Balistron – Thí nghiệm đo vận tốc bi 15 mm bằng Arduino Nano

Đây là một dự án nhỏ vui vui cho lớp Vật lý của con trai mình, hai cha con cùng ngồi thiết kế với nhau. Bạn thả một viên bi 15 mm từ độ cao thay đổi và đo vận tốc tại miệng phóng (nozzle velocity) với độ chính xác khá tốt nhờ hai cổng quang (optical gates) và Arduino Nano. Bạn cũng có thể đo xem nó rơi xa bao nhiêu (đừng quên miệng phóng không nằm đúng ngay mặt đất! :) ), so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết, so sánh các vật liệu khác nhau và thử tìm ảnh hưởng của lực cản không khí, v.v. (bi xốp styrofoam và bi thép chắc chắn sẽ cho kết quả khác nhau).

Mình dùng PLA nhưng vật liệu không quan trọng. Model được thiết kế để không cần supports. Bắt đầu bằng cách in hai đoạn ống (tubing) rồi thử ráp chúng lại với nhau. Chỉnh hole compensation trong slicer sao cho chúng khít vừa đẹp, có độ ma sát đúng ý. Có thể bạn sẽ phải bỏ vài cái trước khi tìm ra thiết lập hoàn hảo, rồi hãy in tiếp phần còn lại của bộ dụng cụ. Trong hộp chứa vừa 34 món tubing, nhưng bạn có thể làm nhiều hơn nữa để đạt vận tốc cao hơn.

Mỗi cổng quang luôn có một IR diode và một phototransistor đặt đối diện nhau băng qua bề rộng miệng phóng, nằm trong các rãnh (shaft) tương ứng. Mình hàn điện trở (220 ohms cho diode, 10k ở collector của phototransistor) trực tiếp lên chân linh kiện. Xem thêm trong file PDF đính kèm sẽ rõ hơn. Tất cả được cố định bằng keo nến (hot glue).

Arduino Nano được gắn trên một expansion board có thể dễ dàng mua ở các shop đồ robotics hoặc trên Aliexpress, v.v. Màn hình là loại 1602 2 dòng kết nối I2C, hiện vẫn rất rẻ và dễ mua.

Màn hình luôn hiển thị lần đo gần nhất.

Những thứ bạn cần:

Component

Description

Arduino Nano + expansion board

ATmega328P, 16 MHz

IR LED

2 x 940 nm infrared LED

Phototransistor

2 x NPN IR phototransistor (5800B)

LCD Display

16×2 I2C LCD (PCF8574, 1602A)

Resistors

2 x 220Ω , 2 x 10k

Power supply

qua Arduino USB, ví dụ power bank