di Alfonso D’Ambrosio
Come misurare la velocità del suono utilizzando un microcontrollore a basso costo come Arduino e una programmazione a blocchi “semplice” come Scratch?
In questo semplice tutorial vi mostro come fare.
Impareremo a misurare la velocità del suono in aria, a capire che questa dipende dalla temperatura dell’aria. Impareremo a codificare un progetto scientifico
Avevo già parlato del funzionamento del sensore ad ultrasuoni in questa lezione:
Raspberry e Scratch: misurare le distanze con il sensore ad ultrasuoni (lezione 22)
In questo progetto, misureremo la velocità del suono usando Arduino e un sensore a ultrasuoni. Questo sensore misura il tempo necessario a un impulso ultrasonico (a 40mila Hertz) per uscire, rimbalzare su un bersaglio e tornare indietro. Il tempo che impiega l’impulso per uscire e tornare al sensore dipende dalla velocità del suono e dalla distanza dal bersaglio. Questo sensore funziona allo stesso modo in cui un pipistrello vola nell’oscurità. È anche lo stesso principio utilizzato nel sonar sottomarino. Il circuito Arduino per questo progetto è molto semplice e mostrato nel seguente schema:
Questo sensore è abbastanza facile da usare. Per agganciarlo, prendiamo il pin VCC del sensore e lo colleghiamo al pin arduino 5V.Prendiamo il sensore GND e lo colleghiamo ad Arduino GND. Il pin Trig sul sensore che portiamo al pin 13 sull’arduino e il pin Echo sul sensore che colleghiamo al pin 11 di arduino (o qualsiasi altro pin, di solito uso 11 o 12).
Il sensore funziona come segue.
Abbassiamo digitalmente il pin 13, poi pausa, pin ALTO, pausa e di nuovo BASSO. Questa sequenza LOW-HIGH-LOW crea un tono ultrasonico ad alta frequenza, o ping, che viene inviato dal sensore.
Questo ping uscirà e rimbalzerà sul sensore (ECHO). Il sensore emetterà un impulso HIGH sul suo pin di echo (11 o 12 appunto) e la lunghezza dell’impulso in microsecondi indica il tempo impiegato dal ping per raggiungere l’obiettivo e tornare. Possiamo misurare la lunghezza di questo impulso usando il comando pulseIn.
Una volta effettuata la misurazione pulseIn e si conosce il tempo impiegato dal ping per raggiungere l’obiettivo e tornare, è possibile utilizzarlo per calcolare la velocità del suono. Da
distanza = velocità * tempo.
tasso = tempo / distanza
Quanta fisica vero?
possiamo stabilire quale relazione esiste tra temperatura dell’aria e velocità del suono, facendo vari esperimenti con aria “calda”: ad esempio usando un phon oppure vapore acuqeo
Il problema resta il codice!
Solitamente gli studenti (ed anche i docenti 🙁 ) copiano codici già pronti
Un esempio è questo (notare che la distanza iniziale è 6 pollici):
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int trigPin=13; //Sensor Trip pin connected to Arduino pin 13
int echoPin=11; //Sensor Echo pin connected to Arduino pin 11
float pingTime;
float speedOfSound;
int targetDistance=6; //Distance to Target in inches
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
Serial.begin(9600);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
digitalWrite(trigPin, LOW); //Set trigger pin low
delayMicroseconds(2000); //Let signal settle
digitalWrite(trigPin, HIGH); //Set trigPin high
delayMicroseconds(10); //Delay in high state
digitalWrite(trigPin, LOW); //ping has now been sent
pingTime = pulseIn(echoPin, HIGH); //pingTime is presented in microceconds
speedOfSound = (targetDistance*2)/pingTime*(1000000)*3600/63360; //converts to miles per hour
Serial.print(“The Speed of Sound is: “);
Serial.print(speedOfSound);
Serial.println(” miles per hour”);
delay(1000);
}
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in che modo realizzare tutto questo utilizzando un linguaggio a blocchi , adatto anche a studenti della secondaria di I grado ?
Utilizzo mBlock ed il codice può essere ricostruito in questo modo:
In modalità Arduino diventa:
che coincide con quanto visto sopra!
In sostanza lanciamo un impulso sonoro a 40mila Hz dal pin 13 e attendiamo che il pin 12 o 11 (dipende da dove mettiamo l’Echo) cambi il suo stato. Il tempo di misurazione in cui questo avviene, ci restituisce il tempo di percorrenza del suono per andare e tornare indietro da un oggetto.
Con questo programma potrete impostare anche la distanza iniziale, misurata preventivamente con un righello!!
Come cambia la velocità se allontaniamo l’ostacolo o mettiamo Arduino su un robot a velocità costante? (effetto Doppler)
Insomma tanta Fisica e tanta Scienza, a portata di tutti!
Alfonsodambrosio@yahoo.it