JustAPendulum: nyílt forráskódú digitális inga: 13 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:42

A JustAPendulum egy Arduino-alapú nyílt forráskódú inga, amely méri és kiszámítja az oszcillációs periódust, hogy megtalálja a Föld gravitációs gyorsulását (~ 9, 81 m/s²). Házi Arduino UNO-t tartalmaz, amely USB-soros adapter segítségével kommunikál a számítógéppel. A JustAPendulum nagyon pontos, és van egy társa (a Visual Basic. NET-ben írva), amely valós időben megmutatja a tömeg helyzetét, valamint egy táblázatot és egy grafikont az összes korábbi méréssel. Teljesen lézervágott és házi készítésű, nagyon könnyen használható: csak nyomja meg a gombot, és hagyja, hogy a tömeg leessen, és a tábla mindent kiszámít. Ideális fizikaórákon végzett tesztekhez!

A projekt főoldala: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Tedd magad útmutatóvá

Youtube videó

Lépés: A fizika mögötte

Ezek mind a JustAPendulumban használt képletek. Nem fogom bemutatni őket, de ha kíváncsi vagy rá, ezt az információt könnyen megtalálod minden fizika könyvben. A Föld gravitációs gyorsulásának kiszámításához az inga egyszerűen méri az oszcillációs periódust (T), majd a következő képletet használja a (g) számításához:

és ezt a gyorsuláshoz tartozó abszolút hiba kiszámításához:

l az inga huzalának hossza. Ezt a paramétert a kísérőprogramból kell beállítani (lásd alább). 0,01 m a hossz mérési hibája (a vonalzó érzékenységét 1 cm -nek feltételezzük), míg 0,001 s az Arduino óra pontossága.

2. lépés: Galileo Galilei és ez a képlet

Ezt a képletet először (részben) Galileo Galilei fedezte fel 1602 körül, aki az inga szabályos mozgását vizsgálta, így az inga lett a legpontosabb időmérő gép 1930 -ig, amikor a kvarcoszcillátorokat feltalálták, majd a második világháború után az atomórák. Galilei egyik tanítványa szerint Galilei misén vett részt Pisában, amikor észrevette, hogy a szél nagyon enyhe mozgást okoz a katedrálisban felfüggesztett csillárnak. Folyamatosan nézte a csillár mozgását, és észrevette, hogy bár a szél megállt, és az inga által megtett oda-vissza út lerövidült, mégis úgy tűnt, hogy az idő, ameddig a csillár elérte az oszcillációt, állandó marad. A csillár lengését a csuklójának rendszeres ütemezésével időzítette, és rájött, hogy igaza van: függetlenül a megtett távolságtól, az idő mindig ugyanaz. További mérések és vizsgálatok után rájött erre

A kétszeres π, mint az előző egyenletben, az arányos kifejezést valódi egyenletké alakítja - de ez magában foglal egy matematikai rétegzést, amelyet Galilei nem kapott.

3. lépés: Használat

Kérjük, vegye figyelembe, hogy a digitális ingaérzékelők használata előtt kalibrálni kell, és be kell állítani a huzal hosszát. Helyezze a JustAPendulumot inga alá (legalább 1 m magas), és győződjön meg arról, hogy a tömeg elfedi mindhárom érzékelőt, amikor oszcillál. Az érzékelők gyengébb fényviszonyok mellett jobban működnek, ezért kapcsolja ki a villanyt. Kapcsolja be a táblát. Megjelenik a „Kész” képernyő. Íme a menü szerkezete:

• Bal gomb: a mérések elindításához tegye a labdát jobbra, és nyomja meg a gombot. Az Arduino automatikusan észleli a labda helyzetét és elindul.

  • “Starting… o.p.: x ms” jelenik meg

    • Balra: a gravitációs gyorsulás kiszámítása
    • Jobbra: vissza a főképernyőre

• Jobb gomb: a konfiguráció megjelenítése

  • Helyes: igen
  • Bal: nem

4. lépés: A kísérő

A JustAPendulum kísérője egy Visual Basic. NET (Visual Studio 2015-ben írva) program, amely lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy valós időben figyelje az inga számítógépről. Megjeleníti az utolsó értékeket és hibákat, táblázatokat és grafikonokat tartalmaz a múltbeli mérésekhez, valamint eszközöket tartalmaz az érzékelők kalibrálásához és a vezeték hosszának beállításához. Az előzmények Excelbe is exportálhatók.

Töltse le itt

5. lépés: Az érzékelők kalibrálása

Lépjen a Speciális fülre, kapcsolja be az „ADC monitor” funkciót, és figyelje meg, hogyan változnak a megjelenített értékek a labda helyzetétől függően. Próbáljon megtudni egy elfogadható küszöbértéket: alatta nem lesz tömeg az érzékelők között, míg fölötte azt jelzi, hogy a tömeg halad közöttük. Ha az értékek nem változnak, akkor talán túl sok a fény a szobában, ezért kapcsolja ki a lámpákat. Ezután nyomja meg a „Kézi kalibrálás” gombot. Írja be a szövegmezőbe a kiválasztott küszöbértéket, és nyomja meg az enter billentyűt.

6. lépés: A huzal hosszának módosítása

A huzal hosszának beállításához nyomja meg a „Vezetékhossz” gombot, és adja meg az értéket. Ezután állítsa be a mérési hibát: ha mérőszalaggal mérte, az érzékenységnek 1 mm -nek kell lennie. Minden érték az ATmega328P mikrokontroller memóriájában tárolódik.

7. lépés: A lézervágó doboz

Vágja le ezt a szerkezetet rétegelt lemezből (4 mm vastag) egy lézervágó géppel, majd rögzítse, helyezze az alkatrészeket a panelekre, és rögzítse őket néhány szögekkel és vinil ragasztóval. Töltse le a DXF/DWG fájlokat az oldal alján (az AutoCAD 2016 programmal készült).

8. lépés: A szerkezet

Ha nincs inga, akkor a példából kiindulva készíthet egyet (ez egy pontos másolata az általam készítettnek). Elég egy 27, 5 · 16 · 1 cm -es rétegelt lemez, egy 5,27, 5,2 cm -es sín és egy rúd. Ezután használjon gyűrűket, horgászdrótot és labdát az inga befejezéséhez.

AutoCAD projekt

9. lépés: A szentmise

Nem kaptam vasmasszát (persze jobb lenne), ezért készítettem egy labdát egy 3D nyomtatóval, és egy gyűrűt adtam hozzá a dróthoz. Minél nehezebb és vékonyabb (lásd az ingaórákat: a tömeg lapos, hogy elkerülje a levegővel való súrlódást), annál tovább ingadozik.

3D labda letöltése

10. lépés: A NYÁK

Ez a legolcsóbb módszer házi PCB létrehozására, csak olcsó anyagok felhasználásával:

• Lézernyomtató (600 dpi vagy jobb)
• fotópapír
• Üres áramköri lap
• Muriatic sav (> 10% HCl)
• Hidrogén -peroxid (10% -os oldat)
• Ruhák vas
• Aceton
• Acélforgács
• Védőszemüveg és kesztyű
• Szódabikarbóna
• Ecet
• Papírtörlő

Az első lépés az üres NYÁK tisztítása acélgyapottal és vízzel. Ha a réz kissé oxidáltnak tűnik, előtte ecettel kell lemosni. Ezután dörzsölje át a réz oldalt acetonnal átitatott papírtörlővel, hogy eltávolítsa a maradék szennyeződést. Pontosan dörzsölje a tábla minden részét. Ne érintse kézzel a rezet!

Nyomtassa ki a lap alján található PCB.pdf fájlt lézernyomtatóval, és ne érintse meg ujjaival. Vágja le, igazítsa a képet a réz oldalára, és nyomja meg a ruhavasalóval (forrónak kell lennie, de gőz nélkül) körülbelül öt percig. Hagyja kihűlni az összes papírral, majd nagyon lassan és óvatosan távolítsa el a papírt víz alatt. Ha nincs festék a rézen, ismételje meg az eljárást; Használjon kis állandó jelölőt néhány hiányzó csatlakozás javításához.

Most itt az ideje, hogy savat használjon a PCB maratásához. Egy műanyag dobozba tegyen három pohár muriatsavat és egyet hidrogén -peroxidból; egyenlő mennyiséggel is megpróbálhatja az erőteljesebb maratást. Tegye a PCB -t az oldatba (figyeljen a kezére és a szemére), és várjon körülbelül tíz percet. Amikor a maratás befejeződött, távolítsa el a táblát az oldatból, és mossa le víz alatt. Tegyen két kanál nátrium -hidrogén -karbonátot a savba, hogy semlegesítse az oldatot, és dobja a WC -be (vagy vigye a hulladékgyűjtő központba).

11. lépés: Elektronika

Szükséges alkatrészek:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondenzátor
• 3x 100 uF kondenzátor
• 2x 1N4148 dióda
• 7805TV feszültségszabályozó
• 6x 10K ellenállás
• 2x 220R ellenállás
• 16 MHz -es kristály oszcillátor
• Tűhegyek
• USB-soros adapter
• 940 nm-es oldalra néző infravörös sugárzók és IR-érzékelők (ezeket a Sparkfun-tól vettem)
• 9V elem és elemtartó
• 16x2 LCD kijelző
• 2 gomb
• Potenciométer és trimmer
• Vezetékek, vezetékek és vezetékek

Most, hogy megvásárolta és összegyűjtötte az alkatrészeket, válasszon forrasztót és forrasztja fel őket! Ezután rögzítse a NYÁK-t a dobozban, csatlakoztassa az összes vezetéket az LCD-hez, az USB-soros adapterhez, a potenciométerhez és a trimmerhez (a kijelző fényereje és kontrasztja érdekében). Tekintse meg a sematikus ábrát, az előző lépésben szereplő NYÁK -modellt és az oldal alján található Eagle CAD fájlokat az összes alkatrész és vezeték megfelelő elhelyezéséhez.

Eagle CAD projekt

12. lépés: Érzékelők

Adja hozzá az érzékelőket a képeken látható módon, majd készítsen néhány sapkát (én egy forgácsoló szerszámmal gravíroztam őket fahasadékból), hogy lefedjék és megvédjék őket. Ezután csatlakoztassa őket az alaplaphoz.

13. lépés: Készen áll

Kezdje el használni! Élvezd!