JustAPendulum: Açıq mənbəli Rəqəmsal Sarkaç: 13 Addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:46

JustAPendulum, Yerin cazibə sürətini (~ 9, 81 m/s²) tapmaq üçün salınım müddətini ölçən və hesablayan Arduino əsaslı açıq mənbəli bir sarkacdır. Kompüterinizlə ünsiyyət qurmaq üçün USB-seriyalı adapterdən istifadə edən ev istehsalı Arduino UNO-dan ibarətdir. JustAPendulum yüksək dəqiqliyə malikdir və real vaxt rejimində kütlənin mövqeyini və bütün əvvəlki ölçüləri olan bir cədvəl və bir qrafik göstərəcək bir yoldaşı (Visual Basic. NET-də yazılmışdır) var. Tamamilə lazerlə kəsilmiş və evdə hazırlanmışdır, istifadəsi çox asandır: bir düyməyə basaraq kütlənin düşməsinə icazə verin və lövhə hər şeyi hesablayacaq. Fizika dərslərində testlər üçün idealdır!

Layihənin ana səhifəsi: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Özünü bələdçi etmək

YouTube videosu

Addım 1: Bunun Ardındakı Fizika

Bunlar JustAPendulum -da istifadə olunan bütün formullardır. Onları nümayiş etdirməyəcəyəm, amma maraqlanırsınızsa, bu məlumatı hər fizika kitabında tapmaq asandır. Yerin cazibə sürətini hesablamaq üçün sarkac salınım müddətini (T) ölçür, sonra hesablamaq üçün aşağıdakı düsturdan istifadə edir (g):

və sürətlənmə üzərində mütləq xətanı hesablamaq üçün:

l, sarkacın telinin uzunluğudur. Bu parametr Companion proqramından təyin olunmalıdır (aşağıya baxın). 0.01m uzunluğun ölçü xətasıdır (hökmdarın həssaslığı 1 sm), 0.001s isə Arduino saatının dəqiqliyidir.

Addım 2: Galileo Galilei və Bu Formula

Bu düstur, sarkaçların nizamlı hərəkətini araşdıran 1602 -ci illərdə Galileo Galilei tərəfindən əvvəlcə (qismən) kəşf edildi və sarkaçların kvars osilatorlarının icad edildiyi 1930 -cu ilə qədər, ən dəqiq zaman tutma maşınları kimi qəbul edilməsini təmin etdi, İkinci Dünya Müharibəsindən sonra atom saatları. Galileo şagirdlərindən birinin dediyinə görə, Galileo, Pizadakı bir kütləvi məclisə qatılarkən, küləyin kafedralda asılmış bir çilçırağın çox kiçik bir hərəkətinə səbəb olduğunu fərq etdi. Avizənin hərəkətinə baxmağa davam etdi və küləyin dayandığına və sarkacın irəli və irəli getdiyi məsafənin qısalmasına baxmayaraq, avizenin salınma müddətinin sabit qaldığını gördü. Avizənin yellənməsini biləyindəki nəbzin müntəzəm döyülməsi ilə təyin etdi və haqlı olduğunu başa düşdü: qət edilmiş məsafədən asılı olmayaraq, vaxt həmişə eyni idi. Daha çox ölçmə və araşdırmalardan sonra bunu öyrəndi

İki dəfə π, əvvəlki tənlikdə olduğu kimi, mütənasib ifadəni əsl tənliyə çevirir - lakin bu, Galileonun əldə etmədiyi riyazi bir strategiyanı əhatə edir.

Addım 3: İstifadə

Diqqət yetirin ki, rəqəmsal sarkaç sensorları kalibr edilməli və tel uzunluğu tənzimlənməlidir. JustAPendulumu bir sarkacın altına qoyun (minimum 1 m uzunluğunda tövsiyə olunur) və salınım zamanı kütlənin hər üç sensoru gizlətdiyinə əmin olun. Sensorlar aşağı işıq şəraitində daha yaxşı işləyir, buna görə işıqları söndürün. Lövhəni yandırın. "Hazır" bir ekran görünəcək. Budur menyu quruluşu:

• Sol düymə: ölçmələrə başlamaq üçün topu sağa qoyun və düyməni basın. Arduino topun mövqeyini avtomatik olaraq algılar və başlayır.

  • "Başlayır… o.p.: x ms" göstərilir

    • Solda: cazibə sürətini hesablayın

    • Sağda: əsas ekrana qayıdın

• Sağ düymə: konfiqurasiyanı göstərin

  • Sağ: bəli
  • Sol: yox

Addım 4: Yoldaş

JustAPendulumun yoldaşı, istifadəçiyə sarkacın kompüterdən real vaxt rejimində izlənməsinə imkan verən Visual Basic. NET (Visual Studio 2015-də yazılmış) proqramıdır. Son dəyərləri və səhvləri göstərir, keçmiş tədbirləri göstərmək üçün cədvəl və qrafiklərə malikdir və sensorları kalibr etmək və telin uzunluğunu təyin etmək üçün vasitələrə malikdir. Tarix Excel -ə də ixrac edilə bilər.

Buradan yükləyin

Addım 5: Sensorların kalibrlənməsi

Ətraflı sekmesine keçin, "ADC monitoru" yandırın və topun mövqeyindən asılı olaraq göstərilən dəyərlərin necə dəyişdiyini müşahidə edin. Qəbul edilə bilən bir eşik tapmağa çalışın: aşağıda dedektorlar arasında kütlə yoxdur, yuxarıda isə kütlənin aralarında keçdiyini göstərir. Dəyərlər dəyişməzsə, bəlkə də otaqda çox işıq var, buna görə lampaları söndürün. Sonra "Manuel kalibrləmə" düyməsini basın. Mətn qutusuna qərar verdiyiniz həddi yazın və enter düyməsini basın.

Addım 6: Tel uzunluğunun dəyişdirilməsi

Telin uzunluğunu tənzimləmək üçün "Tel uzunluğu" düyməsini basın və dəyəri daxil edin. Sonra ölçü səhvini təyin edin: bir lent ölçüsü ilə ölçmüsünüzsə, həssaslıq 1 mm olmalıdır. Bütün dəyərlər ATmega328P mikro nəzarətçinin yaddaşında saxlanılacaq.

Addım 7: Lazer kəsmə qutusu

Bu quruluşu kontrplakdan (4 mm qalınlığında) bir lazer kəsmə maşını ilə kəsin, sonra asseble edin, komponentləri panellərə qoyun və bir az dırnaq və vinil yapışqan ilə düzəldin. Bu səhifənin altındakı DXF/DWG fayllarını yükləyin (AutoCAD 2016 ilə hazırlanmışdır).

Addım 8: Quruluş

Sarkacınız yoxdursa, bu nümunədən başlayaraq özünüz edə bilərsiniz (bu mənim hazırladığımın tam surətidir). 27, 5 · 16 · 1 sm ölçüdə kontrplak parçası, 5 · 27, 5 · 2 sm ölçüdə bir çubuq və çubuq kifayətdir. Sonra sarkacın tamamlanması üçün üzüklər, balıqçılıq teli və top istifadə edin.

AutoCAD layihəsi

Addım 9: Kütlə

Dəmir kütləm yox idi (əlbəttə ki, daha yaxşı olardı), buna görə də 3D printerlə bir top düzəltdim və telə asmaq üçün üzük əlavə etdim. Nə qədər ağır və incədirsə (sarkaç saatlarına baxın: kütlə hava ilə sürtünmənin qarşısını almaq üçün düzdür), o qədər uzun müddət salınacaq.

3D top yükləmək

Addım 10: PCB

Yalnız aşağı qiymətli materiallardan istifadə edərək ev istehsalı bir PCB yaratmaq üçün daha ucuz metoddur:

• Lazer printer (600 dpi və ya daha yaxşı)
• Foto kağız
• Boş dövrə lövhəsi
• Muriatik turşu (> 10% HCl)
• Hidrogen peroksid (10% həll)
• Paltar dəmir
• Aseton
• Polad yun
• Təhlükəsizlik gözlükləri və əlcəklər
• Natrium bikarbonat
• Sirkə
• Kağız dəsmal

İlk addım boş PCB -ni polad yun və su ilə təmizləməkdir. Mis bir qədər oksidləşibsə, əvvəl sirkə ilə yuyulmalıdır. Ardından qalan kirləri çıxarmaq üçün mis tərəfini asetona batırılmış kağız dəsmal ilə ovuşdurun. Lövhənin hər hissəsini dəqiq bir şəkildə ovuşdurun. Əlinizə mis toxunmayın!

Lazer printerdən istifadə edərək bu səhifənin altındakı PCB.pdf faylını çap edin və barmaqlarınızla toxunmayın. Kəsin, şəkli mis tərəfdən hizalayın və paltar ütüsü ilə (isti olmalıdır, amma buxarsız) təxminən beş dəqiqə basıb saxlayın. Bütün kağızı soyudun, sonra kağızı çox yavaş və diqqətlə su altında çıxarın. Mis üzərində toner yoxdursa, proseduru təkrarlayın; Bəzi itkin əlaqələri düzəltmək üçün kiçik bir daimi markerdən istifadə edin.

İndi PCB aşındırmaq üçün turşu istifadə etməyin vaxtı gəldi. Plastik bir qutuya üç stəkan muriatik turşu və bir hidrogen peroksid qoyun; daha güclü aşındırma üçün bərabər miqdarda da cəhd edə bilərsiniz. PCB həllinə qoyun (əllərinizə və gözlərinizə diqqət yetirin) və təxminən on dəqiqə gözləyin. Aşındırma başa çatdıqda lövhəni məhluldan çıxarın və su altında yuyun. Solüsyonu neytrallaşdırmaq və tualetə atmaq üçün turşuya iki qaşıq natrium bikarbonat qoyun (və ya tullantı toplama mərkəzinə aparın).

Addım 11: Elektronika

Lazım olan hissələr:

• ATMEGA328P MCU
• 2 x 22 pF kondansatörler
• 3x 100 uF kondansatörler
• 2x 1N4148 diodları
• 7805TV gərginlik tənzimləyicisi
• 6x 10K rezistorlar
• 2x 220R rezistorlar
• 16 MHz kristal osilator
• Pinheads
• USB-dən seriyaya adapter
• 940nm yan görünüşlü infraqırmızı yayıcılar və IR detektorları (bunları Sparkfun-dan almışam)
• 9V batareya və batareya tutacağı
• 16x2 LCD ekran
• 2 düymə
• Potansiyometr və trimmer
• Tellər, tellər və tellər

Komponentləri aldıqdan və topladıqdan sonra bir lehim seçin və hamısını lehimləyin! Sonra PCB-ni qutuya düzəldin, bütün telləri LCD-yə, USB-seriyalı adapterə, potensiometrə və trimmerə bağlayın (ekranın parlaqlığı və kontrastı üçün). Bütün hissələri və telləri düzgün yerləşdirmək üçün əvvəlki səhifədəki sxematik, PCB modelinə və bu səhifənin altındakı Eagle CAD sənədlərinə baxın.

Eagle CAD layihəsi

Addım 12: Sensorlar

Sensorları şəkillərdə göstərildiyi kimi əlavə edin, sonra onları örtmək və qorumaq üçün bir neçə qapaq düzəldin (onları taxta parçadan həkk etmək üçün fırlanan bir alət istifadə etdim). Sonra onları ana lövhəyə bağlayın.

Addım 13: Hazırsınız

İstifadəyə başlayın! Zövq alın!