JustAPendulum: avatud lähtekoodiga digitaalne pendel: 13 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

JustAPendulum on Arduino-põhine avatud lähtekoodiga pendel, mis mõõdab ja arvutab võnkumisperioodi, et leida Maa gravitatsioonikiirendus (~ 9, 81 m/s²). See sisaldab omatehtud Arduino UNO-d, mis kasutab arvutiga suhtlemiseks USB-jadaadapterit. JustAPendulum on ülitäpne ja sellel on kaaslane (kirjutatud Visual Basic. NET-is), mis reaalajas näitab teile massi asukohta ning tabelit ja graafikut koos kõigi eelnevate mõõtudega. Täiesti laserlõigatud ja omatehtud, seda on väga lihtne kasutada: vajutage lihtsalt nuppu ja laske massil langeda ning plaat arvutab kõik. Ideaalne füüsikatundide testideks!

Projekti avaleht: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Tee sellest ise juhend

YouTube'i video

Samm: selle taga olev füüsika

Need on kõik JustAPendulumis kasutatavad valemid. Ma ei hakka neid demonstreerima, aga kui olete uudishimulik, on seda teavet lihtne leida igast füüsikaraamatust. Maa gravitatsioonikiirenduse arvutamiseks mõõdab pendel lihtsalt võnkumisperioodi (T), seejärel kasutab (g) arvutamiseks järgmist valemit:

ja see kiirenduse absoluutse vea arvutamiseks:

l on pendli traadi pikkus. See parameeter tuleb määrata kaasprogrammist (vt allpool). 0,01 m on pikkuse mõõtmisviga (joonlaua tundlikkust eeldatakse 1 cm), samas kui 0,001 s on Arduino kella täpsus.

2. samm: Galileo Galilei ja see valem

Selle valemi avastas esmakordselt (osaliselt) Galileo Galilei umbes 1602. aastal, uurides pendlite korrapärast liikumist, muutes pendlid kõige täpsemateks ajamõõtmismasinateks kuni 1930. aastani, mil leiutati kvartsostsillaatorid, millele järgnesid aatomkellad pärast Teist maailmasõda. Ühe Galileo õpilase sõnul osales Galileo Pisal missa ajal, kui märkas, et tuul tekitas katedraalis riputatud lühtri väga nõrga liikumise. Ta vaatas jätkuvalt lühtri liikumist ja märkas, et kuigi tuul lakkas ja pendli läbitud edasi-tagasi vahemaa lühenes, tundus siiski, et aeg, mis lühtril võnkumiseks kulus, jääb konstantseks. Ta ajas lühtri õõtsumist pulsi regulaarsel löömisel randmel ja mõistis, et tal oli õigus: olenemata läbitud vahemaast, kulus selleks alati sama aeg. Pärast rohkem mõõtmisi ja uuringuid sai ta siis teada, et

Kaks korda π, nagu eelmises võrrandis, muudab proportsionaalse avaldise tõeliseks võrrandiks - kuid see hõlmab matemaatilist kihistumist, mida Galileil polnud.

3. samm: kasutamine

Pange tähele, et enne digitaalsete pendelandurite kasutamist tuleb need kalibreerida ja juhtme pikkust reguleerida. Asetage JustAPendul pendli alla (soovitatav vähemalt 1 m kõrgune) ja veenduge, et mass varjab kõik kolm võnkumist. Andurid töötavad hämaras paremini, seega lülitage tuled välja. Lülitage plaat sisse. Ilmub ekraan „Valmis”. Siin on menüü struktuur:

• Vasak nupp: mõõtmiste alustamiseks pange pall paremale ja vajutage nuppu. Arduino tuvastab automaatselt palli asukoha ja alustab.

  • Kuvatakse “Starting… o.p.: x ms”

    • Vasakul: gravitatsioonikiirenduse arvutamine

    • Paremale: tagasi põhiekraanile

• Parem nupp: konfiguratsiooni kuvamine

  • Õige: jah
  • Vasakul: ei

4. samm: kaaslane

JustAPendulumi kaaslane on Visual Basic. NET (kirjutatud Visual Studio 2015) programm, mis võimaldab kasutajal arvutist reaalajas pendlit jälgida. See kuvab viimased väärtused ja vead, sellel on tabelid ja graafikud, mis näitavad varasemaid mõõtmisi, ning tööriistad andurite kalibreerimiseks ja juhtme pikkuse määramiseks. Ajalugu saab eksportida ka Excelisse.

Laadige see alla siit

Samm: andurite kalibreerimine

Minge vahekaardile Täpsemalt, lülitage sisse „ADC -monitor” ja jälgige, kuidas kuvatavad väärtused sõltuvalt palli asendist muutuvad. Proovige leida vastuvõetav künnis: alla selle ei tähenda detektorite vahel mingit massi, üleval aga näitab, et mass liigub nende vahel. Kui väärtused ei muutu, võib -olla on toas liiga palju valgust, nii et lülitage lambid välja. Seejärel vajutage nuppu “Käsitsi kalibreerimine”. Kirjutage tekstikasti soovitud lävi ja vajutage sisestusklahvi.

Samm: traadi pikkuse muutmine

Traadi pikkuse reguleerimiseks vajutage nuppu „Traadi pikkus“ja sisestage väärtus. Seejärel määrake mõõtmisviga: kui mõõdeti mõõdulindiga, peaks tundlikkus olema 1 mm. Kõik väärtused salvestatakse ATmega328P mikrokontrolleri mällu.

7. samm: laserlõikekarp

Lõigake see struktuur vineerist (paksusega 4 mm) laserlõikamismasinaga, seejärel kinnitage see, asetage komponendid paneelidele ja kinnitage need mõne naela ja vinüülliimiga. Laadige DXF/DWG -failid alla selle lehe allservast (loodud AutoCAD 2016 abil).

8. samm: struktuur

Kui teil pole pendlit, saate selle näite põhjal ise teha (see on minu tehtud täpne koopia). Piisab 27, 5 · 16 · 1 cm vineeritükist, 5,27, 5,2 cm lahast ja vardast. Seejärel kasutage pendli lõpetamiseks rõngaid, õngenööri ja palli.

AutoCAD projekt

9. samm: missa

Mul polnud rauamassi (oleks muidugi parem), nii et tegin 3D -printeriga palli ja lisasin traadi külge riputamiseks rõnga. Mida raskem ja õhem see on (vt pendlakellad: mass on tasane, et vältida hõõrdumist õhuga), seda kauem see võngub.

3D palli allalaadimine

Samm: PCB

See on odavam meetod omatehtud PCB loomiseks, kasutades ainult odavaid asju:

• Laserprinter (600 dpi või parem)
• Fotopaber
• Tühi trükkplaat
• Muriaathape (> 10% HCl)
• Vesinikperoksiid (10% lahus)
• Riided rauast
• Atsetoon
• Terasvill
• Kaitseprillid ja kindad
• Naatriumvesinikkarbonaat
• Äädikas
• Majapidamispaber

Esimene samm on tooriku trükkplaadi puhastamine terasvilla ja veega. Kui vask tundub veidi oksüdeerunud, peaksite seda enne äädikaga pesema. Seejärel hõõruge vase pool atsetoonis leotatud paberrätikuga, et eemaldada allesjäänud mustus. Hõõruge täpselt kõiki tahvli osi. Ärge puudutage vaske kätega!

Printige PCB.pdf -fail selle lehe allservas laserprinteriga ja ärge puudutage seda sõrmedega. Lõigake see, joondage pilt vasest küljest ja vajutage seda riideraudadega (see peab olema kuum, kuid ilma auruta) umbes viis minutit. Laske sellel koos kogu paberiga jahtuda, seejärel eemaldage paber väga aeglaselt ja ettevaatlikult vee all. Kui vasel pole toonerit, korrake protseduuri; Kasutage puuduvate ühenduste parandamiseks väikest püsimarkerit.

Nüüd on aeg kasutada PCB söövitamiseks hapet. Plastkarbis asetage kolm klaasi muriaathapet ja üks vesinikperoksiidi; võimsama söövituse saamiseks võite proovida ka võrdsete kogustega. Pange PCB lahusesse (pöörake tähelepanu kätele ja silmadele) ja oodake umbes kümme minutit. Kui söövitus on lõppenud, eemaldage plaat lahusest ja peske vee all. Lahuse neutraliseerimiseks pange happesse kaks lusikatäit naatriumvesinikkarbonaati ja visake see tualetti (või viige jäätmekogumiskeskusesse).

11. samm: elektroonika

Vajalikud osad:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondensaatorit
• 3x 100 uF kondensaatorit
• 2x 1N4148 dioodi
• 7805TV pingeregulaator
• 6x 10K takistid
• 2x 220R takistid
• 16 MHz kristallostsillaator
• Nööpnõelad
• USB-jadaadapter
• 940nm külgmised infrapunakiirgurid ja IR-detektorid (ostsin need Sparkfunist)
• 9V aku ja akuhoidik
• 16x2 LCD ekraan
• 2 nuppu
• Potentsiomeeter ja trimmer
• Juhtmed, juhtmed ja juhtmed

Nüüd, kui olete komponendid ostnud ja kokku kogunud, valige jootja ja jootke need kõik! Seejärel kinnitage trükkplaat karbis, ühendage kõik juhtmed LCD-ekraaniga, USB-jadaadapter, potentsiomeeter ja trimmer (ekraani heleduse ja kontrasti jaoks). Kõikide osade ja juhtmete õigeks paigutamiseks vaadake skeemi, eelmise sammu PCB mudelit ja selle lehe allosas olevaid Eagle CAD -faile.

Eagle CAD projekt

12. samm: andurid

Lisage andurid, nagu on näidatud piltidel, seejärel tehke nende katmiseks ja kaitsmiseks mõned korgid (ma kasutasin neid puidust lahasest graveerimiseks pöörleva tööriistaga). Seejärel ühendage need emaplaadiga.

Samm: olete valmis

Hakka seda kasutama! Nautige!