JustAPendulum: odprtokodno digitalno nihalo: 13 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

JustAPendulum je odprtokodno nihalo na osnovi Arduina, ki meri in izračuna obdobje nihanja, da bi našlo gravitacijski pospešek Zemlje (~ 9, 81 m/s²). Vsebuje domač Arduino UNO, ki za povezavo z računalnikom uporablja vmesnik USB-za-serijski. JustAPendulum je zelo natančen in ima spremljevalca (napisanega v Visual Basicu. NET), ki vam bo v realnem času prikazal položaj mase ter tabelo in graf z vsemi prejšnjimi ukrepi. Popolnoma lasersko rezan in domač, zelo enostaven za uporabo: samo pritisnite gumb in pustite, da masa pade in deska bo vse izračunala. Idealno za teste pri pouku fizike!

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

Naredite ga sami

YouTube video

1. korak: Fizika za tem

To so vse formule, uporabljene v sistemu JustAPendulum. Ne bom jih pokazal, če pa vas zanima, je te podatke enostavno najti v vsaki knjigi o fiziki. Za izračun gravitacijskega pospeška Zemlje nihalo preprosto izmeri obdobje nihanja (T), nato za izračun (g) uporabi naslednjo formulo:

in ta za izračun absolutne napake pri pospešku:

l je dolžina žice nihala. Ta parameter je treba nastaviti v spremljevalnem programu (glej spodaj). 0,01 m je merilna napaka dolžine (občutljivost ravnila je predvidena 1 cm), medtem ko je 0,001s natančnost ure Arduino.

2. korak: Galileo Galilei in ta formula

To formulo je prvič (delno) prvi odkril Galileo Galilei okoli leta 1602, ki je raziskal pravilno gibanje nihal, zaradi česar so bila nihala sprejeta kot najnatančnejši časovni stroj do leta 1930, ko so izumili kremenčeve oscilatorje, po drugi svetovni vojni pa atomske ure. Po mnenju enega od učencev Galilea se je Galileo udeležil maše v Pisi, ko je opazil, da veter povzroča zelo rahlo premikanje lestence, ki je obešen v stolnici. Nenehno je gledal gibanje lestencev in opazil je, da čeprav se je vetrič ustavil in se razdalja, ki jo je nihalo prepotovalo, skrajšala, se zdi, da je lestenec ostal konstanten, da je nihanje. Zamahnil je lestenec z rednim utripanjem pulza v zapestju in spoznal, da ima prav: ne glede na prehojeno razdaljo je bil čas vedno enak. Po več meritvah in študijah je potem ugotovil, da

Dvakratnik π, tako kot v prejšnji enačbi, spremeni proporcionalni izraz v pravo enačbo - vendar to vključuje matematično stratažo, ki je Galileo ni dobil.

3. korak: Uporaba

Upoštevajte, da je treba pred uporabo digitalnih nihalnih senzorjev umeriti in prilagoditi dolžino žice. JustAPendulum postavite pod nihalo (priporočeno je najmanj 1 m visoko) in pazite, da masa med nihanjem zakrije vse tri senzorje. Tipala delujejo bolje v slabih svetlobnih pogojih, zato ugasnite luči. Vklopite ploščo. Prikaže se zaslon »Pripravljeno«. Tu je struktura menija:

• Levi gumb: za začetek meritev postavite žogo na desno in pritisnite gumb. Arduino samodejno zazna položaj žoge in začne.

  • Prikaže se »Zagon … o.p.: x ms«

    • Levo: izračunajte gravitacijski pospešek

    • Desno: nazaj na glavni zaslon

• Desni gumb: prikaže konfiguracijo

  • Prav: da
  • Levo: ne

4. korak: spremljevalec

Spremljevalec programa JustAPendulum je program Visual Basic. NET (napisan v Visual Studio 2015), ki uporabniku omogoča spremljanje nihala v realnem času iz računalnika. Prikazuje zadnje vrednosti in napake, ima tabele in grafikone za prikaz preteklih ukrepov ter orodja za umerjanje senzorjev in nastavitev dolžine žice. Zgodovino lahko izvozite tudi v Excel.

Prenesite ga tukaj

5. korak: Umerjanje senzorjev

Pojdite na zavihek Napredno, vklopite »ADC monitor« in opazujte, kako se prikazane vrednosti spreminjajo glede na položaj žoge. Poskusite ugotoviti sprejemljiv prag: spodaj bo to pomenilo, da med detektorji ne bo mase, zgoraj pa bo kazalo, da masa prehaja med njimi. Če se vrednosti ne spremenijo, je morda v sobi preveč svetlobe, zato ugasnite svetilke. Nato pritisnite gumb "Ročna kalibracija". V besedilno polje vnesite prag, ki ste ga izbrali, in pritisnite enter.

6. korak: Spreminjanje dolžine žice

Za nastavitev dolžine žice pritisnite gumb »Dolžina žice« in vnesite vrednost. Nato nastavite merilno napako: če ste merili z merilnim trakom, mora biti občutljivost 1 mm. Vse vrednosti bodo shranjene v pomnilniku mikrokrmilnika ATmega328P.

Korak 7: Laserski izrez

To konstrukcijo iz vezanega lesa (debeline 4 mm) izrežite z laserskim rezalnim strojem, nato jo sestavite, sestavne dele položite na plošče in jih pritrdite z nekaj žeblji in vinilnim lepilom. Prenesite datoteke DXF/DWG na dnu te strani (zasnovane z AutoCAD 2016).

8. korak: Struktura

Če nimate nihala, ga lahko naredite sami iz tega primera (to je natančna kopija tistega, ki sem ga naredil). Zadostujejo kos vezanega lesa 27, 5 · 16 · 1 cm, opornica 5 · 27, 5 · 2 cm in palica. Nato za dokončanje nihala uporabite obroče, ribiško žico in žogo.

Projekt AutoCAD

9. korak: Maša

Nisem dobil železne mase (seveda bi bilo bolje), zato sem naredil kroglo s 3D tiskalnikom in dodal obroč, da ga obesim na žico. Težji in tanjši je (glej nihalne ure: masa je ravna, da se prepreči trenje z zrakom), dlje bo nihal.

Prenos 3D žogice

10. korak: PCB

To je cenejša metoda za ustvarjanje domačega tiskanega vezja z uporabo samo poceni stvari:

• Laserski tiskalnik (600 dpi ali boljši)
• Foto papir
• Prazno vezje
• Muriatska kislina (> 10% HCl)
• Vodikov peroksid (10% raztopina)
• Likalnik za oblačila
• Aceton
• Jeklena volna
• Zaščitna očala in rokavice
• Natrijev bikarbonat
• Kis
• Papirnata brisača

Prvi korak je čiščenje praznega tiskanega vezja z jekleno volno in vodo. Če se zdi, da je baker nekoliko oksidiran, ga morate prej oprati s kisom. Nato obrišite bakreno stran s papirnato brisačo, namočeno v acetonu, da odstranite preostalo umazanijo. Natančno podrgnite vsak del plošče. Ne dotikajte se bakra z rokami!

Natisnite datoteko PCB.pdf na dnu te strani z laserskim tiskalnikom in se je ne dotikajte s prsti. Odrežite ga, poravnajte sliko na bakreni strani in jo pritisnite na likalnik za oblačila (mora biti vroč, vendar brez hlapov) približno pet minut. Pustite, da se ohladi z vsem papirjem, nato pa zelo počasi in previdno odstranite papir pod vodo. Če tonerja na bakerju ni, ponovite postopek; Uporabite majhen trajni marker, da popravite nekaj manjkajočih povezav.

Zdaj je čas, da uporabite kislino za jedkanje PCB. V plastično škatlo dajte tri kozarce muriatske kisline in enega vodikovega peroksida; lahko z enakimi količinami poskusite tudi za močnejše jedkanje. PCB vstavite v raztopino (bodite pozorni na roke in oči) in počakajte približno deset minut. Ko je jedkanje končano, ploščo odstranite iz raztopine in sperite pod vodo. Dve žlici natrijevega bikarbonata damo v kislino, da nevtraliziramo raztopino in jo vržemo v WC (ali pa jo odnesemo v zbirni center za odpadke).

11. korak: Elektronika

Potrebni deli:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondenzatorji
• 3x 100 uF kondenzatorji
• 2x 1N4148 diode
• 7805TV regulator napetosti
• 6x 10K upori
• 2x 220R upori
• 16 MHz kristalni oscilator
• Pinheads
• USB-serijski adapter
• 940nm stranski infrardeči oddajniki in IR detektorji (kupil sem jih pri Sparkfun-u)
• 9V baterija in nosilec baterije
• 16x2 LCD zaslon
• 2 gumba
• Potenciometer in trimer
• Žice, žice in žice

Zdaj, ko ste kupili in zbrali komponente, izberite spajkalnik in jih vse spajkajte! Nato pritrdite tiskano vezje v škatlo, vse žice priključite na LCD, USB-serijski adapter, potenciometer in trimer (za svetlost zaslona in kontrast). Za pravilno namestitev vseh delov in žic si oglejte shemo, model tiskanega vezja v prejšnjem koraku in datoteke Eagle CAD na dnu te strani.

Projekt Eagle CAD

12. korak: Senzorji

Dodajte senzorje, kot je prikazano na slikah, nato naredite nekaj pokrovčkov (z vrtljivim orodjem sem jih vgraviral iz lesene opornice), da jih pokrijete in zaščitite. Nato jih povežite z glavno ploščo.

Korak: Pripravljeni ste

Začnite ga uporabljati! Uživajte!