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A cura del Liceo Alberti di Napoli

OBIETTIVO

L'obiettivo è quello di stimare la velocità del suono attraverso il kit Arduino con il Sensore HC-SR04, che misura il tempo impiegato da un'onda a ultrasuoni ad essere emessa, rimbalzare su un ostacolo e tornare indietro.

STRUMENTI USATI

• Scheda Arduino
• Diario / Ostacolo
• Connettori e breadboard per le due schede
• Metro / Riga con sensibilità 0,1 cm
• Computer
• Sensore HC-SR04 con sensibilità 1 μs (riportato qui sotto)

INQUADRAMENTO TEORICO

IL SUONO

Il suono è un fenomeno fisico prodotto dalla vibrazione di un corpo in oscillazione. La vibrazione di un corpo produce una variazione della pressione dell’aria, generando delle onde che si propagano fino al nostro apparato uditivo che, trasformate in impulsi, vengono recepite dal cervello come una sensazione sonora. Il suono si propaga tramite vibrazioni che producono una successione di compressioni ed espansioni delle molecole dell’aria che, nel loro movimento oscillatorio, formano onde sferiche concentriche, dette onde sonore che vengono percepite dal nostro timpano. La velocità del suono è diversa a seconda del mezzo in cui avviene la propagazione. La velocità è maggiore nei corpi solidi, minore nei liquidi e ancora più bassa nei gas, questo accade perché nei corpi solidi le molecole sono più strettamente legate tra loro, condizione che consente di trasmettere meglio le onde sonore al contrario di quanto avviene nei liquidi e nei gas, dove le molecole sono sempre più lontane tra loro. Attraverso calcoli complessi eseguiti per la prima volta in Francia nel 1882 si è stabilito che la velocità del suono nell’aria è di 343 m/s.

SCHEDA ARDUINO E PROCEDIMENTO DI MISURAZIONE

Arduino è una scheda open-source cioè con licenza libera. È programmabile con microcontrollore e viene usata per scrivere e caricare codice informatico wiring (in linguaggio derivato da “C”) nella scheda stessa. è stata collegata la scheda Arduino al sensore HC-SR04, dotato di un altoparlante a infrasuoni, un microfono e un isolante. Per farlo sono necessari 4 cavi, uno da collegare al pin di alimentazione da 5V (volt), uno al pin GND, e a due pin di input-output a scelta.

Successivamente è stata collegata la scheda Arduino al PC tramite il cavetto USB. Prima di caricare il programma bisogna indicare sull’IDE di Arduino, la presenza della scheda Arduino e la porta seriale utilizzata. Per programmare la scheda Arduino si utilizza Arduino web editor, accessibile nel sito di Arduino nella sezione software, il che permette di immettere un codice, farlo eseguire e ricevere gli output. Per eseguire la misurazione porre l'altoparlante a una distanza prefissata da un ostacolo, per una migliore resa dell’esperimento l'ostacolo deve essere largo (in modo da riflettere tutte le onde emesse dalla scheda HC-SR04) e di un colore scuro (per evitare l’interferenza della riflessione della luce con quella del suono). Poi bisogna eseguire il codice, in questo caso la prima misurazione è stata a 10 cm, le seguenti ogni 10 cm fino ad arrivare a 60 cm, quindi 6 misurazioni. Procedendo allo stesso modo per tutte le misurazioni. I dati della distanza sono stati poi moltiplicati per due dato che l’onda sonora una volta generata andrà a urtare l’ostacolo e tornerà indietro dove il sonar la catturerà nuovamente; il tempo medio riportato in tabella si ottiene grazie all’interfaccia di arduino da cui si ottengono i singoli tempi di cui viene fatta la media per ogni distanza e il relativo errore tramite la deviazione standard;

CONCLUSIONE

Osservando i dati e il grafico possiamo notare che la proporzionalità diretta tra le due grandezze è verificata, ma l’intervallo di valori (357±7)m/s non comprende il valore reale (343 m/s), questo probabilmente perché man mano che la distanza fra il sensore e l’ostacolo aumenta il sistema diventa più suscettibile ad interferenze esterne come il colore dell’ostacolo, la sua dimensione ed eventuali rumori esterni, aumentando così le probabilità di errore.

Il contenuto di questa pagina è stato sviluppato dagli studenti e le studentesse che partecipano a LAB2GO, e viene pubblicato sotto la responsabilità delle persone (docenti, tutor) che hanno accompagnato le studentesse e gli studenti nel percorso.

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