In deze box onderzoeken we de relatie tussen kracht, afstand en massa.
Met een set onderdelen monteren en demonteren de kinderen zelf een hijskraan.
De kraan wordt gebruikt om drie verschillende onderzoeken te voeren.
In het eerste onderzoek ontdekken de kinderen hoe een massa zich gedraagt als deze dichter of verder van een draaipunt bevindt.
In een tweede onderzoek ondervinden de kinderen hoe het draaipunt afhankelijk is van de vorm van de kraan. Het zwaartepunt wordt verplaatst door de aanwezigheid van extra massa.
Het derde onderzoek leert de kinderen welke voordelen en nadelen er verbonden zijn aan het gebruik van meerdere katrollen.
Het bouwen duurt ongeveer 20 minuten
Reken per onderzoek met bespreking 15 minuten.
Extra box ter info met constructiefiche, voorlopig niet te huur
Minimumdoelen vierde (*) en zesde leerjaar
Natuurkundige verschijnselen:
3.5.1 De leerlingen kennen de volgende begrippen: de kracht, de massa, de plaats, de beweging
3.5.2 De leerlingen kennen kracht en beweging:
- gewicht als kracht en massa als maat voor de hoeveelheid materie van een bepaalde stof.
- effecten van krachten: verandering van bewegingstoestand.
- de relatie tussen kracht en de verandering van de beweging bij een bepaalde massa. (*)
- de relatie tussen massa en de verandering van de beweging bij een bepaalde kracht. (*)
3.5.7 De leerlingen kunnen natuurkundige verschijnselen onderzoeken met behulp van de onderzoekscyclus.
Systematische en methodische benadering van wetenschappelijke en technologische problemen
Onderzoekende houding
3.6.1 De leerlingen kennen de volgende begrippen: de onderzoekscyclus, eerlijk onderzoeken, verkennen, onderzoek opzetten, onderzoek uitvoeren, concluderen, presenteren.
3.6.2 De leerlingen kennen de onderzoekscyclus als een gestructureerde aanpak met de volgende fasen: verkennen, onderzoek opzetten, onderzoek uitvoeren, concluderen, presenteren.
3.6.3 De leerlingen kunnen een onderzoek opzetten met behulp van de onderzoekscyclus.
3.6.4 De leerlingen kunnen de volgende basisprincipes van eerlijk onderzoek toepassen: gecontroleerde omstandigheden, reproduceerbaarheid.
Technologie
Technische systemen hanteren (*)
3.7.1 De leerlingen kennen de volgende begrippen: monteren, demonteren. (*)
3.7.2 De leerlingen kennen basisgereedschap voor montage en demontage. (*)
3.7.3 De leerlingen kunnen basisvaardigheden toepassen bij het monteren en demonteren van technische systemen. (*)
Technische systemen beschrijven
3.7.7 De leerlingen kennen de volgende begrippen: de hefboom, de katrol, het technische systeem, de vormgeving, het design.
3.7.9 De leerlingen kennen de werking van technische systemen op basis van kennis over natuurkundige verschijnselen.
3.7.10 De leerlingen kunnen de werking, de bouw en de materiaalkeuze van technische systemen analyseren en beschrijven.
Wiskunde: overkoepelende inzichten en vaardigheden
2.3.4 De leerlingen kunnen meten en metend rekenen voor lengte, massa.
Verloop
Voorkennis bevragen
Toon een aantal prenten van een echte hijskraan en bekijk eventueel een speelgoedhijskraan.
Let erop dat je verschillende modellen hebt.
Sommige hebben ballast (betonblokken) aan het onderstel of de tegengiek.
Andere kranen zijn mobiel of hebben ook een tuikabel om de giek en mast te ondersteunen.
Terwijl de leerlingen vertellen wat ze zien gebruik je zelf de correcte woorden om te herhalen.
We bespreken er enkele:
Het onderstel: zorgt voor stabiliteit.
De mast: het verticale gedeelte van de kraan.
De giek: de lange horizontale of schuine arm waarmee lasten worden verplaatst.
De tegengiek: kortere arm aan de achterkant.
Ballast of contragewicht: zware blokken die het gewicht van de last compenseren.
De last: de massa die omhoog getild wordt.
Hijslier (lier): rolt de hijskabel op en af,
Motor en aandrijving: zorgen voor het hijsen en draaien. (bewegingsenergie)
Katrol: geleidt de kabel.
Takel: combinatie van vaste en losse katrollen (meer info later) die samenwerken.
Hijskabel: stalen kabel waarmee de last wordt geheven.
Kat of loopkat: beweegt over de giek om de last dichter of verder van de mast te verplaatsen.
Kraancabine: werkplaats van de machinist.
Steunpoten (bij mobiele kranen): uitschuifbare poten voor extra stabiliteit.
Laat leerlingen vragen bedenken. Je kan dit voordoen door zelf enkele vragen te stellen.
- Waarom is de kraan geel of rood?
- Hoe kan het dat een kraan niet omvalt?
- Wat gebeurt er als het stormt?
- Waarom zijn er meerdere staalkabels?
- Hoe bereken je hoeveel kilo je kan tillen of hoeveel betonblokken je nodig hebt?
- Hoe zwaar is zo’n betonblok? …
De kraan monteren
Laat de kinderen per 2 of per drie werken aan een bouwkaart.
Sta even stil bij de volgende woorden:
Technisch systeem: een hijskraan is een systeem om aan een behoefte te voldoen.
Monteren: gereedschap gebruiken om onderdelen aan elkaar te bevestigen.
De leerlingen zetten de onderdelen in elkaar met een steeksleutel en bouten.
Ze kloppen daarbij een bout in een gat, schuiven er een sluitring op en draaien een bout vast.
Op het bouwplan staat een foto wat er gebouwd moet worden.
Elke kraan is verschillend om verschillende krachten of de werking van de hefboom te tonen.
Je kan inpikken op de vragen uit de brainstorm.
We kiezen volgende onderzoeksvraag bij dit onderzoek:
- Waarom kantelt de kraan niet om bij het tillen van een last?
- Hoe kan de kraan een zware last tillen met minder kracht?
Onderzoek 1: de balans (hefboom)
Bij dit onderzoek stellen leerlingen vast dat de giek kan kantelen wanneer twee gelijke massa's op verschillende afstanden van de mast hangen. Dit komt doordat niet alleen de massa belangrijk is, maar ook de afstand tot de mast.
Hoe verder een massa van de mast verwijderd is, hoe groter haar invloed op de giek.
Om de giek in evenwicht te houden, moet het moment aan beide kanten gelijk zijn.
Het moment wordt bepaald door: massa × afstand
Bijvoorbeeld:
- Je hangt op de tegengiek een ballast van 1 kg op 15 cm van de mast.
- Als je op de giek een last van 1 kg hangt op 15 cm afstand is de giek in balans.
- Wanneer je de last 30 cm van de mast hangt zakt de balans omlaag.
- Dan heb je 2 kilo nodig als tegengiek om dit te compenseren.
- Er is 3 kilo ballast nodig om 1 kilo in balans te houden op 45 cm.
Hoe verder een last van de mast hangt, hoe groter haar hefboomwerking.
Een grotere ballast kan die grotere afstand compenseren.
Onderzoek 2: het draaipunt
Bij dit onderzoek is de giek niet in balans maar de schuine verbinding en het onderstel zorgen ervoor dat de hijskraan overeind blijft. Net zoals bij een echte hijskraan is de giek niet in het midden vastgemaakt. Hiermee is er niet langer een draaipunt op de plek waar de giek vastgemaakt is. Het draaipunt verschuift dus naar het onderstel. Kinderen stellen vast dat de hijskraan kantelt bij het vastmaken van een last. Benoem het nieuwe draaipunt.
Er zijn meerdere oplossingen om extra ballast toe te voegen.
Dit moet aan de andere kant van het draaipunt:
- Aan de tegengiek.
- Op het onderstel.
Mobiele hijskranen zijn onderaan verzwaard, het tegengewicht is aan de voet van de mast.
Onderzoek 3: de katrol en de takel
Bij dit onderzoek is het belangrijk de woorden correct te gebruiken.
Katrol: wordt gebruikt om de richting te veranderen, je trekt omlaag en de last gaat omhoog.
Takel: combinatie van vaste en losse katrollen (meer info later) die samenwerken.
Lier: bij een echte hijskraan wordt niet manueel maar machinaal getakeld.
Een door een motor aangedreven as draait en rolt zo een kabel op.
Met één katrol moeten de kinderen best hard trekken om de last te tillen.
Er is dan maar 1 dragend touwdeel (waar de last aan hangt).
Bij het gebruik van twee of meer katrollen zijn er twee soorten katrollen:
Vaste katrol: deze katrol hangt vast aan de giek en verandert de richting van de trekkracht.
Losse katrol: deze katrol hangt aan de last en gaat mee omhoog en omlaag.
Het voordeel aan een takel is dat je minder kracht nodig hebt om te trekken.
De kracht die nodig is om de last te tillen wordt gedeeld door het aantal touwdelen.
Bij 2 dragende touwdelen moet je de helft van de kracht leveren.
Bij 3 dragende touwdelen moet je ongeveer 1/3 van de kracht leveren.
Bij 4 dragende touwdelen moet je ongeveer een kwart van de kracht leveren.
Het nadeel aan een takel is dat je meer touw (of staalkabel in het echt) nodig hebt.
Als je bijvoorbeeld 2 katrollen gebruikt, dan heb je dubbel zoveel touw nodig.
Ook moet je meer katrollen aankopen.
Opmerking:
Het onderstel is naar voor gericht omdat het contactoppervlak met de tafel voor extra weerstand zorgt en de kinderen de hijskraan niet vast hoeven te houden terwijl ze trekken.