- Trang Chủ
- Kĩ thuật Viễn thông
- Ứng dụng vi điều khiển arduino và công nghệ bluetooth để chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát và lực hướng tâm
Xem mẫu
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CÔNG NGHỆ
BLUETOOTH ĐỂ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT HỆ SỐ MA
SÁT VÀ LỰC HƯỚNG TÂM
Nguyễn Thành Phúc*, Quách Uy Lập
Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh
*Tác giả liên lạc: xedainhan@gmail.com
TÓM TẮT
Bài báo này trình bày việc ứng dụng vi điều khiển Arduino và công nghệ
Bluetooth để chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát và lực hướng tâm. Bộ
thí nghiệm khảo sát được quá trình chuyển tiếp giữa lực ma sát nghỉ và ma sát
trượt, đồng thời khảo sát được tính chất của lực hướng tâm. Với khả năng giao
tiếp với máy vi tính thông qua kết nối bluetooth, dữ liệu thực nghiệm được ghi
nhận liên tục và nhanh chóng; biểu diễn được quá trình chuyển tiếp giữa lực ma
sát nghỉ và ma sát trượt; sự phụ thuộc của lực hướng tâm với các đại lượng khối
lượng, tốc độ góc, khoảng cách. Từ đó, người sử dụng có thể tính được hệ số ma
sát nghỉ và hệ số ma sát trượt giữa hai bề mặt vật liệu bất kì; khảo sát biểu thức
lực hướng tâm với độ sai biệt nhỏ hơn 10% so với bộ thí nghiệm hiện có trên thị
trường. Bộ thí nghiệm góp phần hỗ trợ giáo viên và học sinh trong việc dạy và
học kiến thức về lực ma sát, lực hướng tâm trong chương trình Vật lí lớp 10 Trung
học Phổ thông.
Từ khóa: Vi điều khiển Arduino, công nghệ Bluetooth.
APPLICATION OF ARDUINO MICROCONTROLLER AND
BLUETOOTH TECHNOLOGY FOR DESIGNING AN
EXPERIMENTAL KIT EXAMINING THE COEFFICIENT OF
FRICTION AND CENTRAL FORCE
Nguyen Thanh Phuc*, Quach Uy Lap
Ho Chi Minh City University of Education
*Corresponding Author: xedainhan@gmail.com
ABSTRACT
This article demonstrates the application of Arduino microcontroller and
Bluetooth technology into fabricating testing sets for friction coefficient and
central force. The experiment kit can investigate the transition between static
friction and kinetic friction while investigating the properties of central force.
With the ability to communicate with a computer through bluetooth connectivity,
data will be recorded continuously and rapidly, which demonstrates the
transition between static friction and kinetic friction along with the dependence
of central force on mass, angular velocity and distance. Following up, the user
can calculate the coefficient of resting friction and friction coefficient between
two surfaces of any material together with investigating central force with an
inexactness of less than 10% compared to the existing kits on the market. Hence,
this kit will assist teachers and students in teaching and learning the knowledge
of friction and central force in 10th grade Physics.
Keywords: Arduino microcontroller, Bluetooth technology.
516
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
TỔNG QUAN nhiên, bộ thí nghiệm này còn bộc lộ
Ở thị trường trong nước, bộ thí nghiệm nhiều hạn chế như sai số phép đo phụ
khảo sát lực ma sát bằng phương pháp thuộc rất nhiều vào người làm thí
mặt phẳng nghiêng do Công ty Cổ nghiệm, việc thu thập kết quả mất thời
phần Sách và Thiết bị Trường học sản gian, không cho thấy quá trình chuyển
xuất (2018) đang sử dụng rộng rãi ở từ ma sát nghỉ sang ma sát trượt.
các trường trung học phổ thông.Tuy
Hình 1. Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát của Công ty Cổ phần Sách và
Thiết bị Trường học sản xuất (trái) và Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát do
hãng Pasco sản xuất (phải)
Bên cạnh đó, ở thị trường ngoài nước, liệu kết quả lực ma sát theo thời gian
bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát do lên máy vi tính một cách nhanh chóng,
hãng Pasco (2018) sản xuất có khả tự động. Bộ thí nghiệm này biểu diễn
năng cập nhật giá trị lực ma sát tự động được quá trình chuyển đổi lực ma sát
lên máy vi tính, tiện lợi cho việc quan nghỉ qua ma sát trượt. Đồng thời
sát kết quả thí nghiệm, tuy nhiên do giá phương pháp đĩa xoay mà chúng tôi sử
thành của bộ thí nghiệm cao, và các vật dụng để khảo sát hệ số ma sát là một
tư thay thế khó tìm kiếm nên việc sử phương pháp mới, chưa từng được áp
dụng bộ thí nghiệm của hãng Pasco là dụng ở các bộ thí nghiệm trong và
khá khó khăn. ngoài nước. Bên cạnh đó, bộ thí
Chính vì vậy, bộ thí nghiệm khảo sát nghiệm này có giá thành không cao,
hệ số ma sát được nhóm chúng tôi phù hợp cho nhu cầu trang bị ở các
nghiên cứu có khả năng cập nhật dữ trường phổ thông.
Hình 2. Bộ thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm do Công ty Cổ phần Sách và
Thiết bị Trường học sản xuất
Hình 2 là bộ thí nghiệm về lực hướng bị Trường học sản xuất và trang bị cho
tâm do Công ty Cổ phần Sách và Thiết các trường trung học phổ thông
517
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
(2018).Tuy nhiên, bộ thí nghiệm này tr. 10-18). Đối với môn vật lý, việc ứng
cồng kềnh, kết quả của bộ chỉ cho thấy dụng các bộ thí nghiệm kết nối với máy
được mối quan hệ giữa lực hướng tâm vi tính đang là một xu thế tất yếu trong
theo khoảng cách, việc quan sát số liệu việc đổi mới phương pháp dạy và học.
thí nghiệm khó khăn do thanh thước Cụ thể như các công trình nghiên cứu
quay quanh trục trong quá trình làm thí của Hoàng Văn Huệ (2012), Mai
nghiệm. Ngoài ra con có bộ thí nghiệm Hoàng Phương (2016, tr.68-75) và
khảo sát lực hướng tâm hãng Pasco sản Nguyễn Huỳnh Duy Khang (2016, tr.
xuất tương đối nhỏ gọn, có thể cập nhật 128-137): các tác giả đã nghiên cứu, sử
kết quả đo lực tự động về máy tính, dụng vi điều khiển, cảm biến trong
giúp cho việc đo đạc và tiến hành thí thiết kế các bộ thí nghiệm kết nối với
nghiệm thuận tiện (2018). Bộ thí máy vi tính; giúp cho việc đo đạc và sử
nghiệm này có giá thành cao nên cản lí số liệu nhanh chóng và dễ dàng hơn.
trở việc trang bị rộng rãi ở các trường Chính vì vậy, mục tiêu của nghiên cứu
phổ thông. Vì vậy, bộ thí nghiệm khảo này là chế tạo được một bộ thí nghiệm
sát lực hướng tâm được nhóm chúng sử dụng board mạch Arduino để điều
tôi nghiên cứu có khả năng cập nhật kết khiển, truyền nhận dữ liệu về máy vi
quả lên trên máy vi tính một cách tính thông qua công nghệ Bluetooth để
nhanh chóng, có thể thực hiện các thí khảo sát tự động hệ số ma sát và lực
nghiệm định tính và định lượng lực hướng tâm. Thực hiện một số thí
hướng tâm. Bộ thí nghiệm này cũng nghiệm để đánh giá độ chính xác và
dùng phương pháp đĩa xoay, ứng dụng tính ổn định của bộ thí nghiệm đã thiết
cách vận hành và giao diện gần giống kế.
bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát nên
việc thực hiện thí nghiệm sẽ đơn giản PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
và thân thiện với người sử dụng. VÀ VẬT LIỆU
Ngoài ra, việc đổi mới phương pháp Phương pháp nghiên cứu
dạy học và ứng dụng khoa học - công Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát và
nghệ vào giảng dạy đang là một nhu bộ thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm
cầu cấp thiết (Dương Xuân Quý, 2010, được chế tạo dựa trên các ý tưởng sau:
Hình 3. Mô hình thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát (trái) và Mô hình thí nghiệm
khảo sát lực hướng tâm (phải)
Mô hình thí nghiệm khảo sát hệ số bề mặt đĩa tròn và nối với cảm biến lực
ma sát bằng sợi dây. Khi đĩa tròn quay, lực ma
Bộ thí nghiệm khảo sát lực ma sát được sát xuất hiện giữa bề mặt vật và đĩa.
xây dựng trên ý tưởng như hình 3(trái). Lực ma sát được đo thông qua việc đo
Mô hình bao gồm một đĩa tròn được lực căng dây nhờ cảm biến lực. Hệ số
gắn với động cơ, một vật được giữ trên ma sát giữa bề mặt vật và đĩa được tính
518
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
thông qua giá trị lực ma sát. Vi điều thí nghiệm, các nút nhấn để điều chỉnh
khiển Arduino tích hợp trong Hệ thống thông số khi làm thí nghiệm và các
điều khiển trung tâm có vai trò thu cổng USB để kết nối với cảm biến
nhận giá trị cảm biến lực và điều khiển ngoại vi.
động cơ.
Mô hình thí nghiệm khảo sát lực KẾT LUẬN
hướng tâm Từ các thí nghiệm ta thấy Bluetooth đã
Bộ thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm cho thấy sự tiện lợi trong giao tiếp giữa
được xây dựng trên ý tưởng như Hình vi điều khiển và máy tính, việc thu thập
3 (phải). Dựa trên ý tưởng sử dụng đĩa dữ liệu và truyền nhận một cách nhanh
quay, khi đặt vật trên đĩa, vật có xu chóng, đơn giản. Bộ thí nghiệm đã cho
hướng văng ra do lực quán tính ly tâm. ra kết quả tốt bằng việc khảo sát đối
Độ lớn lực này bằng với lực hướng tượng với sai số nhỏ hơn 10%. Tuy
tâm. Lực hướng tâm được xác định nhiên, do thiết kế cơ khí chưa tốt dẫn
bằng việc đo lực căng dây nhờ cảm đến đĩa xoay không đều, làm cho sai số
biến lực đặt tại tâm của đĩa quay. Vì đo vận tốc góc còn lớn. Bộ thí nghiệm
tính chất đĩa quay liên tục nên việc có thể dùng để dạy bài thí nghiệm phần
truyền dữ liệu từ cảm biến lực tới Hệ động lực học trong chương trình vật lý
thống điều khiển trung tâm thông qua phổ thông. Với ưu điểm nổi bật là tự
công nghệ truyền nhận không dây động hóa và truyền nhận dữ liệu không
Bluetooth. dây (khoảng cách máy tính có thể nhận
dữ liệu cảm biến 10m trong môi trường
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN vật cản).
Sau thời gian nghiên cứu và thiết kế, Tuy nhiên thí nghiệm cho kết quả
chúng tôi đã xây dựng được bộ thí không ổn định vì lặp lai nhiều lần làm
nghiệm đo được hệ số ma sát đồng thời xước mặt phẳng quay nên kết quả sẽ ra
khảo sát các tính chất của lực hướng khác. Bộ thí nghiệm đã chế tạo rút ngắn
tâm trong chuyển động tròn và kết nối thời gian đo đạc và thu nhận số liệu bên
với máy tính thông qua giao tiếp cạnh đó người thao tác dễ thực hiện do
Bluetooth. thí nghiệm đã tự động hóa.
Hệ thống điều khiển trung tâm là phần Nếu được khắc phục nhược điểm và cải
quan trọng nhất trong nghiên cứu này, tiến, bộ thí nghiêm ứng dụng Bluetooth
được sử dụng trong bộ thí nghiệm đo sẽ được sử dụng rộng rãi không chỉ
hệ số ma sát và bộ thí nghiệm khảo sát trong phòng thí nghiệm hay trên đại
lực hướng tâm. Hệ thống trung tâm bao học mà còn được ứng dụng ở trong các
gồm màn hình LCD để hiển thị kết quả tiết học trên lớp ở trường phổ thông.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
HOÀNG VĂN HUỆ, PHÙNG VIỆT HẢI, NGUYỄN THỊ THANH HƯƠNG.
(2012). Nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến và thí nghiệm ghép nối với máy vi
tính trong dạy học vật lí ở trường phổ thông. Đề tài Khoa học và Công nghệ
cấp bộ, Trường Đại học Tây Nguyên.
MAI HOÀNG PHƯƠNG, NGÔ MINH NHỰT (2016). Thiết kế bộ cảm biến kết
nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật II và III Newton. Tạp chí
Khoa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, 61, 68-75.
519
nguon tai.lieu . vn
