CONTAGIRI PANNELLO SOLARE: 5 Passi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Nell'INSTRUCTABLE "Solar Panel as a Shadow Tracker", è stato presentato un metodo sperimentale per determinare la velocità di un oggetto dalla proiezione della sua ombra su un pannello solare. È possibile applicare qualche variante di questo metodo per studiare oggetti rotanti? Sì, è possibile. Successivamente, verrà presentato un semplice apparato sperimentale che consentirà di misurare il periodo e la frequenza di rotazione di un oggetto. Questo apparato sperimentale può essere utilizzato durante lo studio della materia "Fisica:Meccanica Classica", in particolare durante lo studio dell'argomento "Rotazione di oggetti rigidi". È potenzialmente utile con studenti universitari e laureati, durante dimostrazioni sperimentali o lezioni di laboratorio.

Passaggio 1: alcune note teoriche

Quando un oggetto solido ruota attorno a un asse, le sue parti descrivono circonferenze concentriche a quell'asse. Il tempo impiegato da una di queste parti per completare la circonferenza è chiamato periodo di rotazione. Periodo e frequenza sono grandezze reciproche. Nel Sistema Internazionale di Unità il periodo è espresso in secondi (s) e la frequenza in Hertz (Hz). Alcuni strumenti per misurare la frequenza di rotazione danno i valori in Giri al Minuto (rpm). Per convertire da Hz a giri/min basta moltiplicare il valore per 60 e si ottiene il numero di giri.

Passaggio 2: materiali e strumenti

• Piccolo pannello solare (100 mm * 28 mm)

• Torcia elettrica a LED

• Nastro adesivo riflettente

• Nastro isolante nero

• Cavo elettrico

• Fascette

• Pistola per silicone caldo

• Saldatore e stagno

• Tre pezzi di legno (45 mm * 20 mm * 10 mm)

• Oscilloscopio digitale con la sua sonda

• Oggetto rotante di cui si desidera misurare la frequenza di rotazione

Fase 3: Principio di funzionamento

Quando la luce colpisce un oggetto, una parte viene assorbita e un'altra riflessa. A seconda delle caratteristiche della superficie e del colore dell'oggetto, quella luce riflessa può essere più o meno intensa. Se le caratteristiche di una parte della superficie vengono cambiate arbitrariamente, diciamo dipingendola o incollandola su un nastro adesivo argento o nero, potremmo provocare intenzionalmente un cambiamento nell'intensità della luce riflessa in quella zona. Qui non faremmo un "TRACCIAMENTO OMBRE", ma causeremmo un cambiamento nelle caratteristiche dell'illuminazione riflessa. Se un oggetto durante la rotazione è illuminato da una sorgente luminosa e un pannello solare è posizionato correttamente, in modo che una parte della luce riflessa cada su di esso, ai suoi terminali deve apparire una tensione. Questa tensione ha una relazione diretta con l'intensità della luce che riceve. Se cambiamo la superficie, cambia l'intensità della luce riflessa e con essa la tensione del pannello. Questo pannello può essere collegato ad un oscilloscopio e identificare le variazioni di tensione rispetto al tempo. Se riuscissimo ad identificare un cambiamento coerente e ripetitivo della curva, misurando il tempo che impiega a ripetersi, determineremmo il periodo di rotazione e con esso, indirettamente, la frequenza di rotazione se la calcoliamo. Alcuni oscilloscopi sono in grado di calcolare automaticamente questi valori, ma dal punto di vista didattico è produttivo per gli studenti calcolarlo. Per semplificare questa attività sperimentale potremmo inizialmente utilizzare oggetti che ruotano a giri costanti e preferibilmente simmetrici rispetto al suo asse di rotazione.

Riassumendo:

1. Un oggetto che ruota continuamente riflette la luce che cade su di esso.

2. L'intensità della luce riflessa dall'oggetto rotante dipende dal colore e dalle caratteristiche della sua superficie.

3. La tensione che appare sul pannello solare dipende dall'intensità della luce riflessa.

4. Se si modificano intenzionalmente le caratteristiche di una parte della superficie, cambierà anche l'intensità luminosa della luce riflessa in quella parte e con essa la tensione nel pannello solare.

5. Il periodo dell'oggetto durante la rotazione può essere determinato misurando il tempo trascorso tra due punti con valori identici di tensione e comportamento con l'aiuto di un oscilloscopio.

Fase 4: Progettazione, Costruzione ed Esecuzione dell'Esperimento

1. Saldare due conduttori elettrici al pannello solare. 2. Coprire i contatti elettrici sul pannello con silicone caldo per evitare cortocircuiti.

3. Costruisci il supporto in legno unendo con silicone caldo o altra colla i tre pezzi di legno come si vede nell'immagine.

4. Attaccare il pannello solare al supporto in legno con silicone caldo come mostrato in figura.

5. Attaccare la lanterna al supporto in legno come mostrato in figura e fissarla con fascette di plastica.

6. Fissare i conduttori elettrici del quadro con un'altra flangia al supporto in legno.

7. Incolla sull'oggetto che vuoi studiare una fascia di nastro adesivo nero e poi una fascia argentata come mostrato nell'immagine.

8. Avvia la rotazione dell'oggetto che vuoi studiare.

9. Collegare correttamente la sonda dell'oscilloscopio ai conduttori del pannello solare.

10. Imposta correttamente l'oscilloscopio. Nel mio caso le divisioni di tensione erano 500mv e le divisioni di tempo 25ms (dipenderà dalla velocità di rotazione dell'oggetto).

11. Posiziona l'apparato sperimentale che hai appena assemblato in una posizione in cui i raggi luminosi si riflettono sulla superficie che ruota e colpiscono il pannello solare (aiutati da quello che vedi nell'oscilloscopio per ottenere una curva con variazioni più pronunciate).

12. Mantenere l'apparato sperimentale fisso nella posizione corretta per alcuni secondi per vedere se i risultati della curva rimangono costanti.

13. Arrestare l'oscilloscopio e analizzare la curva per determinare quali posizioni corrispondono al nastro nero e quali a quello argentato. Nel mio caso, poiché il motore elettrico che ho studiato era dorato, i cambiamenti causati dal nastro sono diventati più evidenti.

14. Utilizzando i cursori dell'oscilloscopio, misurare il tempo trascorso tra i punti con uguaglianza di fase, prima per il nastro e poi per il nastro d'argento e confrontarli (devono essere uguali).

15. Se il tuo oscilloscopio non calcola automaticamente l'inverso del periodo (frequenza), fallo. Puoi moltiplicare il valore precedente per 60 e ottenere così il numero di giri.

16. Se hai il valore kv o giri per volt (nel caso si tratti di un motore che offre queste caratteristiche) moltiplica il valore kv per la tensione di ingresso, confronta il risultato con quello da te ottenuto durante l'esperimento e arriva a conclusioni.

Passaggio 5: alcune note e raccomandazioni finali

• È conveniente controllare inizialmente lo stato di calibrazione del proprio oscilloscopio per ottenere risultati affidabili (utilizzare il segnale di calibrazione offerto dall'oscilloscopio, che generalmente è 1khz).
• Regola correttamente la sonda dell'oscilloscopio. Dovresti vedere impulsi rettangolari non deformati se usi il segnale generato dall'oscilloscopio stesso (vedi immagine).
• Indagare il tempo di risposta elettrica con il produttore del pannello solare (scheda tecnica). Nel mio caso era molto più basso del periodo di rotazione del motore elettrico che ho studiato, quindi non ho considerato la sua influenza sulle misurazioni che ho fatto.
• Confronta i risultati ottenuti con questo metodo con quelli ottenuti da uno strumento commerciale e considera vantaggi e svantaggi di entrambi.

Come sempre sarò attento ai vostri suggerimenti, commenti e domande. In bocca al lupo e tieniti aggiornato sui miei prossimi progetti!

Secondo classificato al concorso di scienze in classe