JustAPendulum: Açık Kaynak Dijital Sarkaç: 13 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

JustAPendulum, Dünyanın yerçekimi ivmesini (~9, 81 m/s²) bulmak için salınım periyodunu ölçen ve hesaplayan Arduino tabanlı bir açık kaynaklı sarkaçtır. Bilgisayarınızla iletişim kurmak için USB'den seriye adaptör kullanan ev yapımı bir Arduino UNO içerir. JustAPendulum son derece doğrudur ve gerçek zamanlı olarak size kütlenin konumunu ve tüm emsal ölçümleri içeren bir tablo ve grafiği gösterecek bir eşlikçisi (Visual Basic. NET'te yazılmıştır) vardır. Tamamen lazer kesim ve ev yapımı, kullanımı çok kolay: sadece bir düğmeye basın ve kütlenin düşmesine izin verin, tahta her şeyi hesaplayacaktır. Fizik derslerindeki testler için ideal!

Proje ana sayfası: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Kendi kendine rehber yapmak

Youtube videosu

Adım 1: Arkasındaki Fizik

Bunların hepsi JustAPendulum'da kullanılan formüllerdir. Onları göstermeyeceğim, ama merak ediyorsanız, bu bilgiyi her fizik kitabında bulmak kolaydır. Dünyanın yerçekimi ivmesini hesaplamak için, sarkaç basitçe salınım periyodunu (T) ölçer ve ardından (g) hesaplamak için aşağıdaki formülü kullanır:

ve bu, ivme üzerindeki mutlak hatayı hesaplamak için:

l sarkacın telinin uzunluğudur. Bu parametre Companion programından ayarlanmalıdır (aşağıya bakın). 0.01m, uzunluğun ölçüm hatasıdır (cetvelin duyarlılığı 1 cm varsayılır), 0.001s ise Arduino'nun saatinin hassasiyetidir.

Adım 2: Galileo Galilei ve Bu Formül

Bu formül ilk olarak (kısmen) 1602 civarında, sarkaçların düzenli hareketini araştıran Galileo Galilei tarafından keşfedildi ve sarkaçların 1930'a kadar kuvars osilatörlerin icat edildiği ve ardından 2. Galileo'nun öğrencilerinden birine göre, Galileo, rüzgarın katedralde asılı duran bir avizenin çok hafif hareketine neden olduğunu fark ettiğinde Pisa'da bir ayine katılırken. Avizenin hareketine bakmaya devam etti ve rüzgarın durmasına ve sarkacın kat ettiği ileri geri mesafenin kısalmasına rağmen, avizenin salınımı yapması için geçen sürenin sabit kaldığını fark etti. Avizenin sallanışını bileğindeki nabzın düzenli vuruşuyla ayarladı ve haklı olduğunu anladı: kat edilen mesafe ne olursa olsun, geçen süre her zaman aynıydı. Daha fazla ölçüm ve çalışmadan sonra, daha sonra öğrendi ki

Önceki denklemde olduğu gibi π'nin iki katı, orantılı ifadeyi gerçek bir denkleme dönüştürür - ancak bu, Galileo'nun sahip olmadığı matematiksel bir stratejiyi içerir.

3. Adım: Kullanım

Dijital sarkaç sensörlerini kullanmadan önce kalibre edilmesi ve kablo uzunluğunun ayarlanması gerektiğini lütfen unutmayın. JustAPendulum'u bir sarkacın altına koyun (en az 1 m yükseklik önerilir) ve salınım sırasında kütlenin üç sensörü de kapattığından emin olun. Sensörler, düşük ışık koşullarında daha iyi çalışır, bu nedenle ışıkları kapatın. Tahtayı açın. Bir “Hazır” ekranı görünecektir. İşte menü yapısı:

• Sol düğme: Ölçümleri başlatmak için topu sağa koyun ve düğmeye basın. Arduino, topun konumunu otomatik olarak algılar ve başlar.

  • “Başlıyor… o.p.: x ms” görüntüleniyor

    • Sol: yerçekimi ivmesini hesapla

    • Sağ: ana ekrana geri dön

• Sağ düğme: yapılandırmayı göster

  • doğru: evet
  • sol: hayır

Adım 4: Yoldaş

JustAPendulum'un arkadaşı, kullanıcının sarkacı bilgisayardan gerçek zamanlı olarak izlemesini sağlayan bir Visual Basic. NET (Visual Studio 2015'te yazılmış) programıdır. Son değerleri ve hataları görüntüler, geçmiş önlemleri göstermek için tablolar ve grafiklere sahiptir ve sensörleri kalibre etmek ve telin uzunluğunu ayarlamak için araçlara sahiptir. Geçmiş ayrıca Excel'e aktarılabilir.

Buradan indir

Adım 5: Sensörleri Kalibre Etme

Gelişmiş sekmesine gidin, “ADC monitörünü” açın ve görüntülenen değerlerin topun konumuna göre nasıl değiştiğini gözlemleyin. Kabul edilebilir bir eşik bulmaya çalışın: altının altında olması dedektörler arasında kütle olmadığı anlamına gelirken, üstü ise kütlenin aralarından geçtiğini gösterecektir. Değerler değişmezse, odada çok fazla ışık olabilir, bu nedenle lambaları kapatın. Ardından, “Manuel kalibrasyon” düğmesine basın. Metin kutusuna karar verdiğiniz eşiği yazın ve enter tuşuna basın.

Adım 6: Tel Uzunluğunu Değiştirme

Telin uzunluğunu ayarlamak için “Tel uzunluğu” düğmesine basın ve değeri girin. Ardından ölçüm hatasını ayarlayın: bir mezura ile ölçtüyseniz, hassasiyet 1 mm olmalıdır. Tüm değerler ATmega328P mikro denetleyicinin belleğinde saklanacaktır.

Adım 7: Lazer Kesim Kutusu

Bu yapıyı kontrplaktan (4 mm kalınlığında) bir lazer kesim makinesiyle kesin, ardından monte edin, bileşenleri panellere yerleştirin ve bir miktar çivi ve vinilik yapıştırıcı ile sabitleyin. Bu sayfanın altındaki DXF/DWG dosyalarını indirin (AutoCAD 2016 ile tasarlanmıştır).

Adım 8: Yapı

Eğer bir sarkacınız yoksa bu örnekten yola çıkarak kendiniz de yapabilirsiniz (benim yaptığımın birebir kopyasıdır). 27, 5·16·1 cm'lik bir kontrplak parçası, 5·27, 5·2 cm'lik bir atel ve bir çubuk yeterlidir. Ardından sarkacı tamamlamak için halkalar, olta teli ve bir top kullanın.

AutoCAD projesi

9. Adım: Kütle

Demir kütlem yoktu (elbette daha iyi olurdu), bu yüzden 3D yazıcı ile bir top yaptım ve tele asmak için bir halka ekledim. Ne kadar ağır ve ince olursa (bkz. sarkaçlı saatler: hava ile sürtünmeyi önlemek için kütle düzdür), o kadar uzun salınım yapacaktır.

3D top indir

Adım 10: PCB

Bu, yalnızca düşük maliyetli malzemeler kullanarak ev yapımı bir PCB oluşturmanın daha ucuz yöntemidir:

• Lazer yazıcı (600 dpi veya daha iyisi)
• Fotoğraf kağıdı
• Boş devre kartı
• Muriatik asit (>%10 HCl)
• Hidrojen peroksit (%10 çözelti)
• Ütü
• aseton
• Çelik yün
• Güvenlik gözlükleri ve eldivenleri
• Sodyum bikarbonat
• Sirke
• Kağıt havlu

İlk adım, boş PCB'yi çelik yün ve su ile temizlemektir. Bakır biraz oksitlenmiş görünüyorsa, önce sirke ile yıkamalısınız. Ardından, kalan kiri çıkarmak için bakır tarafı asetona batırılmış bir kağıt havluyla ovalayın. Tahtanın her parçasını doğru bir şekilde ovalayın. Bakıra elinizle dokunmayın!

Bu sayfanın altındaki PCB.pdf dosyasını bir lazer yazıcı kullanarak yazdırın ve parmaklarınızla dokunmayın. Kesin, görüntüyü bakır tarafa hizalayın ve yaklaşık beş dakika boyunca çamaşır ütüsüyle (sıcak ama buharsız olmalıdır) bastırın. Tüm kağıtlarla soğumaya bırakın, ardından kağıdı çok yavaş ve dikkatli bir şekilde suyun altında çıkarın. Bakır üzerinde toner yoksa işlemi tekrarlayın; Bazı eksik bağlantıları düzeltmek için küçük bir kalıcı işaretleyici kullanın.

Şimdi PCB'yi aşındırmak için asit kullanma zamanı. Plastik bir kutuya üç bardak muriatik asit ve bir hidrojen peroksit koyun; daha güçlü bir dağlama için eşit miktarlarda da deneyebilirsiniz. PCB'yi solüsyona koyun (ellerinize ve gözlerinize dikkat edin) ve yaklaşık on dakika bekleyin. Dağlama bittiğinde tahtayı solüsyondan çıkarın ve su altında yıkayın. Çözeltiyi nötralize etmek için aside iki kaşık sodyum bikarbonat koyun ve tuvalete atın (veya bir atık toplama merkezine götürün).

Adım 11: Elektronik

Gerekli parçalar:

• ATMEGA328P MCU
• 2 adet 22 pF kapasitör
• 3x 100 uF kapasitörler
• 2x 1N4148 diyot
• 7805TV voltaj regülatörü
• 6x 10K dirençler
• 2x 220R dirençler
• 16 MHz kristal osilatör
• iğne uçları
• USB'den seriye adaptör
• 940nm yandan görünümlü kızılötesi emitörler ve IR dedektörleri (Bunları Sparkfun'dan aldım)
• 9V pil ve pil tutucu
• 16x2 LCD ekran
• 2 düğme
• Bir potansiyometre ve bir düzeltici
• Teller, teller ve teller

Artık bileşenleri alıp topladığınıza göre, bir lehim seçin ve hepsini lehimleyin! Ardından PCB'yi kutuya sabitleyin, tüm kabloları LCD'ye, USB-seri adaptörüne, potansiyometreye ve düzelticiye bağlayın (ekran parlaklığı ve kontrastı için). Tüm parçaları ve telleri doğru şekilde yerleştirmek için şemaya, önceki adımdaki PCB modeline ve bu sayfanın altındaki Eagle CAD dosyalarına bakın.

Kartal CAD projesi

Adım 12: Sensörler

Sensörleri resimlerde gösterildiği gibi ekleyin, sonra onları örtmek ve korumak için bazı kapaklar yapın (onları tahta bir atelden oymak için döner bir alet kullandım). Ardından bunları ana karta bağlayın.

Adım 13: Hazırsınız

Kullanmaya başlayın! Eğlence!