Μια βόλτα στο ασανσέρ με ένα κινητό τηλέφωνο .
1. Αισθητήρες στα smartphones
Τα σύγχρονα κινητά τηλέφωνα, τα smartphones όπως λέγονται, είναι γνωστό ότι στην πραγματικότητα είναι υπολογιστές μικρών διαστάσεων. Λιγότερο γνωστό είναι ότι οι συσκευές αυτές επικοινωνούν με το περιβάλλον με πολύ πιο εξελιγμένους τρόπους σε σχέση με τους τυπικούς υπολογιστές οι οποίοι διαθέτουν ένα πληκτρολόγιο σαν μονάδα εισόδου και μαι οθόνη σαν μονάδα εξόδου.
Ένα σύγχρονο κινητό τηλέφωνο διαθέτει:
α) επιταχυνσιόμετρο το οποίο μπορεί να μετρήσει την επιτάχυνση του κινητού σε τρεις αξονες,
β) αισθητήρα εγγύτητας ο οποίος αντιλαμβάνεται αν κάποιο αντικείμενο βρίσκεται πολύ κοντά του η μακρύτερα (συνήθως έχει δύο τιμές)
γ) φωτόμετρο
δ) γυροσκόπιο το οποίο μετρά γωνιακή ταχύτητα του κινητού σε τρεις άξονες
ε) μαγνητόμετρο, το οποίο μετρά ένταση μαγνητικού πεδίου σε τρεις άξονες
στ) δέκτη GPS για να μπορεί να υπολογίσει το υψόμετρο, τις γεωγραφικές συντεταγμένες της συσκευής. Αλλά και την ταχύτητα με την οποία κινείται
στ) ορισμένα μοντέλα διαθέτουν βαρόμετρο το οποίο μετρά τιμές ατμοσφαιρικής πίεσης.
Έτσι το κινητό τηλέφωνο δεν είναι μόνο ένας υπολογιστής σε πολύ μικρές διαστάσεις, αλλά και ένα μίνι εργαστήριο το οποίο κουβαλάει κανείς πάνω του.
Τα τελευταία χρόνια έχουν δημιουργηθεί αρκετές εφαρμογές οι οποίες μπορούν να καταγράψουν τα δεδομένα των αισθητήρων για να παρουσιαστούν ή για να μεταφερθούν σε υπολογιστή.
2. Η εφαρμογή phyphox
Μια πολύ εύχρηστη εφαρμογή με την οποία είναι δυνατόν να λάβουμε τις τιμές διάφορων αισθητήρων ενός σύγχρονου τηλεφώνου είναι η δωρεάν εφαρμογή phyphox ( από τις λέξεις physicalphone experiments).
Το phyphox δημιουργήθηκε στο 2ο Ινστιτούτο Φυσικής στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Άαχεν στην Γερμανία και κυκλοφορεί τόσο για συσκευές Android όσο και iPhone.
Επειδή σχεδιάστηκε από την αρχή για εκπαιδευτικούς σκοπούς είναι μια εφαρμογή η οποία έχει πολλές χρήσιμες δυνατότητες.
α) Δίνει τη δυνατότητα εύκολης καταγραφής των δεδομένων των αισθητήρων του κινητού τα οποία παρουσιάζει σε γραφήματα.
β) Τα δεδομένα μπορούν να διαμοιραστούν εύκολα σε μορφή xls ή csv για παραπάνω επεξεργασία στον υπολογιστή.
γ) Διαθέτει μια σειρά από έτοιμα πειράματα τα οποία χρησιμοποιούν τους αισθητήρες.
δ) Υπάρχει η τηλεχειρισμού του τηλεφώνου μέσω δικτύου wifi, μια δυνατότητα εξαιρετικά χρήσιμη στα πειράματα που τι κινητό πρέπει να βρίσκεται σε κίνηση και γενικά να είναι απομακρυσμένο από το χέρι μας.
ε) Υπάρχει η δυνατότητα αποθήκευσης των δεδομένων ενός πειράματος στη συσκευή για συνέχιση του πειράματος αργότερα αλλά και η δυνατότητα δημιουργίας νέων πειραμάτων από τον ίδιο τον χρήστη. Για το σκοπό αυτό μάλιστα υπάρχει η δυνατότητα τροποπίησης των διαθέσιμων ή και δηιουργία νέων πειραμάτων με τη βοήθεια ενός editor που υπάρχει στον ιστότοπο της εφαρμογής στο διαδίκτυο. Τα πειράματα που δημιουργεί ο χρήστης αποθηκεύονται σαν αρχεία xml και μπορούν να μεταφερθούν στο τηλέφωνο και να εκτελεστούν από την εφαρμογή.
στ) Τέλος η εφαρμογή κυκλοφορεί πλέον σε ελληνική μετάφραση που έγινε από τον γράφοντα.
Τα έτοιμα πειράματα που προτείνονται είναι ιδιαίτερα ενδιαφέροντα και υπάρχουν σύντομες οδηγίες για την εκτέλεσή τους (στα ελληνικά) εντός της εφαρμογής αλλά και αναλυτικές οδηγίες (στα Αγγλικά και Γερμανικά ) καθώς και video μέσα στον ιστότοπο της εφαρμογής.
3. Δημιουργώντας ένα πείραμα στο phyphox για τον υπολογισμό της επιτάχυνσης.
Η έννοια της επιτάχυνσης δεν είναι εύκολα κατανοήσιμη από τους μαθητές. Συχνά μπερδεύεται με την έννοια της ταχύτητας. Ιδιαίτερη δυσκολία παρουσιάζει η κατανόηση της κατεύθυνσης της επιτάχυνσης. H δυσκολία αυτή κατά ένα μέρος οφείλεται και στην απλοποιημένο σχήμα: θετική επιτάχυνση = αύξηση της ταχύτητας και αρνητική επιτάχυνση = επιβράδυνση μείωση της ταχύτητας.
Το πείραμα έχει σκοπό να καταγράψει την επιτάχυνση ενός ανελκυστήρα κατά την κίνησή του. Μέσα από την καταγραφή της επιτάχυνσης θα διαπιστώσουμε το είδος της κίνησης και θα συζητήσουμε για το πρόσημο του διασνύσματος της επιτάχυνσης. Για ευκολία προτιμούμε να τοποθετήσουμε έναν από τους άξονες του κινητού παράλληλα με την κίνηση. Στην συγκεκριμένη περίπτωση επιλέχτηκε ο άξονας y (Δες σχήμα). Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τo phyphox όπου στην ενότητα Αισθητήρες υπάρχει η επιλογή: επιτάχυνση (χωρίς το g) με τη βοήθεια της οποίας μπορούμε να πάρουμε τις τιμές των συνιστωσών της επιτάχυνσης στους άξονες x,y,z του κινητού. Το γράφημα που φαίνεται στην επόμενη εικόνα, απεικονίζει την καταγραφή για μια κίνηση του ανελκυστήρα από τον πέμπτο όροφο στο ισόγειο. Παρατηρούμε ότι διακρίνεται το χρονικό διάστημα της επιτάχυνσης του θαλάμου και αντίστοιχα της επιβράδυνσης, ενδιάμεσα η κίνηση γίνεται με επιτάχυνση που παλινδρομεί κοντά στο μηδέν. Βλέπουμε όμως ότι υπάρχει αρκετός θόρυβος, ο οποίος μπορεί να μπερδέψει τους μαθητές.
Εδώ παρουσιάζεται ένα πείραμα το οποίο δημιουργήθηκε με τη χρήση του editor στη διεύθυνση http://phyphox.org/editor. Ο editor δίνει τη δυνατότητα της επιλογής των αισθητήρων από τους οποίους θα λάμβάνονται δεδομένα, την επεξεργασία τους μέσα από κάποια έτοιμα φίλτρα και τέλος της παρουσίασή τους στην οθόνη υπό μορφή γραφημάτων.
Για να εξαληφθεί ο θόρυβος επιλέχτηκε ένα φίλτρο εξομάλυνσης των δεδομένων του επιταχυνσιόμετρου καθώς και στρογγυλοποίηση στο δεύτερο δεκαδικό ψηφίο. Επίσης μειώθηκε ο ρυθμός λήψης δεδομένων (συχνότητα αισθητήρα) στην τιμή των 10 καταγραφές /s. To πείραμα που δημιουργήθηκε μ’ αυτόν τον τρόπο αποθηκεύεται σαν αρχείο με επέκταση .phyphox το οποίο μπορεί να διαβαστεί με έναν text editor (π.χ το Notepad ++ ) και να σταλεί στο τηλέφωνο με οποιοδήποτε τρόπο π.χ με email, dropbox, messenger κλ.π
Χρησιμοποιώντας τώρα το πείραμα που δημιουργήθηκε και για την ίδια διαδρομή με το ασανσέρ η εικόνα είναι η ακόλουθη:
Παρατηρείστε πόσο πιο ευκρινή είναι τα σημεία εκκίνησης και άφιξης στους ορόφους. Τώρα διακρίνουμε επίσης και ένα “τράνταγμα” μετά την άφιξη στον όροφο, που αντιστοιχεί στο άνοιγμα της εσωτερικής πόρτας του ανελκυστήρα.
Μπορούμε χωρίς να χρειαστεί να κάνουμε υπολογισμούς, να κάνουμε τις εξής παρατηρήσεις:
1. Το ασανσέρ στο μεγαλύτερο διάστημα κινείται με σχεδόν σταθερή ταχύτητα εκτός από την εκκίνηση και την άφιξη στον όροφο.
2. Είναι φανερή η κατεύθυνση του διανύσματος της επιτάχυνσης από το πρόσημό της.
3. Το μέτρο της μέγιστης αρνητικής επιτάχυνσης είναι μεγαλύτερο από το μέτρο της μέγιστης θετικής επιτάχυνσης (προφανώς εξαιτίας του βάρους του ανελκυστήρα).
Το παραπάνω πείραμα μπορεί να δοθεί στα πλαίσια διερεύνησης για την κίνηση του ανελκυστήρα η οποία μπορεί να ακολουθήσει το σχήμα πρόβλεψη, εκτέλεση πειράματος, ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Μπορείτε να κατεβάσετε το αρχείο του πειράματος εδώ https://www.dropbox.com/s/nw8sedl51lfa8da/%CE%A5-%CE%95%CF%80%CE%B9%CF%84%CE%AC%CF%87%CF%85%CE%BD%CF%83%CE%B7%20.phyphox?dl=0. Αντιγράψτε το στο τηλέφωνο σας με οποιδήποτε τρόπο (bluetooth, mail, dropbox κ.λ.π) και ανοίξτε το για να εκτελεστεί (αφού έχετε εγκαταστήσει το phyphox), Για περισσότερες οδηγίες και πληροφορίες πάνω στα πειράματα του phyphox δείτε στο wiki της εφαρμογής στη διεύθυνση: https://phyphox.org/wiki/index.php?title=Main_Page
