JustAPendulum: Otvoreni digitalni visak: 13 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:36

JustAPendulum je njihalo otvorenog koda zasnovano na Arduinu koje mjeri i izračunava period oscilacija kako bi pronašao gravitacijsko ubrzanje Zemlje (~ 9, 81 m/s²). Sadrži domaći Arduino UNO koji koristi USB-serijski adapter za komunikaciju s vašim računalom. JustAPendulum je vrlo precizan i ima popratnika (napisanog u Visual Basicu. NET) koji će vam u stvarnom vremenu pokazati položaj mase te tablicu i grafikon sa svim prethodnim mjerama. Potpuno laserski izrezan i domaći, vrlo je jednostavan za korištenje: samo pritisnite gumb i pustite da masa padne, a ploča će sve izračunati. Idealno za testove na satovima fizike!

Glavna stranica projekta: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Učinite to sami vodičem

YouTube video

Korak 1: Fizika iza toga

Ovo su sve formule korištene u JustAPendulumu. Neću ih demonstrirati, ali ako ste znatiželjni, ove je podatke lako pronaći u svakoj knjizi o fizici. Za izračunavanje gravitacijskog ubrzanja Zemlje, njihalo jednostavno mjeri razdoblje titranja (T), a zatim koristi sljedeću formulu za izračun (g):

a ovaj za izračunavanje apsolutne pogreške pri ubrzanju:

l je duljina žice njihala. Ovaj se parametar mora postaviti iz programa Companion (vidi dolje). 0,01 m je pogreška mjerenja duljine (osjetljivost ravnala pretpostavlja se 1 cm), dok je 0,001s preciznost Arduinovog sata.

Korak 2: Galileo Galilei i ova formula

Ovu je formulu prvi (djelomično) prvi otkrio Galileo Galilei oko 1602. godine, koji je istraživao pravilno kretanje njihala, čineći njihale prihvaćenima kao najpreciznije strojeve za mjerenje vremena do 1930. godine kada su izumljeni kvarcni oscilatori, a nakon njih slijede atomski satovi nakon Drugoga svjetskog rata. Prema jednom od Galilejevih učenika, Galileo je bio na misi u Pisi kada je primijetio da vjetar uzrokuje vrlo lagano kretanje lustera ovješenog u katedrali. Neprestano je promatrao kretanje lustera i primijetio je da, iako je povjetarac stao i udaljenost naprijed-natrag koju je njihalo prešlo skraćivala, činilo se da je vrijeme koje je lusteru bilo potrebno da oscilira ostalo konstantno. Odmjerio je ljuljanje lustera redovitim otkucajima pulsa u zapešću i shvatio da je bio u pravu: bez obzira na prijeđenu udaljenost, vrijeme je uvijek bilo isto. Nakon više mjerenja i studija, tada je saznao da

Dva puta π, kao u prethodnoj jednadžbi, pretvara proporcionalni izraz u pravu jednadžbu - ali to uključuje matematičku strategiju koju Galileo nije imao.

Korak 3: Upotreba

Imajte na umu da se prije uporabe senzori s digitalnim njihalom moraju kalibrirati i prilagoditi duljina žice. Stavite JustAPendulum ispod njihala (preporuča se visina od najmanje 1 m) i pazite da masa zamagljuje sva tri senzora pri osciliranju. Senzori bolje rade u uvjetima slabog osvjetljenja, stoga isključite svjetla. Uključite ploču. Pojavit će se zaslon "Spreman". Evo strukture izbornika:

• Lijeva tipka: za početak mjerenja stavite loptu desno i pritisnite gumb. Arduino automatski detektira položaj lopte i počinje.

  • Prikazuje se "Starting … o.p.: x ms"

    • Lijevo: izračunajte ubrzanje gravitacije

    • Desno: povratak na glavni zaslon

• Desni gumb: prikazuje konfiguraciju

  • Točno: da
  • Lijevo: ne

Korak 4: Suputnik

Pratitelj JustAPenduluma je program Visual Basic. NET (napisan u Visual Studio 2015) koji omogućuje korisniku nadziranje njihala u stvarnom vremenu s računala. Prikazuje posljednje vrijednosti i pogreške, ima tablice i grafikone za prikaz prošlih mjera te ima alate za kalibraciju senzora i za postavljanje duljine žice. Povijest se također može izvesti u Excel.

Preuzmite ga ovdje

Korak 5: Kalibriranje senzora

Idite na karticu Napredno, uključite "ADC monitor" i promatrajte kako se prikazane vrijednosti mijenjaju ovisno o položaju loptice. Pokušajte saznati prihvatljiv prag: ispod njega neće biti mase između detektora, dok će iznad označavati da masa prolazi između njih. Ako se vrijednosti ne promijene, možda je u prostoriji previše svjetla, pa isključite svjetiljke. Zatim pritisnite gumb "Ručna kalibracija". U okvir za tekst upišite prag koji ste odlučili i pritisnite enter.

Korak 6: Promjena duljine žice

Za podešavanje duljine žice pritisnite gumb "Duljina žice" i unesite vrijednost. Zatim postavite pogrešku mjerenja: ako ste je mjerili mjernom trakom, osjetljivost bi trebala biti 1 mm. Sve vrijednosti bit će pohranjene u memoriji mikrokontrolera ATmega328P.

Korak 7: Laserski izrezani okvir

Izrežite ovu strukturu od šperploče (debljine 4 mm) strojem za lasersko rezanje, zatim je sastavite, stavite komponente na ploče i popravite ih čavlima i vinilnim ljepilom. Preuzmite DXF/DWG datoteke pri dnu ove stranice (dizajnirane s AutoCAD -om 2016).

Korak 8: Struktura

Ako nemate visak, možete ga sami napraviti polazeći od ovog primjera (točna je kopija onoga koji sam napravio). Dovoljan je komad šperploče od 27, 5 · 16 · 1 cm, udlaga od 5 · 27, 5 · 2 cm i šipka. Zatim upotrijebite prstenje, ribarsku žicu i loptu za dovršetak njihala.

AutoCAD projekt

Korak 9: Misa

Nisam dobio željeznu masu (bilo bi bolje, naravno), pa sam napravio loptu s 3D pisačem i dodao prsten da je objesim na žicu. Što je teži i tanji (vidi satove s njihalom: masa je ravna kako bi se izbjeglo trenje sa zrakom), dulje će oscilirati.

Preuzimanje 3D loptice

Korak 10: PCB

Ovo je jeftinija metoda za izradu domaćih PCB-a koristeći samo jeftine stvari:

• Laserski pisač (600 dpi ili bolji)
• Foto papir
• Prazna ploča
• Muriatna kiselina (> 10% HCl)
• Vodikov peroksid (10% otopina)
• Željezo za odjeću
• Aceton
• Čelična vuna
• Zaštitne naočale i rukavice
• Natrijev bikarbonat
• Ocat
• Papirnati ručnik

Prvi korak je čišćenje praznog PCB -a čeličnom vunom i vodom. Ako se čini da je bakar pomalo oksidiran, prije biste ga trebali oprati octom. Zatim pročistite bakrenu stranu papirnatim ubrusom natopljenim acetonom kako biste uklonili preostalu prljavštinu. Točno protrljajte svaki dio ploče. Ne dodirujte bakar rukama!

Ispišite datoteku PCB.pdf na dnu ove stranice laserskim pisačem i ne dodirujte je prstima. Izrežite je, poravnajte sliku na bakrenoj strani i pritisnite je peglom za odjeću (mora biti vruća, ali bez pare) oko pet minuta. Pustite da se ohladi sa svim papirom, a zatim uklonite papir vrlo polako i pažljivo pod vodom. Ako nema tonera na bakru, ponovite postupak; Upotrijebite mali trajni marker da popravite neke veze koje nedostaju.

Sada je vrijeme da upotrijebite kiselinu za jetkanje PCB -a. U plastičnu kutiju stavite tri čaše muriatne kiseline i jednu vodikovog peroksida; također možete pokušati s jednakim količinama za snažnije graviranje. Stavite PCB u otopinu (obratite pažnju na ruke i oči) i pričekajte desetak minuta. Kad je jetkanje završeno, izvadite ploču iz otopine i operite je pod vodom. Stavite dvije žlice natrijevog bikarbonata u kiselinu da neutralizira otopinu i bacite je u WC (ili je odnesite u centar za prikupljanje otpada).

Korak 11: Elektronika

Potrebni dijelovi:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondenzatora
• 3x 100 uF kondenzatora
• 2x 1N4148 diode
• 7805TV regulator napona
• 6x 10K otpornici
• 2x 220R otpornici
• Kristalni oscilator od 16 MHz
• Pinheads
• USB-serijski adapter
• 940nm bočni infracrveni odašiljači i IC detektori (kupio sam ih od Sparkfuna)
• 9V baterija i držač baterije
• 16x2 LCD zaslon
• 2 gumba
• Potenciometar i trimer
• Žice, žice i žice

Sada kada ste kupili i prikupili komponente, odaberite lemilicu i sve ih zalemite! Zatim pričvrstite PCB u kutiju, spojite sve žice na LCD, USB-serijski adapter, potenciometar i trimer (za svjetlinu zaslona i kontrast). Pogledajte shemu, model PCB -a u prethodnom koraku i Eagle CAD datoteke pri dnu ove stranice kako biste pravilno postavili sve dijelove i žice.

Eagle CAD projekt

Korak 12: Senzori

Dodajte senzore kao što je prikazano na slikama, a zatim napravite neke kape (ja sam ih rotirao pomoću rotacijskog alata za graviranje od drvene udlage) da ih pokrije i zaštiti. Zatim ih spojite na glavnu ploču.

Korak 13: Spremni ste

Počnite ga koristiti! Uživati!