JustAPendulum: Digitálne kyvadlo s otvoreným zdrojom: 13 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

JustAPendulum je kyvadlo s otvoreným zdrojom na báze Arduina, ktoré meria a vypočítava periódu oscilácie, aby zistilo gravitačné zrýchlenie Zeme (~ 9, 81 m/s²). Obsahuje domáce Arduino UNO, ktoré na komunikáciu s počítačom používa adaptér USB na sériový port. JustAPendulum je veľmi presný a má sprievodcu (napísaného v programe Visual Basic. NET), ktorý vám v reálnom čase ukáže polohu hmoty a tabuľku a graf so všetkými predchádzajúcimi mierami. Kompletne vyrezaný laserom a vyrobený doma, jeho použitie je veľmi jednoduché: stačí stlačiť tlačidlo a hmota klesne a doska všetko vypočíta. Ideálne pre testy na hodinách fyziky!

Hlavná stránka projektu: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Sprievodca, ktorý vám pomôže urobiť to sami

Video z YouTube

Krok 1: Fyzika za tým

Toto sú všetky vzorce používané v programe JustAPendulum. Nebudem ich demonštrovať, ale ak ste zvedaví, tieto informácie nájdete ľahko v každej knihe z fyziky. Na výpočet gravitačného zrýchlenia Zeme kyvadlo jednoducho meria periódu oscilácie (T) a potom na výpočet (g) použije nasledujúci vzorec:

a tento na výpočet absolútnej chyby pri zrýchlení:

l je dĺžka drôtu kyvadla. Tento parameter je potrebné nastaviť z programu Companion (pozri nižšie). 0,01 m je chyba merania dĺžky (citlivosť pravítka sa predpokladá 1 cm), zatiaľ čo 0,001 s je presnosť hodín Arduina.

Krok 2: Galileo Galilei a tento vzorec

Tento vzorec bol prvýkrát (čiastočne) objavený Galileom Galileim okolo roku 1602, ktorý skúmal pravidelný pohyb kyvadiel, vďaka čomu boli kyvadlá prijaté ako najpresnejšie časomerné stroje až do roku 1930, keď boli vynájdené kremenné oscilátory, po ktorých nasledovali atómové hodiny po 2. svetovej vojne. Podľa jedného z Galileových študentov sa Galileo zúčastnil omše v Pise, keď si všimol, že vietor spôsobuje veľmi ľahký pohyb lustra zaveseného v katedrále. Stále sa pozeral na pohyb lustra a všimol si, že aj keď vánok ustal a vzdialenosť kyvadla prejdená sem a tam sa skrátila, zdá sa, že čas, ktorý lustru trvalo kmitanie, zostáva konštantný. Načasovanie kývania lustra načasoval pravidelným tlkotom tepu v jeho zápästí a uvedomil si, že má pravdu: bez ohľadu na prejdenú vzdialenosť bol čas vždy rovnaký. Po ďalších meraniach a štúdiách to potom zistil

Dva krát π, ako v predchádzajúcej rovnici, premení proporcionálny výraz na skutočnú rovnicu - to však zahŕňa matematickú lest, ktorú Galileo nedostal.

Krok 3: Použitie

Upozorňujeme, že pred použitím digitálnych kyvadlových snímačov je potrebné kalibrovať a nastaviť dĺžku drôtu. Vložte JustAPendulum pod kyvadlo (odporúča sa výška najmenej 1 m) a uistite sa, že hmotnosť pri oscilácii zakrýva všetky tri senzory. Senzory fungujú lepšie za zhoršených svetelných podmienok, preto vypnite svetlá. Zapnite dosku. Zobrazí sa obrazovka „Ready“. Tu je štruktúra ponuky:

• Ľavé tlačidlo: na spustenie meraní dajte loptičku doprava a stlačte tlačidlo. Arduino automaticky zistí polohu lopty a spustí sa.

  • Zobrazí sa „Spúšťa sa … o.p.: x ms“

    • Vľavo: vypočítajte gravitačné zrýchlenie

    • Vpravo: späť na hlavnú obrazovku

• Pravé tlačidlo: zobrazenie konfigurácie

  • Vpravo: áno
  • Vľavo: nie

Krok 4: Spoločník

Doplnkom programu JustAPendulum je program Visual Basic. NET (napísaný v programe Visual Studio 2015), ktorý umožňuje používateľovi monitorovať kyvadlo v reálnom čase z počítača. Zobrazuje posledné hodnoty a chyby, má tabuľky a grafy na zobrazenie minulých meraní a má nástroje na kalibráciu senzorov a nastavenie dĺžky drôtu. Históriu je možné exportovať aj do Excelu.

Stiahnuť tu

Krok 5: Kalibrácia senzorov

Prejdite na kartu Rozšírené, zapnite „Monitor ADC“a sledujte, ako sa zobrazené hodnoty menia v závislosti od polohy lopty. Pokúste sa zistiť prijateľnú prahovú hodnotu: pod ním nebude znamenať žiadnu hmotnosť medzi detektormi, zatiaľ čo nad ním bude znamenať, že hmotnosť prechádza medzi nimi. Ak sa hodnoty nezmenia, pravdepodobne je v miestnosti príliš veľa svetla, preto vypnite žiarovky. Potom stlačte tlačidlo „Ručná kalibrácia“. Do textového poľa napíšte prah, pre ktorý ste sa rozhodli, a stlačte kláves Enter.

Krok 6: Zmena dĺžky drôtu

Dĺžku drôtu upravíte stlačením tlačidla „Dĺžka drôtu“a zadaním hodnoty. Potom nastavte chybu merania: ak ste ju merali pomocou zvinutého metra, citlivosť by mala byť 1 mm. Všetky hodnoty budú uložené v pamäti mikrokontroléra ATmega328P.

Krok 7: Laserom rezaný box

Túto štruktúru vyrežte z preglejky (hrúbka 4 mm) laserovým rezacím strojom, potom ju nájdite, položte komponenty na panely a zafixujte klincami a viničovým lepidlom. Stiahnite si súbory DXF/DWG v spodnej časti tejto stránky (navrhnuté v programe AutoCAD 2016).

Krok 8: Štruktúra

Ak nemáte kyvadlo, môžete si ho vyrobiť sami podľa tohto príkladu (je to presná kópia toho, ktorý som vyrobil). Postačí kus preglejky 27, 5 · 16 · 1 cm, dlaha 5 · 27, 5 · 2 cm a tyč. Potom pomocou krúžkov, rybárskeho drôtu a lopty dokončite kyvadlo.

Projekt AutoCAD

Krok 9: omša

Nedostal som železnú hmotu (samozrejme by to bolo lepšie), tak som vyrobil loptu s 3D tlačiarňou a pridal som prsteň, ktorý ju zavesil na drôt. Čím je ťažší a tenší (pozri kyvadlové hodiny: hmotnosť je plochá, aby sa zabránilo treniu so vzduchom), tým dlhšie bude kmitať.

3D loptička na stiahnutie

Krok 10: DPS

Toto je lacnejšia metóda na výrobu domácej dosky plošných spojov pomocou iba lacných vecí:

• Laserová tlačiareň (600 dpi alebo lepšia)
• Fotografický papier
• Prázdna doska plošných spojov
• Kyselina muriatová (> 10% HCl)
• Peroxid vodíka (10% roztok)
• Žehlička na prádlo
• Acetón
• Oceľová vlna
• Ochranné okuliare a rukavice
• Hydrogenuhličitan sodný
• Ocot
• Papierová utierka

Prvým krokom je čistenie prázdnej dosky plošných spojov oceľovou vlnou a vodou. Ak sa vám zdá, že je meď trochu zoxidovaná, mali by ste ju predtým umyť octom. Potom medenú stranu vydrhnite papierovou utierkou namočenou v acetóne, aby ste odstránili všetky zvyšky nečistôt. Presne rozotrite každú časť dosky. Nedotýkajte sa medi rukou!

Vytlačte súbor PCB.pdf v spodnej časti tejto stránky pomocou laserovej tlačiarne a nedotýkajte sa ho prstami. Odrežte ho, zarovnajte obrázok na medenej strane a zatlačte ho žehličkou na bielizeň (musí byť horúci, ale bez pary) asi päť minút. Nechajte vychladnúť so všetkým papierom, potom papier veľmi pomaly a opatrne vyberte pod vodou. Ak na medi nie je žiadny toner, zopakujte postup; Na opravu chýbajúcich spojení použite malú trvalú značku.

Teraz je čas použiť kyselinu na leptanie DPS. Do plastovej škatule vložte tri poháre kyseliny muriatovej a jeden peroxidu vodíka; Môžete tiež skúsiť s rovnakými čiastkami silnejšie leptanie. Vložte DPS do roztoku (dávajte pozor na ruky a oči) a počkajte asi desať minút. Keď je leptanie dokončené, vyberte dosku z roztoku a umyte ju pod vodou. Dve lyžice hydrogenuhličitanu sodného vložte do kyseliny, aby sa neutralizoval roztok, a dajte ho do WC (alebo ho odneste do zberného strediska odpadu).

Krok 11: Elektronika

Potrebné diely:

• MCU ATMEGA328P
• 2x 22 pF kondenzátory
• 3x 100 uF kondenzátory
• 2x diódy 1N4148
• 7805TV regulátor napätia
• 6x 10K odpory
• 2x rezistory 220R
• 16 MHz kryštálový oscilátor
• Pinheads
• Adaptér USB na sériový port
• 940 nm bočne vyzerajúce infračervené žiariče a IR detektory (kúpil som ich od Sparkfun)
• 9V batéria a držiak batérie
• LCD obrazovka 16x2
• 2 tlačidlá
• Potenciometer a trimer
• Drôty, drôty a drôty

Teraz, keď ste si kúpili a zozbierali súčiastky, vyberte spájkovačku a všetky ich spájkujte! Potom opravte DPS v krabici, pripojte všetky vodiče k LCD, adaptéru USB na sériový port, potenciometru a trimru (pre jas a kontrast displeja). Správne umiestnenie všetkých dielov a vodičov nájdete v schéme, modeli DPS v predchádzajúcom kroku a v súboroch CAD Eagle v spodnej časti tejto stránky.

Eagle CAD projekt

Krok 12: Senzory

Pridajte senzory, ako je znázornené na obrázkoch, a potom urobte niekoľko uzáverov (na ich vyrytie a ochranu som použil rotačný nástroj na ich vyrytie z drevenej dlahy). Potom ich pripojte k základnej doske.

Krok 13: Ste pripravení

Začnite ho používať! Užite si to!