JustAPendulum : Pendule numérique open source : 13 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

JustAPendulum est un pendule open source basé sur Arduino qui mesure et calcule la période d'oscillation pour trouver l'accélération gravitationnelle de la Terre (~ 9, 81 m/s²). Il contient un Arduino UNO fait maison qui utilise un adaptateur USB-série pour communiquer avec votre ordinateur. JustAPendulum est très précis et possède un compagnon (écrit en Visual Basic. NET) qui, en temps réel, vous montrera la position de la masse et un tableau et un graphique avec toutes les mesures précédentes. Entièrement découpé au laser et fait maison, il est très simple d'utilisation: il suffit d'appuyer sur un bouton et de laisser tomber la masse et la planche calculera tout. Idéal pour les tests en cours de physique !

Page principale du projet: marcocipriani01.github.io/projects/JustAPendulum

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Étape 1: La physique derrière elle

Ce sont toutes les formules utilisées dans JustAPendulum. Je ne vais pas les démontrer, mais si vous êtes curieux, cette information est facile à trouver dans chaque livre de physique. Pour calculer l'accélération gravitationnelle de la Terre, le pendule mesure simplement la période d'oscillation (T), puis utilise la formule suivante pour calculer (g):

et celui-ci pour calculer l'erreur absolue sur l'accélération:

l est la longueur du fil du pendule. Ce paramètre doit être défini à partir du programme Companion (voir ci-dessous). 0,01 m est l'erreur de mesure de la longueur (la sensibilité de la règle est supposée 1 cm), tandis que 0,001 s est la précision de l'horloge d'Arduino.

Étape 2: Galileo Galilei et cette formule

Cette formule a été découverte pour la première fois (partiellement) par Galileo Galilei vers 1602, qui a enquêté sur le mouvement régulier des pendules, faisant des pendules les machines de chronométrage les plus précises jusqu'en 1930, lorsque les oscillateurs à quartz ont été inventés, suivis des horloges atomiques après la Seconde Guerre mondiale. Selon l'un des étudiants de Galilée, Galilée assistait à une messe à Pise lorsqu'il a remarqué que le vent provoquait un très léger mouvement d'un lustre suspendu dans la cathédrale. Il n'arrêtait pas de regarder le mouvement du lustre et il remarqua que même si la brise s'arrêtait et que la distance de va-et-vient parcourue par le pendule raccourcissait, le temps qu'il fallait au lustre pour faire l'oscillation semblait rester constant. Il chronométra le balancement du lustre par le battement régulier du pouls dans son poignet et réalisa qu'il avait raison: quelle que soit la distance parcourue, le temps qu'il fallait était toujours le même. Après plus de mesures et d'études, il a ensuite découvert que

Les deux fois π, comme dans l'équation précédente, transforment l'expression proportionnelle en une véritable équation - mais cela implique un stratagème mathématique que Galilée n'avait pas eu.

Étape 3: Utilisation

Veuillez noter qu'avant d'utiliser, les capteurs pendulaires numériques doivent être calibrés et la longueur du fil ajustée. Placez JustAPendulum sous un pendule (minimum 1 m de haut recommandé) et assurez-vous que la masse masque les trois capteurs lors de l'oscillation. Les capteurs fonctionnent mieux dans des conditions de faible luminosité, alors éteignez les lumières. Allumez le tableau. Un écran « Prêt » apparaîtra. Voici la structure du menu:

• Bouton gauche: pour lancer les mesures, placez la boule vers la droite et appuyez sur le bouton. Arduino détecte automatiquement la position de la balle et démarre.

  • « Démarrage… o.p.: x ms » s'affiche

    • À gauche: calculez l'accélération gravitationnelle
    • A droite: retour à l'écran principal

• Bouton droit: afficher la configuration

  • A droite: oui
  • A gauche: non

Étape 4: Le compagnon

Le compagnon de JustAPendulum est un programme Visual Basic. NET (écrit en Visual Studio 2015) qui permet à l'utilisateur de surveiller le pendule en temps réel à partir de l'ordinateur. Il affiche les dernières valeurs et erreurs, dispose de tableaux et de graphiques pour montrer les mesures passées et dispose d'outils pour calibrer les capteurs et régler la longueur du fil. L'historique peut également être exporté vers Excel.

Télécharger les ici

Étape 5: Étalonnage des capteurs

Allez dans l'onglet Avancé, activez « Moniteur ADC » et observez comment les valeurs affichées changent en fonction de la position de la balle. Essayez de trouver un seuil acceptable: en dessous, cela signifiera aucune masse entre les détecteurs, tandis qu'au-dessus, cela indiquera que la masse passe entre eux. Si les valeurs ne changent pas, il y a peut-être trop de lumière dans la pièce, alors éteignez les lampes. Ensuite, appuyez sur le bouton « étalonnage manuel ». Écrivez dans la zone de texte le seuil que vous avez décidé et appuyez sur Entrée.

Étape 6: Modification de la longueur du fil

Pour régler la longueur du fil, appuyez sur le bouton « Longueur du fil » et entrez la valeur. Réglez ensuite l'erreur de mesure: si vous l'avez mesurée avec un ruban à mesurer, la sensibilité doit être de 1 mm. Toutes les valeurs seront stockées dans la mémoire du microcontrôleur ATmega328P.

Étape 7: La boîte découpée au laser

Découpez cette structure dans du contreplaqué (4 mm d'épaisseur) avec une machine de découpe laser, puis assemblez-la, placez les composants sur les panneaux et fixez-les avec des clous et de la colle vinilique. Téléchargez les fichiers DXF/DWG au bas de cette page (conçus avec AutoCAD 2016).

Étape 8: La structure

Si vous n'avez pas de pendule, vous pouvez en fabriquer un vous-même à partir de cet exemple (c'est une copie exacte de celui que j'ai fait). Un morceau de contreplaqué de 27, 5, 16, 1 cm, une attelle de 5, 27, 5, 2 cm et une tige suffisent. Utilisez ensuite des anneaux, du fil de pêche et une balle pour compléter le pendule.

Projet AutoCAD

Étape 9: La messe

Je n'avais pas de masse de fer (ce serait mieux, bien sûr), alors j'ai fait une boule avec une imprimante 3D et j'ai ajouté un anneau pour l'accrocher au fil. Plus elle est lourde et fine (voir horloges à pendule: la masse est plate pour éviter les frottements avec l'air), plus elle oscillera longtemps.

Téléchargement de balle 3D

Étape 10: Le PCB

C'est la méthode la moins chère pour créer un PCB fait maison en utilisant uniquement des éléments à faible coût:

• Imprimante laser (600 dpi ou mieux)
• papier photo
• Circuit imprimé vierge
• Acide muriatique (>10 % HCl)
• Peroxyde d'hydrogène (solution à 10 %)
• Fer à repasser
• Acétone
• Paille de fer
• Lunettes et gants de sécurité
• Bicarbonate de sodium
• Le vinaigre
• Essuie-tout

La première étape consiste à nettoyer le PCB vierge avec de la laine d'acier et de l'eau. Si le cuivre semble un peu oxydé, vous devriez le laver avec du vinaigre avant. Ensuite, frottez le côté cuivre avec une serviette en papier imbibée d'acétone pour enlever toute saleté restante. Frottez avec précision chaque partie de la planche. Ne touchez pas le cuivre avec les mains !

Imprimez le fichier PCB.pdf en bas de cette page à l'aide d'une imprimante laser et ne le touchez pas avec les doigts. Coupez-le, alignez l'image côté cuivre et appuyez dessus avec le fer à repasser (il doit être chaud mais sans vapeur) pendant environ cinq minutes. Laissez-le refroidir avec tout le papier, puis retirez le papier très lentement et soigneusement sous l'eau. S'il n'y a pas de toner sur le cuivre, répétez la procédure; Utilisez un petit marqueur permanent pour réparer certaines connexions manquantes.

Il est maintenant temps d'utiliser de l'acide pour graver le PCB. Dans une boîte en plastique, mettez trois verres d'acide muriatique et un de peroxyde d'hydrogène; vous pouvez également essayer avec des quantités égales pour une gravure plus puissante. Mettez le PCB dans la solution (faites attention à vos mains et à vos yeux) et attendez une dizaine de minutes. Lorsque la gravure est terminée, retirez la planche de la solution et lavez-la sous l'eau. Mettez deux cuillères de bicarbonate de sodium dans l'acide pour neutraliser la solution et jetez-la dans les WC (ou apportez-la à une déchetterie).

Étape 11: Électronique

Pièces nécessaires:

• Microcontrôleur ATMEGA328P
• 2x condensateurs 22 pF
• 3x 100 uF condensateurs
• 2x 1N4148 diodes
• Régulateur de tension 7805TV
• 6 résistances 10K
• 2x résistances 220R
• Oscillateur à cristal 16 MHz
• Têtes d'épingle
• Adaptateur USB-série
• Émetteurs infrarouges et détecteurs infrarouges latéraux 940 nm (je les ai achetés chez Sparkfun)
• Pile 9V et support de pile
• Écran LCD 16x2
• 2 boutons
• Un potentiomètre et un trimmer
• Fils, fils et fils

Maintenant que vous avez acheté et récupéré les composants, choisissez un soudeur et soudez-les tous ! Fixez ensuite le PCB dans le boîtier, connectez tous les fils à l'écran LCD, l'adaptateur USB-série, le potentiomètre et le trimmer (pour la luminosité et le contraste de l'écran). Reportez-vous au schéma, au modèle PCB de l'étape précédente et aux fichiers Eagle CAD au bas de cette page pour placer correctement toutes les pièces et tous les fils.

Projet CAO Aigle

Étape 12: Capteurs

Ajoutez les capteurs comme indiqué sur les photos, puis réalisez des capuchons (j'ai utilisé un outil rotatif pour les graver à partir d'une éclisse de bois) pour les recouvrir et les protéger. Ensuite, connectez-les à la carte principale.

Étape 13: vous êtes prêt

Commencez à l'utiliser ! Prendre plaisir!