Мастер класс «Конструирование поплавкового акселерометра»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №6». Города Тулуна.

Тема: Конструирование поплавкового акселерометра.

Авторы работы:

Учащиеся 9 класса

Гимальдинов Виталий

Колбасова Юлия

Руководитель работы:

Учитель физики

Корнелюк Надежда Васильевна

Задание. Сконструируйте акселерометр, проградуируйте его, проведите с ним опыты. Опишите условия проведения эксперимента.

Поплавковый акселерометр.

Акселерометр (на англ. accelerometer), с технической точки зрения, представляет из себя устройство, способное измерять ускорение предмета, которое оно приобретает при смещении относительно своего нулевого положения. Акселерометр применяется как для измерения ускорения в сторону, в которую произошло смещение, так и для измерения ускорения, вызванного силой тяжести Земли.

Наша группа сконструировала поплавковый акселерометр. Выбор данной конструкции связан с доступностью материалов, простотой изготовления, понятностью в использовании, наглядностью и возможностью его использования на уроках физики при изучении тем по механике.

Работа поплавкового акселерометра основана на том, что в движущейся с ускорением жидкости величина и направление силы Архимеда определяются величиной и направлением этого ускорения.

Описания принципа работы поплавкового акселерометра.

Пусть в замкнутом сосуде с жидкостью или газом плотностью ρ0 расположено тело объемом V и плотностью ρ. Сосуд находится в однородном поле тяжести Земли с ускорением свободного падения g. Направим координатную ось x вверх и условимся отсчитывать углы от нее по часовой стрелке. Найдем силу, действующую на тело, если сосуд движется с ускорением α под углом  β к оси x.

Согласно принципу эквивалентности гравитационное поле эквивалентно движению с ускорением, равным по модулю и направленным противоположно ускорению свободного падения. Тогда результирующее ускорение, с которым сосуд движется в инерциальной системе отсчета:  Перейдя в неинерциальную систему отсчета, связанную с сосудом, можем считать его находящимся в гравитационном поле с ускорением свободного падения . Тогда действующая на тело сила Архимеда, равная весу жидкости или газа в объеме тела и направленная противоположно ускорению , составляет . Результирующая сила, приложенная к телу, равна сумме силы и силы Архимеда:
(1)

Из геометрических соображений модуль и направление вектора  определяются соотношениями  (2)
и тело с плотностью, отличной от плотности жидкости или газа, всплывает или тонет в направлении, составляющем угол а с вертикальной осью x. Если оно удерживается нитью внутри жидкости, то нить также отклоняется от вертикали на угол ос.
В частном случае, когда угол , (3)

где l — смещение точки пересечения нити с горизонтальной прямой, 

L — расстояние от точки крепления нити до указанной прямой

На дно прозрачного пластикового сосуда с плоскопараллельными стенками и герметично закрывающейся крышкой кладем груз массы и формы, чтобы при ускоренных движениях он не перемещался по дну. Через отверстие в грузе пропускают черную нить, к концу которой прикрепили пробку. Получившийся поплавковый маятник должен быть расположен посередине сосуда и как можно ближе к его передней или задней стенке, чтобы уменьшить ошибку на параллакс. На одну из стенок сосуда липкой лентой наклеили шкалу так, чтобы ее верхний край находился на 10 см выше места крепления нити к грузу. Тогда, сантиметровые горизонтальные деления на шкале соответствуют ускорениям, кратным 1 м/с2. Сосуд заполнили водой и закрыли крышку и обработали герметиком так, чтобы не осталось воздушных пузырьков. Готовый акселерометр поместили на легко подвижную тележку и укрепили креплениями.

Градуировка прибора.

Для градирования прибора собираем установку. В этом нам понадобится набор LEGO Education. На стол ставим легкоподвижную тележку, привязываем к ней нить, на краю стола закрепляем блок, перебрасываем через него нить с петлей и за нее подвешивают груз. Отпускаем тележку и видим, что она движется ускоренно.
На тележку ставим капельницу и повторяем опыт. По оставшимся на столе меткам от капель можно сделать вывод, что движение равноускоренное, учитывая пройденный путь и время, вычисляем по формуле ускорение.

, если U0=0 то формула имеет вид , из данной формулы вычисляем ускорение для наших условий.

Вместе с капельницей ставим акселерометр, делаем связку из двух тележек. Повторяем опыт. При этом видим, что с началом движения поплавок отклоняется в направлении движения это отклонение принимаем за одно деление шкалы.

Вывод: шкала прибора проградуирована в единицах измерения ускорения, причем цена деления составляет 0.5 м/с2.

Практическая часть работы.

Изучение механических колебаний.

Собираем экспериментальную установку. Которая состоит из направляющей, вдоль которой движется акселерометр на тележке, и двух пружин, прикрепленных к ней стойками.

Нам известно, что при гармонических колебаниях смещение x тела изменяется по закону.

где Х0 и соs ɷt — амплитуда смещения и циклическая частота колебаний. Ускорение колеблющегося тела также колеблется по гармоническому закону

, оно противофазно смещению тела.

Вывод: указатель акселерометра всегда отклоняется в противополож­ную его смещению сторону, совершая колебание с той же часто­той, что и сам прибор, но в противофазе с ним.

Заключение.

При подготовки, и проведении этой работы мы узнали много нового про прибор акселерометр. Так же мы узнали, где применяется этот прибор. Какие виды акселерометров бывают. Оказывается свойства и простая конструкция акселерометров позволяет их использовать в мобильных устройствах. Основная функции, которую может выполнять акселерометр - реакция устройства на изменения его ориентации в пространстве (поворот дисплея, встряхивание, удар), что позволят в нужный момент повернуть экран, так как было бы удобно пользователю; обеспечить работу устройства в качестве шагомера; отобразить текущее положение устройства в пространстве.

Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Первое свойство используется для создания инерциальных навигационных систем, где полученные с помощью акселерометров измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя. Второе свойство позволяет использовать акселерометры для измерения уклонов, то есть в качестве инклинометров.

Акселерометр в промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.

Акселерометры используют в системах управления жестких дисков компьютеров для активации механизма защиты от повреждений (которые могут быть получены в результате ударов и падений): реагируя на внезапное изменение ускорения, система отдаёт команду на парковку головок жесткого диска, что позволяет предотвратить повреждение диска и потерю данных. Такая технология защиты используется в основном вноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.

Акселерометры, встроенные в автомобильные видеорегистраторы, различают тревожные события, такие как резкое торможение, ускорение, столкновение, резкие повороты и вращение. Эти события записываются видеорегистраторами в отдельный файл, помечаются специальным маркером и защищаются от случайного стирания и перезаписи.

 Источники.

Анциферов С. А. , Могилевич Л. И. Гидродинамические силы, действующие на поплавок маятникового акселерометра при несимметричном истечении жидкости. Авиакосмическое приборостроение. -2003. -№11. -С. 19-26.

Карпов И. , лиц 36. Поплавковый акселерометр и его использование на уроках физики.

Распопов В Я. Микромеханические приборы М. : Машиностроение. - 2007. - 399с.