JustAPendulum: Pendulum Digital sumber terbuka: 13 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

JustAPendulum adalah pendulum open-source berbasis Arduino yang mengukur dan menghitung periode osilasi untuk menemukan percepatan gravitasi Bumi (~9,81 m/s²). Ini berisi Arduino UNO buatan sendiri yang menggunakan adaptor USB-to-serial untuk berkomunikasi dengan komputer Anda. JustAPendulum sangat akurat dan memiliki pendamping (ditulis dalam Visual Basic. NET) yang, secara real-time, akan menunjukkan posisi massa dan tabel dan grafik dengan semua ukuran preseden. Sepenuhnya dipotong laser dan buatan sendiri, sangat mudah digunakan: cukup tekan tombol dan biarkan massa jatuh dan papan akan menghitung semuanya. Ideal untuk tes di kelas fisika!

Halaman utama proyek: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

Membuatnya sendiri panduan

Video Youtube

Langkah 1: Fisika Dibaliknya

Ini semua adalah rumus yang digunakan di JustAPendulum. Saya tidak akan menunjukkannya, tetapi jika Anda penasaran, informasi ini mudah ditemukan di setiap buku fisika. Untuk menghitung percepatan gravitasi bumi, bandul hanya mengukur periode osilasi (T), kemudian menggunakan rumus berikut untuk menghitung (g):

dan yang ini untuk menghitung kesalahan absolut atas akselerasi:

l adalah panjang kawat bandul. Parameter ini harus disetel dari program Companion (lihat di bawah). 0,01m adalah kesalahan pengukuran panjang (sensibilitas penggaris diasumsikan 1 cm), sedangkan 0,001s adalah presisi jam Arduino.

Langkah 2: Galileo Galilei dan Rumus Ini

Rumus ini pertama (sebagian) ditemukan oleh Galileo Galilei sekitar tahun 1602, yang menyelidiki gerak teratur pendulum, membuat pendulum diadopsi sebagai mesin penunjuk waktu yang paling tepat sampai tahun 1930 ketika osilator kuarsa ditemukan, diikuti oleh jam atom setelah Perang Dunia 2. Menurut salah satu murid Galileo, Galileo sedang menghadiri Misa di Pisa ketika dia melihat bahwa angin menyebabkan gerakan yang sangat kecil dari lampu gantung yang tergantung di katedral. Dia terus melihat gerakan lampu gantung dan dia memperhatikan bahwa meskipun angin sepoi-sepoi berhenti dan jarak bolak-balik yang ditempuh pendulum diperpendek, namun waktu yang dibutuhkan lampu gantung untuk membuat osilasi tampaknya tetap konstan. Dia mengatur waktu ayunan lampu gantung dengan denyut nadi yang teratur di pergelangan tangannya dan menyadari bahwa dia benar: tidak peduli jarak yang ditempuh, waktu yang dibutuhkan selalu sama. Setelah lebih banyak pengukuran dan studi, dia kemudian menemukan bahwa

Dua kali, seperti pada persamaan sebelumnya, mengubah ekspresi proporsional menjadi persamaan yang benar - tetapi itu melibatkan siasat matematika yang tidak dimiliki Galileo.

Langkah 3: Penggunaan

Harap dicatat bahwa sebelum menggunakan sensor pendulum digital harus dikalibrasi dan panjang kabel disesuaikan. Letakkan JustAPendulum di bawah pendulum (disarankan tinggi minimal 1m) dan pastikan bahwa massa mengaburkan ketiga sensor saat berosilasi. Sensor bekerja lebih baik dalam kondisi cahaya rendah, jadi matikan lampu. Nyalakan papan. Layar "Siap" akan muncul. Berikut struktur menunya:

• Tombol kiri: untuk memulai pengukuran, letakkan bola ke kanan dan tekan tombol. Arduino secara otomatis mendeteksi posisi bola dan memulai.

  • "Mulai … o.p.: x ms" ditampilkan

    • Kiri: hitung percepatan gravitasi
    • Kanan: kembali ke layar utama

• Tombol kanan: tampilkan konfigurasi

  • Kanan: ya
  • Kiri: tidak

Langkah 4: Sang Pendamping

Pendulum JustAPendulum adalah program Visual Basic. NET (ditulis dalam Visual Studio 2015) yang memungkinkan pengguna untuk memantau pendulum secara real-time dari komputer. Ini menampilkan nilai dan kesalahan terakhir, memiliki tabel dan grafik untuk menunjukkan tindakan masa lalu dan memiliki alat untuk mengkalibrasi sensor dan mengatur panjang kabel. Sejarah juga dapat diekspor ke Excel.

Unduh di sini

Langkah 5: Mengkalibrasi Sensor

Buka tab Advanced, nyalakan “ADC monitor” dan amati bagaimana nilai yang ditampilkan berubah tergantung pada posisi bola. Cobalah untuk menemukan ambang batas yang dapat diterima: di bawahnya berarti tidak ada massa di antara detektor, sementara di atas itu akan menunjukkan bahwa massa lewat di antara mereka. Jika nilainya tidak berubah, mungkin ada terlalu banyak cahaya di dalam ruangan, jadi matikan lampunya. Kemudian, tekan tombol "Kalibrasi manual". Tulis di kotak teks ambang batas yang Anda putuskan dan tekan enter.

Langkah 6: Mengubah Panjang Kawat

Untuk menyesuaikan panjang kabel, tekan tombol "Panjang kabel" dan masukkan nilainya. Kemudian atur kesalahan pengukuran: jika Anda mengukurnya dengan pita pengukur, sensitivitasnya harus 1 mm. Semua nilai akan disimpan dalam memori mikrokontroler ATmega328P.

Langkah 7: Kotak Potong Laser

Potong struktur ini dari kayu lapis (tebal 4 mm) dengan mesin potong laser, lalu pasang, letakkan komponen pada panel dan perbaiki dengan beberapa paku dan lem vinilic. Unduh file DXF/DWG di bagian bawah halaman ini (dirancang dengan AutoCAD 2016).

Langkah 8: Struktur

Jika Anda tidak memiliki pendulum, Anda dapat membuatnya sendiri mulai dari contoh ini (ini adalah salinan persis dari yang saya buat). Sepotong kayu lapis 27, 5·16·1 cm, belat 5·27, 5·2 cm dan batang sudah cukup. Kemudian gunakan cincin, kawat pancing, dan bola untuk melengkapi bandul.

Proyek AutoCAD

Langkah 9: Misa

Saya tidak punya massa besi (akan lebih baik, tentu saja), jadi saya membuat bola dengan printer 3D dan saya menambahkan cincin untuk menggantungnya ke kawat. Semakin berat dan tipis (lihat jam bandul: massanya rata untuk menghindari gesekan dengan udara), semakin lama ia akan berosilasi.

Unduh bola 3D

Langkah 10: PCB

Ini adalah metode yang lebih murah untuk membuat PCB buatan sendiri hanya dengan menggunakan barang-barang murah:

• Printer laser (600 dpi atau lebih baik)
• kertas foto
• Papan sirkuit kosong
• Asam muriatik (>10% HCl)
• Hidrogen peroksida (larutan 10%)
• Setrika pakaian
• Aseton
• Wol baja
• Kacamata pengaman dan sarung tangan
• Natrium bikarbonat
• Cuka
• Handuk kertas

Langkah pertama adalah membersihkan PCB kosong dengan wol baja dan air. Jika tembaga tampak sedikit teroksidasi, Anda harus mencucinya dengan cuka sebelumnya. Kemudian, gosok sisi tembaga dengan handuk kertas yang direndam dalam aseton untuk menghilangkan kotoran yang tersisa. Gosok setiap bagian papan dengan akurat. Jangan menyentuh tembaga dengan tangan!

Cetak file PCB.pdf di bagian bawah halaman ini menggunakan printer laser dan jangan menyentuhnya dengan jari. Potong, sejajarkan gambar di sisi tembaga dan tekan dengan setrika (harus panas tetapi tanpa uap) selama sekitar lima menit. Biarkan dingin dengan semua kertas, lalu keluarkan kertas dengan sangat perlahan dan hati-hati di bawah air. Jika tidak ada toner pada tembaga, ulangi prosedurnya; Gunakan spidol permanen kecil untuk memperbaiki beberapa koneksi yang hilang.

Sekarang saatnya menggunakan asam untuk mengetsa PCB. Dalam kotak plastik masukkan tiga gelas asam muriat dan satu gelas hidrogen peroksida; Anda juga dapat mencoba dengan jumlah yang sama untuk etsa yang lebih kuat. Masukkan PCB ke dalam larutan (perhatikan tangan dan mata Anda) dan tunggu sekitar sepuluh menit. Ketika etsa selesai, lepaskan papan dari larutan dan cuci di bawah air. Masukkan dua sendok natrium bikarbonat ke dalam asam untuk menetralkan larutan dan buang ke WC (atau bawa ke pusat pengumpulan sampah).

Langkah 11: Elektronik

Bagian yang dibutuhkan:

• ATMEGA328P MCU
• 2x 22 pF kapasitor
• 3x 100 uF kapasitor
• 2x 1N4148 dioda
• Pengatur tegangan TV 7805
• 6x 10K resistor
• 2x 220R resistor
• Osilator kristal 16 MHz
• kepala peniti
• Adaptor USB-ke-serial
• Pemancar inframerah dan detektor IR 940nm tampak samping (saya membelinya dari Sparkfun)
• Baterai 9V dan dudukan baterai
• Layar LCD 16x2
• 2 tombol
• Sebuah potensiometer dan pemangkas
• Kabel, kabel dan kabel

Sekarang setelah Anda membeli dan mengumpulkan komponen, pilih solder dan solder semuanya! Kemudian pasang PCB di dalam kotak, sambungkan semua kabel ke LCD, adaptor USB-to-serial, potensiometer, dan pemangkas (untuk kecerahan dan kontras tampilan). Lihat skema, model PCB pada langkah sebelumnya dan file Eagle CAD di bagian bawah halaman ini untuk menempatkan semua bagian dan kabel dengan benar.

Proyek CAD elang

Langkah 12: Sensor

Tambahkan sensor seperti yang ditunjukkan pada gambar, lalu buat beberapa tutup (saya menggunakan alat putar untuk mengukirnya dari belat kayu) untuk menutupi dan melindunginya. Kemudian hubungkan ke papan utama.

Langkah 13: Anda Siap

Mulailah menggunakannya! Menikmati!