Gezocht: (meetresultaten van) experimenteel onderzoek ivm fietsen

[nicolevelo]

Beste Wereldfietsers

Met de veelheid aan ervaren techneuten op dit forum dacht ik dat mijn vraag hier weerklank kan vinden. Het gaat over het volgende:

als docent wiskunde-natuurkunde (en fervent fietsster) ben ik op zoek naar experimenteer-voorbeelden rond het thema fietsen in de ruime betekenis. Dat kan een onderzoek zijn over rolweerstand, wind, remafstand, elektrische aandrijving, werking dynamo, zonne-laders, gps, invloed gewicht, geometrie, biometrie, materialen, verlichting, rendement, kortom alles wat met fietsen te maken heeft en waarin verbanden tussen verschillende parameters aan bod komen.

Concreet zoek ik

1) ruwe meetresultaten van gedane experimenten, inclusief de beschrijving van de experimenten, en die als basismateriaal kunnen dienen om te leren verbanden zoeken tussen grootheden, puur wiskundig zonder het experiment uit te voeren.
2) hands-on experimenten om zelf uit te voeren en die tot 1) leiden. Dus onderzoekjes die zonder teveel materiaalbenodigdheden in schoolverband kunnen uitgevoerd worden en kwantitatieve metingen opleveren.

Het betreft leerlingen in een richting wetenschappen-wiskunde in het secundair onderwijs. De voorbeelden mogen variëren van eenvoudig naar best wat uitdagend.

Dank op voorhand!

[WimB]

Iets wat mij jaren geleden is opgevallen. Daar een filmpje van gemaakt.

Een heel eenvoudige test wat betreft luchtweerstand. Twee fietsers dalen een lange helling af. Laat een fietser zijn hand/arm op de rug doen.

[math]

Er is op dat gebied zo veel materiaal, dat is hier niet op te sommen.

Je zou kunnen beginnen met het doorlezen van artikelen van anderen die over die vraag hebben nagedacht, bv.
The bicycle, a vehicle for teaching physics : https://web.phys.ksu.edu/papers/2005/Th ... _india.pdf
Physik des Alltags am Beispiel der Energetic des Fahrrad : https://www.uni-muenster.de/imperia/md/ ... alltag.pdf
Didaktik zu Fahrradphysik : https://www.physik.uni-augsburg.de/did/ ... physik.pdf
Das Fahrrad in Anfangsunterricht Physik : https://www.imst.ac.at/imst-wiki/images ... _Oudin.pdf

Ik herinner me een proefschrift aan een Duitse universiteit van iemand die op het onderwerp 'Fysica-onderwijs aan de hand van fietsen' is gepromoveerd. Ik herinner me zijn naam nu niet en kan het proefschrift ook niet meteen vinden. Komt misschien nog.

Het leukst zijn proefjes die je met eenvoudig gereedschap kunt uitvoeren. Als je een datalogger hebt, kun met een gewone fietscomputersensor de wielsnelheid heel precies registreren als functie van de tijd. Ik gebruikte dat om de lagerwrijving en luchtweerstand van wielen te meten. Je kunt hiermee ook door uitdrijven (dus niet trappen) de rolweerstand en de luchtweerstand van een fietser bepalen (in principe; het is experimenteel niet gemakkelijk, maar wel leerzaam).

Een mooi proefje is ook het meten van de massatraagheid van wielen met een 3-punts pendel. Zie https://www.youtube.com/watch?v=63mLdUaN7HU (hij gebruikt een 4-punts pendel, maar 3 is beter).
Ook leuk : https://www.youtube.com/watch?v=5cRb0xvPJ2M

[math]

Ik wilde 3-punts corrigeren in 3-draads, maar gebruikte de verkeerde toets.

[Leon]

Er is op dat gebied zo veel materiaal, dat is hier niet op te sommen.

Dat is deel van het probleem.

Oubollig, maar wel een standaardwerk, heel leesbaar en vol met tabellen en grafiekjes die ideeën kunnen opwekken is het boek Bicycling Science van Frank Rowland Whitt and David Gordon Wilson, 1e ed. 1982, MIT Press.

Het leukst zijn proefjes die je met eenvoudig gereedschap kunt uitvoeren. Als je een datalogger hebt, kun met een gewone fietscomputersensor de wielsnelheid heel precies registreren als functie van de tijd.

Maar hoe?

Ik heb hier vorige week nog 'beloofd' om filmpjes die ik eens gemaakt heb opnieuw uit te werken.
Je kunt namelijk, als je een stip op de band schildert en een camera of smartphone op het stuur monteert die de langskomende stip filmt, aan de hand van de beeldnummers, beeldjes hebben een nummer, het tijdstip van elke omwenteling behoorlijk goed registreren. Dat lukt het best met een camera die veel beeldjes per seconde maakt. Ik deed dat met een canon ixus HS117 (?) die ik eens voor 85 euro kocht (nieuw) en waar een functie op zat van 240 beeldjes per seconde. Dat was weliswaar met belabberde beeldkwaliteit, maar goed genoeg. Belangrijk is dat de camera vast gemonteerd wordt, want - subtiel - het hele beeld wordt niet exact op hetzelfde moment geregitreerd.
De rest is vooral uitwerken van wat wiskunde in excel. Heel nuttig voor op school dus.
Het lastigste is dan nog het vinden van een goed experiment en in kaart brengen van de variabelen, wat meestal het grootste probleem vormt.

[nicolevelo]

Dank Math voor de vele ideeën.

@ Leon: inderdaad is het lastigste het opzet van het experiment en het filteren van de relevante variabelen. Daarom worden de leerlingen eerst vertrouwd gemaakt met het wiskundige gedeelte: aan de hand van gegeven meetwaarden gaan ze een wiskundig verband achterhalen en indien mogelijk een formule opstellen. Pas daarna zullen ze zelf experimenten uitvoeren en vervolgens hun eigen meetgegevens wiskundig analyseren.

Ik ben dus in de eerste plaats en op korte termijn op zoek naar concrete resultaten van meetexperimenten. Kwantitatieve gegevens.

[Leon]

@ Leon: inderdaad is het lastigste het opzet van het experiment en het filteren van de relevante variabelen. Daarom worden de leerlingen eerst vertrouwd gemaakt met het wiskundige gedeelte: aan de hand van gegeven meetwaarden gaan ze een wiskundig verband achterhalen en indien mogelijk een formule opstellen. Pas daarna zullen ze zelf experimenten uitvoeren en vervolgens hun eigen meetgegevens wiskundig analyseren.
Ik ben dus in de eerste plaats en op korte termijn op zoek naar concrete resultaten van meetexperimenten. Kwantitatieve gegevens.

... het lijkt op iets met een speld in een hooiberg, maar dan anders. Is het raar dat ik dit een rare opzet vindt?

[math]

Maar hoe?

Die camera levert je heel veel huiswerk. Je moet elk beeldje apart bekijken of de witte streep in beeld is en hoe dicht hij van het markeringspunt af is, het beeldnummer noteren, de data invoeren in Excel, etc.

Ik gebruik een bedrade wielsensor, zet een 9V batterij in serie met de sensor en bemonster het sensorsignaal met een datalogger (DATAQ-145) die 240 keer per seconde meet. Dan krijg je bijvoorbeeld dit signaal (uitreksel ; elk ruitje is een meetpunt)



Alleen als de magneet voorbij de sensor komt wijkt het signaal duidelijk van 0V af. Je destilleert uit deze grote meetfile de tijdsintervallen, daaruit bereken je afgelegde weg, snelheid en versnelling als functie van de tijd.

[Bertv]

Ken je de blog van Wim Schermer? Hij doet metingen naar de rolweerstand van banden en heeft daar inmiddels een behoorlijke hoeveelheid meetgegevens van: http://wimschermer.blogspot.nl/search/label/Almotion

[nicolevelo]

Ken je de blog van Wim Schermer? Hij doet metingen naar de rolweerstand van banden en heeft daar inmiddels een behoorlijke hoeveelheid meetgegevens van: http://wimschermer.blogspot.nl/search/label/Almotion

Perfect, dankjewel!

[math]

Is dit niet een mooi experiment om de rolweerstand van een driewieler en de uitstroomsnelheid van gas met elkaar in verband te brengen?
Je moet alleen Walter Lewin nog vragen om een spaakmagneetje en wielsensor te monteren en de gasfles voor-en-na te wegen.

[nicolevelo]

Is dit niet een mooi experiment om de rolweerstand van een driewieler en de uitstroomsnelheid van gas met elkaar in verband te brengen?
Je moet alleen Walter Lewin nog vragen om een spaakmagneetje en wielsensor te monteren en de gasfles voor-en-na te wegen.

zalig!

[supermario]

Je moet beslist eens kijken op de site van ernie frieke bikeboosting. Hij is leraar wiskunde en werktuigbouwkunde en heeft de afgelopen 20 jaar veel voor verschillende vak bladen onderzoek gedaan naar alle technische aspecten van de fiets.

Mario

[math]

Voor de mensen die dit topic tot hier gevolgd hebben maar tot vandaag nog nooit gehoord hadden van Walter Lewin (en dus waarschijnlijk weinig interesse hebben in natuurkunde) : kijk of je toch niet 1 uur van je leven kunt uittrekken voor iets wat je nooit meer zult vergeten.

[Ritch The Fridge]

Niet exact wat je vraagt maar wel iets wat volgens mij leuk als leerstof is:
De leerlingen uitleggen waarom een fiets die vooruit rolt stabiel blijft en niet omvalt.
Je komt dan oa bij het verschijnsel precessie uit. Daar valt ook aan te rekenen alhoewel dat meer iets voor een TU is. Ik heb nog ergens een syllabus waar het in staat. Je kunt experimenteren met een wiel die je in je hand laat draaien en dan het wiel aan een zijde van de as vasthouden.
Zie ook http://www.science.uva.nl/student/scoop ... aradox.pdf

[Shadow]

Je moet beslist eens kijken op de site van ernie frieke bikeboosting. Hij is leraar wiskunde en werktuigbouwkunde en heeft de afgelopen 20 jaar veel voor verschillende vak bladen onderzoek gedaan naar alle technische aspecten van de fiets.

Mario

Ja check, heeft iemand Wim Schermer al genoemd? Check! Ik ben weer een avond zoet

[nicolevelo]

Ja check, heeft iemand Wim Schermer al genoemd?

Wim Schermer werd hierboven al genoemd door Bertv. Interessant!

[Leon]

Niet exact wat je vraagt maar wel iets wat volgens mij leuk als leerstof is: De leerlingen uitleggen waarom een fiets die vooruit rolt stabiel blijft en niet omvalt.

Als je iets uitlegt moet je het goed doen en dit lijkt me te gecompliceerd voor de middelbare school.
Het is overogens niet waar dat als je een fiets zonder berijder een zet geeft dat die overeind blijft zolang hij snelheid heeft. De meesten vallen gewoon om.

[nicolevelo]

Allemaal bedankt voor de vele interessante reacties. Omdat het topic ondertussen wat aan het verbreden is, hierbij nogmaals mijn vraag wat strakker geherformuleerd:

Ik ben op zoek naar artikels over wetenschappelijk onderzoek ivm fietsen (elk aspect is OK, vb rijgedrag, rendement, biometrie... ), waarin een beschrijving van het opzet aanwezig is plus de ruwe kwantitatieve meetresultaten. Bedoeling is dat leerlingen secundair onderwijs met de meetresultaten aan de slag gaan voor het oefenen van wiskundige vaardigheden over zoeken van verbanden tussen parameters.

Mijn tweede vraag, voorbeelden van (hands on) experimenten om in schoolverband uit te voeren, is op dit moment minder belangrijk, maar uiteraard wel leuk voor de gebruikers van dit forum.

[WimB]

Als je iets uitlegt moet je het goed doen en dit lijkt me te gecompliceerd voor de middelbare school.
Het is overogens niet waar dat als je een fiets zonder berijder een zet geeft dat die overeind blijft zolang hij snelheid heeft. De meesten vallen gewoon om.

Lijkt mij een leuke opdracht voor op het schoolplein.