ORTHOPEDISCH
TECHNOLOGISCH DESIGN 2
2022-2023
Zoë Verdoodt
, 1. Passieve mechanische componenten in de orthopedie
1.1 inleiding
Passief : geen extern vermogen toegevoegd, geen batterij of externe stroomvoorziening die extern
kracht levert
Actief : extern vermogen toegevoegd
Passieve componenten : in staat om kracht (of meer specifiek energie, afkomstig van een beweging),
op te slaan en terug vrij te geven
1.2 mechanische concepten : veren en dempers
1.2.1 veren
1.2.1.1 wat is een veer ?
Veer : elastisch constructie-element dat een tegenkracht levert die toeneemt met de verplaatsing
Een veer slaat mechanische energie op en laat die weer vrij
Links is de veer in rust → er wordt geen kracht geleverd door de veer
Rustlengte : de lengte waarin de veer zich nu bevindt
De middelste veer wordt uitgetrokken met een kracht F => veer uitgetrokken met een lengte X.
Maar actie = reactie, dus ook de veer levert hier een kracht van F op het gewicht, maar dan naar
boven gericht.
De rechtse veer wordt nu uitgetrokken met een kracht 2F. Volgens actie=reactie levert de veer dus
ook een tegenwerkende kracht van 2F op de gewichten. De lengte waarmee de veer is uitgerekt is nu
ook twee keer zo groot als in de middelste figuur→ het verband tussen kracht en verplaatsing is dus
lineair.
Wet van Hooke : F = k.x
• F = de kracht waarmee de veer wordt uitgetrokken/ingeduwd
• k = de veerconstante → hoe groter deze veerconstante, hoe stijver de veer
• x = de verlenging (of verkorting) van de veer, de afwijking van de rustlengte.
Voorspanning : Als een veer zo wordt gemonteerd dat zijn “normale” positie al afwijkt van de
rustlengte, wordt er eigenlijk continu kracht geleverd.
Behoud van energie : Bij een veer wordt er energie geleverd om de veer te verkorten of te verlengen.
Wanneer die veer dan weer wordt losgelaten wordt diezelfde energie weer teruggegeven.
, 1.2.1.2 soorten veren
Schroefveer : in trek of druk belast
Vb. veer in je balpen, vaak van verenstaal gemaakt (een speciaal soort elastisch staal)
Stijfheid van de veer hangt af van
• de elasticiteitsmodulus van de veer (hoe hoger E, hoe stijver de veer)
• de diameter van de veer (hoe hoger d, hoe stijver de veer)
• het aantal windingen (meer windingen – over een langere afstand = stijvere veer)
• de dikte van de windingen (hoe dikker de windingen, hoe stijver de veer)
• de ruimte tussen de windingen (deze bepaalt ook mee de ROM van de veer → meer ruimte
tussen de windingen is meer ruimte om samen te drukken dus grotere ROM).
Bladveren: een balk (of een combinatie van balken) waarvan de lengte veel groter is dan de dikte die
belast wordt door buiging. Als er buigbelasting wordt aangelegd buigt de balk door en als deze weer
wordt weggenomen gaat de balk terug naar zijn oorspronkelijke toestand. Dit principe wordt vaak
gebruikt bij de ophanging van auto’s.
Gasveren: verende werking afkomstig van de samendrukking van gas.
Bestaat uit een cilinder met een zuiger, gas wordt door de zuiger in de cilinder samengedrukt en zo is
er een verende werking. Een ventiel in de zuiger zorgt ervoor dat de beweging gedempt wordt.
Deze veer kan gemaakt worden dat ze op trek of op druk kan belast worden.
Bv. bij statafels, koffers van auto’s, hoog-laag-tafels, ...
Schotelveren: bestaat uit niet-vlakke ronde schijven/ schotels die over een as kan geplaatst worden.
Kunnen op elkaar worden gestapeld met de bolle of de holle kant in dezelfde richting of afwisselend.
Ideaal om grote krachten op te vangen/te leveren in een kleine ruimte.
! De stijfheid van een schotelveer neemt af bij meer kracht (Dit geeft het gevoel van een eerder
constante druk en geen opbouwende spanning/druk )
Torsieveren : de kracht wordt niet lineair aangebracht, maar als een moment dat zorgt voor een
hoekverdraaiing (M = k. θ )
• Helix torsieveer: schroefveer maar wordt dan belast met een draaiende beweging.
Vb. wasknijper, een muizenval, ...
• Torsiebalk: bladveer, een torsiebalk is een balk met een zekere weerstand tegen torsie die zo met
torsie belast wordt.
• Spiraal torsieveer of klokveren: de verschillende windingen van de veer zijn rond elkaar gestapeld.
Vb. oude klokken, in het “oprolbakje” van (niet gemotoriseerde) rolluiken, ...
, • Excentrische trek-/drukveer: wanneer je een veer die op trek/druk kan belast worden excentrisch
( niet door het midden, niet door de rotatie-as) gaat plaatsen creëer je ook een torsieveer.
vb. de koffer van een auto waar een gasveer excentrisch wordt gezet.
1.2.1.3 verschillende veren combineren
Wanneer 2 veren in serie geplaatst worden, ondervinden ze allebei dezelfde kracht, de hoeveelheid
die de 2 veren dan samen verlengd worden, is de som van de verlenging van elke individuele veer.
ktot = k1 + k2.
Als 2 veren in parallel geplaatst worden, ondervinden ze allebei dezelfde verlenging, de kracht die de
veren afzonderlijk geven is afhankelijk van hun stijfheid → de veer met de grootste veerconstante
geeft dan ook het meeste kracht en andersom. 1/ktot = 1/k1 + 1/k2
1.2.2 dempers
De kracht nodig om een veer van lengte te doen veranderen is onafhankelijk van de snelheid
waarmee de verlenging/ vertraging gebeurt.
Demper toevoegen => het systeem wel afhankelijk van de snelheid waarmee de kracht wordt
toegevoegd
Demper laat eigenlijk energie uit het systeem verdwijnen, door het om te zetten naar een andere
vorm van energie zoals warmte
Een visco-elastisch materiaal werkt eigenlijk als een combinatie van een veer en een demper!
Vb. een visco-(elastisch) materiaal, bijvoorbeeld in schoenen voor schokdemping bij hielcontact.
Een hydraulische demper maakt gebruik van vloeistoffen (zoals olie), een pneumatische demper
maakt gebruik van gassen (zoals lucht).
1.3 scharnieren en mechanische gewrichten
Scharnier : mechanische lager dat 2 onderdelen met elkaar verbindt en zorgt dat er een
rotatiebeweging tussen de 2 onderdelen plaatsvindt. Deze rotatiebeweging vindt over het algemeen
plaats rond 1 as (het draaipunt).
Scharnieren komen vooral voor in orthesen en prothesen.
TECHNOLOGISCH DESIGN 2
2022-2023
Zoë Verdoodt
, 1. Passieve mechanische componenten in de orthopedie
1.1 inleiding
Passief : geen extern vermogen toegevoegd, geen batterij of externe stroomvoorziening die extern
kracht levert
Actief : extern vermogen toegevoegd
Passieve componenten : in staat om kracht (of meer specifiek energie, afkomstig van een beweging),
op te slaan en terug vrij te geven
1.2 mechanische concepten : veren en dempers
1.2.1 veren
1.2.1.1 wat is een veer ?
Veer : elastisch constructie-element dat een tegenkracht levert die toeneemt met de verplaatsing
Een veer slaat mechanische energie op en laat die weer vrij
Links is de veer in rust → er wordt geen kracht geleverd door de veer
Rustlengte : de lengte waarin de veer zich nu bevindt
De middelste veer wordt uitgetrokken met een kracht F => veer uitgetrokken met een lengte X.
Maar actie = reactie, dus ook de veer levert hier een kracht van F op het gewicht, maar dan naar
boven gericht.
De rechtse veer wordt nu uitgetrokken met een kracht 2F. Volgens actie=reactie levert de veer dus
ook een tegenwerkende kracht van 2F op de gewichten. De lengte waarmee de veer is uitgerekt is nu
ook twee keer zo groot als in de middelste figuur→ het verband tussen kracht en verplaatsing is dus
lineair.
Wet van Hooke : F = k.x
• F = de kracht waarmee de veer wordt uitgetrokken/ingeduwd
• k = de veerconstante → hoe groter deze veerconstante, hoe stijver de veer
• x = de verlenging (of verkorting) van de veer, de afwijking van de rustlengte.
Voorspanning : Als een veer zo wordt gemonteerd dat zijn “normale” positie al afwijkt van de
rustlengte, wordt er eigenlijk continu kracht geleverd.
Behoud van energie : Bij een veer wordt er energie geleverd om de veer te verkorten of te verlengen.
Wanneer die veer dan weer wordt losgelaten wordt diezelfde energie weer teruggegeven.
, 1.2.1.2 soorten veren
Schroefveer : in trek of druk belast
Vb. veer in je balpen, vaak van verenstaal gemaakt (een speciaal soort elastisch staal)
Stijfheid van de veer hangt af van
• de elasticiteitsmodulus van de veer (hoe hoger E, hoe stijver de veer)
• de diameter van de veer (hoe hoger d, hoe stijver de veer)
• het aantal windingen (meer windingen – over een langere afstand = stijvere veer)
• de dikte van de windingen (hoe dikker de windingen, hoe stijver de veer)
• de ruimte tussen de windingen (deze bepaalt ook mee de ROM van de veer → meer ruimte
tussen de windingen is meer ruimte om samen te drukken dus grotere ROM).
Bladveren: een balk (of een combinatie van balken) waarvan de lengte veel groter is dan de dikte die
belast wordt door buiging. Als er buigbelasting wordt aangelegd buigt de balk door en als deze weer
wordt weggenomen gaat de balk terug naar zijn oorspronkelijke toestand. Dit principe wordt vaak
gebruikt bij de ophanging van auto’s.
Gasveren: verende werking afkomstig van de samendrukking van gas.
Bestaat uit een cilinder met een zuiger, gas wordt door de zuiger in de cilinder samengedrukt en zo is
er een verende werking. Een ventiel in de zuiger zorgt ervoor dat de beweging gedempt wordt.
Deze veer kan gemaakt worden dat ze op trek of op druk kan belast worden.
Bv. bij statafels, koffers van auto’s, hoog-laag-tafels, ...
Schotelveren: bestaat uit niet-vlakke ronde schijven/ schotels die over een as kan geplaatst worden.
Kunnen op elkaar worden gestapeld met de bolle of de holle kant in dezelfde richting of afwisselend.
Ideaal om grote krachten op te vangen/te leveren in een kleine ruimte.
! De stijfheid van een schotelveer neemt af bij meer kracht (Dit geeft het gevoel van een eerder
constante druk en geen opbouwende spanning/druk )
Torsieveren : de kracht wordt niet lineair aangebracht, maar als een moment dat zorgt voor een
hoekverdraaiing (M = k. θ )
• Helix torsieveer: schroefveer maar wordt dan belast met een draaiende beweging.
Vb. wasknijper, een muizenval, ...
• Torsiebalk: bladveer, een torsiebalk is een balk met een zekere weerstand tegen torsie die zo met
torsie belast wordt.
• Spiraal torsieveer of klokveren: de verschillende windingen van de veer zijn rond elkaar gestapeld.
Vb. oude klokken, in het “oprolbakje” van (niet gemotoriseerde) rolluiken, ...
, • Excentrische trek-/drukveer: wanneer je een veer die op trek/druk kan belast worden excentrisch
( niet door het midden, niet door de rotatie-as) gaat plaatsen creëer je ook een torsieveer.
vb. de koffer van een auto waar een gasveer excentrisch wordt gezet.
1.2.1.3 verschillende veren combineren
Wanneer 2 veren in serie geplaatst worden, ondervinden ze allebei dezelfde kracht, de hoeveelheid
die de 2 veren dan samen verlengd worden, is de som van de verlenging van elke individuele veer.
ktot = k1 + k2.
Als 2 veren in parallel geplaatst worden, ondervinden ze allebei dezelfde verlenging, de kracht die de
veren afzonderlijk geven is afhankelijk van hun stijfheid → de veer met de grootste veerconstante
geeft dan ook het meeste kracht en andersom. 1/ktot = 1/k1 + 1/k2
1.2.2 dempers
De kracht nodig om een veer van lengte te doen veranderen is onafhankelijk van de snelheid
waarmee de verlenging/ vertraging gebeurt.
Demper toevoegen => het systeem wel afhankelijk van de snelheid waarmee de kracht wordt
toegevoegd
Demper laat eigenlijk energie uit het systeem verdwijnen, door het om te zetten naar een andere
vorm van energie zoals warmte
Een visco-elastisch materiaal werkt eigenlijk als een combinatie van een veer en een demper!
Vb. een visco-(elastisch) materiaal, bijvoorbeeld in schoenen voor schokdemping bij hielcontact.
Een hydraulische demper maakt gebruik van vloeistoffen (zoals olie), een pneumatische demper
maakt gebruik van gassen (zoals lucht).
1.3 scharnieren en mechanische gewrichten
Scharnier : mechanische lager dat 2 onderdelen met elkaar verbindt en zorgt dat er een
rotatiebeweging tussen de 2 onderdelen plaatsvindt. Deze rotatiebeweging vindt over het algemeen
plaats rond 1 as (het draaipunt).
Scharnieren komen vooral voor in orthesen en prothesen.
