JustAPendulum: Digital kilde med åpen kildekode: 13 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

JustAPendulum er en Arduino-basert pendel med åpen kildekode som måler og beregner oscillasjonsperioden for å finne gravitasjonsakselerasjonen til jorden (~ 9, 81 m/s²). Den inneholder en hjemmelaget Arduino UNO som bruker en USB-til-seriell adapter for å kommunisere med datamaskinen din. JustAPendulum er svært nøyaktig og har en ledsager (skrevet i Visual Basic. NET) som i sanntid vil vise massens posisjon og en tabell og en graf med alle presedensmålene. Helt laserskåret og hjemmelaget, det er veldig enkelt å bruke: bare trykk på en knapp og la massen falle, og brettet vil beregne alt. Ideell for prøver i fysikk klasser!

Prosjektets hovedside: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Gjør det til deg selv

YouTube -video

Trinn 1: Fysikken bak den

Dette er alle formlene som brukes i JustAPendulum. Jeg skal ikke demonstrere dem, men hvis du er nysgjerrig, er denne informasjonen lett å finne i hver fysikkbok. For å beregne gravitasjonsakselerasjonen til jorden måler pendelen ganske enkelt oscillasjonsperioden (T), og bruker deretter følgende formel for å beregne (g):

og denne for å beregne den absolutte feilen over akselerasjonen:

l er lengden på ledningen til pendelen. Denne parameteren må settes fra Companion -programmet (se nedenfor). 0,01 m er målefeilen på lengden (følelsen av linjalen antas 1 cm), mens 0,001s er presisjonen til Arduinos klokke.

Trinn 2: Galileo Galilei og denne formelen

Denne formelen ble først (delvis) oppdaget av Galileo Galilei rundt 1602, som undersøkte regelmessig bevegelse av pendler, noe som fikk pendler til å bli vedtatt som de mest presise tidtakeringsmaskinene til 1930 da kvartsoscillatorer ble oppfunnet, etterfulgt av atomur etter andre verdenskrig. I følge en av Galileos studenter deltok Galileo på en messe i Pisa da han la merke til at vinden forårsaket en svak bevegelse av en lysekrone som hang i katedralen. Han fortsatte å se på lysekronens bevegelse, og han la merke til at selv om vinden stoppet og distansen frem og tilbake som ble kjørt ved pendelen ble forkortet, så syntes tiden det tok lysekronen å gjøre svingningen å være konstant. Han timet svingingen av lysekronen med det vanlige pulsslaget i håndleddet og innså at han hadde rett: uansett distanse som ble tilbakelagt, var tiden det tok alltid den samme. Etter flere målinger og studier fant han det ut

De to gangene π, som i forrige ligning, gjør det proporsjonale uttrykket til en ekte ligning - men det innebærer et matematisk lag som Galileo ikke hadde fått.

Trinn 3: Bruk

Vær oppmerksom på at før du bruker de digitale pendelsensorene må kalibreres og trådlengden justeres. Sett JustAPendulum under en pendel (minimum 1 m høy anbefales) og sørg for at massen tilslører alle de tre sensorene når den svinger. Sensorer fungerer bedre under dårlige lysforhold, så slå av lysene. Slå på brettet. Et "Klar" -skjermbilde vises. Her er menystrukturen:

• Venstre knapp: for å starte målingene, legg ballen til høyre og trykk på knappen. Arduino oppdager automatisk ballposisjonen og starter.

  • "Starter … o.p.: x ms" vises

    • Venstre: beregne gravitasjonsakselerasjon

    • Høyre: tilbake til hovedskjermen

• Høyre knapp: vis konfigurasjon

  • Høyre: ja
  • Venstre: nei

Trinn 4: Ledsageren

JustAPendulums ledsager er et Visual Basic. NET (skrevet i Visual Studio 2015) -program som lar brukeren overvåke pendelen i sanntid fra datamaskinen. Den viser de siste verdiene og feilene, har tabeller og grafer for å vise tidligere målinger og har verktøy for å kalibrere sensorene og for å angi lengden på ledningen. Historikk kan også eksporteres til Excel.

Last den ned her

Trinn 5: Kalibrering av sensorene

Gå til kategorien Avansert, slå på "ADC -skjerm" og observer hvordan de viste verdiene endres avhengig av ballens posisjon. Prøv å finne ut en akseptabel terskel: under det vil det ikke bety noen masse mellom detektorene, mens det over vil indikere at massen passerer mellom dem. Hvis verdiene ikke endres, er det kanskje for mye lys i rommet, så slå av lampene. Trykk deretter på "Manuell kalibrering" -knappen. Skriv terskelen du bestemte deg i tekstboksen, og trykk enter.

Trinn 6: Endre ledningslengden

Hvis du vil justere lengden på ledningen, trykker du på “Trådlengde” -knappen og angir verdien. Still deretter målefeilen: Hvis du målte den med et målebånd, burde følsomheten være 1 mm. Alle verdiene blir lagret i minnet til ATmega328P mikrokontroller.

Trinn 7: Laserskjæringsboksen

Skjær denne strukturen av kryssfiner (4 mm tykk) med en laserskåret maskin, og sett den deretter sammen, legg komponentene på panelene og fest dem med noen spiker og vinilisk lim. Last ned DXF/DWG -filer nederst på denne siden (designet med AutoCAD 2016).

Trinn 8: Strukturen

Hvis du ikke har en pendel, kan du lage en selv ut fra dette eksemplet (det er en eksakt kopi av den jeg har laget). Et 27, 5 · 16 · 1 cm stykke kryssfiner, en 5 · 27, 5 · 2 cm skinne og en stang er nok. Deretter bruker du ringer, fisketråd og en ball for å fullføre pendelen.

AutoCAD -prosjekt

Trinn 9: Messen

Jeg hadde ikke fått en jernmasse (ville selvfølgelig vært bedre), så jeg laget en ball med en 3D -skriver og la til en ring for å henge den på ledningen. Jo tyngre og tynnere den er (se pendelklokker: massen er flat for å unngå friksjon med luft), jo lengre vil den svinge.

Last ned 3D -ball

Trinn 10: PCB

Dette er den rimeligere metoden for å lage en hjemmelaget PCB som bare bruker rimelige ting:

• Laserskriver (600 dpi eller bedre)
• fotopapir
• Tomt kretskort
• Muriatsyre (> 10% HCl)
• Hydrogenperoksid (10% løsning)
• Strykejern
• Aceton
• Stålull
• Vernebriller og hansker
• Natrium bikarbonat
• Eddik
• Papirhåndkle

Det første trinnet er å rengjøre blank PCB med stålull og vann. Hvis kobberet virker litt oksidert, bør du vaske det med eddik før. Skrubbe deretter kobbersiden med et papirhåndkle dynket i aceton for å fjerne eventuelt gjenværende smuss. Gni nøyaktig hver del av brettet. Ikke rør kobberet med hendene!

Skriv ut PCB.pdf -filen nederst på denne siden ved hjelp av en laserskriver, og ikke rør den med fingrene. Klipp det, juster bildet på kobbersiden og trykk det med klærjernet (det må være varmt, men uten damp) i omtrent fem minutter. La det avkjøle med alt papiret, og fjern deretter papiret veldig sakte og forsiktig under vann. Hvis det ikke er toner på kobberet, gjenta prosedyren; Bruk en liten permanent markør for å fikse noen manglende tilkoblinger.

Nå er det på tide å bruke syre for å etse PCB. Sett i tre glass murinsyre og et med hydrogenperoksid i en plastboks; Du kan også prøve med like mye for en kraftigere etsing. Sett kretskortet i løsningen (vær oppmerksom på hender og øyne) og vent i omtrent ti minutter. Når etsen er ferdig, fjern brettet fra løsningen og vask under vann. Ha to skjeer natriumbikarbonat i syren for å nøytralisere løsningen og kast den i toalettet (eller ta den til et avfallsinnsamlingssenter).

Trinn 11: Elektronikk

Nødvendige deler:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kondensatorer
• 3x 100 uF kondensatorer
• 2x 1N4148 dioder
• 7805TV spenningsregulator
• 6x 10K motstander
• 2x 220R motstander
• 16 MHz krystalloscillator
• Pinheads
• USB-til-seriell adapter
• 940nm utseende infrarøde sendere og IR-detektorer (jeg kjøpte disse fra Sparkfun)
• 9V batteri og batteriholder
• 16x2 LCD -skjerm
• 2 knapper
• Et potensiometer og en trimmer
• Ledninger, ledninger og ledninger

Nå som du har kjøpt og samlet komponentene, velg en loddetinn og lodd dem alle! Fest deretter kretskortet i esken, koble alle ledningene til LCD-skjermen, USB-til-seriell adapter, potensiometeret og trimmeren (for displayets lysstyrke og kontrast). Se skjemaet, PCB -modellen i forrige trinn og Eagle CAD -filer nederst på denne siden for å plassere alle delene og ledningene riktig.

Eagle CAD -prosjekt

Trinn 12: Sensorer

Legg til sensorene som vist på bildene, og lag deretter noen hetter (jeg brukte et roterende verktøy for å gravere dem fra en skinne) for å dekke og beskytte dem. Koble dem deretter til hovedkortet.

Trinn 13: Du er klar

Begynn å bruke den! Nyt!