Midiendo la velocidad de una flecha con un Mouse viejo y el arduino

Muy cierto es que de muchas formas se puede medir la velocidad de una flecha, pero esta me parece una muy buena y aplicando moderna tecnología

Este práctico esta inspirado en un trabajo de dos capacitadores del INET (Instituto Nacional de Educación Tecnológica), Leo Monti y Javier Maldonado, muchas gracias y a no reclamar derecho de autor.

Midiendo la velocidad de la flecha que interrumpe una barrera óptica







Como pueden ver para algo sirven los libros je je..



Para hacerlo necesitaremos los siguientes materiales, (además de una ballesta o un rifle de aire comprimido), la placa arduino que ya les comenté es una interesantísima herramienta (ver acá) un mouse viejo del tipo a bola, un puntero láser y soportes la pc y un par de software que se pueden bajar de la red.

Se preguntarán para que el mouse? Bueno en las plaquetas de la electrónica de estos aparatos que todo buen juntamugre debe guardar celosamente, hay dos sensores infrarrojos que en este caso vamos a usar como sensores de luz.





Aquí están marcados los dos sensores que posee, sacamos la placa completa del ratón y la vamos a alimentar directamente de la placa arduino, si se fijan ambos sensores (los negros con la pinta verde), tienen delante una rueda, al sacar la plaqueta esa rueda queda en la caja del Mouse, ahora frente al sensor queda una especie de plástico transparente que es un diodo emisor de infrarrojos, para nuestro trabajo usaremos el sensor de la derecha asi que con un soldador sacamos led (el transparente) eso nos dejará libre la pasada para estimular con un puntero láser el fotodiodo, que asi se llama.

Para no entrar en líos vamos a alimentar toda la placa, en casi todos los mouses que desarmé el cable azul es el positivo y el verde el negativo, pero para estar mas seguros vamos a ver el capacitor electrolítico (esta indicado en la imagen anterior) que esta inmediatamente sobre el sensor que vamos a usar, este tiene marcado sus patas asi no le erramos, sacamos de la pata positiva un cable rojo y de la negativa uno negro la salida que sensará la luz la sacaremos soldando un cable a la pata izquierda del fotodiodo en esta imagen puede verse bien



Una vez hecho esto nos quedan 3 cables, el rojo (positivo) el negro (negativo) y un tercer cable que es la salida del sensor en este caso verde.

Para que funcione mejor deberemos colocar toda la placa en una caja de cartulina negra dejando un orificio por donde entre un pequeño tubo plástico negro como se ve en la figura





En la foto se ve la placa arduino sobre el protoboard sujeta con una bandita de goma y la caja negra donde sobresale el caño plástico que deja una entrada al sensor. También sujeta con bandita.

Las conexiones, el rojo a los 5V de la placa arduino, el negro a GND y la salida del sensor al pin A0.

El código para el arduino es este:

/*
Barrera de luz
*/
// to the pins used:
const int analogInPin = A0; // acá entra el cable que viene del fototransistor
int sensorValue = 0; //
//int outputValue = 0; //
unsigned long time;
void setup() {
Serial.begin(115200);
}
void loop() {
// read the analog in value:
sensorValue = analogRead(analogInPin);
// print the results to the serial monitor:
//Serial.print("Time: ");
time = millis();
Serial.print(time);
Serial.print(" ");
Serial.println(sensorValue);
}

Una vez cargado el código en el monitor serial (ajustados los baudios a 115200) podemos ver dos columnas, la primera marca los milisegundos y la otra los valores que ve el sensor. Algo así:

1418719   87

1418721   87

1418722   88

1418724   87

1418725   87

Bueno que hacemos con eso, nos vamos a bajar de la red dos programas, el RealTerm, y el Kst2 , el primero es el que fabrica el archivo para que el Kst luego lea las columnas de datos.

Instalamos los software

Con la tarjeta arduino conectada corremos Realterm, vamos a Port





Se cambian los baudios a 115200 y la com a 3 y se pica Change.

Si todo va bien deberemos ver las dos columnas, con los milisegundos y lo que e sensor ve, en este caso 0

Luego pasamos “Capture”



En File escribimos el nombre del archivo que va a contener los datos, en este caso “prueba2” picamos sobre Start Overwirite.



Aparece esta pantalla y se detiene el paso de datos, sin embargo esta grabando, asi que con el programa en este estado haremos las pruebas (lanzar la flecha que pase justo sobre la barrera óptica).

Una vez terminamos picamos stop Capture, y nos queda ya el archivo prueba2 con todos los datos.

Ahora abrimos:





Picamos sobre Wilzard



Buscamos el archivo prueba2

Ahora picamos Configure



Ponemos los valores como muestra la imagen y pulsamos OK



Acá nos aparecen las dos columnas del archivo, elegimos columa2 y la pasamos al lado derecho



Ahora Next



En Create from field, elegimos Columna 1 y el resto como indica la imagen, seguimos con Next (Esto parece complicado pero es muy sencillo una vez que lo hacemos varias veces)



Ultima entrada, podemos dejar tal cual, picamos Finish para que aparezca la curva



Bueno esta es la curva, entre 345000 350000 milisegundos vemos una línea que es la pasada de la flecha por la barrera óptica, el KST permite ampliar el sector y asi poder ver cuanto tiempo duró la pasada



Bueno vemos que la pasada de la flecha duró 6 milisegundos, desde 346936 hasta 34942

Como usamos los datos

Largo de la flecha: 16 cm

Distancia de la punta de la flecha al rayo láser: 9cm

Tiempo medido con el dispositivo: 0.006 seg

El peso de la flecha es de: 6.07gr

Calculando velocidad

Velocidad= ∆e/∆t= 0.16m/0.006 seg= 25m/seg

Si bien el dato parece insignificante, y mi ballesta es de juguete en el espacio de 9 cm alcanzó una velocidad de 90Km/h!!!!

Calculando aceleración:

aceleración= (Vfinal)^2-(Vinicial)^2/2 *distancia

a=(25m/seg)^2-(0m/seg)^2/ 2 *0.09m= 3472 m/seg^2

Esa aceleración equivale a 354 G, un ser humano es capaz de soportar en el mejor de los casos hasta 18 G, es decir si existiera un aparato que pudiera lanzar a una persona con la misma fuerza proporcional al de la ballesta de juguete no sobreviviría

Calculando energía cinética:

E=mv^2/2

E= 0.006Kg * (25 m/seg)^2/2 = 1.87 Julios

Otra prueba con el mismo dispositivo pero usando un rifle de aire comprimido, con un balín un poco mas largo para que pueda hacerse la lectura, el balín normal era muy corto y excedía la sensibilidad del sensor (posiblemente mejorando el código podría lograrse pero estoy muy verde aún en esto)



El rifle de aire comprimido





Los proyectiles, el balín de aluminio de 4 cm y la flecha de la ballesta

Los datos que obtuve con el rifle de aire fueron los siguientes:

Datos:

Largo del balín: 4.1 cm

Distancia desde la punta del balín al rayo láser: 45.5 cm

Peso del balín: 2.41gr

Tiempo medido con el dispositivo:



El tiempo fue de 3 milisegundos

Se pueden hacer los mismos cálculos que antes.

Se pueden medir velocidades de vehículos, bengalas, o cañas voladoras y otras cosas que se nos puedan imaginar.