Vwo-case: Prothese voor Snowboarden

Docentenhandleiding vwo-case Prothese voor Snowboarden

Vwo-case: Prothese voor Snowboarden 1.

Inleiding

Dit is een case waarin leerlingen gebruik maken van hun net verworven kennis over natuurkundige en wiskundige onderwerpen, maar dan gerelateerd aan een uitdagend onderwerp: snowboarden. Leerlingen ontdekken zo dat ze hun natuurkundige en wiskundige kennis kunnen gebruiken om nieuwe producten te ontwikkelen waar mensen echt op zitten te wachten. Voor wie is deze sportcase geschikt? Deze case leent zich goed als afsluiting van de hoofdstukken beweging en kracht in VWO3 of als introductie van deze onderwerpen in VWO4. Deze casus is geschreven om gedurende een blokuur (2 x 50 min) behandeld te worden. De hoeveelheid stof is meer dan genoeg voor dit blokuur en het is zelfs aan te bevelen om zelf een eigen keuze te maken bijvoorbeeld gericht op behandeling van ontbinden van krachten of het werken met formules. De open vragen in de case geven leerlingen ruimte om met elkaar in groepjes te discussiëren. Voor beide leerjaren is een apart werkblad met opgaven beschikbaar. Wat moeten alle leerlingen kennen en kunnen? De minimale basiskennis bestaat uit s = v . t en het gegeven dat krachten als vectoren worden weergegeven. De ontbinding van krachten zal goed uitgelegd moeten worden, omdat dit bij de leerlingen nog niet bekend is. Dit kan bij een plaatje tijdens de PowerPoint presentatie gebeuren. Tijdsduur 2 lesuren van 45/50 minuten Heeft u nog vragen over de case of suggesties voor verbetering? Neem dan contact met ons op via het Bèta Steunpunt Zuid Holland ([email protected]). Veel plezier met deze vwo-case! de auteurs, Dick van Eekelen, docent natuurkunde, Walburgcollege te Zwijndrecht Sander Minnoye Msc Mechanical engineering and Industrial Design, TU Delft

1


2.

Opbouw van de les

Benodigdheden Beamer en laptop PowerPoint presentatie met twee filmpjes Informatieboekje voor leerlingen Werkbladen voor de leerlingen (twee versies) Het lokaal moet geschikt zijn om in groepen te kunnen werken Eventueel: model van onderbeen, personenweegschaal De leerlingen hebben bij het maken van de opgaven een ruitjesblad, potlood, liniaal en eventueel een rekenmachine nodig.

Voorbereiding Zet de beamer en laptop klaar voor de PowerPoint presentatie en het filmpje. Zet de tafels zodanig dat in groepjes gewerkt kan worden. Leg informatieboekjes en werkbladen klaar.

De les kan als volgt worden opgebouwd: 30 minuten: 30 minuten: 30 minuten:

Inleidende presentatie met film Maken van de vragen Bespreken van de vragen

De docent introduceert de student. De TU student vertelt iets over zijn achtergrond en studie/projecten en start daarna de PowerPoint presentatie.

2


3.

Toelichting bij de PowerPointpresentatie en filmpjes

Tijdens de PowerPointpresentatie worden twee filmpjes gedraaid. Slide 1 Uitleg over de VWO cases en waarom de TUDelft deze heeft ontwikkled. Introductie over deze vwo case. Het gaat over het bedenken en ontwerpen van een onderbeenprothese voor snowboarden. Dit was een afstudeerproject van Sander voor twee studies: Werktuigbouwkunde en Industrieel Ontwerpen. Sander is ook docent snowboarden en heeft Bibian, die een onderbeenprothese heeft, ontmoet tijdens het snowboarden. Tip: vraag wie wel eens heeft gesnowboard. Tip TU-student: stel je zelf voor, vertel iets over je eigen studie en misschien kort iets over je stage of afstuderen of een ander project. Het leuke van het project van Sander is dat hij er zelf voor heeft gezorgd dat hij kon afstuderen op het probleem van Bibian. Slide 2 Een introducerende film (getiteld Problemen Bestaande Prothese) die aangeeft dat er nog veel te verbeteren valt op het gebied van snowboarden met een onderbeenprothese. Eerst snowboard er een beginnende snowboarder met een onderbeen prothese, deze maakt verschillende fouten, maar dat kan nog het gevolg zijn van het feit dat hij een beginner is. Later in het filmpje zie je een gevorderde snowboarder met een onderbeenprothese. Die maakt nog steeds dezelfde fouten. Hij heeft een rare lichaamshouding en staat niet symmetrisch op zijn snowboard. Dit is te wijten aan de onderbeenprothese, die hem beperkt in zijn bewegingsvrijheid en de controle over het snowboard. De snowboarder kan met de huidige prothese onvoldoende door de knieën gaan en kan zijn/haar tenen/enkel onvoldoende gebruiken om extra druk uit te oefenen. Slide 3 Korte uitleg over de inhoud van de presentatie. De film die volgt geeft een korte samenvatting van het verhaal. - Hoe is het idee ontstaan. - Hoe is de prothese tot stand gekomen. - Hoe is deze prothese getest. In de presentatie wordt uitgelegd hoe het resultaat is bereikt en met welke dingen je daarbij rekening moet houden. Het is belangrijk dat je niet alleen naar het snowboarden kijkt, maar ook naar de anatomie van de enkel en het onderbeen. Na het bespreken van de aanpak kijken we naar de resultaten. Deze resultaten gaan de leerlingen interpreteren. Als laatste is er een extra opdracht over springen met je snowboard, waarbij bekeken wordt hoe een kicker (schans) is geëvolueerd. Slide 4/5 Film! (titel: Snowboardprothese: van idee tot resultaat)

3


Slide 6 Om te bekijken hoe de resultaten zijn bereikt, komen in de film de volgende dingen aan de orde. o Anatomie - Been & Prothese - Het verschil tussen het menselijke been en een onderbeenprothese - Bewegingsvrijheid - Het verschil tussen de bewegingen die je kan maken met een normale enkel en een enkel van een onderbeenprothese. Je kan minder ver door je knieën gaan omdat je enkel niet de bewegingsvrijheid heeft van een gewone enkel. Daardoor sta je niet symmetrisch ten opzichte van je andere been. Een gewone prothese heeft een hele andere stand in rust dan de enkel normaal zou hebben ten opzichte van het onderbeen. En als laatste kan een prothese vaak maar in één richting bewegen terwijl je bij het snowboarden een beweging in drie richtingen nodig hebt. o Snowboarden - Bochten De basis van het maken van een bocht. - Bewegingen De basis van de bewegingen om een bocht in te leiden en te wisselen van kant. - Krachten De krachten die op je lichaam werken tijdens snowboarden, zonder het maken van een bocht. Slide 7 Het verschil tussen het menselijke lichaam en een prothese is groot. Het onderbeen bestaat uit heel veel spieren en botten en een prothese niet. Een standaard onderbeenprothese is opgebouwd uit de volgende onderdelen: o Koker Dit is het gedeelte waarbij de stomp verbonden wordt met de prothese. Hier zit je stomp als het ware vacuüm gezogen in de koker. Het is erg belangrijk dat dit goed zit. Anders voelt het alsof je slechte schoenen aan hebt, alleen dan op een andere plek. o Buis De lengte van het onderbeen verschilt per persoon, daarnaast is bij de één de amputatie ook lager of hoger dan bij de ander en dus moet je prothese in lengte zijn aan te passen. Dat kan door middel van deze buis. o Adapter Ze maken bij protheses gebruik van standaard onderdelen, zodat je zelf kunt kiezen wat voor voet je op welke buis en welke koker wilt plaatsen. Daarbij plaatsen ze adapters tussen de verschillende onderdelen. Daarnaast kan men met behulp van deze adapters ook kleine aanpassingen doen ten behoeve van de uitlijning van de prothese. o Enkel In een prothese zit vaak ook een enkelgewricht. De voet kan draaien ten opzichte van het been d.m.v. deze enkel. Dit kan vaak maar in een richting, naar boven en naar beneden. Bij de menselijke enkel kan dit in meer richtingen. o Voet

4


Als laatste heeft ook elke prothese een echte voet, zodat er meer stabiliteit is bij het lopen en je schoenen kunt dragen. Prothesen zijn bijna altijd passief. Dat wil zeggen dat je niet zelf je enkel kan bewegen, maar dat de enkel alleen beweegt door erop te steunen of ermee te lopen. Tijdens het snowboarden is het erg belangrijk dat de enkel wel kan bewegen en dat de snowboarder kan bepalen in welke stand hij zijn enkel houdt om daarmee te sturen.

Slide 8 Dit zijn de bewegingen die mogelijk zijn in de enkel. Laat de leerlingen dit uitproberen en dan is te zien dat je enkel op vele manieren kan bewegen. De enkel bestaat uit twee gewrichten, het enkelgewricht en het subtalaire gewricht. o Het enkelgewricht is het bekendste gewricht en dat gewricht zit ook vaak in een prothese. o Met dit gewricht kan de voet naar beneden en naar boven bewegen. o Het andere gewricht is veel complexer, te zien in het plaatje rechts. o Hiermee kan je enkel wegklappen en deze beweging bestaat uit meerdere gekoppelde bewegingen. Het zijn eigenlijk drie bewegingen van de enkel ten opzichte van de voet. - Het naar boven en naar beneden bewegen. - Het naar links en rechts draaien. - Het naar links en naar rechts kantelen. o Dit is belangrijk om te onthouden, want deze gekoppelde beweging is gebruikt om uiteindelijk de nieuwe prothese aan te sturen. Slide 9 Bij het snowboarden heb je twee verschillende bochten. Omdat je zijdelings op het snowboard staat is de ene bocht anders dan de andere bocht. Bij de frontside bocht draait de snowboarder om de tenen heen. De tenen raken dan ook de sneeuw in deze bocht. In deze bocht leunt de snowboarder met het gezicht naar de helling. In de backside bocht is het precies andersom. De snowboarder draait om de hielen heen en de hielen raken ook de sneeuw. In deze bocht leunt de snowboarder met de rug naar de helling. Tip: haal een leerling die zelf snowboardt voor de klas om de twee bochten voor te doen. Slide 10 Om te wisselen van kant bij het maken van bochten wil de snowboarder zo min mogelijk druk op zijn snowboard. Je kunt je voorstellen dat het makkelijker draait van kant als je minder hard in de sneeuw drukt. Om de druk van je snowboard af te halen zijn er twee manieren. Die staan aangegeven op de slide. De eerste is een hoog ontlasting en de tweede een diepontlasting. o Bij een hoogontlasting springt de snowboarder omhoog en net zoals bij een gewone sprong kom je dan los van de grond en is er geen druk op je snowboard waardoor je makkelijker kan draaien. o Bij een diepontlasting doe je precies het omgekeerde. Door een snelle beweging naar beneden zak je door je knieën, hoe sneller je dit doet hoe minder druk er op de sneeuw is en je dus makkelijker kan draaien.

5


Onder zie je twee grafieken, aan de leerlingen straks de vraag om deze grafieken bij het juiste plaatje te zetten.

Slide 11 De krachten bij het snowboarden worden bekeken door stap voor stap dingen toe te voegen. Als eerste kijken we naar een snowboarder die op een vlak stuk piste staat. Dit is hetzelfde als dat je gewoon op de grond staat. Er is een zwaartekracht van je lichaam en de grond duwt terug met een normaalkracht. Slide 12 Als we nu een helling toevoegen word het iets ingewikkelder. Doordat de snowboarder op een helling staat wordt de zwaartekracht ontbonden in twee richtingen. Een deel van de zwaartekracht staat nog steeds loodrecht op de helling. En de helling duwt in de tegengestelde richting terug, de normaalkracht. Maar er is nu ook nog een deel van de kracht die in de richting van de helling naar beneden wijst. Deze kracht zorgt ervoor dat je naar beneden gaat glijden. Dit is eigenlijk hetzelfde als dat je met je fiets van een helling af gaat. De helling duwt terug, zodat je niet door de grond zakt. Maar daarnaast krijg je ook een snelheid naar beneden. Op het moment dat de snowboarder op een helling staat en hij gaat glijden krijgt hij te maken met extra krachten, de wrijvingskrachten. Er zijn twee wrijvingskrachten, de eerste van de luchtweerstand en de tweede van het glijden over de sneeuw. o Omdat de snowboarder naar beneden glijdt en snelheid heeft krijgt hij last van luchtweerstand. Hoe harder hij gaat hoe groter deze kracht wordt. o Daarnaast heb je ook last van het glijweerstand, omdat er twee oppervlakken over elkaar glijden, het snowboard glijdt over de sneeuw. Deze twee krachten werken het naar beneden glijden tegen. Slide 13 Alle vorige inzichten heeft Sander gebruikt om de prothese te ontwerpen. Uiteindelijk is dit het resultaat geworden. De nieuwe prothese is ontworpen zonder koker. Omdat er gebruikt is gemaakt van adapters kan de koker die de snowboarder normaal gebruikt gewoon hierop gezet worden. Dit heeft als voordeel dat de koker in ieder geval goed zit. In de prothese zijn twee scharnieren te zien die kunnen bewegen. De éne is het enkel gewricht en de andere het subtalaire gewricht. o De onderste is het enkel gewricht, en zorgt voor beweging naar boven en naar beneden. o De andere is het subtalaire gewricht en deze as zit op een hele rare manier in de voet, waardoor bewegingen gekoppeld zijn. Doordat de snowboarder zijn been naar buiten of naar binnen beweegt op zijn snowboard kan hij nu zijn enkel extra naar boven of naar beneden laten bewegen. Voordoen! Dit kan je laten zien door zelf te gaan staan en je knie naar buiten en naar binnen te bewegen. Daarnaast zit er in plaats van een normale buis boven de voet nu een speciale demper. Deze demper is te vergelijken met de voorvering van een mountainbike. Het is voor te stellen dat er veel trillingen zijn tijden het snowboarden,. Deze trillingen worden normaal opgevangen door de enkel en de onderbenen, maar dat is nu veel moeilijker omdat de

6


snowboarder geen echte enkel heeft. Daarom is er een demper ingezet zodat alle trillingen niet op de stomp komen maar netjes verdwijnen in de demper. Er zit ook nog een ring bovenaan, deze zorgt er alleen maar voor dat de prothese goed in de schoen past, ter vervanging van de kuit. In dit plaatje is te zien hoe de uiteindelijke prothese in de schoen past. Er is nog een rubberen voet om de prothese heen gedaan om te zorgen voor een betere pasvorm.

Slide 14 In het filmpje is te zien dat er metingen gedaan zijn naar het snowboarden met de nieuwe prothese. Sander en Bibian wilden weten hoe goed de nieuwe prothese werkt. De metingen zijn gedaan door op zes belangrijke plekken in de bocht door middel van videobeelden de bewegingen van de enkel en de knie vast te leggen. Dit zijn de instuurfase, de glijfase en de uitstuurfase van de frontside en de backside bocht. Later zijn aan de hand van deze videobeelden de hoeken in de enkel en de knie bepaald. De metingen van de hoeken zijn gedaan om te kijken of de bewegingen van de enkel en de knie overeen komen met de bewegingen van iemand die snowboard zonder onderbeenprothese. Op deze manier kan je zien hoe je enkel en je knie bewegen. Er staat op deze plekken in de bocht een camera loodrecht op de snowboarder, om het wegklappen van de enkel te meten en een camera in lijn met de snowboarder om het naar boven en naar beneden bewegen van de enkel en de buiging van de knie te meten. Deze metingen geven een bepaald resultaat. In de volgende figuren staan de drie bewegingen die gemeten zijn. In deze figuur staat de beweging van de enkel naar boven en naar beneden. In de figuur zie je hoe snowboarden met een normaal been gaat, met een oude prothese en met de nieuw ontworpen prothese. De klas moet tijdens de opdrachten na de presentatie bepalen of er een verbetering is en wat daarbij de argumenten zijn. Slide 15 Deze slide laat de resultaten zien voor het wegklappen van de enkel. Slide 16 Deze slide laat de resultaten zien voor het buigen van de knie. Slide 17/18 In de laatste slides staan een paar voorbeelden van het springen tijdens het snowboarden en is de verandering van deze sprongen te zien door de jaren heen. Hier komt een opdracht over later in de les. Vroeger sprongen de snowboarders gewoon op een heuveltje dat op de piste lag. (plaatje 1) Maar naarmate de sprongen groter werden, zorgden ze ervoor dat er een grotere afzet was en een betere landing. (plaatje 2) Toch kan er nog veel fout gaan bij zo een sprong en uiteindelijk bedachten ze deze sprong. Waarom zouden ze zo een sprong bedacht hebben? (plaatje 3) Daarnaast springen snowboarders ook in de halfpipe, en dan ziet de sprong er als volgt uit. Hierbij kan de snowboarder heel hoog gaan zonder dat hij hard neerkomt, toch zitten ook hier gevaren aan. (plaatje 4) En als laatste is er de nieuwste trend om over hekjes en bankjes heen te glijden, dit komt uit het skateboarden. Wat kan er allemaal fout gaan bij zo een sprong en stel nou

7


dat het wel helemaal goed gaat, waarom is dit dan vaak toch niet zo goed voor je lichaam? (plaatje 5)

Slide19 Vragen

8


4.

Uitwerking van de opgaven

De antwoorden treft u hieronder aan. De opgaven voor klas 3 en 4 verschillen iets van elkaar. Opgave 1 en 2 zijn voor vwo 3 en 4 volledig gelijk. Dit geldt ook voor de opgave over het springen. De antwoorden voor opgave 3 zijn voor beide klassen afzonderlijk gegeven. Opgave 4 wordt alleen door vwo 4 gemaakt. Een toelichting op het gebruik van deze opgaven in de klas is te vinden in hoofdstuk 2 van deze docentenhandleiding.

Opgave 1

Wat gaat sneller: snowboarden of skiën?

a. Bibian gaat sneller, ervan uitgaand dat de skiër in een rechte lijn naar beneden skiet. Als de skiër zigzaggend naar beneden gaat, dan kunnen er nog wel discussies ontstaan. Ook in combinatie met het antwoord bij vraag e is er over het antwoord te discussiëren. b. De skiër, want die heeft de kortste afstand af te leggen. Als ze dezelfde snelheid hebben wint de skiër. c. Snelheid van Bibian= Afgelegde afstand/ snelste tijd Bibian= s / t = 2740 m / 3 min 6 sec= 2740 m/186 s = 14,73 m/s d. Helling sin α = 883.9 m / 2740 m → α = 18,8o e. De snelheid van haar voeten is ongeveer 1½ x groter dan de snelheid van haar hoofd. Doordat haar hoofd min of meer in het midden van de baan blijft. Waar haar voeten een halve circel van ¶ . d afleggen, legt haar hoofd ongeveer een rechte lijn van 2d af.

VWO 4 f. snelheid = s / t = 1.7 miles/ 3 min 6= 2742 m / 186 s = 14,74 m/s g. Helling sin α = 2900 ft / 1.7 miles= 884 m/ 2742 m → α = 18,8o

Opgave 2

Ontlasting

a. • = diepteontlasting en O = hoogteontlasting b. Grafiek 1 hoort bij hoogontlasting omdat je eerst afzet en daardoor de kracht op de weegschaal toeneemt. Het zweefmoment komt daarna. Grafiek 2 hoort bij laagontlasting omdat door snel te bukken de kracht op de weegschaal meteen omlaag gaat om daarna te verhogen om weer omhoog te komen. c. Voordeel hoogontlasting: Minder belastend voor spieren dan laagontlasting. Voordeel laagontlasting: Je kunt sneller draaien in vergelijking met hoogontlasting.

Opgave 2

Krachtenspel brengt beweging

VWO 3 a/b/c. Tekenen van krachten op schaal d. Aflezen uit tekening, F-N = 600 N · cos 30o = 519.6 N Aflezen uit tekening, FS = 600 N · sin 30o = 300 N

9


e. f. g. h. i. j.

Tekenen op schaal tegen ski Glijweerstand van de sneeuw en luchtweerstand Als de weerstandskrachten bij elkaar ook 300 N zijn, ze gaat dan met een constante snelheid. Tekenen van twee pijlen op schaal die samen 90 N voorstellen. Fres = 300 N - 90 N = 210 N a = Fres / m = 210 / 60 = 3,5 m/s2 Als de helling steiler wordt heeft dat effect op alle krachten behalve FG. FS en de wrijvingskrachten zullen groter worden terwijl FN en F-N kleiner worden.

VWO4 a. Tekenen van krachten op schaal. b. Aflezen uit tekening, (F-N = 600 N · cos 30o =) 519.6 N Aflezen uit tekening, (FS = 600 N · sin 30o =) 300 N c. Als de helling steiler wordt zal FS kleiner worden en F-N groter. d. Het schatten van A is natuurlijk moeilijk maar in de buurt van de 0,5 m2 of zoals hier gebruikt 0,45 m2 geeft een goed beeld. Discussie over hoe te schatten is interessant want het is bij een boarder sowieso een zijkant waar we naar kijken. e. Deze antwoorden zijn eenvoudig te krijgen na invulling in de formule waarbij de schatting van A en de bepaling van FN van invloed zijn. Fw, lucht = 26 N en Fw, glij = 52 N geeft F w,tot = 78 N f. Fres = 300 N – 78 N = 222 N g. a = Fres / m = 222 / 60 = 3,7 m/s2

h. EXTRA: v = Opgave 4

= 30,8 m/s

Bewegingsvrijheid voor Bibian (VWO 4)

Hierbij een aantal zaken die logischerwijs uit de grafieken zouden kunnen volgen Enkel-dorsiflexie: De nieuwe prothese kan bijna dezelfde hoeken maken als een gezond been. Een normale prothese is een stuk stijver want kan maar 14o graden buigen, normaal 38o De nieuwe prothese is zelfs een paar graden flexibeler dan een gezond been. Enkel-eversie: De nieuwe prothese volgt het gezonde been goed in frontside maar heeft met de backside meer problemen. Bij het overgaan van front- naar backside is er geen verandering mogelijk. Knie-flexie: Nieuwe prothese volgt gezond been iets beter. Nieuwe prothese is iets flexibeler dan gezond been.

Opgave 4/5 Springen Argumenten die hierbij betrokken kunnen worden zijn:

10


Plaatje 1 – traditionele schans, je maakt een hoop van sneeuw en ga daar overheen. Het vervolgstuk loopt vlak, dus de snowboarder krijgt een vrij grote klap op de knieën Plaatje 2 – Eerste aanpassing van traditionele schans om de klap op de knieën wat te beperken. Het nadeel hierbij is de precieze snelheid die nodig is om zacht neer te komen. Want als de snowboarder te zacht gaat, dan komt deze nog steeds op vlakke stuk. Terwijl een snowboader die te hard gaat, wel te maken heeft met een hoogteverschil dat steeds groter wordt. Plaatje 3 – Tweede aanpassing van de traditionele schans. Bij een goede snelheid blijft de snowboarder netjes en dicht bij helling waardoor hij bij het neerkomen maar een kleine klap krijgt. De crux zit hem wederom bij goede snelheid, want bij een te lage snelheid sta je meteen stil tegen helling. Als je te hard gaat, dan vlieg je wel ver door. Je kunt hierbij ook niet meer over de helling kijken en zien of er nog andere boarders in de weg zitten. Plaatje 4 – Deze moderne variant van de schans, zie je ook bij skateboarden. Het gevaar van het vallen van de railing is voor veel leerlingen zeer duidelijk. Maar daarna kun je doorschieten en die val is vrij hoog en recht. Ook hierbij kun je niet zien of er iemand beneden ligt. Plaatje 5 - Ook weer een moderne variant die bij skateboarden te zien is. Als helling niet goed is aangelegd met een te ver doorlopende hoek dan wordt je van de wand afgeduwd en kan daarna geen contact meer maken en val van die hoogte recht naar beneden. Als de hoek juist niet ver genoeg doorloopt schiet je altijd over de rand.

11

Vwo-case: Prothese voor Snowboarden

Recommend Documents