JustAPendulum: Open-source digitale slinger - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

JustAPendulum is een op Arduino gebaseerde open-source slinger die de oscillatieperiode meet en berekent om de zwaartekrachtversnelling van de aarde te vinden (~ 9, 81 m/s²). Het bevat een zelfgemaakte Arduino UNO die een USB-naar-serieel-adapter gebruikt om met uw computer te communiceren. JustAPendulum is zeer nauwkeurig en heeft een begeleidende (geschreven in Visual Basic. NET) die u in realtime de positie van de massa laat zien en een tabel en een grafiek met alle voorgaande maatregelen. Volledig lasergesneden en zelfgemaakt, het is heel gemakkelijk te gebruiken: druk op een knop en laat de massa vallen en het bord berekent alles. Ideaal voor toetsen in natuurkundelessen!

Hoofdpagina van het project: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Zelf maken gids

Youtube video

Stap 1: De fysica erachter

Dit zijn alle formules die in JustAPendulum worden gebruikt. Ik ga ze niet demonstreren, maar als je nieuwsgierig bent, deze informatie is gemakkelijk te vinden in elk natuurkundeboek. Om de zwaartekrachtversnelling van de aarde te berekenen, meet de slinger eenvoudig de oscillatieperiode (T) en gebruikt vervolgens de volgende formule om (g) te berekenen:

en deze om de absolute fout over de versnelling te berekenen:

l is de lengte van de draad van de slinger. Deze parameter moet worden ingesteld vanuit het Companion-programma (zie hieronder). 0.01m is de meetfout van de lengte (gevoeligheid van de liniaal wordt verondersteld 1 cm), terwijl 0.001s de precisie van Arduino's klok is.

Stap 2: Galileo Galilei en deze formule

Deze formule werd voor het eerst (gedeeltelijk) ontdekt door Galileo Galilei rond 1602, die onderzoek deed naar de regelmatige beweging van slingers, waardoor slingers werden aangenomen als de meest nauwkeurige tijdwaarnemingsmachines tot 1930, toen kwartsoscillatoren werden uitgevonden, gevolgd door atoomklokken na de Tweede Wereldoorlog. Volgens een van Galileo's studenten woonde Galileo een mis bij in Pisa toen hij merkte dat de wind een zeer lichte beweging van een kroonluchter in de kathedraal veroorzaakte. Hij bleef kijken naar de beweging van de kroonluchter en hij merkte op dat hoewel de wind stopte en de heen-en-weer afstand die de slinger aflegde korter werd, de tijd die de kroonluchter nodig had om de trilling te maken constant leek te blijven. Hij timede het zwaaien van de kroonluchter door het regelmatige kloppen van de pols in zijn pols en realiseerde zich dat hij gelijk had: ongeacht de afgelegde afstand, de tijd die het kostte was altijd hetzelfde. Na meer metingen en studies kwam hij erachter dat

De twee keer π, zoals in de vorige vergelijking, verandert de proportionele uitdrukking in een echte vergelijking - maar dat houdt een wiskundige list in die Galileo niet had.

Stap 3: Gebruik:

Houd er rekening mee dat voor gebruik de digitale slingersensoren moeten worden gekalibreerd en de draadlengte moet worden aangepast. Plaats JustAPendulum onder een slinger (minimaal 1 m hoog aanbevolen) en zorg ervoor dat de massa alle drie de sensoren verduistert tijdens het oscilleren. Sensoren werken beter bij weinig licht, dus doe de lichten uit. Schakel het bord in. Er verschijnt een "Klaar"-scherm. Dit is de menustructuur:

• Linkerknop: om de metingen te starten, zet u de bal naar rechts en drukt u op de knop. Arduino detecteert automatisch de balpositie en start.

  • “Starting… o.p.: x ms” wordt weergegeven

    • Links: zwaartekrachtversnelling berekenen
    • Rechts: terug naar het hoofdscherm

• Rechterknop: configuratie weergeven

  • Rechts: ja
  • Links: nee

Stap 4: De metgezel

De metgezel van JustAPendulum is een Visual Basic. NET (geschreven in Visual Studio 2015) programma waarmee de gebruiker de slinger in realtime vanaf de computer kan volgen. Het geeft de laatste waarden en fouten weer, heeft tabellen en grafieken om de metingen uit het verleden weer te geven en heeft tools om de sensoren te kalibreren en de lengte van de draad in te stellen. Geschiedenis kan ook worden geëxporteerd naar Excel.

Download het hier

Stap 5: De sensoren kalibreren

Ga naar het tabblad Geavanceerd, schakel "ADC-monitor" in en kijk hoe de weergegeven waarden veranderen afhankelijk van de positie van de bal. Probeer een acceptabele drempel te vinden: eronder betekent dat er geen massa tussen de detectoren is, terwijl erboven wordt aangegeven dat de massa ertussen passeert. Als de waarden niet veranderen, is er misschien te veel licht in de kamer, dus doe de lampen uit. Druk vervolgens op de knop "Handmatige kalibratie". Schrijf in het tekstvak de door u gekozen drempel en druk op enter.

Stap 6: De draadlengte wijzigen

Om de lengte van de draad aan te passen, drukt u op de knop "Draadlengte" en voert u de waarde in. Stel vervolgens de meetfout in: als u deze met een meetlint hebt gemeten, moet de gevoeligheid 1 mm zijn. Alle waarden worden opgeslagen in het geheugen van de ATmega328P-microcontroller.

Stap 7: De lasergesneden doos

Snijd deze structuur uit multiplex (4 mm dik) met een lasersnijmachine, monteer het vervolgens, plaats de componenten op de panelen en bevestig ze met wat spijkers en vinyllijm. Download DXF/DWG-bestanden onderaan deze pagina (ontworpen met AutoCAD 2016).

Stap 8: De structuur

Als je geen slinger hebt, kun je er zelf een maken uitgaande van dit voorbeeld (het is een exacte kopie van degene die ik heb gemaakt). Een stuk triplex van 27, 5·16·1 cm, een spalk van 5·27, 5·2 cm en een staaf zijn voldoende. Gebruik dan ringen, visdraad en een bal om de slinger compleet te maken.

AutoCAD-project

Stap 9: de mis

Ik had geen ijzeren massa (zou natuurlijk beter zijn), dus ik maakte een bal met een 3D-printer en voegde een ring toe om hem aan de draad te hangen. Hoe zwaarder en dunner het is (zie slingerklokken: de massa is plat om wrijving met lucht te voorkomen), hoe langer het zal oscilleren.

3D bal downloaden

Stap 10: De PCB

Dit is de goedkopere methode om een zelfgemaakte PCB te maken met alleen goedkope spullen:

• Laserprinter (600 dpi of beter)
• fotopapier
• Lege printplaat
• Zoutzuur (>10% HCl)
• Waterstofperoxide (10% oplossing)
• Strijkijzer
• Aceton
• Staal wol
• Veiligheidsbril en handschoenen
• Natriumbicarbonaat
• Azijn
• Keukenpapier

De eerste stap is het reinigen van de blanco printplaat met staalwol en water. Als het koper een beetje geoxideerd lijkt, moet je het eerst met azijn wassen. Schrob vervolgens de koperen kant met een papieren handdoek gedrenkt in aceton om eventueel achtergebleven vuil te verwijderen. Wrijf nauwkeurig over elk deel van het bord. Raak het koper niet met de handen aan!

Druk het PCB.pdf-bestand onderaan deze pagina af met een laserprinter en raak het niet met de vingers aan. Knip het uit, lijn het beeld uit op de koperen kant en druk het ongeveer vijf minuten met het strijkijzer (het moet heet zijn maar zonder damp). Laat het afkoelen met al het papier en verwijder het papier dan heel langzaam en voorzichtig onder water. Als er geen toner op het koper zit, herhaalt u de procedure; Gebruik een kleine permanente marker om enkele ontbrekende verbindingen te repareren.

Nu is het tijd om zuur te gebruiken om de PCB te etsen. Doe in een plastic doos drie glazen zoutzuur en één met waterstofperoxide; je kunt ook met gelijke hoeveelheden proberen voor een krachtigere ets. Plaats de print in de oplossing (let op uw handen en ogen) en wacht ongeveer tien minuten. Wanneer het etsen klaar is, verwijder het bord uit de oplossing en was het onder water. Doe twee lepels natriumbicarbonaat in het zuur om de oplossing te neutraliseren en gooi het in de wc (of breng het naar een afvalinzamelpunt).

Stap 11: Elektronica

Onderdelen nodig:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF condensatoren
• 3x 100 uF condensatoren
• 2x 1N4148 diodes
• 7805TV-spanningsregelaar
• 6x 10K weerstanden
• 2x 220R weerstanden
• 16 MHz kristaloscillator
• speldenkoppen
• USB-naar-serieel adapter
• 940nm zijwaartse infraroodstralers en IR-detectoren (ik kocht deze bij Sparkfun)
• 9V batterij en batterijhouder
• 16x2 LCD-scherm
• 2 knoppen
• Een potentiometer en een trimmer
• Draden, draden en draden

Nu je de componenten hebt gekocht en verzameld, kies je een soldeerbout en soldeer je ze allemaal! Bevestig vervolgens de print in de doos, sluit alle draden aan op het LCD-scherm, de USB-naar-serieel-adapter, de potentiometer en de trimmer (voor helderheid en contrast van het scherm). Raadpleeg het schema, het PCB-model in de vorige stap en Eagle CAD-bestanden onderaan deze pagina om alle onderdelen en draden correct te plaatsen.

Eagle CAD-project

Stap 12: Sensoren

Voeg de sensoren toe zoals weergegeven in de afbeeldingen en maak vervolgens enkele doppen (ik gebruikte een roterend gereedschap om ze uit een houten spalk te graveren) om ze te bedekken en te beschermen. Sluit ze vervolgens aan op het moederbord.

Stap 13: Je bent klaar

Begin het te gebruiken! Genieten van!