JustAPendulum: ашық көзі цифрлық маятник: 13 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:26

JustAPendulum-Жердің гравитациялық үдеуін табу үшін тербеліс периодын өлшейтін және есептейтін Arduino негізіндегі ашық көзі бар маятник (~ 9, 81 м/с²). Құрамында компьютермен байланысу үшін USB-сериялық адаптерді қолданатын үйдегі Arduino UNO бар. JustAPendulum өте дәл және оның серіктесі бар (Visual Basic. NET-те жазылған), ол нақты уақыт режимінде сізге массаның орнын және кесте мен графикті барлық алдыңғы өлшемдермен көрсетеді. Толығымен лазермен кесілген және қолдан жасалған, оны қолдану өте оңай: түймені бассаңыз болды, массасы төмендейді, ал тақта бәрін есептейді. Физика сабақтарындағы тесттер үшін өте қолайлы!

Жобаның негізгі беті: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Оны өзіңізге бағыттаушы ету

YouTube бейнесі

1 -қадам: Оның артындағы физика

Бұл JustAPendulum -да қолданылатын барлық формулалар. Мен оларды көрсетпеймін, бірақ егер сізге қызық болса, бұл ақпаратты кез келген физика кітабынан оңай табуға болады. Жердің гравитациялық үдеуін есептеу үшін маятник тербеліс периодын (T) өлшейді, содан кейін келесі формуланы қолданады (g):

және бұл үдеудегі абсолютті қатені есептеу үшін:

l - маятниктің сымының ұзындығы. Бұл параметр Companion бағдарламасынан орнатылуы керек (төменде қараңыз). 0,01м - ұзындықтың өлшеу қателігі (сызғыштың сезімталдығы 1 см деп есептеледі), ал 0,001с - Ардуино сағатының дәлдігі.

2 -қадам: Галилео Галилей және бұл формула

Бұл формуланы бірінші (ішінара) 1602 жылы Галилео Галилей ашты, ол маятниктің тұрақты қозғалысын зерттеді, бұл маятниктерді кварцты осцилляторлар ойлап табылған 1930 жылға дейін, ал екінші дүниежүзілік соғыстан кейін атомдық сағаттарға дейін дәл уақытты есептейтін машиналар ретінде қабылдады. Галилео шәкірттерінің бірінің айтуынша, Галилео Пизада өтетін массаға қатысқан кезде желдің соборда ілулі тұрған люстра қозғалысын тудыратынын байқаған. Ол люстра қозғалысына қарап тұрды, және ол жел тоқтап, маятниктің артқа және артқа қарай жүретін қашықтығы қысқарғанына қарамастан, люстраға тербелісті жасау уақыты тұрақты болып көрінетінін байқады. Ол люстраның тербелуін білегінің пульсінің үнемі соғуымен анықтады және өзінің дұрыс екенін түсінді: қанша қашықтықта жүрсе де, уақыт әрқашан бірдей болды. Көптеген зерттеулер мен зерттеулерден кейін ол мұны білді

Екі рет π, алдыңғы теңдеудегідей, пропорционалды өрнекті нағыз теңдеуге айналдырады, бірақ бұл Галилейде болмаған математикалық стратегияны қамтиды.

3 -қадам: Қолдану

Назар аударыңыз, цифрлық маятник датчиктерін калибрлеу және сым ұзындығын реттеу қажет. JustAPendulum -ды маятниктің астына қойыңыз (биіктігі кемінде 1 м ұсынылады) және тербеліс кезінде масса барлық үш сенсорды жасыратынын тексеріңіз. Сенсорлар аз жарық жағдайында жақсы жұмыс істейді, сондықтан шамдарды өшіріңіз. Тақтаға қосыңыз. «Дайын» экраны пайда болады. Міне мәзір құрылымы:

• Сол жақ түймешік: өлшеуді бастау үшін допты оңға қойып, түймені басыңыз. Ардуино автоматты түрде доптың орнын анықтап, бастайды.

  • “Басталуда… o.p.: x ms” көрсетіледі

    • Сол жақта: гравитациялық үдеуді есептеңіз
    • Оң жақта: негізгі экранға оралу

• Оң жақ түймешік: конфигурацияны көрсету

  • Дұрыс: иә
  • Сол жақта: жоқ

4 -қадам: Жолдас

JustAPendulum серігі-бұл пайдаланушыға маятникті компьютерден нақты уақытта бақылауға мүмкіндік беретін Visual Basic. NET бағдарламасы (Visual Studio 2015-те жазылған). Ол соңғы мәндер мен қателерді көрсетеді, өткен шараларды көрсетуге арналған кестелер мен графиктер мен сенсорларды калибрлеуге және сымның ұзындығын орнатуға арналған құралдарға ие. Тарихты Excel -ге экспорттауға болады.

Оны мына жерден жүктеп алыңыз

5 -қадам: датчиктерді калибрлеу

Қосымша қойындысына өтіңіз, «ADC мониторын» қосыңыз және доптың орналасуына байланысты көрсетілген мәндердің қалай өзгеретінін бақылаңыз. Қолайлы шекті білуге тырысыңыз: төменде детекторлар арасында масса жоқ дегенді білдіреді, ал жоғарыда олардың арасында массаның өтіп жатқанын көрсетеді. Егер мәндер өзгермесе, онда бөлмеде шамадан тыс жарық болуы мүмкін, сондықтан шамдарды өшіріңіз. Содан кейін «Қолмен калибрлеу» түймесін басыңыз. Мәтін жолағына сіз таңдаған шекті жазыңыз және enter пернесін басыңыз.

6 -қадам: сым ұзындығын өзгерту

Сымның ұзындығын реттеу үшін «Сым ұзындығы» түймесін басып, мәнді енгізіңіз. Содан кейін өлшеу қатесін орнатыңыз: егер сіз оны рулеткамен өлшеген болсаңыз, сезімталдығы 1 мм болуы керек. Барлық мәндер ATmega328P микроконтроллерінің жадында сақталады.

7 -қадам: лазерлік кесу қорабы

Бұл құрылымды фанерден (қалыңдығы 4 мм) лазерлік кескішпен кесіңіз, содан кейін оны асбелмен бекітіңіз, компоненттерді панельдерге қойып, оларды шегелер мен винилді желіммен бекітіңіз. Осы беттің төменгі жағындағы DXF/DWG файлдарын жүктеңіз (AutoCAD 2016 -мен жасалған).

8 -қадам: құрылым

Егер сізде маятник жоқ болса, сіз оны осы мысалдан бастай аласыз (бұл мен жасағанның дәл көшірмесі). 27, 5 · 16 · 1 см фанера, 5 · 27, 5 · 2 см шпилька мен штанг жеткілікті. Содан кейін маятникті аяқтау үшін сақиналарды, балық аулау сымын және шарды қолданыңыз.

AutoCAD жобасы

9 -қадам: Месса

Менде темір массасы жоқ еді (әрине жақсы болар еді), сондықтан мен 3D принтермен доп жасадым және оны сымға ілу үшін сақина қостым. Ол неғұрлым ауыр және жұқа (маятниктік сағаттарды қараңыз: ауамен үйкеліс болмау үшін массасы тегіс), соғұрлым ол ұзақ тербеледі.

3D доп жүктеу

10 -қадам: ПХД

Бұл үйдегі ПХД жасаудың арзан әдісі, тек арзан материалдарды қолдана отырып:

• Лазерлік принтер (600 нүкте / дюйм немесе одан жоғары)
• Фото қағаз
• Бос электронды тақта
• Муриат қышқылы (> 10% HCl)
• Сутегі асқын тотығы (10% ерітінді)
• Киім темір
• Ацетон
• Болат жүн
• Қауіпсіздік көзілдірігі мен қолғап
• Натрий бикарбонаты
• Сірке суы
• Қағаз сүлгі

Бірінші қадам - бос ПХД -ны болат жүнмен және сумен тазарту. Егер мыс сәл тотыққан болып көрінсе, оны сірке суымен жуу керек. Содан кейін қалған кірді кетіру үшін мыс жағын ацетонға малынған қағаз сүлгімен сүртіңіз. Тақтаның әр бөлігін дәл ысқылаңыз. Қолды қолмен ұстамаңыз!

Осы беттің төменгі жағындағы PCB.pdf файлын лазерлік принтермен басып шығарыңыз және саусақтарыңызбен ұстамаңыз. Оны кесіңіз, суретті мыс жағына туралаңыз және оны киім үтігімен басыңыз (ол ыстық, бірақ бусыз) шамамен бес минут. Оны барлық қағазбен суытыңыз, содан кейін қағазды өте баяу және мұқият су астында алыңыз. Егер мысда тонер болмаса, процедураны қайталаңыз; Кейбір жетіспейтін байланыстарды түзету үшін кішкене тұрақты маркерді қолданыңыз.

Енді ПХД өңдеу үшін қышқыл қолданатын кез келді. Пластикалық қорапқа үш стакан муриат қышқылы мен сутегі асқын тотығын салыңыз; Сіз сондай -ақ күшті мөлшерде тегістеу үшін тең мөлшерде қолдана аласыз. ПХД ерітіндісіне салыңыз (қолдарыңыз бен көздеріңізге назар аударыңыз) және шамамен он минут күтіңіз. Тегістеу аяқталғаннан кейін тақтаны ерітіндіден шығарып, су астында жуыңыз. Ерітіндіні бейтараптандыру үшін қышқылға екі қасық натрий бикарбонатын салыңыз және оны дәретханаға тастаңыз (немесе қоқыс жинау орталығына апарыңыз).

11 -қадам: электроника

Қажетті бөлшектер:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF конденсаторлар
• 3x 100 uF конденсаторлары
• 2x 1N4148 диодтары
• 7805TV кернеу реттегіші
• 6x 10K резисторлар
• 2x 220R резисторлары
• 16 МГц кристалды осциллятор
• Бастаулар
• USB сериялы адаптер
• 940нм бүйірлік инфрақызыл сәуле шығарғыштар мен инфрақызыл детекторлар (мен оларды Sparkfun-дан сатып алдым)
• 9В батарея және батарея ұстағыш
• 16x2 СКД экраны
• 2 түйме
• Потенциометр мен триммер
• Сымдар, сымдар мен сымдар

Енді сіз компоненттерді сатып алып, жинадыңыз, дәнекерлегішті таңдап, бәрін дәнекерлеңіз! Содан кейін ПХД-ны қорапқа бекітіңіз, барлық сымдарды СКД-ге, USB-сериялық адаптерге, потенциометр мен қайшыны қосыңыз (дисплей жарықтығы мен контраст үшін). Барлық бөлшектер мен сымдарды дұрыс орналастыру үшін алдыңғы қадамдағы ПХД моделін және осы беттің төменгі жағындағы Eagle CAD файлдарын қараңыз.

Eagle CAD жобасы

12 -қадам: сенсорлар

Датчиктерді суреттерде көрсетілгендей қосыңыз, содан кейін оларды жабу және қорғау үшін қақпақтарды жасаңыз (мен оларды ағаш шпильден ойып алу үшін айналмалы құралды қолдандым). Содан кейін оларды негізгі тақтаға қосыңыз.

13 -қадам: Сіз дайынсыз

Қолдануды бастаңыз! Ләззат алыңыз!