Oplossingen · hoofdstuk 30De ontwerpcyclus

Probleem verkennen · programma van eisen · ideeën bedenken · kiezen · prototype maken · testen · evalueren en verbeteren.

(a) ideeën bedenken (brainstorm); (b) testen; (c) probleem verkennen (de gebruiker leren kennen); (d) kiezen (zeven met een moet-eis).

Na evalueren en verbeteren. Faalt een onderdeel omdat het te zwak is, dan ga je terug naar prototype maken: je verbetert het prototype, het idee zelf blijft goed.

(a) is een oplossing (servomotor, luikje). Eis: 'de kippen krijgen elke ochtend tussen 7 en 8 uur voer, ook in het weekend'. (b) is een goede eis. (c) is een oplossing (materiaal). Eis: 'de voederbak roest niet en gaat minstens 10 jaar mee buiten'. (d) is een eis (wat), zij het nog niet meetbaar: 'in een test van een week met een camera raakt geen rat het voer'.

Omdat je dan alle andere oplossingen uitsluit voor je ze bedacht hebt. Misschien bestaat er een goedkopere of betrouwbaardere manier (een tijdschakelaar, een schuif die de kip zelf opent met een trede, gegalvaniseerd staal).

Nachtscherm: $4\times 3+5\times 2+5\times 1=27$. Mat: $1\times 3+4\times 2+3\times 1=14$. Vat: $5\times 3+3\times 2+4\times 1=25$.

Maximum: $5\times (3+2+1)=30$. Het nachtscherm wint (27), vlak voor het vat (25).

Een moet-eis zoals 'de temperatuur zakt 's nachts nooit onder 5 °C' kan alleen de mat halen bij strenge vorst. Dan hoort die eis in de zeef, niet in de tabel: de tabel vergelijkt alleen wensen en ziet niet dat scherm en vat een koude nacht misschien niet halen (hoofdstuk 16: een vat geeft hoogstens enkele graden).

Bijvoorbeeld: Hoe geef je nu water, en hoe vaak? Welke planten hebben het meeste water nodig? Wat gebeurde er precies met de cactus? Waar mag het toestel staan? Wat moet er gebeuren als er iets misloopt terwijl je weg bent? 'Wil je een pompje?' is gesloten (ja of nee) en kiest al een oplossing: je leert er niets uit over het probleem.

Moet: werkt 21 dagen zonder ingrijpen; geeft elke plant apart water (de cactus veel minder); geen kabels over de vloer (de kat). Wens: werkt zonder stopcontact; ziet er rustig uit op de vensterbank; geeft na de reis te zien hoeveel water er gegeven is.

De planten (elk hun eigen hoeveelheid water: de cactus veel minder dan een varen) en de kat (niets om aan te trekken of om te gooien).

Bijvoorbeeld: N1 (moet) invliegopening Ø 28 mm (pimpelmees) of Ø 32 mm (koolmees), ± 1 mm; schuifmaat. N2 (moet) regen blijft buiten: na 10 minuten gieter over het dak is de bodem droog; test. N3 (moet) opent voor het schoonmaken zonder gereedschap; proberen. N4 (moet) hangt veilig 2 tot 4 m hoog, aan een boom zonder spijkers in de stam; nakijken. N5 (wens) onbehandeld hout van minstens 18 mm dik (isoleert, blijft koel); meten. N6 (wens) kost hoogstens € 8 aan materiaal; bonnetje.

De mezen (opening, droog, niet te warm), de leerlingen of de conciërge die de kast ophangen en schoonmaken (veilig, zonder gereedschap te openen), de boom (niet beschadigen), en de onderzoekers die willen tellen (een kijkluikje of camera zou een wens zijn).

Bijvoorbeeld: tijd bijhouden: klokmodule, microcontroller met klokchip, tijdschakelaar, gsm-app. Licht maken: ledstrip, gloeilamp met dimmer, rolluik dat opengaat (daglicht!), led-matrix. Energie: stopcontact, batterijen, oplaadbare batterij met zonnecel. Bediening: draaiknop, drukknoppen, app. Uitzetten: aanraken, knop, klappen, vanzelf na 30 min.

Bijvoorbeeld concept 1: microcontroller + ledstrip + stopcontact + drukknoppen + aanraken. Concept 2: tijdschakelaar + motortje dat het rolluik opent + batterij + draaiknop + vanzelf.

Vermenigvuldig het aantal oplossingen per rij: bijvoorbeeld 4 × 4 × 3 × 3 × 4 = 576.

Uitzetstang $1\cdot 3+1\cdot 2+5\cdot 2+5\cdot 2+5\cdot 1=30$; wascilinder 38; duwstang 35; servo 35. De wascilinder wint.

De uitzetstang met klemhendel valt af op K2: ze opent niet automatisch. De wascilinder valt ook af op K2: ze opent geleidelijk vanaf ongeveer 18 °C en de microcontroller kan niets instellen. Beide halen K5. Duwstang en servo halen K2; K5 halen ze als je de stang of arm kan losmaken.

Een moet-eis voor de kracht: 'de opener levert minstens 29,5 N op 12 cm van het scharnier'. De servo haalt die niet en valt ook af: de duwstang blijft over. Zonder de zeef had het team een wascilinder gekozen die een eis van de kas niet haalt.

W2: reservoir vullen tot het maximum, 3 dagen het verbruik meten (maatbeker of waterhoogte) en uitrekenen hoeveel dagen het bruikbare volume volstaat; criterium ≥ 14 dagen. W3: reservoir leeg laten lopen terwijl de pomp aanstaat; criterium: de pomp stopt zodra de vlotter zakt, telkens bij 5 pogingen. W4: sensor uit de grond (hij meet dan 'droog'), tellen; criterium: na de 3e beurt brandt rood, de pomp stopt. C3: lege kas voorzichtig kantelen met een helling of berekenen met het zwaartepunt; criterium: valt niet om voor 30°. G3: een klasgenoot die het niet kent, vult het reservoir; stopwatch; criterium ≤ 5 min, zonder schroevendraaier.

W2 (14 dagen). Inkorten door een paar dagen te meten en te rekenen, maar met het hoogste verbruik (warme dagen) en met het bruikbare volume, niet het volle volume. Wie op een koele week meet, maakt zichzelf iets wijs.

A haalt eis 1 maar niet eis 2 (verstopt na 12 beurten). B haalt beide. C haalt eis 1 niet (meer dan 200 mL), wel eis 2.

A: $(140+150+135+145+150)/5=144\mathrm{mL}$, bereik $150-135=15\mathrm{mL}$. B: $180\mathrm{mL}$, bereik $10\mathrm{mL}$. C: $260\mathrm{mL}$, bereik $20\mathrm{mL}$.

A: een filter (kous of zeefje) op de aanzuigkant, of een iets groter gaatje. C: een kleiner gaatje, of dezelfde druppelaar maar korter pompen (bijvoorbeeld 20 s in plaats van 30 s geeft ongeveer 173 mL: dat moet je dan wel opnieuw testen).

Eigen resultaten. Typisch: gevouwen stroken bezwijken onder 1 kg, opgerolde kokers dragen enkele kilogram, kokers met verbanden en een goede verdeling van de last dragen tot meer dan tien kilogram.

Ronde op de horizontale as, last in kg op de verticale as, punten verbonden, stippellijn op 5 kg.

Meestal de overgang van gevouwen stroken naar kokers (vorm). Een vierde ronde pakt de nieuwe zwakke plek aan: bijvoorbeeld de verbinding tussen koker en tafelblad, of de kokers korter en dikker maken.

Bijvoorbeeld: 'Hoe kunnen we een kamerplant drie weken genoeg water geven zonder stopcontact, zodat ze gezond blijft?' Water: $21\times 60=1260\mathrm{mL}\approx 1,3\mathrm{L}$. Moet: werkt 21 dagen; geeft 40 tot 100 mL per dag; geen stroom uit het net; lekt niet (droge vloer na een test van 2 dagen). Wens: kost hoogstens € 5; reservoir doorzichtig (je ziet hoeveel er nog is).

Bijvoorbeeld: omgekeerde fles van 1,5 L in de grond; katoenen wiek vanuit een emmer; druppelzak met kraantje; zelfbewateringspot met reservoir onderaan; een grote schotel met kleikorrels.

Bijvoorbeeld: de druppelzak valt af als het debiet niet stabiel is (lekt of droogt op). De wiek en de omgekeerde fles winnen vaak: geen stroom, goedkoop, zelfregelend. Gevoeligheid: geef je 'zichtbaar hoeveel er over is' meer gewicht, dan wint de fles.

Typische problemen: de fles loopt in twee dagen leeg (grond te los: een dop met een klein gaatje helpt), de wiek droogt uit (dikker koord, reservoir hoger zetten). Een testweek toont dit, drie weken op reis niet meer.

Vóór: veel prototypes kosten tijd en materiaal; met een model kan je veel varianten doorrekenen voor je iets bouwt (vandaag simuleren ingenieurs luchtstromen met de computer); systematisch één ding tegelijk veranderen gaat trager dan slim combineren. Tegen: de stroming in een cycloon met stof was toen (en is nog altijd) moeilijk te berekenen; elk prototype leverde echte informatie op; de computers en programma's van eind jaren 1970 konden dit niet; een prototype toont ook dingen die je niet voorzag (geluid, verstopping, gewicht).

Rekenen is sneller als het verschijnsel goed begrepen is: de kracht van de duwstang volgt uit de hefboomwet (hoofdstuk 12), een prototype is dan alleen een controle. Testen is beter als er veel onzekerheid is: hoe snel de grond uitdroogt op een zonnige dag, of de klemhendel prettig in de hand ligt. Het beste is beide: eerst rekenen om de goede richting te kiezen, dan testen om te zien wat de berekening mist.

(1) Testen: het systeem werd nooit een volledige cyclus in de echte omstandigheden getest (de druppelaars gaven ongelijk water). (2) Probleem verkennen: een gebruiker (de conciërge) werd niet gekend of ingelicht. (3) PvE: er was geen eis over meetgegevens. (4) PvE en testplan: zonder meetbare eisen kan je niets toetsen.

(1) 'Elke bak krijgt 100 tot 200 mL per beurt, verschil tussen de bakken hoogstens 10 %.' (2) 'Een onbekende kan aan een etiket zien wat het toestel is en wie hij kan bellen; het toestel maakt geen geluid boven 35 dB.' (3) 'Het systeem houdt per beurt bij hoeveel water het gaf.' (4) Een PvE met codes en een testplan per eis.

Een generale repetitie: het systeem een hele dag (of een nacht) laten werken zoals in het weekend, met een maatbeker onder elke druppelaar, en achteraf de hoeveelheden vergelijken.