Σχεδίαση εργαστηριακών πειραμάτων φυσικής με χρήση μικροελεγκτών

Χριστοδουλάκος, Αντώνιος

Physics experiments based on microprocessors

Διπλωματική εργασία

Author

Χριστοδουλάκος, Αντώνιος

Date

2023-10-12

Advisor

Panayiotatos, Yerassimos

Διπλωματική Εργασία (2.614Mb)

Keywords

Πειράματα φυσικής ; Μικροελεγκτές ; Arduino ; Physics experiments ; Microcontrollers

Abstract

Στην παρούσα εργασία σχεδιάστηκαν εργαστηριακά πειράματα φυσικής με τη χρήση μικροελεγκτών. Συγκεκριμένα σχεδιάστηκαν τέσσερα πειράματα με αντικείμενο α) τον Υπολογισμό της στατικής τριβής, β) τον Υπολογισμός της επιτάχυνσης της βαρύτητας με διάταξη εκκρεμούς, γ) τον Υπολογισμό της επιτάχυνσης της βαρύτητας με διάταξη ελεύθερης πτώσης και δ) την ενεργειακή ανάλυση κρούσης. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του μικροελεγκτή Arduino με τον οποίο προσφέρουμε στα πειράματά μας αυτοματοποιημένες διαδικασίες οι οποίες αφορούν την εκτέλεση διάφορων εντολών, καθώς και την κατάλληλη επεξεργασία μετρήσεων. Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων δημιουργήθηκαν κατάλληλες πειραματικές διατάξεις, σχέδια των κατασκευών, ηλεκτρικά κυκλώματα και κώδικες προγραμματισμού, ενώ σε κάθε πείραμα παρουσιάζεται και η θεωρητική μελέτη των εκάστοτε φαινομένων. Ο σωστός συνδυασμός αυτών των παραμέτρων, θα μας οδηγήσει στα αποτελέσματα των πειραμάτων. Το πρώτο πείραμα που σχεδιάσαμε αφορά τον υπολογισμό του συντελεστή στατικής τριβής μεταξύ δύο επιφανειών. Για το συγκεκριμένο πείραμα κατασκευάσαμε μια πειραματική διάταξη η οποία αποτελείται από ένα δάπεδο το οποίο έχει την ικανότητα να μεταβάλει την κλίση του. Κατά τη διαδικασία του πειράματος η κλίση του επιπέδου μεταβάλλεται σταδιακά, ενώ μόλις το ελεύθερο σώμα ξεκινήσει να ολισθαίνει μπορούμε να υπολογίσουμε τον συντελεστή στατικής τριβής. Η κατάλληλη τοποθέτηση των αισθητήρων, καθώς και ο σωστός προγραμματισμός αυτών μας βοηθούν να βγάλουμε τα αποτελέσματα μας. Στο δεύτερο πείραμα υπολογίζεται η τιμή της επιτάχυνσης της βαρύτητας με τη χρήση της διάταξης του εκκρεμούς. Κατασκευάσαμε μια πειραματική διάταξη εκκρεμούς ειδικά διαμορφωμένη έτσι ώστε να μπορούν να τοποθετηθούν πάνω σε αυτή οι αισθητήρες και τα εξαρτήματα που χρησιμοποιήσαμε. Το βασικό χαρακτηριστικό του πειράματος το οποίο συνδέεται άμεσα και με τον κώδικα που δημιουργήθηκε είναι η χρονομέτρηση της περιόδου της κίνησης του σώματος του εκκρεμούς. Η χρήση των αισθητήρων και των εξαρτημάτων παρείχαν στην κατασκευή μας τη δυνατότητα χρονομέτρησης της περιόδου, μέτρηση του μήκους του νήματος καθώς και τη μεταβολή αυτού, με τη χρήση κατάλληλων κουμπιών. Στο τρίτο πείραμα υπολογίσαμε ξανά την τιμή της επιτάχυνσης της βαρύτητας, αλλά αυτή τη φορά με τη μέθοδο της ελεύθερης πτώσης. Για το λόγο αυτό κατασκευάσαμε μια πειραματική διάταξη, η οποία έχει την ικανότητα να μεταβάλει το ύψος της, ενώ ταυτόχρονα μας παρέχει και μια βάση για να στηρίξουμε το σώμα πριν αυτό ξεκινήσει την πτώση. Ο βασικός σκοπός του πειράματος είναι η χρονομέτρηση της διάρκειας της ελεύθερης πτώσης του σώματος και η μέτρηση του αρχικού ύψους τοποθέτησής του. Στο τέταρτο πείραμα μελετήσαμε το φαινόμενο της κρούσης, καθώς και την ενεργειακή ανάλυση αυτής. Πρόκειται για μια κρούση μεταξύ δύο σωμάτων εκ των οποίον το ένα έχει πολύ μεγαλύτερη μάζα από το άλλο, οπότε μπορούμε να θεωρήσουμε ότι γίνεται κρούση ενός σώματος με τοίχο. Η πειραματική διάταξη που κατασκευάσαμε έχει στόχο να αμβλύνει όσο το δυνατόν περισσότερο, διάφορους παράγοντες οι οποίοι θα μπορούσαν να μας οδηγήσουν σε λανθασμένα αποτελέσματα και κυρίως των τριβών που αναπτύσσονται λόγω ολίσθησης. Για το λόγο αυτό επιλέξαμε η κατασκευή να αποτελείται από μια διάταξη «ράγας». Πάνω στην κατασκευή τοποθετήθηκαν αισθητήρες οι οποίοι προγραμματίστηκαν έτσι ώστε να μπορούν να υπολογίσουν την ταχύτητα του σώματος πριν και μετά την κρούση.

Abstract

In this work, physics laboratory experiments were designed using microcontrollers. Specifically, four experiments were designed in the context of a) the Calculation of static friction, b) the Calculation of the acceleration of gravity with a pendulum device, c) the Calculation of the acceleration of gravity with the device of the free fall and d) The collision energy analysis. The experiments were carried out using the Arduino microcontroller which offers to our experiments automated procedures that execute various commands, as well as the appropriate processing of measurements. In order to carry out the experiments, appropriate xperimental devices, construction designs, electrical circuits and programming codes were created and, in every experiment, the theoretical study of the respective phenomena is judged. The right combination of these parameters lead us to the results of the experiments. The first experiment concerns the calculation of the coefficient of static friction between two surfaces. In this experiment we constructed an experimental setup which consists of a floor that has the specific ability to transfer its slope. During the experiment the slope of the plane changes gradually, while the free body starts to slide, we can calculate the coefficient of static friction. The proper placement of the sensors, as well as the correct programming of them, help us get our results. In the second experiment the value of the acceleration of gravity is calculated using the pendulum arrangement. We built an experimental pendulum assembly specifically designed so that these sensors and components that we used could be placed on top of them. The main characteristic of the experiment, which is directly connected to the code that was created, is the timing of the period of the movement of the pendulum body. The use of sensors and accessories, provided our construction the possibility of timing the period, measuring the length of the thread as well as the change of the length of the thread, using the corresponding buttons. In the third experiment we calculated the value of the acceleration of gravity, but now with the method of free fall. For this reason, we built an experimental device that has the ability to change its height, while at the same time providing us with a base to support the body before starting the free fall. The main purpose of the experiment is to time the duration of the fall of the body and to measure its initial placement height. In the fourth experiment we studied the collision phenomenon, as well as its energy analysis. It is a percussion between two bodies, one of which has a much greater mass than the other, so we can consider it as a collision of a body with a wall. The experimental setup we built aims to mitigate as much as possible, various factors that could lead us to incorrect results and mainly the frictions that develop due to sliding. For this reason, we chose the construction to consist of a "rail" arrangement. Sensors are placed on the structure which are programmed so that they can estimate the speed of the body before and after the collision.