DEF Groep 38 2025 - Spoelhotwheelsbaan

We hebben een Hotwheels installatie gebouwd waarin een auto met een magneet op Hotwheels baan van een houten helling afrolt. Hierbij wordt zijn snelheid gelogd en paseert hij een spoel waarbij hij een LED laat oplichten. Op dit traject is het mogelijk om zwaarte-energie te zien veranderen in kinetische energie en vervolgens in elektrische energie. Het resultaat is een betaalbare, interactieve demo die meerdere energieomzettingen zichtbaar en meetbaar maakt voor elke natuurkundeles.

De materialen, gereedschappen en skills die benodigd zijn voor het recreëren van de opstelling zijn hieronder opgesteld.

Materialen voor de baan:

1. Houten balken voor support. Wij hebben 4 vurenhouten balken van 40x70x210 cm gebruikt.
2. Gladde houten (laminaat) plank.
3. Metalen schroeven om in hout te boren.
4. Metalen versterkingshoeken
5. 5 Hotwheels baanstukken.
6. Duct tape

Materialen voor de auto:

1. Neodymium staafmagneet Ø 10 mm, hoogte 40 mm. Wij hebben deze gebruikt.
2. Hotwheels auto waarbij het lichaam uit elkaar kan worden gehaald.

Materialen voor de spoel:

1. Spoel met 400 windingen, bestaande uit een vierkante spoelkern die om de baan heen past (55x53x20 mm) en 0.22mm dik spoeldraad.
2. Twee elektrische kabels om aan het spoeldraad te solderen.
3. Geisoleerde tape

Elektronica:

1. LCD Arduino display met I2c adapter.
2. 4x Infrared IR breakbeam sensors
3. 2 x Arduino Uno
4. 2x Breadboard
5. LED lampje voor in een breadboard.
6. 40 breadboard kabels

Gereedschap:

1. Decoupeerzaag
2. Accuboormachine
3. Schroevendraaier
4. Wikkelmachine voor de spoel
5. 3D printer
6. Multimeter
7. Stanleymes
8. Soldeerbout

Skills:

1. Solderen
2. Programmeren in Arduino IDE
3. Gebruik maken van een boormachine en decoupeerzaag
4. 3D ontwerp maken in Tinkercad
5. Gebruik maken van een 3D printer
6. Wikkelmachine gebruiken

Eerst moet er bepaald worden hoe hoog en hoe lang de baan moet zijn. Voor ons project is er binnen de parameters van 80x80x200cm gebleven.

Schroef eerst twee balken van 115cm lang op twee liggende balken van 70cm. Dit is de basis voor de baan. Monteer vervolgens een kleine balk aan de bovenkant tussen de twee vertikale balken zodat de hotwheels baan hier op gemonteerd kan worden. Monteer de hotwheels baan met behulp van twee supportstukken aan de balken om ervoor te zorgen dat de baan stevig vast blijft zitten. De baan moet bovenin op de kleine balk worden vastgemaakt, in het midden aan een supportstuk en onderaan aan een houten plank. Op deze manier kan de baan niet in de y richting bewegen. De baan maakt aan de bovenkant een hoek van 80/85 graden met de horizontaal om ervoor te zorgen dat de auto geen vrije val maakt, maar wel met een zo hoog mogelijke snelheid naar beneden gaat.

Maak aan de onderkant van de baan een houten laminaat plank en twee balken vast als stopstuk voor de auto waar deze tegenaan kan komen en volledig afremd zonder dat de auto kantelt of over de kop gaat. Het plankje is ervoor bedoeld om de auto te stoppen en de twee balken aan de zijkant zijn om ervoor te zorgen dat de auto niet meer naar de zijkanten kan vliegen.

Vervolgens moet de baan verhoogd worden zodat er daarna een laminaat plank onder kan worden gelegd zodat de auto naar het einde van de baan kan rollen. Monteer onder de balken 6 stukken balk. twee blokjes onder het stopstuk, twee balken onder het begin van de looping en twee balken dwars op de baan als support zodat de baan niet om kan vallen. Leg een laminaat plank tussen de twee balken schuin op de grond zodat de auto over die balken naar het eind van de baan kan rollen.

Tenslotte moet er voor de baan alleen nog een startstuk gemaakt worden. Dit is nodig zodat de auto altijd juist in de baan terecht komt zonder dat deze eruit kan vallen. Verhoog de baan met twee balken van 25cm en maak ze aan de bovenkant aan elkaar vast met een klein stuk balk. Maak een laminaat plank vast aan de voorkant zodat de auto niet uit de baan valt en leg een stukje hotwheelsbaan op het onderste kleine stukje balk zodat de auto op het stukje hotwheels baan kan worden gelegd en de baan ingaat.

Schroef de auto open om de binnenkant toegankelijk te maken.

Plaats de magneet in het daarvoor bestemde vak. In dit model past de magneet precies.

Zet de auto weer in elkaar: begin met de wielen en klik daarna de onderkant terug op zijn plaats.

Wikkel vier keer tape rond de auto om te voorkomen dat hij weer opengaat.

Nu beginnen we met het maken van de spoel. Maak voor de spoel eerst een ontwerp voor een spoelkern in Tinkercad of een ander 3D design programma. Het is belangrijk voor de spoelkern dat het ontwerp opgezette randen heeft zodat de spoel blijft zitten en dat er twee gaatjes inzitten waar het spoeldraad doorheen kan als ware het een ingang en uitgang. Het is ook mogelijk om ons design te gebruiken indien dezelfde afmetingen worden gebruikt. Laat de spoelkern 3D printen en wikkel vervolgens het spoeldraad van 0.24mm om de spoel heen voor 400 windingen. Hiervoor kan gebruik worden gemaakt van een wikkelmachine.

Soldeer twee dikkere elektrische draden vast aan het kleine spoeldraad zodat deze draden gebruikt kunnen worden in het breadboard. Het spoeldraad is erg dun en daarom erg breekbaar. Als de draden afbreken, dan werkt de spoel niet meer en moet de spoel opnieuw gemaakt worden. Plak de uitstekende uiteinden van het spoeldraad daarom met geisoleerde tape vast aan de spoel zodat alleen de grotere elektrische draden nog uitsteken. Dit zorgt ervoor dat er meer kracht op de draden kan worden gezet zonder dat de draden direct breken.

Zet de spoel tenslotte op het uiteinde van de baan neer. In stap 5 maken we deze vast aan het circuit.

Voeg op twee punten op de baan snelheidssensoren toe met duct tape om de snelheid te meten.

1. Begin met het aansluiten van de 5V van de arduino aan de plus-Kolom en een GND van de arduino aan de min-kolom van de breadboard bij de arduino (in de diagram is dit de onderste breadboard).
2. Verbind nu ook aan de plus-kolom van dit breadboard de rode draad (stroomdraad) van de IR-Transmitter en de IR-Sensor die aan het einde meten, en verbind aan de min-kolom de zwarte draad (GND-draad) van deze IR-Transmitter en IR-Sensor.
3. Verbind de witte draad (OUT-draad) van de eind-IR-Sensor aan de I8 van de arduino, te zien als de groene draad in de diagram.
4. Plaats nu ook het andere breadboard bij de plek waar de begin-sensoren gaan zijn (dit is de bovenste breadboard in de diagram).
5. Verbind nu de rode en zwarte draden van de begin-IR-Transmitter en -Sensor op de zelfde manier als bij de eind-sensoren, alleen op de begin-breadboard in plaats van de breadboard bij de arduino.
6. Verbind de witte draad van de begin-IR-Sensor aan de 1-rij van de begin-breadboard, te zien in de diagram als de roze draad van de Sensor naar de breadboard.
7. Verbind de plus-kolom van de breadboards aan elkaar, en doe dit ook met de min-kolom. Verbind ook de 1-rij van de begin-breadboard aan de I2 van de arduino, te zien als de tweede roze draad in de diagram.
8. Plaats nu de LCD-Scherm met I2C-Adapter.
9. Verbind de GND van de LCD aan de min-kolom van de breadboard bij de arduino en verbind de VCC aan de plus-kolom van dezelfde breadboard.
10. Verbind nu de SDA van de LCD aan de A4 van de arduino, te zien als de gele draad in de diagram, en verbind de SCL aan de A5 van de arduino, te zien als de blauwe draad in de diagram.

Hoe werken de sensoren

De snelheid wordt gemeten doormiddel van sensoren die bestaan uit een IR-Transmitter en een IR-Sensor, IR staat voor infrarood.

Deze sensoren werken doordat de IR-Transmitter een infraroodsignaal uitzendt dat wordt opgepikt door de IR-Sensor die tegen over de Transmitter staat. En als het karretje tussen de Transmitter en Sensor doorrijdt, komt het infraroodsignaal niet meer aan bij de Sensor en dit wordt doorgegeven aan de arduino. Als het karretje voorbij is gereden, komt het infraroodsignaal weer aan bij de Sensor en dit wordt ook doorgegeven aan de arduino

De arduino slaat de tijd op wanneer er doorgegeven wordt dat het signaal verbroken wordt en wanneer het signaal er weer is. Deze tijdstippen worden gebruikt door de arduino om te bereken hoelang het duurt voordat het volledige karretje door de sensoren is. Dit gebruikt de arduino dan om de snelheid te bereken, doormiddel van de ingegeven lengte van het karretje.

Dit gebeurt bij de begin-Sensoren en bij de eind-Sensoren.

De berekende snelheden worden daarna aan de LCD-scherm doorgegeven en deze laat ze zien op het scherm.

Spoel Arduino circuit

1. Verbind de 2 draden van de spoel (in de diagram te zien als een zonnecel) aan een kroonsteen (in de diagram te zien als een knop) en verbind aan de andere kant van de kroonsteen arduinodraden. Dit zorgt ervoor dat de spoel aangesloten kan worden aan de arduino.
2. Verbind 1 van de draden uit de kroonsteen aan en GND van de arduino en verbind de andere aan 1j van de breadboard, zoals te zien op de diagram als de rode en zwarte draad uit de knop.
3. Plaats de anode van de diode in 1g en de kathode (de kant met de streep) aan 1^e.
4. Verbind nu 1a met de A0 van arduino, te zien als de rode draad naar de arduino.
5. Plaats nu een 10 kΩ weerstand met 1 poot in 1c en de andere in 5c.
6. Verbind 5a met een GND van de arduino.
7. Verbind de I2 van de arduino met 12i op de breadboard, dit is de groene draad in de diagram.
8. Plaats een 220 Ω weerstand met 1 poot in 12g en de andere in 12^e
9. Plaats de anode van de LED (het lange pootje) in 12b en de kathode in 11b.
10. Verbind nu als laatst 11a met een GND van de arduino.

Hieronder staat de code voor de LED.

De Arduino code voor de snelheidssensoren staat in de onderstaande documenten.

Upload de code op de Arduino's.

const int analogPin = A0; // Spoel aangesloten op A0

const int ledPin = 13; // Interne LED (op veel Uno's)

const int threshold = 200; // Drempelwaarde (≈ 90 mV bij 1.1V ref)

void setup() {

pinMode(ledPin, OUTPUT);

analogReference(INTERNAL); // Gebruik interne 1.1V referentie

delay(5); // Laat referentie stabiliseren

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

int sensorValue = analogRead(analogPin);

// Debug: toon de analoge waarde

Serial.println(sensorValue);

if (sensorValue > threshold) {

digitalWrite(ledPin, HIGH); // LED aan bij puls

delay(800); // Kort zichtbaar

} else {

digitalWrite(ledPin, LOW); // LED uit

}

delay(10); // Rustig aan uitlezen

}

Nu zou je helemaal klaar moeten zijn om je opstelling te gebruiken!

Bekijk deze video voor een demonstratie