Pop-pop de stoomboot!

Pop-pop de stoomboot!

Maak een schattig bootje met een super eenvoudige stoommotor zonder bewegende onderdelen. Ontdek zo de wondere wereld van de fysica.

Dit bootje wordt voortgestuwd met een stoommotor. Een spiraal verhit door een vlam blaast afwisselend stoom uit en zuigt daarna terug water op. Dit wordt ook wel een pop pop of putt putt motor genoemd. Deze versie kan gemaakt worden zonder solderen of temperatuursbestendig lijmen, maar met slim buigen en plooien. Het wikkelen van de motor gebeurt met een buiggereedschap die je eerst zelf kan maken.

Maaktijd: ½ uur voor het buiggereedschap, 1 uur voor het maken en testen van de boot.

Materiaalkost onder de 5 EUR.

Deze handleiding werd ontwikkeld door Yvon Masyn voor Maakbib

Benodigdheden

Materialen:

  • koperen buis van 3 mm buitendiameter 2 mm binnendiameter 50 cm lengte
  • aluminium cakevorm
  • dubbelzijdig plakband
  • leeg theelichtje
  • papierklem
  • Esbit brandstoftablet
  • stuk hout
  • schroef 2-3 cm lang
  • stevige buis
  • stuk rondhout 2 cm diameter
  • Gereedschap:

    • lucifers of aansteker
    • knijptang of pincet
  • boormachine of handboor
  • schroevendraaier
  • Optioneel:

    • lijmpistool
    • schroefklem
    • injectiespuit
    • voedingskleurstof
  • printer
  • schaar
  • plakband
  • Materialen

    Materialen voor het bootje in detail

    Afmetingen en mogelijke aankoopplaatsen voor de materialen vind je hier terug.

    • een messing of koperen buis van 3 mm of 1/8 inch buitendiameter, 2 mm binnendiameter, 50 cm lengte
    • een aluminium cakevorm van ongeveer 20 cm lang, 6 cm breed en 5 cm hoog
    • ongeveer 1 vierkante cm dubbelzijdig plakband (het type zonder schuim, zodat het dun genoeg is om koel te blijven in contact met de bodem)
    • een leeg aluminium kuipje van een theelichtje of een aluminium pasvorm voor kaarsen
    • een papierklem type “foldback clips” met een rug van ongeveer 2cm:
    • brandstof: Esbit brandstoftabletten, verkrijgbaar bij campingwinkels
    • eventueel kan je om een roer te maken, een extra aluminium cakevorm in stukken knippen. Je kan zeker drie roeren uit één bakje halen
    • voor de decoratie: permanent markers, aluminiumfolie, nog wat dunne dubbelzijdige plakband.

    Details van de materialen om het buiggereedschap te maken

    • een stuk hout minimaal 4 cm x 15 cm x 1 cm
    • een schroef met een lengte die ongeveer gelijk is aan de dikte van het stuk hout
    • een schroef 2 tot 3 cm langer.
    • een stevige buis die vlot over de messing of koperen buis past, maar het werkt best als de diameter niet veel groter is dan de messing of koperen buis.
    • een stevige cilindervorm met diameter 2 cm en ongeveer 3 à 4 cm lengte: rondhout of elektriciteitsbuis (die je later opvult met smeltlijm).

    Brandstof en veiligheid!

    De bouw van dit stoombootje is eenvoudig genoeg voor kinderen vanaf 6 jaar, maar bij het gebruik komt vuur te pas, dus is begeleiding van een volwassene vereist. Vergeet ook niet dat de stoom die er uit komt gevaarlijk heet is.

    Gebruik een Esbit brandstoftablet voor het aandrijven van dit bootje. Gebruik geen kaarsen voor de aandrijving. Het roet dat ze afgeven, zorgt voor een mindere werking van de motor.

    Lees de verpakking van de Esbit brandstoffen voor gebruik. Vermijd inademing en contact met de huid. Zorg voor goede ventilatie of gebruik ze enkel buiten.

    Voorzie je boot van brandstof met een tang of pincet, dit om brandwonden te vermijden.

    Laat het bootje volledig afkoelen voor je het uit het water haalt.

    Eén Esbit tablet brandt ongeveer 10 minuten. Een halve tablet geeft iets meer dan 5 minuten. Twee tabletten resulteren niet in 20 minuten brandtijd.

    Aan de slag

    Buiggereedschap maken

    Het bootje gebruikt een spiraalvormig buisje als stoommotor. Om die spiraal te maken heb je een gereedschap nodig dat je eerst zelf maakt.

    Je bevestigt eerst de 2cm dikke cilinder rechtopstaand, dicht bij het uiteinde van het stuk hout. Boor gaten voor in het hout en de cilinder en schroef ze stevig aan elkaar met de langste schroef. Er mag geen opening tussen de cilinder en het stuk hout zitten.

    Je kan ook een stuk buis als cilinder gebruiken, bijv. een stuk elektriciteitsbuis met diameter 20 mm. In dat geval schroef je de grote schroef in het hout en je plaatst het stuk buis erover heen. Vervolgens vul je de cilinder helemaal met smeltlijm. Laat die hard worden voor je verder gaat. Verderop in dit stappenplan worden ook foto’s van deze andere versie gebruikt.

    Je kan het buiggereedschap ook maken door in het stuk hout een gat te maken waar de cilinder in spant, bijv. met lasersnijden of CNC frezen. Dan kan je tegelijk ook het gaatje maken voor de korte schroef. Buigtool Boor een gaatje voor de korte schroef, dicht bij de cilinder, op de lijn zoals op de foto en zo dat de te buigen buis er nog net tussen kan. Buigtool

    Buigtool Draai de schroef zo diep dat de buis net onder de kop van de schroef past.

    Als een punt van een schroef door hout komt, zorg er dan voor dat niemand er zich kan aan bezeren: gebruik een kortere schroef, vijl de punt weg of lijm er een extra laag hout over.

    Buigtool

    Markeer een lijn op het stuk hout op 9,5 cm vanaf de cilinder als “startpositie” voor het buigen.

    Buigtool

    De stoomspiraal buigen

    Het kan helpen het buiggereedschap vast te klemmen op een tafel, maar stevig vasthouden gaat ook.

    Plaats de messing of koperen buis in het gereedschap, met het ene uiteinde tot aan de markering op 9,5 cm, zoals getoond in de vorige foto.

    Schuif een stevige buis over het andere uiteinde als buighulp, waarbij je het uiteinde van die buis minimaal 1 of 2 cm van de cilinder houdt. Zo buig je de buis beetje bij beetje rond de cilinder. Het is belangrijk om de buis steeds een beetje opschuift en op een paar cm van de cilinder houdt.

    Belangrijk is dat je de buis hierbij niet plat plooit (niet laten knikken heet dat). Werk traag en als je ziet dat de buis op één plaats teveel plooit in plaats van mooi rond te buigen, plooi dan een beetje terug, verschuif de hulpbuis een beetje en buig verder.

    Probeer de wikkelingen zo dicht mogelijk bij elkaar te houden, maar openingen tot ongeveer een halve cm zijn nog steeds goed. Maak vier wikkelingen, eindigend met de twee uiteinden van de buis loodrecht op elkaar (zie foto).

    Spiraal

    Verwijder de hulpbuis en schuif deze over het andere uiteinde, tot ongeveer 1 cm vanaf waar de buis de schroef passeert. Buig het buisuiteinde 45 graden naar de andere kant.

    Spiraal

    Verwijder de hulpbuis en de complete spiraal van het buiggereedschap. Draai de spoel om en schuif hem terug op de cilinder, waarbij nu het andere uiteinde tussen de cilinder en de schroef komt.

    Spiraal

    Schuif de hulpbuis over dit uiteinde en buig deze ook 45 graden, zodat deze evenwijdig loopt met het eerste uiteinde.

    Spiraal

    Je stoomspiraal is klaar. Hieronder een paar voorbeelden. De ene is minder perfect dan de andere, maar ze werken beide.

    Spiraal

    Hier is een oud filmpje dat het buigen toont

    Spiraal plaatsen

    Strek eerst beide uiteinden van de bakvorm uit. Trekken aan de uiteinden werkt beter dan duwen op de zijkanten.

    Bootje

    Het ene uiteinde vormt de boeg, de voorkant van een boot. De ander kant buig je terug naar binnen. Zorg ervoor dat de vouw niet te diep komt om te voorkomen dat er water naar binnen stroomt wanneer de boot in gebruik is.

    Bootje

    Plaats de stoomspiraal in de vouw, zodanig dat de buisuiteinden achteraan uitsteken en even laag komen als de bodem van de boot. Als de twee uiteinden van de buis niet even lang zijn, plaats dan de langste aan de bovenkant. Op deze manier is het later gemakkelijker om straks beide uiteinden in het water te houden.

    Bootje

    Met de papierklem zet je de twee stukjes rechte buis vast tussen de naar binnen geplooide aluminium wanden. Zorg ervoor dat je mooi alles samenklemt, zodat de spiraal op zijn plaatst blijft. Laat de hendeltjes van de papierklem rechtop staan. Dit zal ook het later aanbrengen van het eventuele roer gemakkelijker maken. Zodra alles stevig is vastgeklemd, buig je de boot terug in vorm.

    Bootje

    Onder de spiraal zet je een lege aluminium cup van een theelichtje of een aluminium pasvorm voor kaarsen vast met een beetje dunne dubbelzijdige plakband. Omdat de bodem van de boot door het water koel wordt gehouden en de warmte voornamelijk naar boven gericht is, zal dunne dubbelzijdige plakband niet verbranden.

    Bootje

    Hier is een oud filmpje dat het inbouwen van de spiraal toont.

    Roer toevoegen

    In deze stap gaan we een aluminium cakevorm in stukken knippen. Let op! Dit geeft scherpe randen, dus zorg dat je jezelf niet snijdt.

    Een roer is niet noodzakelijk om de boot uit testen, maar is vooral belangrijk om korte bochten te maken als je maar een klein wateroppervlak hebt. Je kan altijd later beslissen een roer toe te voegen. Laat wel je boot volledig afkoelen voordat je een roer toevoegt, opdat je je niet verbrand.

    Druk het onderstaande sjabloon af. Schaal het zo dat de vormen 12 cm lang zijn. Dit is normaal het geval als je de tekening op een volledig A4-blad afdrukt. Er staan meerdere vormen op de tekening om papier te besparen als je dit met een grotere groep doet. Je kan de vorm van het roer veranderen. Eén lange zijde is recht gemaakt om overeen te komen met de gevouwen zijde van het roer (zie verder). De rest van de vorm is gekozen om het roer in het midden makkelijk buigbaar te maken. Ten slotte is het belangrijk alles af te ronden om te voorkomen dat iemand zich bezeert aan scherpe punten.

    Roer

    Knip het gewenste aantal papieren roersjablonen uit. Snij uit een extra aluminium bakvorm een stuk van minimaal 12 cm x 5 cm. Normaal kan je 3 van die stukjes uit één vorm halen.

    Roer

    Vouw het stuk dubbel langs de lange kant. Druk de vouw goed aan.

    Roer

    Leg er een papieren sjabloon op en zorg ervoor dat de rechte rand gelijk ligt met de vouw. Bevestig het door er wat doorzichtig plakband overheen te plakken.

    Roer

    Knip de vorm uit. De rechte kant (de vouw dus) knip je natuurlijk niet. Verwijder het papier en het deel dat je los geknipt hebt.

    Roer

    Open de papierklem een klein beetje en schuif het roer tussen de vouw in de scheepsromp, met de rechte kant naar beneden. Laat het roer net boven en voorbij de buisuiteindes uitkomen.

    Roer

    Ook hierover een oud filmpje.

    Decoratie

    Je kunt de boot versieren zolang je materialen gebruikt die bestand zijn tegen water en tegen hitte. Je mag geen decoratie dicht bij de vlam plaatsen, maar zelfs dan kan je best materialen gebruiken die niet smelten of verbranden wanneer ze per ongeluk in de buurt van de hitte komen. Je kunt poppetjes maken met gewone aluminiumfolie en met dunne dubbelzijdige plakband aan de romp vastplakken. Je kan de romp versieren met permanent markers.

    Boot

    Boot

    Op stoom brengen en varen maar

    De bootjes zijn zeer licht, dus kan je ze niet gebruiken als er wind is. Werk binnen, of goed afgeschermd van de wind.

    Zorg eerst en vooral voor het vaarwater: het bootje haalt het water voor de stoom uit het vaarwater, dus je hebt schoon water nodig. Een diepte van 3cm is genoeg. Je kan een vinyl plonsbadje gebruiken, maar zorg ervoor dat de wand niet naar binnen overhangt, om uit de vlammen van de bootjes te blijven.

    Zet het bootje in het water en controleer of beide buisuiteinden onder water uitkomen. Zo niet, schuif de buisjes en plooi het bootje bij tot dat zo is.

    Haal het bootje uit het water en vul de spiraalbuis eerst helemaal met water. Dat kan je doen onder de kraan. Hou één uiteinde onder een lopende kraan, tot het water uit de andere kant komt. Als alternatief kan je ook een injectiespuit (zonder naald natuurlijk) gebruiken om de spiraal te vullen. Met zo’n spuit kan je de spiraal ook vullen terwijl het bootje in het water ligt. Je kan ook voedingskleurstof in de buis doen om straks beter te zien hoe het werkt.

    Boot

    Hou de uiteinden van de buis zo goed mogelijk dicht en zet het bootje snel in het water, zodanig dat beide uiteinden onder water uitkomen.

    Pas dan, leg je een Esbit tablet (of een halve) in het cupje onder de spiraal. Steek een lucifer aan en laat hem gewoon in het cupje vallen. Het is niet nodig om de lucifer vast te houden. Het is beter om het indien nodig opnieuw te proberen, dan de lucifer te lang vast te houden en je vingers te verbranden. Je kan de resten van de lucifer verwijderen zodra alles is verbrand en is afgekoeld. Je kan ook een lange aansteker (zoals voor kaarsen) gebruiken.

    Geef de Esbit tablet even de tijd om volledig te ontbranden. Na een tijdje begint het bootje voort te bewegen. Houd de twee buisuiteinden altijd in het water, anders stopt het. Het zal niet terug op gang komen zonder dat de spiraal terug met water kan gevuld worden. Als de brandstof nog brand, kan dat natuurlijk niet onder de kraan. Eventueel kan je het heel voorzichtig doen met een spuit.

    Je kan een tweede Esbit tablet toevoegen wanneer de eerste bijna volledig is verbrand. Doe dit met een metalen tang of pincet om te voorkomen dat je je vingers verbrandt. Twee Esbit tabletten tegelijk geeft een feller vlam, maar geen langere brandduur en geen extra snelheid. Hou er rekening mee dat de Esbit tabletten tijdens het branden gedeeltelijk vloeibaar kunnen worden, dus wees steeds voorzichtig met de boot.

    Als je een roer gemaakt hebt, probeer het te buigen tot de boot de gewenste bocht maakt.

    Boot

    Ziehier een oud filmpje over het klaarmaken van het bootje.

    En hier een filmpje met voedingskleurstof.

    Weetjes

    • Waar komt de naam pop-pop boot vandaan? De naam komt van het geluid van sommige versies van deze boten maken als ze rondjes in het water varen. Andere namen zijn: Can-Can-boot, Knatterboot, toc-toc, Puf-Puf boat …

    • Wie heeft het uitgevonden? Putt-putt-boten bestaan al meer dan een eeuw en zijn oorsprongkelijk een ontwerp dat in 1891 is gepatenteerd door de Britse uitvinder Thomas Piot. Ze werden begin 1900 populair als speelgoed.

    • Een filmster Heb je de tekenfilm Ponyo on the Cliff by the Sea gezien? De pop-popboot speelde een prominente rol in deze Japanse animatiefilm uit 2008.

    Wil je meer weten over deze schattige bootjes?

    Surf zeker naar sciencetoymaker.org en poppopboats.net

    STEM

    In deze low tech activiteit komt heel wat STEM (Science Technologie Engineering Mathematics) aan bod! We hebben in deze handleiding een mogelijk oplossing gegeven voor de uitdaging: kun je een vaartuigje maken dat voortgestuwd wordt met een motor zonder bewegende onderdelen?

    Kan je een ander systeem bedenken?
    (Tip: denk aan oppervlaktespanning, chemie en zoek op: zeep en boot.)

    Op wetenschappelijk vlak staat hier natuurkunde centraal, om de werking van dit bootje te begrijpen ga je alle bewegingswetten van Newton nodig hebben. Lees meer verder in het blauw kadertje.

    Je hebt ook voor dit project heel wat talenten getraind: planmatig werken, nauwkeurig werken, veilig werken, analytisch denken, handigheid.

    Hoe werkt het?

    Alles dat je nodig hebt, is een kaarsje, een beetje water en een beetje simpele wetenschap!

    Hoewel het een relatief eenvoudige constructie is, gebruikt een putt putt-motor op ingenieuze wijze verschillende natuurkundige principes om de boot voort te duwen. Inzicht in de cyclus maakt gebruik van alle bewegingswetten van Newton.

    Maar hier de korte uitleg.

    • Een kleine hoeveelheid water bevindt zich in een ondiepe metalen “keteltje” (in onze constructie, het buisje)
    • Een vlam verhit het.

    boot1

    • Het water warmt snel op en flitst tot stoom.
    • De stoom ontsnapt uit de twee buizen aan de achterkant van de boot.

    boot2

    • Er vormt zich dan een onderdruk in de ketel en dit zuigt vers water via dezelfde buizen weer naar binnen.

    boot3

    • Zodra het water de binnenkant van de ketel raakt, verandert het weer in stoom en begint het proces opnieuw.

    Deze cyclus is niet uniek voor de putt-putt. Het is in wezen hetzelfde als dat wat verticaal in een geiser plaatsvindt, en het is analoog aan de werking van een kleploze pulsstraal waarbij de pulsenergie afkomstig is van brandende brandstof in plaats van flitsend water tot stoom.

    geiser

    Hiermee begrijpen we het principe, maar weten we nog niet waarom de boot beweegt. Ze blaast en ze zuigt, dus netto zou ze moeten stilstaan, niet? Dit is niet zo om het enerzijds stoom is die we blazen via druk, en water die we zuigen welke een vloeistof is met deeltjes die rechtlijnig bewegen.

    Eerst blazen we stoom waardoor we voorwaarts bewegen.

    beweging1

    Daarna zuigen we water door onderdruk, wat betekent dat het water binnenstroomt en tegen de ketelwand botst.

    beweging1

    Een geïllustreerde website die de drie bewegingswetten van Sir Isaac Newton uitlegt kan je hier vinden.

    Waarom twee uiteindes?

    De put-put boot werkt enkel als de ketel gevuld is met water. Is die gevuld met lucht, dan zet lucht bij opwarmen niet genoeg uit om het water weg te duwen en dus vooruit te bewegen. Stoom neemt wel veel meer plaats in dan water, en verandert bij afkoelen terug in water (condensatie).

    Om de lucht uit de ketel te halen hebben we dus twee uiteindes nodig. We vullen met water aan de lange kant, en die komt eruit aan de korte kant. Dan vlug in het water onderdompelen zodat geen lucht in de ketel kan komen!

    Maak het je eigen

    • Kun je het sneller maken?
    • Kun je een lijst van factoren geven die de werking van het bootje beïnvloeden?
    • Kun je een waterpomp ontwerpen, aangedreven door een putt-putt-warmtemotor, die water van een lager naar een hoger reservoir kan tillen?

    Voorbeelden

    Heb je een foto van je eigen stoombootje? Stuur hem ons!

    Downloads

    Handleiding: Download