„JustAPendulum“: atviro kodo skaitmeninė švytuoklė: 13 žingsnių

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

„JustAPendulum“yra „Arduino“pagrindu sukurta atvirojo kodo švytuoklė, kuri matuoja ir apskaičiuoja svyravimo periodą, kad nustatytų Žemės gravitacinį pagreitį (~ 9, 81 m/s²). Jame yra naminis „Arduino UNO“, kuris naudoja USB-serijos adapterį, kad galėtų bendrauti su kompiuteriu. „JustAPendulum“yra labai tikslus ir turi papildinį (parašytą „Visual Basic. NET“), kuris realiuoju laiku parodys jums masės padėtį ir lentelę bei grafiką su visomis ankstesnėmis priemonėmis. Visiškai lazeriu supjaustytas ir naminis, juo labai paprasta naudotis: tiesiog paspauskite mygtuką ir leiskite masei nukristi, o lenta viską apskaičiuos. Idealiai tinka testams fizikos pamokose!

Pagrindinis projekto puslapis: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Pasidaryk tai vadovu

„YouTube“vaizdo įrašas

1 žingsnis: fizika už jos

Tai visos formulės, naudojamos „JustAPendulum“. Nesiruošiu jų demonstruoti, bet jei įdomu, šią informaciją nesunku rasti kiekvienoje fizikos knygoje. Norėdami apskaičiuoti Žemės gravitacinį pagreitį, švytuoklė tiesiog išmatuoja svyravimo periodą (T), tada apskaičiuoja (g) pagal šią formulę:

ir tai apskaičiuoti absoliučią pagreičio paklaidą:

l yra švytuoklės vielos ilgis. Šis parametras turi būti nustatytas iš „Companion“programos (žr. Toliau). 0,01 m yra ilgio matavimo paklaida (manoma, kad liniuotės jautrumas yra 1 cm), o 0,001 s - Arduino laikrodžio tikslumas.

2 žingsnis: „Galileo Galilei“ir ši formulė

Šią formulę pirmą kartą (iš dalies) atrado „Galileo Galilei“apie 1602 m., Kuris ištyrė reguliarų švytuoklių judėjimą, todėl švytuoklės buvo laikomos tiksliausiomis laiko skaičiavimo mašinomis iki 1930 m., Kai buvo išrasti kvarciniai generatoriai, o po Antrojo pasaulinio karo - atominiai laikrodžiai. Pasak vieno iš „Galileo“mokinių, Galilėjus dalyvavo mišiose Pizoje, kai pastebėjo, kad vėjas sukėlė labai nedidelį katedroje pakabintos liustra judesį. Jis nuolat žiūrėjo į sietyno judesį ir pastebėjo, kad nors vėjas sustojo ir švytuoklės nuvažiuotas atstumas pirmyn ir atgal sutrumpėjo, tačiau atrodo, kad laikas, per kurį liustra padarė svyravimus, išliko pastovus. Jis nustatė liustra svyravimą reguliariai plaka pulsą rieše ir suprato, kad buvo teisus: nesvarbu, koks atstumas buvo nuvažiuotas, laikas visada buvo tas pats. Po daugiau matavimų ir tyrimų jis sužinojo

Du kartus π, kaip ir ankstesnėje lygtyje, proporcingą išraišką paverčia tikra lygtimi, tačiau tai apima matematinį stratagemą, kurio „Galileo“neturėjo.

3 žingsnis: naudojimas

Atminkite, kad prieš naudojant skaitmeninius švytuoklės jutiklius reikia sukalibruoti ir sureguliuoti laido ilgį. Padėkite „JustAPendulum“žemiau švytuoklės (rekomenduojama mažiausiai 1 m aukščio) ir įsitikinkite, kad svyruojant masė užgožia visus tris jutiklius. Jutikliai geriau veikia esant silpnam apšvietimui, todėl išjunkite šviesą. Įjunkite lentą. Pasirodys ekranas „Paruošta“. Štai meniu struktūra:

• Kairysis mygtukas: norėdami pradėti matavimus, padėkite kamuolį į dešinę ir paspauskite mygtuką. „Arduino“automatiškai nustato rutulio padėtį ir paleidžia.

  • Rodoma „Starting … o.p.: x ms“

    • Kairėje: apskaičiuokite gravitacinį pagreitį

    • Dešinė: grįžkite į pagrindinį ekraną

• Dešinysis mygtukas: rodyti konfigūraciją

  • Teisingai: taip
  • Kairėje: ne

4 žingsnis: kompanionas

„JustAPendulum“kompanionas yra „Visual Basic. NET“(parašyta „Visual Studio 2015“) programa, leidžianti vartotojui realiu laiku stebėti švytuoklę iš kompiuterio. Jame rodomos paskutinės vertės ir klaidos, yra lentelės ir grafikai, rodantys praeities matavimus, ir įrankiai, skirti kalibruoti jutiklius ir nustatyti laido ilgį. Istoriją taip pat galima eksportuoti į „Excel“.

Atsisiųskite jį čia

5 žingsnis: jutiklių kalibravimas

Eikite į skirtuką Išplėstinė, įjunkite „ADC monitor“ir stebėkite, kaip rodomos vertės kinta priklausomai nuo rutulio padėties. Pabandykite išsiaiškinti priimtiną slenkstį: žemiau jo nebus masės tarp detektorių, o virš jos - masė, einanti tarp jų. Jei vertės nesikeičia, galbūt kambaryje yra per daug šviesos, todėl išjunkite lempas. Tada paspauskite mygtuką „Rankinis kalibravimas“. Teksto laukelyje parašykite pasirinktą slenkstį ir paspauskite „Enter“.

6 žingsnis: pakeiskite laido ilgį

Norėdami reguliuoti laido ilgį, paspauskite mygtuką „Vielos ilgis“ir įveskite vertę. Tada nustatykite matavimo paklaidą: jei matavote juostele, jautrumas turėtų būti 1 mm. Visos vertės bus išsaugotos mikrovaldiklio ATmega328P atmintyje.

7 žingsnis: Lazerio pjovimo dėžutė

Iškirpkite šią konstrukciją iš faneros (4 mm storio) lazeriu pjaustytu aparatu, tada pritvirtinkite, uždėkite komponentus ant plokščių ir pritvirtinkite vinimis ir viniliniais klijais. Atsisiųskite DXF/DWG failus šio puslapio apačioje (sukurta naudojant „AutoCAD 2016“).

8 žingsnis: struktūra

Jei neturite švytuoklės, galite tai padaryti patys, remdamiesi šiuo pavyzdžiu (tai tiksli mano padarytos kopija). Pakanka 27, 5 · 16 · 1 cm faneros gabalo, 5, 27, 5 · 2 cm įtvaro ir strypo. Tada naudokite žiedus, žvejybos vielą ir rutulį, kad užbaigtumėte švytuoklę.

AutoCAD projektas

9 žingsnis: Mišios

Aš neturėjau geležinės masės (žinoma, būtų geriau), todėl padariau rutulį su 3D spausdintuvu ir pridėjau žiedą, kuris pakabino jį ant vielos. Kuo jis sunkesnis ir plonesnis (žr. Švytuoklinius laikrodžius: masė yra plokščia, kad būtų išvengta trinties oru), tuo ilgiau ji svyruos.

Parsisiųsti 3d kamuolys

10 žingsnis: PCB

Tai yra pigesnis būdas sukurti namų PCB naudojant tik nebrangius dalykus:

• Lazerinis spausdintuvas (600 dpi ar geresnis)
• Fotopopierius
• Tuščia plokštė
• Muriatic rūgštis (> 10% HCl)
• Vandenilio peroksidas (10% tirpalas)
• Drabužiai geležimi
• Acetonas
• Plieninė vata
• Apsauginiai akiniai ir pirštinės
• Natrio bikarbonatas
• Actas
• Popierinis rankšluostis

Pirmasis žingsnis yra tuščio PCB valymas plieno vata ir vandeniu. Jei varis atrodo šiek tiek oksiduotas, prieš tai jį reikia nuplauti actu. Tada nuvalykite vario pusę popieriniu rankšluosčiu, sudrėkintu acetone, kad pašalintumėte likusius nešvarumus. Tiksliai patrinkite kiekvieną lentos dalį. Nelieskite vario rankomis!

Spausdinkite PCB.pdf failą šio puslapio apačioje naudodami lazerinį spausdintuvą ir nelieskite jo pirštais. Iškirpkite, sulygiuokite vaizdą vario pusėje ir maždaug penkias minutes paspauskite jį su drabužių lygintuvu (jis turi būti karštas, bet be garų). Leiskite jam atvėsti su visu popieriumi, tada labai lėtai ir atsargiai nuimkite popierių po vandeniu. Jei ant vario nėra dažų, pakartokite procedūrą; Naudokite nedidelį nuolatinį žymeklį, kad ištaisytumėte trūkstamas jungtis.

Dabar atėjo laikas naudoti rūgštį PCB išgraviravimui. Į plastikinę dėžę įdėkite tris stiklines druskos rūgšties ir vieną iš vandenilio peroksido; taip pat galite pabandyti su vienodais kiekiais, kad gautumėte galingesnį ėsdinimą. Įdėkite PCB į tirpalą (atkreipkite dėmesį į rankas ir akis) ir palaukite apie dešimt minučių. Kai ėsdinimas baigtas, išimkite plokštę iš tirpalo ir nuplaukite po vandeniu. Įdėkite du šaukštus natrio bikarbonato į rūgštį, kad neutralizuotumėte tirpalą, ir išmeskite į tualetą (arba nuneškite į atliekų surinkimo centrą).

11 žingsnis: Elektronika

Reikalingos dalys:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondensatoriai
• 3x 100 uF kondensatoriai
• 2x 1N4148 diodai
• 7805TV įtampos reguliatorius
• 6x 10K rezistoriai
• 2x 220R rezistoriai
• 16 MHz kristalų osciliatorius
• Smeigtukai
• USB-serijos adapteris
• 940 nm šoniniai infraraudonųjų spindulių spinduoliai ir IR detektoriai (aš juos nusipirkau iš „Sparkfun“)
• 9 V baterija ir akumuliatoriaus laikiklis
• 16x2 LCD ekranas
• 2 mygtukai
• Potenciometras ir žoliapjovė
• Laidai, laidai ir laidai

Dabar, kai nusipirkote ir surinkote komponentus, pasirinkite lituotoją ir lituokite juos visus! Tada pritvirtinkite PCB dėžutėje, prijunkite visus laidus prie skystųjų kristalų ekrano, USB-serijos adapterio, potenciometro ir žoliapjovės (ekrano ryškumui ir kontrastui). Norėdami teisingai sudėti visas dalis ir laidus, žiūrėkite schemą, PCB modelį ankstesniame žingsnyje ir Eagle CAD failus šio puslapio apačioje.

Eagle CAD projektas

12 žingsnis: jutikliai

Pridėkite jutiklius, kaip parodyta paveikslėliuose, tada padarykite keletą dangtelių (aš juos išgraviruoju iš medžio įtvaro), kad juos padengčiau ir apsaugo. Tada prijunkite juos prie pagrindinės plokštės.

13 žingsnis: esate pasiruošę

Pradėkite jį naudoti! Mėgautis!