دانشجویان نوشیروانی موفق به ساخت سیستم آونگ نوسان‌شمار و میرایی‌سنج شدند
معرفی دست‌سازه
دست‌سازه‌ی حمیس، یک سیستم آونگ نوسان‌شمار و میرایی‌سنج است که با استفاده از یک گوی آویخته، ماژول لیزر و حسگر فوتوسل (LDR)، تعداد نوسان‌های آونگ را ثبت کرده و ضریب میرایی تقریبی آن را از طریق پردازش داده‌ها با یک میکروکنترلر ESP32 محاسبه می‌کند.
در واقع، با تاباندن پرتو لیزر به گوی نوسان‌کننده و قطع متناوب این پرتو توسط گوی، حسگر فوتوسل تغییرات شدت نور را تشخیص داده و پالس‌های قطع‌شدن را به میکروکنترلر ارسال می‌کند. سپس میکروکنترلر با استفاده از یک کد پایتونی، فرمول‌های فیزیک نوسان میرای‌دار را به کار می‌برد تا ضریب میرایی را محاسبه کند.
علاوه بر این، ماژول ESP32 به‌دلیل داشتن قابلیت وای‌فای تعبیه‌شده، امکان این را فراهم می‌کند که خروجی‌های اندازه‌گیری به‌صورت لحظه‌ای روی یک وب‌سایت در دسترس قرار بگیرند. با نوشتن یک تابع لاگ‌گیری در کد پایتونی، فرد می‌تواند از طریق Wi-Fi به میکروکنترلر متصل شود و «ضریب میرایی»، «میانگین نوسان» و «تعداد رفت و برگشت‌ها» را روی یک صفحه وب مشاهده کند.
اجزای تشکیل‌دهنده:
۱. چارچوب مکانیکی و گوی نوسان‌کننده
یک گوی فلزی یا پلاستیکی که با ریسمان یا مفتول به دو سر چارچوب محکم شده تا آزادانه نوسان کند.
۲. ماژول لیزر
جهت نیمه‌ایستا قرار می‌گیرد تا در مسیر نوسان گوی، یک پرتو متمرکز بتاباند.
۳. حسگر فوتوسل (LDR)
در سمت مقابل لیزر نصب می‌شود و الگوی قطع و وصل نور را هنگام عبور گوی ثبت می‌کند.
۴. مدار مقاومتی و پتانسیومتر
برای تنظیم ولتاژ و حساسیت ورودی حسگر فوتوسل به میکروکنترلر ESP32.
۵. میکروکنترلر ESP32
با کد پایتونی نوشته‌شده، سیگنال‌های ورودی از LDR را خوانده و زمان‌های قطع نور را ثبت می‌کند. سپس با محاسبه دامنه‌ها و دوره‌های تناوب، ضریب میرایی را بر اساس فرمول فیزیکی به دست می‌آورد.
همچنین با استفاده از ماژول وای‌فای داخلی، داده‌های «ضریب میرایی»، «میانگین نوسان» و «تعداد رفت و برگشت» را روی یک سرور محلی (وب‌سایت) در دسترس قرار می‌دهد.
از جمله کاربردهای این سیستم عبارت اند از:
۱. پایش ارتعاش سازه‌ها (مانند پل‌ها و دال‌ها)
وقتی یک پل یا دال زیر عبور ماشین یا عوامل خارجی قرار می‌گیرد، ارتعاش‌های ایجادشده می‌تواند فرکانس نوسان را تغییر دهد. با نصب آونگ حمیس بر روی صفحه یا دهانه‌ی پل، می‌توان تغییرات دوره تناوب و ضریب میرایی را ثبت کرد. سپس فرکانس طبیعی پل با فرکانس تحریک (مثلاً از عبور خودرو) مقایسه می‌شود تا از وقوع تشدید (resonance) جلوگیری شود. چنانچه اختلاف فرکانس از مقادیر استاندارد تجاوز کند، احتمال داشتن انسجام سازه‌ای ضعیف و خطر خرابی وجود دارد و می‌توان هشدار یا نیاز به تقویت بیشتر سازه را اعلام نمود.
۲. سیستم هشدار امنیتی (نمونه گاوصندوق)
با اتصال یک نگهدارنده کوچک به گوی آونگ و نصب دست‌سازه داخل گاوصندوق، هر بار که درب گاوصندوق حرکت کند یا مورد دستکاری صورت گیرد، گوی نوسان کرده و پرتو لیزر قطع می‌شود. در نتیجه میکروکنترلر سیگنالی ارسال کرده و هشدار امنیتی فعال می‌شود.
۳. هدف‌های آموزشی و آزمایش‌های آزمایشگاهی
می‌توان جرم گوی یا طول ریسمان را تغییر داد (مثلاً با اتصال خمیر بازی به گوی) و نوسان‌های آونگ را بررسی کرد. این آزمایش نشان می‌دهد که در نوسان‌های خطی، جرم آونگ در دامنه کوچک تأثیری بر تناوب ندارد. همچنین با تغییر طول ریسمان یا جنس گوی، فرکانس طبیعی آونگ قابل اندازه‌گیری است. با داده‌های به‌دست‌آمده، دانشجو می‌تواند روابط بین دوره تناوب (T)، طول ریسمان (L) و شتاب گرانشی (g) را مطالعه کرده و مفاهیم مربوط به نوسانات ساده و میرایی را درک کند.
علاوه بر این، با اتصال به وب‌سایت میکروکنترلر از طریق Wi-Fi، استاد یا دانشجو می‌تواند به‌صورت بلادرنگ نمودار ضریب میرایی و نوسان را مشاهده کرده و تحلیل‌های بیشتری انجام دهد.
هدف از ساخت
اصلی‌ترین هدف از ساخت این سیستم عبارت اند از:
فراهم کردن یک ابزار ارزان‌قیمت و ساده برای پایش ارتعاش و میرایی سازه‌ها (مانند پل‌ها و دال‌ها) در مقیاس آزمایشگاهی یا میدانی.
هدف ثانویه (آموزشی):
آموزش مفاهیم نوسان ساده (Simple Harmonic Motion) و نوسان میرای‌دار (Damped Oscillation) به دانشجویان، از طریق مشاهده عملی اثرات تغییر جرم و طول آونگ.
همچنین با استفاده از قابلیت وای‌فای ESP32، امکان دسترسی همزمان چند کاربر به داده‌ها و تحلیل‌ها در کلاس یا آزمایشگاه فراهم می‌شود.
مدت زمان ساخت:
کل فرآیند طراحی، ساخت و تست دست‌سازه از ایده‌پردازی تا ارائه نهایی حدود یک ماه طول کشید. در این مدت، مراحل مختلف شامل طراحی مکانیکی چارچوب، تهیه ماژول لیزر و LDR، تنظیم مدار مقاومتی با پتانسیومتر، برنامه‌نویسی پایتون برای میکروکنترلر ESP32 و آزمون‌های تجربی جهت مقایسه داده‌ها با نتایج تئوری بوده است.
قوانین و فرمول‌های به‌کاررفته:
اصلی‌ترین فرمولی که در این پروژه به کار رفته، فرمول محاسبه ضریب میرایی نوسان (Damping Coefficient) در نوسانات میرای‌دار است.
با توجه به طراحی ساده و قابلیت‌های چندگانه (امنیتی، آموزشی، پایش سازه‌ای و امکان دسترسی بلادرنگ از طریق Wi-Fi)، دست‌سازه‌ی حمیس موفق به کسب رتبه دوم در ششمین دوره مسابقات دست ساخت های فیزیک دانشگاه شد و می‌تواند به‌عنوان یک ابزار کاربردی در آزمایشگاه‌های فیزیک و مهندسی مورد استفاده قرار گیرد.
