toe gelukt is, is het nu tijd om de container te vullen met water, de motor aan te zetten en de opstelling zijn ding te laten doen.