JustAPendulum: Péndulo digital de código abierto: 13 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

JustAPendulum es un péndulo de código abierto basado en Arduino que mide y calcula el período de oscilación para encontrar la aceleración gravitacional de la Tierra (~ 9, 81 m / s²). Contiene un Arduino UNO casero que utiliza un adaptador USB a serie para comunicarse con su computadora. JustAPendulum es altamente preciso y tiene un compañero (escrito en Visual Basic. NET) que, en tiempo real, te mostrará la posición de la masa y una tabla y un gráfico con todas las medidas precedentes. Completamente cortado con láser y hecho en casa, es muy fácil de usar: solo presione un botón y deje que la masa caiga y la tabla calculará todo. ¡Ideal para pruebas en clases de física!

Página principal del proyecto: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

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Paso 1: la física detrás de esto

Estas son todas las fórmulas utilizadas en JustAPendulum. No voy a demostrarlos, pero si tiene curiosidad, esta información es fácil de encontrar en todos los libros de física. Para calcular la aceleración gravitacional de la Tierra, el péndulo simplemente mide el período de oscilación (T), luego usa la siguiente fórmula para calcular (g):

y este para calcular el error absoluto sobre la aceleración:

l es la longitud del cable del péndulo. Este parámetro debe configurarse desde el programa Companion (ver más abajo). 0.01m es el error de medición de la longitud (se supone que la sensibilidad de la regla es de 1 cm), mientras que 0.001s es la precisión del reloj de Arduino.

Paso 2: Galileo Galilei y esta fórmula

Esta fórmula fue descubierta (parcialmente) por primera vez por Galileo Galilei alrededor de 1602, quien investigó el movimiento regular de los péndulos, haciendo que los péndulos se adoptaran como las máquinas de cronometraje más precisas hasta 1930 cuando se inventaron los osciladores de cuarzo, seguidos de los relojes atómicos después de la Segunda Guerra Mundial. Según uno de los estudiantes de Galileo, Galileo estaba asistiendo a una misa en Pisa cuando notó que el viento provocaba un movimiento muy leve de una lámpara de araña suspendida en la catedral. Siguió mirando el movimiento del candelabro y notó que aunque la brisa se detuvo y la distancia de ida y vuelta recorrida por el péndulo se acortó, el tiempo que tardó el candelabro en hacer la oscilación parecía permanecer constante. Calculó el balanceo del candelabro con el latido regular del pulso en su muñeca y se dio cuenta de que tenía razón: no importaba la distancia recorrida, el tiempo que tomaba era siempre el mismo. Después de más mediciones y estudios, descubrió que

Los dos tiempos π, como en la ecuación anterior, convierten la expresión proporcional en una ecuación verdadera, pero eso implica una estratagema matemática que Galileo no había obtenido.

Paso 3: uso

Tenga en cuenta que antes de utilizar los sensores de péndulo digitales se deben calibrar y ajustar la longitud del cable. Coloque JustAPendulum debajo de un péndulo (se recomienda una altura mínima de 1 m) y asegúrese de que la masa oscurezca los tres sensores al oscilar. Los sensores funcionan mejor en condiciones de poca luz, así que apague las luces. Enciende el tablero. Aparecerá una pantalla de "Listo". Aquí está la estructura del menú:

• Botón izquierdo: para iniciar las mediciones, poner la bola a la derecha y presionar el botón. Arduino detecta automáticamente la posición de la bola y comienza.

  • Se muestra "Iniciando … o.p.: x ms"

    • Izquierda: calcular la aceleración gravitacional
    • Derecha: volver a la pantalla principal

• Botón derecho: mostrar configuración

  • Derecha: si
  • Izquierda: no

Paso 4: el compañero

El compañero de JustAPendulum es un programa de Visual Basic. NET (escrito en Visual Studio 2015) que permite al usuario monitorear el péndulo en tiempo real desde la computadora. Muestra los últimos valores y errores, tiene tablas y gráficos para mostrar las medidas pasadas y tiene herramientas para calibrar los sensores y establecer la longitud del cable. El historial también se puede exportar a Excel.

Descarguelo aqui

Paso 5: Calibrar los sensores

Vaya a la pestaña Avanzado, encienda el “monitor ADC” y observe cómo cambian los valores mostrados dependiendo de la posición de la pelota. Trate de encontrar un umbral aceptable: por debajo significará que no hay masa entre los detectores, mientras que por encima indicará que la masa está pasando entre ellos. Si los valores no cambian, es posible que haya demasiada luz en la habitación, así que apague las lámparas. Luego, presione el botón "Calibración manual". Escriba en el cuadro de texto el umbral que decidió y presione enter.

Paso 6: cambio de la longitud del cable

Para ajustar la longitud del cable, presione el botón "Longitud del cable" e ingrese el valor. Luego configure el error de medición: si lo midió con una cinta métrica, la sensibilidad debe ser de 1 mm. Todos los valores se almacenarán en la memoria del microcontrolador ATmega328P.

Paso 7: la caja de corte por láser

Cortar esta estructura de madera contrachapada (4 mm de espesor) con una máquina de corte láser, luego ensamblar, colocar los componentes en los paneles y fijarlos con unos clavos y cola vinílica. Descargue archivos DXF / DWG en la parte inferior de esta página (diseñado con AutoCAD 2016).

Paso 8: la estructura

Si no tiene un péndulo, puede hacer uno usted mismo a partir de este ejemplo (es una copia exacta del que hice). Una pieza de madera contrachapada de 27, 5 · 16 · 1 cm, una férula de 5 · 27, 5 · 2 cm y una varilla son suficientes. Luego use anillos, alambre de pescar y una bola para completar el péndulo.

Proyecto de AutoCAD

Paso 9: la misa

No tenía una masa de hierro (sería mejor, por supuesto), así que hice una bola con una impresora 3D y le agregué un anillo para colgarla del cable. Cuanto más pesado y delgado sea (ver relojes de péndulo: la masa es plana para evitar la fricción con el aire), más tiempo oscilará.

Descarga de bolas 3D

Paso 10: el PCB

Este es el método menos costoso para crear una PCB casera utilizando solo material de bajo costo:

• Impresora láser (600 ppp o mejor)
• papel fotográfico
• Placa de circuito en blanco
• Ácido muriático (> 10% HCl)
• Peróxido de hidrógeno (solución al 10%)
• Plancha de ropa
• Acetona
• Estropajo de acero
• Gafas y guantes de seguridad
• Bicarbonato de sodio
• Vinagre
• Toalla de papel

El primer paso es limpiar la PCB en blanco con lana de acero y agua. Si el cobre parece un poco oxidado, debes lavarlo antes con vinagre. Luego, frote el lado de cobre con una toalla de papel empapada en acetona para eliminar la suciedad restante. Frote con precisión cada parte del tablero. ¡No toque el cobre con las manos!

Imprima el archivo PCB.pdf al final de esta página con una impresora láser y no lo toque con los dedos. Córtalo, alinea la imagen por el lado cobre y presiona con la plancha de ropa (debe estar caliente pero sin vapor) durante unos cinco minutos. Déjalo enfriar con todo el papel, luego retira el papel muy lenta y cuidadosamente bajo el agua. Si no hay tóner en el cobre, repita el procedimiento; Use un pequeño marcador permanente para arreglar algunas conexiones faltantes.

Ahora es el momento de usar ácido para grabar el PCB. En una caja de plástico ponga tres vasos de ácido muriático y uno de peróxido de hidrógeno; también puede probar con cantidades iguales para un grabado más potente. Ponga el PCB en la solución (preste atención a sus manos y ojos) y espere unos diez minutos. Cuando termine el grabado, retire la tabla de la solución y lávela con agua. Ponga dos cucharadas de bicarbonato de sodio en el ácido para neutralizar la solución y tírelo al WC (o llévelo a un centro de recolección de residuos).

Paso 11: Electrónica

Piezas necesarias:

• ATMEGA328P MCU
• 2x condensadores de 22 pF
• 3 condensadores de 100 uF
• 2x diodos 1N4148
• Regulador de voltaje 7805TV
• 6 resistencias de 10K
• 2x resistencias 220R
• Oscilador de cristal de 16 MHz
• Cabezas de alfiler
• Adaptador de USB a serie
• Emisores de infrarrojos de visión lateral de 940 nm y detectores de infrarrojos (los compré en Sparkfun)
• Batería de 9V y soporte para batería
• Pantalla LCD 16x2
• 2 botones
• Un potenciómetro y un recortador.
• Alambres, alambres y alambres

Ahora que ha comprado y recogido los componentes, elija un soldador y suéldelos todos. Luego, fije la PCB en la caja, conecte todos los cables a la pantalla LCD, el adaptador USB a serie, el potenciómetro y el recortador (para el brillo y el contraste de la pantalla). Consulte el esquema, el modelo de PCB en el paso anterior y los archivos Eagle CAD en la parte inferior de esta página para colocar correctamente todas las piezas y cables.

Proyecto CAD Eagle

Paso 12: Sensores

Agregue los sensores como se muestra en las imágenes, luego haga algunas tapas (usé una herramienta giratoria para grabarlos con una tablilla de madera) para cubrirlos y protegerlos. Luego, conéctelos a la placa principal.

Paso 13: ¡Estás listo

¡Empiece a usarlo! ¡Disfrutar!