TACHYMÈTRE À PANNEAU SOLAIRE : 5 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Dans le INSTRUCTABLE "Solar Panel as a Shadow Tracker", il a été présenté une méthode expérimentale pour déterminer la vitesse d'un objet à partir de la projection de son ombre sur un panneau solaire. Est-il possible d'appliquer une variante de cette méthode pour étudier des objets en rotation ? Oui c'est possible. Ensuite, un appareil expérimental simple sera présenté qui permettra de mesurer la période et la fréquence de rotation d'un objet. Ce dispositif expérimental peut être utilisé lors de l'étude du sujet « Physique: Mécanique classique », en particulier lors de l'étude du sujet « Rotation des objets rigides ». Il est potentiellement utile auprès des étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs, lors de démonstrations expérimentales ou de cours en laboratoire.

Étape 1: Quelques notes théoriques

Lorsqu'un objet solide tourne autour d'un axe, ses parties décrivent des circonférences concentriques à cet axe. Le temps qu'il faut à l'une de ces parties pour compléter la circonférence s'appelle la période de rotation. La période et la fréquence sont des grandeurs réciproques. Dans le Système international d'unités, la période est donnée en secondes (s) et la fréquence en Hertz (Hz). Certains instruments pour mesurer la fréquence de rotation donnent les valeurs en tours par minute (rpm). Pour convertir de Hz en rpm, multipliez simplement la valeur par 60 et vous obtiendrez le rpm.

Étape 2: Matériaux et instruments

• Petit panneau solaire (100 mm * 28 mm)

• Lampe de poche à DEL

• Ruban adhésif réfléchissant

• Ruban électrique noir

• Câble électrique

• Attaches de câble

• Pistolet silicone chaud

• Fer à souder et étain

• Trois morceaux de bois (45 mm * 20 mm * 10 mm)

• Oscilloscope numérique avec sa sonde

• Objet en rotation sur lequel vous souhaitez mesurer sa fréquence de rotation

Étape 3: Principe de fonctionnement

Lorsque la lumière frappe un objet, une partie est absorbée et une autre réfléchie. Selon les caractéristiques de la surface et la couleur de l'objet, cette lumière réfléchie peut être plus ou moins intense. Si les caractéristiques d'une partie de la surface sont modifiées arbitrairement, disons en la peignant ou en la collant sur un ruban adhésif argenté ou noir, nous pourrions intentionnellement provoquer un changement dans l'intensité de la lumière réfléchie dans cette zone. Ici, nous ne ferions pas un "SHADOW TRACKING" mais nous provoquerions un changement dans les caractéristiques de l'éclairage réfléchi. Si un objet en rotation est éclairé par une source lumineuse et qu'un panneau solaire est correctement placé, de sorte qu'une partie de la lumière réfléchie tombe dessus, une tension doit apparaître à ses bornes. Cette tension a une relation directe avec l'intensité lumineuse qu'elle reçoit. Si nous changeons la surface, l'intensité de la lumière réfléchie change et avec elle la tension du panneau. Ce panneau pourrait être connecté à un oscilloscope et identifier les variations de tension par rapport au temps. Si nous pouvions identifier un changement cohérent et répétitif de la courbe, mesurant le temps qu'il met à se répéter, nous déterminerions la période de rotation et avec elle, la fréquence de rotation indirectement si nous la calculons. Certains oscilloscopes sont capables de calculer automatiquement ces valeurs, mais du point de vue de l'enseignement, il est productif pour les étudiants de les calculer. Pour simplifier cette activité expérimentale on pourrait dans un premier temps utiliser des objets qui tournent à régime constant et de préférence symétriques par rapport à son axe de rotation.

En résumé:

1. Un objet qui tourne en permanence réfléchit la lumière qui lui tombe dessus.

2. L'intensité de la lumière réfléchie par l'objet en rotation dépend de la couleur et des caractéristiques de sa surface.

3. La tension qui apparaît sur le panneau solaire dépend de l'intensité de la lumière réfléchie.

4. Si les caractéristiques d'une partie de la surface sont intentionnellement modifiées, l'intensité lumineuse de la lumière réfléchie dans cette partie changera également et avec elle la tension dans le panneau solaire.

5. La période de l'objet pendant la rotation peut être déterminée en mesurant le temps écoulé entre deux points avec des valeurs de tension et de comportement identiques à l'aide d'un oscilloscope.

Étape 4: Conception, construction et exécution de l'expérience

1. Soudez deux conducteurs électriques au panneau solaire. 2. Recouvrez les contacts électriques du panneau de silicone chaud pour éviter les courts-circuits.

3. Construisez le support en bois en joignant avec du silicone chaud ou une autre colle les trois morceaux de bois comme on le voit sur l'image.

4. Collez le panneau solaire sur le support en bois avec du silicone chaud comme indiqué sur la photo.

5. Collez la lanterne sur le support en bois comme indiqué sur la photo et fixez-la avec des attaches en plastique.

6. Fixez les conducteurs électriques du panneau avec une autre bride au support en bois.

7. Collez sur l'objet que vous souhaitez étudier une bande de ruban noir puis une bande argentée comme on le voit sur l'image.

8. Démarrez la rotation de l'objet que vous souhaitez étudier.

9. Connectez correctement la sonde de l'oscilloscope aux conducteurs du panneau solaire.

10. Configurez correctement votre oscilloscope. Dans mon cas, les divisions de tension étaient de 500 mv et les divisions de temps de 25 ms (cela dépendra de la vitesse de rotation de l'objet).

11. Placez l'appareil expérimental que vous venez d'assembler dans une position où les rayons lumineux se réfléchissent sur la surface qui tourne et frappent le panneau solaire (aidez-vous de ce que vous voyez à l'oscilloscope pour obtenir une courbe avec des changements plus prononcés).

12. Gardez l'appareil expérimental fixé dans la bonne position pendant quelques secondes pour voir si les résultats de la courbe restent constants.

13. Arrêtez l'oscilloscope et analysez la courbe pour déterminer quelles positions correspondent au ruban noir et lesquelles au ruban argenté. Dans mon cas, comme le moteur électrique que j'ai étudié était doré, les changements causés par le ruban sont devenus plus perceptibles.

14. A l'aide des curseurs de l'oscilloscope, mesurez le temps écoulé entre les points à égalité de phase, d'abord pour la bande puis pour le ruban d'argent et comparez-les (ils doivent être identiques).

15. Si votre oscilloscope ne calcule pas automatiquement l'inverse de la période (fréquence), faites-le. Vous pouvez multiplier la valeur précédente par 60 et ainsi obtenir le rpm.

16. Si vous avez la valeur kv ou tours par volt (dans le cas où c'est un moteur qui offre ces caractéristiques) multipliez la valeur kv par la tension d'entrée, comparez le résultat avec celui obtenu par vous lors de l'expérience et arrivez à conclusions.

Étape 5: Quelques notes finales et recommandations

• Il est pratique de vérifier dans un premier temps l'état d'étalonnage de votre oscilloscope pour obtenir des résultats fiables (utilisez le signal d'étalonnage proposé par l'oscilloscope, qui est généralement de 1khz).
• Réglez correctement votre sonde d'oscilloscope. Vous devriez voir des impulsions rectangulaires non déformées si vous utilisez le signal généré par l'oscilloscope lui-même (voir image).
• Enquêter sur le temps de réponse électrique avec le fabricant de votre panneau solaire (fiche technique). Dans mon cas elle était bien inférieure à la période de rotation du moteur électrique que j'ai étudié, je n'ai donc pas pris en compte son influence sur les mesures que j'ai faites.
• Comparez les résultats obtenus par cette méthode avec ceux obtenus par un instrument commercial et considérez les avantages et les inconvénients des deux.

Comme toujours, je serai attentif à vos suggestions, commentaires et questions. Bonne chance et continuez avec mes prochains projets!

Finaliste du concours scientifique en classe