JustAPendulum: Pendul digital open-source: 13 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

JustAPendulum este un pendul open source bazat pe Arduino care măsoară și calculează perioada de oscilație pentru a găsi accelerația gravitațională a Pământului (~ 9, 81 m / s²). Conține un Arduino UNO de casă care utilizează un adaptor USB-serie pentru a comunica cu computerul. JustAPendulum este foarte precis și are un însoțitor (scris în Visual Basic. NET) care, în timp real, vă va arăta poziția masei și un tabel și un grafic cu toate măsurile precedente. Complet tăiat cu laser și de casă, este foarte ușor de utilizat: doar apăsați un buton și lăsați masa să cadă, iar placa va calcula totul. Ideal pentru teste la orele de fizică!

Pagina principală a proiectului: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Făcându-l însuși ghid

Videoclip YouTube

Pasul 1: Fizica din spatele ei

Acestea sunt toate formulele utilizate în JustAPendulum. Nu le voi demonstra, dar dacă sunteți curioși, aceste informații sunt ușor de găsit în fiecare carte de fizică. Pentru a calcula accelerația gravitațională a Pământului, pendulul măsoară pur și simplu perioada de oscilație (T), apoi folosește următoarea formulă pentru a calcula (g):

și acesta pentru a calcula eroarea absolută peste accelerație:

l este lungimea firului pendulului. Acest parametru trebuie setat din programul Companion (vezi mai jos). 0,01m este eroarea de măsurare a lungimii (sensibilitatea riglei este presupusă 1 cm), în timp ce 0,001s este precizia ceasului Arduino.

Pasul 2: Galileo Galilei și această formulă

Această formulă a fost descoperită (parțial) pentru prima dată de Galileo Galilei în jurul anului 1602, care a investigat mișcarea regulată a pendulelor, făcând pendulurile să fie adoptate ca fiind cele mai precise mașini de cronometrare până în 1930, când au fost inventate oscilatoare cu cuarț, urmate de ceasuri atomice după cel de-al doilea război mondial. Potrivit unuia dintre elevii lui Galileo, Galileo participa la o Liturghie la Pisa când a observat că vântul a provocat o mișcare foarte ușoară a unui candelabru suspendat în catedrală. A continuat să se uite la mișcarea candelabrului și a observat că, deși briza s-a oprit și distanța de mers înapoi și de mers parcursă de pendul s-a scurtat, totuși timpul necesar lustrului pentru a face oscilația părea să rămână constant. A cronometrat balansarea candelabrului prin bătăile regulate ale pulsului la încheietura mâinii și și-a dat seama că are dreptate: indiferent de distanța parcursă, timpul necesar a fost întotdeauna același. După mai multe măsurători și studii, el a aflat apoi că

De două ori π, ca și în ecuația anterioară, transformă expresia proporțională într-o adevărată ecuație - dar asta implică o stratagemă matematică pe care Galileo nu o obținuse.

Pasul 3: utilizare

Vă rugăm să rețineți că înainte de a utiliza pendulul digital, senzorii trebuie să fie calibrați și lungimea firului ajustată. Puneți JustAPendulum sub un pendul (minim 1m înălțime recomandat) și asigurați-vă că masa ascunde toți cei trei senzori atunci când oscilează. Senzorii funcționează mai bine în condiții de lumină slabă, deci opriți luminile. Porniți placa. Va apărea un ecran „Ready”. Iată structura meniului:

• Buton stânga: pentru a începe măsurătorile, puneți mingea în dreapta și apăsați butonul. Arduino detectează automat poziția mingii și pornește.

  • Este afișat „Începând … o.p.: x ms”

    • Stânga: calculați accelerația gravitațională
    • Dreapta: înapoi la ecranul principal

• Buton dreapta: afișează configurația

  • Dreapta: da
  • Stânga: nu

Pasul 4: Însoțitorul

Companionul JustAPendulum este un program Visual Basic. NET (scris în Visual Studio 2015) care permite utilizatorului să monitorizeze pendulul în timp real de pe computer. Afișează ultimele valori și erori, are tabele și grafice pentru a arăta măsurile anterioare și are instrumente pentru calibrarea senzorilor și pentru a seta lungimea firului. Istoricul poate fi exportat și în Excel.

Descarcă-l aici

Pasul 5: Calibrarea senzorilor

Accesați fila Advanced, activați „ADC monitor” și observați cum se modifică valorile afișate în funcție de poziția mingii. Încercați să aflați un prag acceptabil: dedesubt nu va însemna nicio masă între detectoare, în timp ce deasupra va indica faptul că masa trece între ele. Dacă valorile nu se schimbă, poate există prea multă lumină în cameră, deci opriți lămpile. Apoi, apăsați butonul „Calibrare manuală”. Scrieți în caseta de text pragul pe care l-ați decis și apăsați Enter.

Pasul 6: Schimbarea lungimii firului

Pentru a regla lungimea firului, apăsați butonul „Lungimea firului” și introduceți valoarea. Apoi setați eroarea de măsurare: dacă ați măsurat-o cu o bandă, sensibilitatea ar trebui să fie de 1 mm. Toate valorile vor fi stocate în memoria microcontrolerului ATmega328P.

Pasul 7: Cutia cu tăiere cu laser

Tăiați această structură din placaj (grosime de 4 mm) cu o mașină de tăiat cu laser, apoi asseblați-o, puneți componentele pe panouri și fixați-le cu niște cuie și lipici vinilic. Descărcați fișierele DXF / DWG în partea de jos a acestei pagini (proiectat cu AutoCAD 2016).

Pasul 8: Structura

Dacă nu ați primit un pendul, puteți să creați unul singur pornind de la acest exemplu (este o copie exactă a celui pe care l-am făcut). O bucată de placaj de 27, 5 · 16 · 1 cm, o atelă de 5 · 27, 5 · 2 cm și o tijă sunt suficiente. Apoi folosiți inele, sârmă de pescuit și o minge pentru a completa pendulul.

Proiect AutoCAD

Pasul 9: Liturghia

Nu avusesem o masă de fier (ar fi mai bine, desigur), așa că am făcut o minge cu o imprimantă 3D și am adăugat un inel pentru a-l atârna de fir. Cu cât este mai grea și mai subțire (vezi ceasurile cu pendul: masa este plană pentru a evita fricțiunea cu aerul), cu atât va oscila mai mult.

Descărcare mingea 3D

Pasul 10: PCB

Aceasta este metoda mai puțin costisitoare pentru a crea un PCB de casă folosind doar lucruri cu preț redus:

• Imprimantă laser (600 dpi sau mai bună)
• hârtie fotografică
• Circuit gol
• Acid muriatic (> 10% HCI)
• Peroxid de hidrogen (soluție 10%)
• Fier de calcat
• Acetonă
• Lână de oțel
• Ochelari de protecție și mănuși
• Bicarbonat de sodiu
• Oţet
• Prosop de hârtie

Primul pas este curățarea PCB-ului gol cu vată de oțel și apă. Dacă cuprul pare puțin oxidat, ar trebui să-l spălați cu oțet înainte. Apoi, frecați partea de cupru cu un prosop de hârtie înmuiat în acetonă pentru a îndepărta orice murdărie rămasă. Frecați cu exactitate fiecare parte a plăcii. Nu atingeți cuprul cu mâinile!

Imprimați fișierul PCB.pdf din partea de jos a acestei pagini folosind o imprimantă laser și nu îl atingeți cu degetele. Tăiați-o, aliniați imaginea pe partea de cupru și apăsați-o cu fierul de călcat pentru haine (trebuie să fie fierbinte, dar fără vapori) timp de aproximativ cinci minute. Lăsați-l să se răcească cu toată hârtia, apoi scoateți hârtia foarte încet și cu grijă sub apă. Dacă nu există toner pe cupru, repetați procedura; Folosiți un mic marker permanent pentru a remedia unele conexiuni lipsă.

Acum este timpul să folosiți acidul pentru gravarea PCB-ului. Într-o cutie de plastic puneți trei pahare de acid muriatic și unul de peroxid de hidrogen; de asemenea, puteți încerca cu cantități egale pentru o gravură mai puternică. Puneți PCB-ul în soluție (acordați atenție mâinilor și ochilor) și așteptați aproximativ zece minute. Când gravarea este terminată, scoateți placa din soluție și spălați-o sub apă. Puneți două linguri de bicarbonat de sodiu în acid pentru a neutraliza soluția și aruncați-o în WC (sau duceți-o la un centru de colectare a deșeurilor).

Pasul 11: Electronică

Piese necesare:

• ATMEGA328P MCU
• 2x condensatori de 22 pF
• 3x condensatori 100 uF
• 2x diode 1N4148
• Regulator de tensiune 7805TV
• 6x rezistențe 10K
• 2x rezistențe 220R
• Oscilator de cristal de 16 MHz
• Capete de pin
• Adaptor USB-serie
• Emițătoare cu infraroșu și detectoare IR cu aspect lateral de 940 nm (le-am cumpărat de la Sparkfun)
• Baterie de 9V și suport baterie
• Ecran LCD 16x2
• 2 butoane
• Un potențiometru și un aparat de tuns
• Fire, fire și fire

Acum că ați cumpărat și ați colectat componentele, alegeți o lipire și lipiți-le pe toate! Apoi fixați PCB-ul în cutie, conectați toate firele la LCD, adaptorul USB-serie, potențiometrul și dispozitivul de tundere (pentru luminozitatea și contrastul afișajului). Consultați schema, modelul PCB din pasul anterior și fișierele Eagle CAD din partea de jos a acestei pagini pentru a plasa corect toate piesele și firele.

Proiect CAD Eagle

Pasul 12: Senzori

Adăugați senzorii așa cum se arată în imagini, apoi faceți niște capace (am folosit un instrument rotativ pentru a le grava dintr-o atelă de lemn) pentru a le acoperi și a le proteja. Apoi conectați-le la placa principală.

Pasul 13: Sunteți gata

Începeți să-l utilizați! Bucurați-vă!