מטוטלת JustAPendulum: מטוטלת דיגיטלית בעלת קוד פתוח: 13 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

JustAPendulum היא מטוטלת קוד פתוח המבוססת על ארדואינו, המודדת ומחשבת את תקופת התנודה כדי למצוא את האצת הכבידה של כדור הארץ (~ 9, 81 מ/ש '). הוא מכיל UNO תוצרת בית Arduino המשתמש במתאם USB-to-serial כדי לתקשר עם המחשב שלך. JustAPendulum מדויק ביותר ויש לו בן לוויה (כתוב ב- Visual Basic. NET) שבזמן אמת יראה לך את מיקום המסה וטבלה וגרף עם כל האמצעים התקדימיים. חיתוך לייזר לחלוטין ותוצרת בית, הוא מאוד קל לשימוש: פשוט ללחוץ על כפתור ולתת למסה ליפול והלוח יחשב הכל. אידיאלי למבחנים בשיעורי פיזיקה!

העמוד הראשי של הפרויקט: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

הופך אותו לעצמך למדריך

סרטון יוטיוב

שלב 1: הפיזיקה שמאחוריו

אלה כל הנוסחאות המשמשות ב- JustAPendulum. אני לא מתכוון להדגים אותם, אבל אם אתה סקרן, קל למצוא מידע זה בכל ספר פיזיקה. כדי לחשב את האצת הכבידה של כדור הארץ, המטוטלת פשוט מודדת את תקופת התנודה (T), ולאחר מכן משתמשת בנוסחה הבאה לחישוב (ז):

וזו לחישוב השגיאה המוחלטת על התאוצה:

l הוא אורך חוט המטוטלת. יש להגדיר פרמטר זה מתוכנית Companion (ראה להלן). 0.01 מ 'היא שגיאת המדידה של האורך (רגישותו של הסרל היא 1 ס מ), ואילו 0.001s היא הדיוק של השעון של ארדואינו.

שלב 2: גלילאו גליליי והפורמולה הזו

נוסחה זו התגלתה לראשונה (חלקית) על ידי גלילאו גליליי בסביבות 1602, שחקר את התנועה הקבועה של המטוטלות, מה שהביא לכך שהמטוטלים אומצו כמכונות הזמן המדויקות ביותר עד 1930, כאשר הומצאו מתנדים של קוורץ, ואחריהם שעונים אטומיים לאחר מלחמת העולם השנייה. לדברי אחד מתלמידיו של גלילאו, גלילאו השתתף במיסה בפיזה כשהבחין כי הרוח גרמה לתנועה קלה מאוד של נברשת שתלויה בקתדרלה. הוא המשיך להסתכל על תנועת הנברשת והוא שם לב שלמרות שהרוח נעצרה והמרחק הלוך ושוב על פני המטוטלת מתקצר, אך נראה כי הזמן שנדרש לנברשת לבצע את התנודה נראה קבוע. הוא תזמן את תנופת הנברשת בפעימה הקבועה של הדופק בפרק כף היד והבין שהוא צודק: לא משנה מה המרחק, הזמן שלקח תמיד היה זהה. לאחר מדידות ומחקרים נוספים, הוא גילה זאת

שתי הפעמים π, כמו במשוואה הקודמת, הופך את הביטוי הפרופורציונאלי למשוואה אמיתית - אבל זה כרוך בשכבה מתמטית שגלילאו לא קיבל.

שלב 3: שימוש

שימו לב כי לפני השימוש בחיישני המטוטלת הדיגיטלית יש לכייל ולכוון את אורך החוט. שים את JustAPendulum מתחת למטוטלת (מומלץ לפחות 1 מ 'גבוה) וודא כי המסה מסתירה את כל שלושת החיישנים בעת תנודה. חיישנים עובדים טוב יותר בתנאי תאורה נמוכה, אז כבו את האורות. הפעל את הלוח. יופיע מסך "מוכן". להלן מבנה התפריט:

• כפתור שמאל: כדי להתחיל את המדידות, הנח את הכדור ימינה ולחץ על הכפתור. ארדואינו מזהה אוטומטית את עמדת הכדור ומתחיל.

  • מוצג "החל … o.p.: x ms"

    • משמאל: חשב את האצת הכבידה
    • מימין: חזרה למסך הראשי

• לחצן ימני: הצג תצורה

  • נכון: כן
  • משמאל: לא

שלב 4: החבר

בן לוויה של JustAPendulum הוא תוכנת Visual Basic. NET (שנכתבה ב- Visual Studio 2015) המאפשרת למשתמש לעקוב אחר המטוטלת בזמן אמת מהמחשב. הוא מציג את הערכים והשגיאות האחרונים, כולל טבלאות וגרפים להצגת מדדי העבר ויש לו כלים לכיול החיישנים ולהגדרת אורך החוט. ניתן גם לייצא היסטוריה לאקסל.

הורד את זה כאן

שלב 5: כיול החיישנים

עבור לכרטיסייה מתקדם, הפעל את "צג ADC" וצפה כיצד הערכים המוצגים משתנים בהתאם למיקום הכדור. נסה לברר סף מקובל: מתחתיו לא תהיה מסה בין הגלאים, בעוד שמעליו יצביע כי המסה עוברת ביניהם. אם הערכים לא משתנים, אולי יש יותר מדי אור בחדר, אז כבה את המנורות. לאחר מכן, לחץ על כפתור "כיול ידני". כתוב בתיבת הטקסט את הסף שהחלטת והקש enter.

שלב 6: שינוי אורך החוט

כדי להתאים את אורך החוט לחץ על כפתור "אורך החוט" והזן את הערך. לאחר מכן הגדר את שגיאת המדידה: אם מדדת אותה בעזרת סרט מדידה הרגישות צריכה להיות 1 מ"מ. כל הערכים יישמרו בזיכרון של המיקרו -בקר ATmega328P.

שלב 7: קופסת הלייזר

חותכים את המבנה הזה מהדיקט (בעובי 4 מ מ) בעזרת מכונת חיתוך בלייזר, ואז מורידים אותו, מניחים את הרכיבים על הלוחות ומתקנים אותם בעזרת מסמרים ודבק וינילי. הורד קבצי DXF/DWG בתחתית דף זה (תוכנן עם AutoCAD 2016).

שלב 8: המבנה

אם אין לך מטוטלת, אתה יכול להכין אחת בעצמך החל מהדוגמה הזו (זה עותק מדויק של זה שהכנתי). מספיק חתיכת דיקט של 27, 5 · 16 · 1 ס"מ, סד של 5 · 27, 5 · 2 ס"מ ומוט. לאחר מכן השתמש בטבעות, חוט דיג וכדור להשלמת המטוטלת.

פרויקט AutoCAD

שלב 9: המיסה

לא קיבלתי מסת ברזל (עדיף כמובן), אז הכנתי כדור עם מדפסת תלת מימד והוספתי טבעת לתלייה בחוט. ככל שהוא כבד ודק יותר (ראו שעוני מטוטלת: המסה שטוחה כדי להימנע מחיכוך עם אוויר) כך הוא ינוע יותר.

הורדת כדור תלת מימד

שלב 10: ה- PCB

זוהי השיטה הפחות יקרה ליצירת PCB תוצרת בית תוך שימוש בדברים בעלות נמוכה בלבד:

• מדפסת לייזר (600 dpi או יותר)
• נייר צילום
• לוח מעגלים ריק
• חומצה מוריאטית (> 10% HCl)
• מי חמצן (10% פתרון)
• גיהוץ בגדים
• אֲצֵטוֹן
• צמר פלדה
• משקפי מגן וכפפות
• סודיום ביקרבונט
• חומץ
• מגבת נייר

השלב הראשון הוא ניקוי ה- PCB הריק עם צמר פלדה ומים. אם הנחושת נראית מעט מחומצנת, עליך לשטוף אותה בחומץ לפני כן. לאחר מכן, קרצפו את צד הנחושת במגבת נייר ספוגה באצטון כדי להסיר לכלוך שנותר. שפשף במדויק כל חלק בלוח. אין לגעת בנחושת בידיים!

הדפס את קובץ ה- PCB.pdf בתחתית דף זה באמצעות מדפסת לייזר ואל תיגע בו באצבעות. חותכים אותו, מיישרים את התמונה בצד הנחושת ולוחצים עליה עם מגהץ הבגדים (הוא חייב להיות חם אך ללא אדים) למשך כחמש דקות. תן לו להתקרר עם כל הנייר, ולאחר מכן הסר את הנייר באיטיות רבה ובזהירות מתחת למים. אם אין טונר על הנחושת, חזור על ההליך; השתמש בסמן קבוע קטן כדי לתקן כמה חיבורים חסרים.

עכשיו הגיע הזמן להשתמש בחומצה כדי לחרוט את ה- PCB. בקופסת פלסטיק הכניסו שלוש כוסות חומצה מוריאטית ואחת של מי חמצן; אתה יכול גם לנסות בכמויות שוות עבור תחריט חזק יותר. הכניסו את ה- PCB לתמיסה (שימו לב לידיים ולעיניים) והמתינו כעשר דקות. בסיום התחריט הסירו את הלוח מהתמיסה ושטפו מתחת למים. הכניסו שתי כפות נתרן ביקרבונט לחומצה כדי לנטרל את הפתרון וזרקו אותו לשירותים (או קחו אותו למרכז איסוף פסולת).

שלב 11: אלקטרוניקה

דרושים חלקים:

• ATMEGA328P MCU
• 2 קבלים 22 pF
• 3 x 100 קבלים uF
• 2x דיודות 1N4148
• ווסת מתח 7805TV
• נגדים 6x 10K
• נגדים 2x220R
• מתנד קריסטל 16 מגהרץ
• ראש סיכות
• מתאם USB-to-serial
• 940nm פולטות אינפרא אדום במראה צד וגלאי IR (קניתי אלה מ- Sparkfun)
• סוללה 9V ומחזיק סוללה
• מסך LCD בגודל 16x2
• 2 כפתורים
• פוטנציומטר וגוזם
• חוטים, חוטים וחוטים

כעת, לאחר שקנית ואספת את הרכיבים, בחר הלחמה והלחם את כולם! לאחר מכן תקן את ה- PCB בקופסה, חבר את כל החוטים אל ה- LCD, המתאם USB-to-serial, הפוטנציומטר והגוזם (לצורך בהירות התצוגה וניגודיות). עיין בתרשים, מודל ה- PCB בשלב הקודם וקבצי CAD Eagle בתחתית דף זה כדי למקם את כל החלקים והחוטים בצורה נכונה.

פרויקט CAD של Eagle

שלב 12: חיישנים

הוסף את החיישנים כפי שמוצג בתמונות, ולאחר מכן צור כמה כובעים (השתמשתי בכלי סיבוב כדי לחרוט אותם מסד עץ) כדי לכסות ולהגן עליהם. לאחר מכן חבר אותם ללוח הראשי.

שלב 13: אתה מוכן

התחל להשתמש בו! תהנה!