JustAPendulum: pendolo digitale open source: 13 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

JustAPendulum è un pendolo open source basato su Arduino che misura e calcola il periodo di oscillazione per trovare l'accelerazione gravitazionale della Terra (~9, 81 m/s²). Contiene un Arduino UNO fatto in casa che utilizza un adattatore da USB a seriale per comunicare con il tuo computer. JustAPendulum è molto preciso e ha un compagno (scritto in Visual Basic. NET) che, in tempo reale, ti mostrerà la posizione della massa e una tabella e un grafico con tutte le misure precedenti. Completamente tagliato al laser e fatto in casa, è facilissimo da usare: basta premere un pulsante e far cadere la massa e la lavagna calcolerà tutto. Ideale per i test nelle lezioni di fisica!

Pagina principale del progetto: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

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Passaggio 1: la fisica dietro di esso

Queste sono tutte le formule utilizzate in JustAPendulum. Non le mostrerò, ma se sei curioso, queste informazioni sono facili da trovare in ogni libro di fisica. Per calcolare l'accelerazione gravitazionale della Terra, il pendolo misura semplicemente il periodo di oscillazione (T), quindi usa la seguente formula per calcolare (g):

e questo per calcolare l'errore assoluto sull'accelerazione:

l è la lunghezza del filo del pendolo. Questo parametro deve essere impostato dal programma Companion (vedi sotto). 0,01 m è l'errore di misura della lunghezza (la sensibilità del righello si assume 1 cm), mentre 0,001 s è la precisione dell'orologio di Arduino.

Fase 2: Galileo Galilei e questa formula

Questa formula fu scoperta per la prima volta (parzialmente) da Galileo Galilei intorno al 1602, che indagò sul moto regolare dei pendoli, facendo in modo che i pendoli venissero adottati come le macchine per il cronometraggio più precise fino al 1930 quando furono inventati gli oscillatori al quarzo, seguiti dagli orologi atomici dopo la seconda guerra mondiale. Secondo uno degli studenti di Galileo, Galileo stava assistendo a una messa a Pisa quando notò che il vento provocava un movimento molto leggero di un lampadario sospeso nella cattedrale. Continuò a guardare il movimento del lampadario e notò che anche se la brezza si fermava e la distanza percorsa dal pendolo si accorciava, il tempo impiegato dal lampadario per compiere l'oscillazione sembrava rimanere costante. Cronometrava l'oscillazione del lampadario in base al battito regolare del polso e si rese conto che aveva ragione: non importava la distanza percorsa, il tempo impiegato era sempre lo stesso. Dopo ulteriori misurazioni e studi, ha poi scoperto che

Il due volte π, come nell'equazione precedente, trasforma l'espressione proporzionale in una vera equazione, ma ciò comporta uno stratagemma matematico che Galileo non aveva.

Passaggio 3: utilizzo

Si prega di notare che prima di utilizzare i sensori a pendolo digitale devono essere calibrati e la lunghezza del filo regolata. Metti JustAPendulum sotto un pendolo (si consiglia un'altezza minima di 1 m) e assicurati che la massa oscuri tutti e tre i sensori durante l'oscillazione. I sensori funzionano meglio in condizioni di scarsa illuminazione, quindi spegni le luci. Accendi la scheda. Apparirà una schermata "Pronto". Ecco la struttura del menu:

• Pulsante sinistro: per avviare le misurazioni, posizionare la palla a destra e premere il pulsante. Arduino rileva automaticamente la posizione della palla e si avvia.

  • Viene visualizzato “Avvio… o.p.: x ms”

    • A sinistra: calcola l'accelerazione gravitazionale
    • A destra: torna alla schermata principale

• Pulsante destro: mostra la configurazione

  • Giusto: sì
  • Sinistra: no

Passaggio 4: il compagno

Il compagno di JustAPendulum è un programma Visual Basic. NET (scritto in Visual Studio 2015) che consente all'utente di monitorare il pendolo in tempo reale dal computer. Visualizza gli ultimi valori e gli errori, ha tabelle e grafici per mostrare le misure passate e ha strumenti per calibrare i sensori e per impostare la lunghezza del filo. La cronologia può anche essere esportata in Excel.

Scaricalo qui

Passaggio 5: calibrazione dei sensori

Vai alla scheda Avanzate, attiva "Monitoraggio ADC" e osserva come cambiano i valori visualizzati a seconda della posizione della palla. Prova a trovare una soglia accettabile: sotto significherà nessuna massa tra i rivelatori, mentre sopra indicherà che la massa sta passando tra di loro. Se i valori non cambiano, forse c'è troppa luce nella stanza, quindi spegni le lampade. Quindi, premere il pulsante "Calibrazione manuale". Scrivi nella casella di testo la soglia che hai deciso e premi invio.

Passaggio 6: modifica della lunghezza del filo

Per regolare la lunghezza del filo premere il pulsante “Lunghezza filo” e inserire il valore. Quindi imposta l'errore di misura: se lo hai misurato con un metro a nastro la sensibilità dovrebbe essere di 1 mm. Tutti i valori verranno salvati nella memoria del microcontrollore ATmega328P.

Passaggio 7: la scatola tagliata al laser

Tagliare questa struttura dal compensato (spessore 4 mm) con una macchina da taglio laser, quindi assemblarla, posizionare i componenti sui pannelli e fissarli con dei chiodi e della colla vinilica. Scarica i file DXF/DWG in fondo a questa pagina (progettati con AutoCAD 2016).

Passaggio 8: la struttura

Se non hai un pendolo, puoi farne uno tu partendo da questo esempio (è una copia esatta di quello che ho fatto io). Sono sufficienti un pezzo di compensato di 27, 5·16·1 cm, una stecca di 5,27, 5,2 cm e un'asta. Quindi usa anelli, filo da pesca e una palla per completare il pendolo.

Progetto AutoCAD

Fase 9: La Messa

Non avevo una massa di ferro (sarebbe stato meglio, ovviamente), quindi ho realizzato una palla con una stampante 3D e ho aggiunto un anello per appenderla al filo. Più è pesante e sottile (vedi orologi a pendolo: la massa è piatta per evitare l'attrito con l'aria), più a lungo oscillerà.

Download della palla 3D

Passaggio 10: il PCB

Questo è il metodo meno costoso per creare un PCB fatto in casa utilizzando solo materiale a basso costo:

• Stampante laser (600 dpi o superiore)
• carta fotografica
• Circuito vuoto
• Acido muriatico (>10% HCl)
• Perossido di idrogeno (soluzione al 10%)
• Ferro da stiro
• Acetone
• Lana d'acciaio
• Occhiali e guanti di sicurezza
• Bicarbonato di sodio
• Aceto
• Tovagliolo di carta

Il primo passo è pulire il PCB vuoto con lana d'acciaio e acqua. Se il rame appare un po' ossidato, dovresti prima lavarlo con aceto. Quindi, strofina il lato in rame con un tovagliolo di carta imbevuto di acetone per rimuovere lo sporco residuo. Strofina accuratamente ogni parte della tavola. Non toccare il rame con le mani!

Stampa il file PCB.pdf in fondo a questa pagina utilizzando una stampante laser e non toccarlo con le dita. Tagliatela, allineate l'immagine sul lato rame e premetela con il ferro da stiro (deve essere calda ma senza vapore) per circa cinque minuti. Lascia raffreddare con tutta la carta, quindi rimuovi la carta molto lentamente e con attenzione sotto l'acqua. Se non c'è toner sul rame, ripeti la procedura; Usa un piccolo pennarello indelebile per riparare alcune connessioni mancanti.

Ora è il momento di usare l'acido per incidere il PCB. In una scatola di plastica mettete tre bicchieri di acido muriatico e uno di acqua ossigenata; puoi anche provare con quantità uguali per un'incisione più potente. Metti il PCB nella soluzione (fai attenzione a mani e occhi) e attendi una decina di minuti. Quando l'incisione è terminata, rimuovere la tavola dalla soluzione e lavare sotto l'acqua. Mettere due cucchiai di bicarbonato di sodio nell'acido per neutralizzare la soluzione e gettarla nel WC (o portarla in un centro di raccolta rifiuti).

Passaggio 11: elettronica

Parti necessarie:

• ATMEGA328P MCU
• 2 condensatori da 22 pF
• 3 condensatori da 100 uF
• 2x 1N4148 diodi
• 7805TV regolatore di tensione
• 6 resistenze da 10K
• 2x resistenze 220R
• Oscillatore a cristallo da 16 MHz
• capocchia di spillo
• Adattatore da USB a seriale
• Emettitori a infrarossi e rilevatori IR laterali a 940 nm (li ho acquistati da Sparkfun)
• Batteria 9V e portabatteria
• Schermo LCD 16x2
• 2 pulsanti
• Un potenziometro e un trimmer
• Fili, fili e fili

Ora che hai acquistato e raccolto i componenti, scegli un saldatore e saldali tutti! Quindi fissa il PCB nella scatola, collega tutti i fili al display LCD, all'adattatore USB-seriale, al potenziometro e al trimmer (per la luminosità e il contrasto del display). Fare riferimento allo schema, al modello PCB nel passaggio precedente e ai file CAD Eagle in fondo a questa pagina per posizionare correttamente tutte le parti e i fili.

Progetto CAD Eagle

Passaggio 12: sensori

Aggiungi i sensori come mostrato nelle immagini, quindi fai dei cappucci (ho usato uno strumento rotante per inciderli da una stecca di legno) per coprirli e proteggerli. Quindi collegali alla scheda principale.

Passaggio 13: sei pronto

Inizia ad usarlo! Divertiti!