JustAPendulum: بندول رقمي مفتوح المصدر: 13 خطوة

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

JustAPendulum هو بندول مفتوح المصدر يعتمد على Arduino يقيس ويحسب فترة التذبذب لإيجاد تسارع الجاذبية للأرض (~ 9 ، 81 م / ث²). يحتوي على Arduino UNO محلي الصنع يستخدم محول USB إلى تسلسلي للتواصل مع جهاز الكمبيوتر الخاص بك. JustAPendulum دقيق للغاية وله رفيق (مكتوب في Visual Basic. NET) والذي سيعرض لك ، في الوقت الفعلي ، موضع الكتلة وجدول ورسم بياني بجميع المقاييس السابقة. قطع ليزر بالكامل ومصنوع منزليًا ، إنه سهل الاستخدام للغاية: فقط اضغط على الزر واترك الكتلة تنخفض وستحسب اللوحة كل شيء. مثالي للاختبارات في فصول الفيزياء!

الصفحة الرئيسية للمشروع: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

جعله دليل نفسك

فيديو يوتيوب

الخطوة 1: الفيزياء وراءها

هذه هي جميع الصيغ المستخدمة في JustAPendulum. لن أعرضهم ، ولكن إذا كنت مهتمًا بالفضول ، فمن السهل العثور على هذه المعلومات في كل كتاب فيزياء. لحساب تسارع الجاذبية للأرض ، يقيس البندول ببساطة فترة التذبذب (T) ، ثم يستخدم الصيغة التالية لحساب (g):

وهذا لحساب الخطأ المطلق على التسارع:

l طول سلك البندول. يجب تعيين هذه المعلمة من برنامج Companion (انظر أدناه). 0.01 م هو خطأ قياس الطول (يُفترض أن حساسية المسطرة 1 سم) ، بينما 0.001 ثانية هي دقة ساعة Arduino.

الخطوة الثانية: جاليليو جاليلي وهذه الصيغة

تم اكتشاف هذه الصيغة (جزئيًا) لأول مرة بواسطة جاليليو جاليلي حوالي عام 1602 ، حيث قام بالتحقيق في الحركة المنتظمة للبندولات ، مما يجعل البندولات يتم تبنيها كأكثر آلات ضبط الوقت دقة حتى عام 1930 عندما تم اختراع مذبذبات الكوارتز ، تليها الساعات الذرية بعد الحرب العالمية الثانية. وفقًا لأحد طلاب جاليليو ، كان جاليليو يحضر قداسًا في بيزا عندما لاحظ أن الرياح تسببت في حركة طفيفة للغاية لثريا معلقة في الكاتدرائية. ظل ينظر إلى حركة الثريا ولاحظ أنه على الرغم من توقف النسيم وتقصير المسافة ذهابًا وإيابًا التي يقطعها البندول ، إلا أن الوقت الذي استغرقته الثريا لجعل التذبذب يبدو ثابتًا. قام بضبط توقيت تأرجح الثريا عن طريق الضرب المنتظم للنبض في معصمه وأدرك أنه كان على حق: بغض النظر عن المسافة المقطوعة ، فإن الوقت الذي يستغرقه كان دائمًا هو نفسه. بعد المزيد من القياسات والدراسات ، اكتشف ذلك

الضربان π ، كما في المعادلة السابقة ، يحولان التعبير النسبي إلى معادلة حقيقية - لكن هذا يتضمن حيلة رياضية لم يمتلكها غاليليو.

الخطوة 3: الاستخدام

يرجى ملاحظة أنه قبل استخدام مستشعرات البندول الرقمية ، يجب معايرة وتعديل طول السلك. ضع JustAPendulum أسفل بندول (يُنصح بارتفاع 1 متر على الأقل) وتأكد من أن الكتلة تحجب جميع أجهزة الاستشعار الثلاثة عند التذبذب. تعمل المستشعرات بشكل أفضل في ظروف الإضاءة المنخفضة ، لذا قم بإطفاء الأنوار. التبديل على السبورة. ستظهر شاشة "جاهز". إليك هيكل القائمة:

• الزر الأيسر: لبدء القياسات ، ضع الكرة على اليمين واضغط على الزر. يكتشف Arduino تلقائيًا موضع الكرة ويبدأ.

  • يتم عرض "جارٍ البدء … o.p: x مللي ثانية"

    • إلى اليسار: احسب عجلة الجاذبية
    • على اليمين: العودة إلى الشاشة الرئيسية

• الزر الأيمن: إظهار التكوين

  • صحيح: نعم
  • اليسار: لا

الخطوة 4: الرفيق

رفيق JustAPendulum هو برنامج Visual Basic. NET (مكتوب في Visual Studio 2015) يسمح للمستخدم بمراقبة البندول في الوقت الفعلي من الكمبيوتر. يعرض القيم والأخطاء الأخيرة ، ويحتوي على جداول ورسوم بيانية لإظهار المقاييس السابقة ولديه أدوات لمعايرة المستشعرات وتعيين طول السلك. يمكن أيضًا تصدير المحفوظات إلى Excel.

قم بتنزيله هنا

الخطوة الخامسة: معايرة أجهزة الاستشعار

انتقل إلى علامة التبويب خيارات متقدمة ، وقم بتشغيل "شاشة ADC" ولاحظ كيف تتغير القيم المعروضة اعتمادًا على موضع الكرة. حاول إيجاد عتبة مقبولة: أقل من ذلك يعني عدم وجود كتلة بين الكاشفات ، بينما فوقها ستشير إلى أن الكتلة تمر فيما بينها. إذا لم تتغير القيم ، فربما يكون هناك الكثير من الضوء في الغرفة ، لذا أطفئ المصابيح. ثم اضغط على زر "المعايرة اليدوية". اكتب في مربع النص الحد الذي حددته واضغط على Enter.

الخطوة 6: تغيير طول السلك

لضبط طول السلك ، اضغط على زر "Wire length" وأدخل القيمة. ثم اضبط خطأ القياس: إذا قمت بقياسه بشريط ، فيجب أن تكون الحساسية 1 مم. سيتم تخزين جميع القيم في ذاكرة متحكم ATmega328P.

الخطوة 7: صندوق القطع بالليزر

قطع هذا الهيكل من الخشب الرقائقي (بسمك 4 مم) بآلة القطع بالليزر ، ثم اسحبه ، ثم ضع المكونات على الألواح وثبتها ببعض المسامير والغراء الفينيلي. قم بتنزيل ملفات DXF / DWG في أسفل هذه الصفحة (المصممة باستخدام AutoCAD 2016).

الخطوة 8: الهيكل

إذا لم يكن لديك بندول ، فيمكنك إنشاء واحدة بنفسك بدءًا من هذا المثال (إنها نسخة طبق الأصل من التي صنعتها). تكفي قطعة من الخشب الرقائقي مقاس 27 و 5 و 16 و 1 سم وجبيرة مقاس 5 و 27 و 5 2 سم وقضيب. ثم استخدم الحلقات وأسلاك الصيد والكرة لإكمال البندول.

مشروع أوتوكاد

الخطوة 9: القداس

لم يكن لدي كتلة حديدية (سيكون ذلك أفضل بالطبع) ، لذلك صنعت كرة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد وأضفت حلقة لتعليقها على السلك. كلما كانت أثقل وأرق (انظر ساعات البندول: الكتلة مسطحة لتجنب الاحتكاك مع الهواء) ، كلما تأرجحت أطول.

3D الكرة تنزيل

الخطوة 10: ثنائي الفينيل متعدد الكلور

هذه هي الطريقة الأقل تكلفة لإنشاء ثنائي الفينيل متعدد الكلور محلي الصنع باستخدام أشياء منخفضة التكلفة فقط:

• طابعة ليزر (600 نقطة في البوصة أو أفضل)
• ورق الصور الفوتوغرافية
• لوحة دوائر كهربائية فارغة
• حمض المرياتيك (> 10٪ حمض الهيدروكلوريك)
• بيروكسيد الهيدروجين (محلول 10٪)
• مكواة ملابس
• الأسيتون
• الصوف الصلب
• نظارات وقفازات السلامة
• بيكربونات الصوديوم
• خل
• منشفة ورقية

الخطوة الأولى هي تنظيف ثنائي الفينيل متعدد الكلور الفارغ بالصوف الصلب والماء. إذا ظهر أن النحاس يتأكسد قليلاً ، يجب أن تغسله بالخل من قبل. ثم افرك الجانب النحاسي بمنشفة ورقية مبللة بالأسيتون لإزالة أي أوساخ متبقية. افرك كل جزء من اللوحة بدقة. لا تلمس النحاس بيديك!

اطبع ملف PCB.pdf أسفل هذه الصفحة باستخدام طابعة ليزر ولا تلمسه بالأصابع. قم بقصها ، قم بمحاذاة الصورة على الجانب النحاسي واضغط عليها بمكواة الملابس (يجب أن تكون ساخنة ولكن بدون بخار) لمدة خمس دقائق تقريبًا. اتركه يبرد مع كل الورق ، ثم أزل الورق ببطء شديد وبعناية تحت الماء. إذا لم يكن هناك مسحوق على النحاس ، كرر الإجراء ؛ استخدم علامة دائمة صغيرة لإصلاح بعض الوصلات المفقودة.

حان الوقت الآن لاستخدام الحمض في حفر ثنائي الفينيل متعدد الكلور. في صندوق بلاستيكي ضع ثلاثة أكواب من حمض المرياتيك وواحد من بيروكسيد الهيدروجين ؛ يمكنك أيضًا المحاولة بكميات متساوية للحصول على نقش أقوى. ضع ثنائي الفينيل متعدد الكلور في المحلول (انتبه إلى يديك وعينيك) وانتظر حوالي عشر دقائق. عند الانتهاء من الحفر ، أخرج اللوح من المحلول واغسله تحت الماء. ضع ملعقتين من بيكربونات الصوديوم في الحمض لتحييد المحلول وإلقائه في المرحاض (أو خذه إلى مركز تجميع النفايات).

الخطوة 11: الإلكترونيات

الأجزاء المطلوبة:

• ATMEGA328P MCU
• مكثفات 2x 22 pF
• 3x 100 فائق التوهج المكثفات
• 2x 1N4148 الثنائيات
• 7805TV منظم الجهد
• مقاومات 6x 10 كيلو
• مقاومات 2x 220R
• مذبذب بلوري 16 ميجا هرتز
• الدبابيس
• محول USB إلى تسلسلي
• بواعث الأشعة تحت الحمراء ذات المظهر الجانبي 940 نانومتر وكاشفات الأشعة تحت الحمراء (اشتريت هذه من Sparkfun)
• بطارية 9V وحامل البطارية
• شاشة LCD مقاس 16 × 2
• 2 أزرار
• مقياس الجهد والقص
• الأسلاك والأسلاك والأسلاك

الآن بعد أن اشتريت المكونات وجمعتها ، اختر أداة لحام ولحامها جميعًا! ثم قم بإصلاح PCB في الصندوق ، وقم بتوصيل جميع الأسلاك بشاشات الكريستال السائل ، ومحول USB إلى المسلسل ، ومقياس الجهد والقطع (لسطوع الشاشة والتباين). ارجع إلى التخطيطي ونموذج PCB في الخطوة السابقة وإلى ملفات Eagle CAD في أسفل هذه الصفحة لوضع جميع الأجزاء والأسلاك بشكل صحيح.

مشروع النسر CAD

الخطوة 12: المستشعرات

أضف المستشعرات كما هو موضح في الصور ، ثم قم بعمل بعض الأغطية (استخدمت أداة دوارة لنقشها من جبيرة خشبية) لتغطيتها وحمايتها. ثم قم بتوصيلهم باللوحة الرئيسية.

الخطوة 13: أنت جاهز

ابدأ في استخدامه! يتمتع!