JustAPendulum: Digitales Open-Source-Pendel - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

JustAPendulum ist ein Arduino-basiertes Open-Source-Pendel, das die Schwingungsperiode misst und berechnet, um die Gravitationsbeschleunigung der Erde (~9, 81 m/s²) zu ermitteln. Es enthält ein hausgemachtes Arduino UNO, das einen USB-zu-Seriell-Adapter verwendet, um mit Ihrem Computer zu kommunizieren. JustAPendulum ist sehr genau und hat einen Begleiter (in Visual Basic. NET geschrieben), der Ihnen in Echtzeit die Position der Masse sowie eine Tabelle und ein Diagramm mit allen vorherigen Maßen anzeigt. Komplett lasergeschnitten und hausgemacht, sehr einfach zu bedienen: Einfach einen Knopf drücken und die Masse fallen lassen und das Board berechnet alles. Ideal für Prüfungen im Physikunterricht!

Projekt-Hauptseite: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Anleitung zum Selbermachen

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Schritt 1: Die Physik dahinter

Dies sind alle Formeln, die in JustAPendulum verwendet werden. Ich werde sie nicht demonstrieren, aber wenn Sie neugierig sind, sind diese Informationen in jedem Physikbuch leicht zu finden. Um die Erdbeschleunigung zu berechnen, misst das Pendel einfach die Schwingungsperiode (T) und verwendet dann die folgende Formel zur Berechnung von (g):

und diese hier, um den absoluten Fehler über der Beschleunigung zu berechnen:

l ist die Länge des Drahtes des Pendels. Dieser Parameter muss vom Companion-Programm aus eingestellt werden (siehe unten). 0,01m ist der Messfehler der Länge (Empfindlichkeit des Lineals wird 1 cm angenommen), während 0,001s die Genauigkeit der Arduino-Uhr ist.

Schritt 2: Galileo Galilei und diese Formel

Diese Formel wurde zuerst (teilweise) von Galileo Galilei um 1602 entdeckt, der die regelmäßige Bewegung von Pendeln untersuchte, wodurch Pendel als die genauesten Zeitmesser galten, bis 1930 Quarzoszillatoren erfunden wurden, gefolgt von Atomuhren nach dem 2. Weltkrieg. Laut einem von Galileis Schülern besuchte Galileo eine Messe in Pisa, als er bemerkte, dass der Wind einen in der Kathedrale aufgehängten Kronleuchter sehr leicht bewegte. Er betrachtete immer wieder die Bewegung des Kronleuchters und bemerkte, dass die Zeit, die der Kronleuchter brauchte, um die Schwingung zu erzeugen, konstant zu bleiben schien, obwohl der Wind aufhörte und die Hin- und Herbewegung des Pendels kürzer wurde. Er maß das Schwingen des Kronleuchters durch das regelmäßige Schlagen des Pulses in seinem Handgelenk und erkannte, dass er recht hatte: Egal wie weit die Strecke zurückgelegt wurde, die Zeit war immer gleich. Nach weiteren Messungen und Studien fand er dann heraus, dass

Das zweifache π, wie in der vorherigen Gleichung, verwandelt den proportionalen Ausdruck in eine echte Gleichung - aber das beinhaltet eine mathematische Strategie, die Galileo nicht hatte.

Schritt 3: Verwendung

Bitte beachten Sie, dass vor der Verwendung die digitalen Pendelsensoren kalibriert und die Drahtlänge angepasst werden müssen. Stellen Sie JustAPendulum unter ein Pendel (mindestens 1 m hoch empfohlen) und stellen Sie sicher, dass die Masse beim Schwingen alle drei Sensoren verdeckt. Sensoren funktionieren bei schlechten Lichtverhältnissen besser, also schalte das Licht aus. Schalte das Brett ein. Ein „Bereit“-Bildschirm wird angezeigt. Hier die Menüstruktur:

• Linke Taste: Um die Messung zu starten, legen Sie die Kugel nach rechts und drücken Sie die Taste. Arduino erkennt automatisch die Ballposition und startet.

  • „Starting… op.p.: x ms“wird angezeigt

    • Links: Erdbeschleunigung berechnen
    • Rechts: zurück zum Hauptbildschirm

• Rechte Taste: Konfiguration anzeigen

  • Richtig: ja
  • Links: nein

Schritt 4: Der Begleiter

Der Begleiter von JustAPendulum ist ein Visual Basic. NET-Programm (geschrieben in Visual Studio 2015), das es dem Benutzer ermöglicht, das Pendel in Echtzeit vom Computer aus zu überwachen. Es zeigt die letzten Werte und Fehler an, verfügt über Tabellen und Grafiken zur Anzeige der vergangenen Messungen und verfügt über Tools zum Kalibrieren der Sensoren und zum Einstellen der Drahtlänge. Die Historie kann auch nach Excel exportiert werden.

Hier herunterladen

Schritt 5: Kalibrieren der Sensoren

Gehen Sie auf die Registerkarte Erweitert, schalten Sie „ADC-Monitor“ein und beobachten Sie, wie sich die angezeigten Werte je nach Position des Balls ändern. Versuchen Sie, einen akzeptablen Schwellenwert herauszufinden: darunter bedeutet, dass keine Masse zwischen den Detektoren vorhanden ist, während darüber angezeigt wird, dass die Masse zwischen den Detektoren fließt. Wenn sich die Werte nicht ändern, ist vielleicht zu viel Licht im Raum, also schalten Sie die Lampen aus. Drücken Sie dann die Schaltfläche „Manuelle Kalibrierung“. Schreiben Sie den von Ihnen gewählten Schwellenwert in das Textfeld und drücken Sie die Eingabetaste.

Schritt 6: Ändern der Drahtlänge

Um die Drahtlänge einzustellen, drücken Sie die Schaltfläche „Drahtlänge“und geben Sie den Wert ein. Stellen Sie dann den Messfehler ein: Wenn Sie ihn mit einem Maßband gemessen haben, sollte die Empfindlichkeit 1 mm betragen. Alle Werte werden im Speicher des Mikrocontrollers ATmega328P gespeichert.

Schritt 7: Die Laser Cut Box

Schneiden Sie diese Struktur aus Sperrholz (4 mm dick) mit einer Laserschneidmaschine, dann montieren Sie sie, legen Sie die Komponenten auf die Platten und befestigen Sie sie mit einigen Nägeln und Vinylkleber. Laden Sie DXF/DWG-Dateien unten auf dieser Seite herunter (entwickelt mit AutoCAD 2016).

Schritt 8: Die Struktur

Wenn Sie kein Pendel haben, können Sie ausgehend von diesem Beispiel selbst eines herstellen (es ist eine exakte Kopie des von mir erstellten). Ein 27,5·16·1 cm großes Stück Sperrholz, eine 5·27, 5,2 cm Schiene und ein Stab reichen aus. Verwenden Sie dann Ringe, Angeldraht und eine Kugel, um das Pendel zu vervollständigen.

AutoCAD-Projekt

Schritt 9: Die Masse

Ich hatte keine Eisenmasse (wäre natürlich besser), also habe ich eine Kugel mit einem 3D-Drucker gemacht und einen Ring hinzugefügt, um sie an den Draht zu hängen. Je schwerer und dünner sie ist (siehe Pendeluhren: die Masse ist flach, um Reibung mit Luft zu vermeiden), desto länger schwingt sie.

3D Ball herunterladen

Schritt 10: Die Platine

Dies ist die kostengünstigere Methode, um eine hausgemachte Leiterplatte mit nur kostengünstigen Materialien zu erstellen:

• Laserdrucker (600 dpi oder besser)
• Fotopapier
• Leere Platine
• Salzsäure (>10% HCl)
• Wasserstoffperoxid (10%ige Lösung)
• Bügeleisen
• Aceton
• Stahlwolle
• Schutzbrille und Handschuhe
• Natriumbicarbonat
• Essig
• Papierhandtuch

Der erste Schritt ist die Reinigung des Platinenrohlings mit Stahlwolle und Wasser. Wenn das Kupfer etwas oxidiert erscheint, solltest du es vorher mit Essig waschen. Schrubbe dann die Kupferseite mit einem in Aceton getränkten Papiertuch ab, um verbleibenden Schmutz zu entfernen. Reiben Sie jeden Teil des Boards genau. Berühren Sie das Kupfer nicht mit den Händen!

Drucken Sie die Datei PCB.pdf unten auf dieser Seite mit einem Laserdrucker aus und berühren Sie sie nicht mit den Fingern. Schneiden Sie es aus, richten Sie das Bild auf der Kupferseite aus und drücken Sie es mit dem Bügeleisen (es muss heiß sein, aber ohne Dampf) für etwa fünf Minuten. Mit dem ganzen Papier abkühlen lassen, dann das Papier ganz langsam und vorsichtig unter Wasser entfernen. Wenn sich kein Toner auf dem Kupfer befindet, wiederholen Sie den Vorgang; Verwenden Sie einen kleinen Permanentmarker, um fehlende Verbindungen zu reparieren.

Jetzt ist es an der Zeit, die Leiterplatte mit Säure zu ätzen. In eine Plastikbox drei Gläser Salzsäure und eines Wasserstoffperoxid geben; Sie können auch mit gleichen Mengen versuchen, eine stärkere Ätzung zu erzielen. Legen Sie die Platine in die Lösung (achten Sie auf Ihre Hände und Augen) und warten Sie etwa zehn Minuten. Wenn das Ätzen beendet ist, die Platte aus der Lösung nehmen und unter Wasser waschen. Geben Sie zwei Löffel Natriumbicarbonat in die Säure, um die Lösung zu neutralisieren, und werfen Sie sie in die Toilette (oder bringen Sie sie zu einer Müllsammelstelle).

Schritt 11: Elektronik

Benötigte Teile:

• ATMEGA328P-MCU
• 2x 22 pF Kondensatoren
• 3x 100 uF Kondensatoren
• 2x 1N4148 Dioden
• 7805TV Spannungsregler
• 6x 10K Widerstände
• 2x 220R Widerstände
• 16 MHz Quarzoszillator
• Stecknadelköpfe
• USB-zu-Seriell-Adapter
• 940-nm-seitliche Infrarot-Strahler und IR-Detektoren (ich habe diese von Sparkfun gekauft)
• 9V Batterie und Batteriehalter
• 16x2 LCD-Bildschirm
• 2 Tasten
• Ein Potentiometer und ein Trimmer
• Drähte, Drähte und Drähte

Nachdem Sie die Komponenten gekauft und gesammelt haben, wählen Sie einen Löter und löten Sie sie alle! Befestigen Sie dann die Platine in der Box, verbinden Sie alle Drähte mit dem LCD, dem USB-zu-Seriell-Adapter, dem Potentiometer und dem Trimmer (für Displayhelligkeit und Kontrast). Beziehen Sie sich auf den Schaltplan, das PCB-Modell im vorherigen Schritt und die Eagle-CAD-Dateien am Ende dieser Seite, um alle Teile und Drähte korrekt zu platzieren.

Eagle CAD-Projekt

Schritt 12: Sensoren

Fügen Sie die Sensoren wie in den Bildern gezeigt hinzu, und machen Sie dann einige Kappen (ich habe ein Drehwerkzeug verwendet, um sie aus einer Holzschiene zu gravieren), um sie abzudecken und zu schützen. Verbinden Sie sie dann mit der Hauptplatine.

Schritt 13: Sie sind bereit

Fangen Sie an, es zu benutzen! Genießen!