Gymnasium. Forsøgsvejledning

Transkript

1 Gymnasium Forsøgsvejledning

2 Gymnasium Indhold Delforløb 1 Introduktion til CanSatBox Dataopsamling Lær CanSatBox at kende Delforløb 2 Design af CanSat og faldskærm Delforløb 3 Opsendelse og dataopsamling Delforløb 4 Databehandling Afslutning og feed back CanSatBox er udviklet hos Naturvidenskabernes Hus i 2013 som et led i SMILEprojektet. Forsidebilleder: apod.nasa.com, nasa.gov og CanSatBook samt Naturvidenskabernes Hus Forsøgsvejledning

3 Gymnasium Delforløb 1 A: Introduktion til CanSatBox Med CanSatBox kan du og din klasse eksperimentere med mange elementer af gymnasiets fysik B (og fysik A). I forløbet sender du en hjemmelavet satellit højt op i luften ved hjælp af en trykluftkanon eller en heliumballon. Satellittens sensorer måler tryk, temperatur og acceleration, mens den bevæger sig op og siden falder ned i en faldskærm, indtil den lander på jorden. I CanSatforløbet designer du satellitten og evt. en god faldskærm, så den sikres at folde sig ud inden satellitten rammer jorden. Med en smartphone/tablet/computer opsamler du data fra satellitten fra CanSat Box, en jordstation som udsender et trådløst signal til omgivelserne (maks 15 satellitter). Data hentes let via en browser, hvorefter de opsamlede data kan efterbehandles i klassen i et vedlagt regneark. Hvad er CanSat? CanSat er en forkortelse for dåsesatellit: Ordet er sammensat af Can engelsk for sodavandsdåse og Sat for satellit. Inde i sodavandsdåsen placeres en såkaldt Arduino, et elektrisk kredsløb med sensorer, der via et radiolink sender sensordata til en modtager hvorefter du kan efterbehandle data for temperatur, tryk og acceleration og arbejde med bevægelseslære, tryk, tyngdekraft, opdrift, måleusikkerhed og fx også A/Dsignaler og sensorteknologi. I modsætning til en satellit er det meningen med CanSat en, at den falder ned mod jorden efter opsendelse, hvor en satellit gerne skulle forblive i kredsløb om jorden. CanSats kan sendes op på forskellige måder eller kan fx kastes ud fra et tårn eller et højt hus. I denne vejledning beskrives opsendelse med trykluftkanon (helium)ballon, hvorefter CanSat en falder ned i en faldskærm, der gerne skulle være udløst undervejs. CanSatkonceptet En standard CanSat består som minimum af en mikroprocessor, et radiolink, en strømkilde (9 V batteri) samt en tryk og temperatursensor samt et accelerometer. I toppen af CanSat en kan monteres en faldskærm, og dens formål er at bringe en CanSat tilbage til jorden med en hastighed mellem 8 og 12 m/s. CanSatkonceptet går ud på, at hverken rumfang eller vægt må overstige en standard sodavandsdåse, der kan fyldes fyldt med 33 cl vand: dvs. den tilladte maksimalvægt er 330 g. Arduinoen skal monteres på en robust plade, som kan tåle presset fra en hård opsendelse. Faldskærmen skal være forbundet til pladen, ikke dåsen, og dåsen er blot et skjold til beskyttelse af elektronikken mod direkte stød. Forsøgsvejledning

4 Gymnasium Arduinoerne i CanSatBox er allerede monteret på aluminiumsplader med påsatte øjer som I kan ophænge faldskærmen i. Faglige forudsætninger Enten har du lært om de følgende fysiske begreber, eller også bruger læreren CanSatforløbet som udgangspunkt for, at klassen kommer ind i det faglige stof: Tryk Kinematik og dynamik Varmelære, tryk Jordens fysik (atmosfæren) Ellære, analoge og digitale signaler Fejltolerancer og måleusikkerhed Luftens tryk Atmosfæren er overalt rundt omkring os, dens tynde luftlag omgiver hele planeten i en tynd kugleskal. Atmosfæren består primært af kvælstof (78 %) og ilt (21 %). Den resterende 1 % består af vanddamp, kuldioxid og andre gasser. Jordens atmosfære består af forskellige lag, som hvert har forskellige egenskaber (temperaturer, tryk, sammensætning mm). CanSat en bevæger sig i atmosfærens nederste lag, troposfæren. Dette lag indeholder 80 % af atmosfærens samlede masse, og strækker sig til omkring 10 kilometers højde. Det meste dagligdagsvejr som vi observerer finder sted troposfæren (vind og skyer fx). Trykket i luften afhænger af hvor højt man er over jordoverfladen. Ligesom alt andet stof, påvirkes luften af jordens tyngdekraft og trykkes sammen, jo tættere den er på jordens overflade. Trykket er derfor højest ved jordens overflade, og det falder med afstanden fra jordskorpen og ud mod det tomme rum. Ved en højde på op til meter kan forholdet mellem tryk og højde betragtes som lineært. Ved ca meters højde er trykket faldet ca. 10 kpa, hvilket giver et trykfald på 0,1 Pa/m. Dog er sammenhængen mellem tryk og højde afhængig af temperaturen T. Til sammenligning er det normale atmosfæretryk/standardtrykket et konventionelt tryk på på p0 = 101,23 kpa (= 1 atm.). Sammenhængen mellem tryk og højde over jorden kan udtrykkes ved hjælp af formlen: Her er h = højden [m] h0 = højden over havets overflade (starthøjde) [m] Forsøgsvejledning

5 Gymnasium T0 = Starttemperatur ved jordoverfladen [K] a = Temperaturgradient = 0,0065 K/m p = Tryk [kpa] p0 = starttryk ved jordoverfladen [kpa] R = Gaskonstanten = 287,06 J/kg*K g = Tyngdeaccelerationen = 9,82 m/s2 Ud fra CanSat ens målinger af tryk, kan vi altså komme med et bud på hvor højt CanSat en er over jorden. På figuren til højre ser I et diagram over de atmosfæriske lag over jordens overflade. Diskuter, hvor langt I forventer, at CanSat en kommer op i diagrammet til højre. Forsøgsvejledning

6 Gymnasium Acceleration Når man matematiske skal beskrive en bevægelse af et fysisk objekt, som kan bevæge sig i tre dimensioner, er der brug for et koordinatsæt bestående af tre koordinater: x, y og z. Accelerationen a består af tre bidrag fra henholdsvis x, y og zakserne: ax, ay og az. Størrelsen, eller den numeriske værdi, af accelerationen, er derfor givet ved Pythagoras i tre dimensioner:, hvilket omskrives til den numeriske værdi for accelerationens størrelse. I det medfølgende regneark beregnes accelerationens størrelse efter denne metode. Accelerationen måles i det tredimensionale rum, og CanSat ens accelerometer måler derfor accelerationen i de tre akser, x, y og z. Sensoren kan for hver akse måle et område mellem +/ 1,5 G (1 G svarer til tyngdeaccelerationen ved jordens overflade, dvs. 9,82 m/s2).1 Temperatur Den fysiske størrelse, temperatur, kan måles i forskellige skalaer, fx grader Celcius ( C), Fahrenheit eller kelvin. SIenheden for temperatur er kelvin, og i naturvidenskabelige og teknologiske sammenhænge benyttes kelvinskalaen (og ikke C). I luft og gas er temperaturen et mål for den gennemsnitlige bevægelsesenergi i gassens molekyler. Temperaturforskellen 1 K er lig med temperaturforskellen 1 C, men skalaernes udgangspunkt er forskellige. Celcius nulpunkt er vands frysepunkt (0 grader Celcius), hvor kelvinskalaen begynder ved det absolutte nulpunkt, hvor atomer og molekyler ikke er i 1 Sensoren kan i øvrigt indstilles til at måle +/ 6 G. Forsøgsvejledning

7 Gymnasium bevægelse. Det er den lavest tænkelige temperatur, og der findes derfor ikke negative kelvin. 0 K = 273,15 C (dvs. man omregner fra C til kelvin således: x [ C] = x + 273,15 [kelvin]). Faldskærmens fysik Før vi kan sende CanSat en op i luften, er I nødt til at lave en faldskærm, der er stor nok, så CanSat en får en blød landing for at beskytte arduinoen. Det virker logisk, at jo større faldskærmen er, des langsommere vil CanSat en falde. Men hvis den svæver alt for langsomt, er der risiko for, at vinden kan trække den mange hundrede meter væk fra opsendingsstedet, og det bør undgås. Det rette areal skal derfor beregnes, så CanSat en hverken daler for hurtigt eller for langsomt. Der er to kræfter, der virker på CanSat en. Tyngdekraften, Fz, trækker nedad i dåsen og accelererer den mod jorden. Trækkraften, Fw, forårsaget af mødet mellem faldskærm og luft vil via faldskærmens snore trække den modsatte vej i CanSat en, væk fra jorden, og sænke faldhastighedens størrelse. De to kræfter vises i figuren nedenfor. Når CanSat en er skudt af sted, vil tyngdekraften forårsage en nedadrettet acceleration. Efter nogle sekunder vil trækkraften fra faldskærmen opnå ligevægt med tyngdekraften. Herefter vil den samlede acceleration være lig nul, og CanSat en vil falde med en konstant fart. Erfarne CanSatfolk har fastsat en nedre grænse for størrelsen af denne konstante faldhastighed, nemlig 8 m/s. Den øvre grænse er sat til 12 m/s. Forsøgsvejledning

8 Gymnasium Tyngdekraften er givet ved Fz = mg, hvor m = CanSat ens masse inklusive alt indhold (uden faldskærm), og g er tyngdeaccelerationen på 9,82 m/s2. Trækkraften er givet ved Her er A = faldskærmens totale areal cw = Trækkoefficienten for faldskærmen. Denne værdi afhænger af faldskærmens fysiske form ρ = Luftens lokale tæthed, som antages at være konstant: ρ = 1,225 kg/m3 v = Størrelsen af CanSat ens faldhastighed Givet en ønsket fart, v, kan I beregne det nødvendige areal, ved at sætte de to kræfter lig med hinanden og isolere A. Øvelse: Find arealet udtrykt ved den ønskede fart. Hvis der afsættes tid til design af faldskærme, kan du eksperimentere med forskellige typer og størrelser. Der findes inspiration på internettet.2 I materialekassen har vi to typer faldskærme, som sikrer CanSat en et roligt fald fra banens toppunkt. Analog digital konvertering Sensorernes målinger af de fysiske størrelser omsættes til spænding, typisk mellem 0 og nogle få volt. Eksempelvis omsætter tryksensorerne trykmålingerne til en spænding på mellem 0 og 5 Volt, hvor 0 V svarer til det mindste tryk og 5 V svarer til det højeste tryk. Denne spænding 2 Se fx her, hvordan du laver en korsformet faldskærm: Forsøgsvejledning

9 Gymnasium oversættes så til et binært tal i Arduinoens analogdigital konverter. Da det er en 10bit konverter bliver resultatet et sted mellem 0 og 1023 (210 er 1024 muligheder, men en af disse skal bruges til værdien 0, så derfor er det højeste binære tal vi kan få 1023). Det binære tal sendes så til radiomodtageren, som oversætter den til en talværdi for det tilsvarende tryk (ud fra oplysninger om hvilken spænding der svarer til hvilket tryk for den givne trykmåler). Også accelerometeret og temperatursensoren fungerer på lignende måde mht. konvertering af analoge til digitale talværdier. I er nu klar til at læse vejledningen om Dataopsamling. Forsøgsvejledning

10 Gymnasium Delforløb 1 B: Dataopsamling med CanSatBox CanSatBox er en materialekasse, der kort sagt indeholder en jordstation og alle 15 CanSats. Jordstationen på fotoet nedenfor består af en lille, prisbillig minicomputer, en Raspberry Pi, der udsender et accesspoint (øverst til højre) en arduino, der kun måler data for jordniveau (øverst til venstre). Denne arduino er i øvrigt udstyret med en GPS og et ur, der sender tiden til Raspberry Pi. 15 USBporte (den hvide boks med blåt lys) med 15 radiolinks (antenner, de røde lysdioder) isat. De 15 radiolinks modtager hver især data fra de op til 15 respektive CanSats. Data opsamles af Raspberry Pi, som er programmeret til at gøre data tilgængelige for alle, der er koblet til det trådløse netværk. Find CanSatBox accesspoint 1. Find det trådløse netværk NvHusGND 2. Tilgå WIFIhotspot med en browser (indtast URL: ) på en smartphone, tablet eller bærbar computer. Forsøgsvejledning

11 Gymnasium Forside og løbende log- data vist i standardbrowseren på en iphone. I højre side af browseren ser du navigationen, hvor du finder data for alle CanSats. Navigation Her kan du læse om baggrunden for CanSatBox About Modtager Her kan du se Information om alle kørende CanSats Vis alle kørende Jorddata for CanSatBoxens fastmonterede arduino i jordniveau NvHus GND Data Alle kørende CanSats logdata Kørende log data Tidligere logs Finde elevvejledninger og baggrundsinformation om CanSatBox Alt det praktiske: Test control. Alt det praktiske Her kan du se Kom i gang med dataopsamling Op til 15 grupper kan arbejde med hver sin CanSat. Det er bedst med mindst 2 personer i hver gruppe. Fordel jer i grupperne og gå i gang: 1. Start med at finde og diskutere data fra jordstationens arduino. 2. Tilkoble 9V batteri samt radiolinks på det antal arduinoer, som skal puttes i dåser (115 stk.). 3. Identificer jeres CanSat. Det kan gøres ved fx at flytte på CanSat ens orientering mens alle andre CanSats holdes stille og samtidig aflæse de løbende værdier for acceleration i x, y og z retningen. På denne måde kan I finde den CanSat, hvor værdierne ændrer sig. 4. Find ud af, hvilke kolonner, der indeholder hvilke typer data (tid, tryk, temperatur, acceleration). Forsøgsvejledning

12 Gymnasium 5. Find en måde at gemme jeres loggede data, fx ved at kopiere alt i browservinduet og sende det til jer selv på mail (tablet) eller ved at gemme data i en excellfil (bærbar computer). Nu er I klar til næste del i Delforløb 1: Lær CanSatBox at kende. Forsøgsvejledning

13 Gymnasium Delforløb 1 C: Lær CanSatBox at kende Forudsætninger for disse indledende øvelser med arduinoen er, at du har fået arduinoen i CanSat en til at fungere og måle, og at du kan modtage data fra CanSat en samt overføre dem til fx et regneark (se dataopsamling ovenfor). På fotoet øverst til højre ser du tryksensor og temperatursensor, som er loddet fast på Arduinoen. Fotoes derunder viser hele arduinoen med radiolink (antenne). Vær opmærksom på, at CanSatantennens rækkevidde er omkring nogle få hundrede meter. Måling af temperatur I CanSat en sidder der to forskellige temperatursensorer. I princippet forventer vi at de to sensorer måler det samme, men der er stor forskel på hvor hurtigt det går. Desuden kan vi ikke være sikre på, at termometrene er korrekt kalibrerede. De kan både vise for høj eller for lav temperatur. Del 1: Undersøg kalibreringen Celsiusskalaen er defineret ud fra vands frysepunkt (0 C) og kogepunkt (100 C). Derfor kan man kontrollere et termometer ved at se hvad det viser, når det er i isvand eller i kogende vand (strengt taget skal man også kontrollere trykket, men det ser vi bort fra her). Desværre kan elektronikken i en CanSat ikke tåle vand, så vi kan ikke direkte undersøge de to temperaturfølere på den måde. I stedet skal man bruge et af skolens termometre, som kan tåle vand samt temperaturer på 0 og 100 grader Celcius. 1. Se, hvad termometret viser, når det anbringes i hhv. isvand og kogende vand. 2. Noter hvilke temperaturmålinger I får ved de to målinger og vurder termometerets præcision. 3. Nogle digitale termometre kan faktisk kalibreres, så de kommer til at passe bedre. I kan evt. foretage denne kalibrering og gentage målingen. Forsøgsvejledning

14 Gymnasium 4. Lad CanSat en stå tændt ved stuetemperatur i så lang tid, at temperaturmålingerne er konstante, og sammenlign tallene med skolens termometer. 5. Er der forskel på de to tal fra CanSat en? Hvordan er de i forhold til skolens termometer? Del 2: Undersøg reaktionshastigheden på CanSat ens temperaturfølere 1. Sæt CanSat en til at måle. Anbring den i et køleskab, f.eks. i 10 minutter. Tag den ud igen mens den stadig måler. Afslut efter fx 10 minutter. 2. Overfør data for temperaturmålingerne og lav en graf med tid ud ad xaksen og temperatur op ad yaksen for hver af sensorerne (gerne i samme koordinatsystem). 3. Forklar, hvad du ser på graferne. 4. Hvor gode er sensorerne egentlig, når man tænker på, at deres formål i CanSat en er at måle luftens temperatur i forskellige højder, mens CanSat en falder frit? Måling af acceleration I CanSat en sidder en tredimensionel accelerationsmåler. 1. Start CanSat en og se hvordan de tre accelerationsmålinger ændrer sig, når man bevæger CanSat en, og fx placerer den fladt vandret, lodret og på siderne. 2. Undersøg hvilken måling, der hører til hvilken retning på CanSat en (vink: i hvile skal der selvfølgelig være en tyngdeacceleration, g, rettet mod jordens centrum). 3. Hvis man skal beregne den samlede acceleration, skal man bruge Pythagoras i tre dimensioner (ligesom når man finder afstand mellem to punkter i matematik, nu bare i tre dimensioner). Enheden for acceleration er m/s2. Dvs. at den samlede acceleration er givet ved (læs evt. Introduktionen): asamlet2 = ax2 + ay2 + az2 4. Lav et regneark med de opsamlede data og beregn den samlede acceleration som funktion af tid (brug fx det medfølgende regneark i CanSatBox, hvis I får problemer med formlerne i regnearket). En smartphone har også et accelerometer. Det er derfor, telefonen selv kan regne ud, hvilken vej du vender den. Man kan downloade gratis apps, der viser målingerne fra accelerometeret, (fx Acceleration til iphone eller Accelerometer eller Androsensor til Android). Søg på accelerometer eller acceleration i Googleplay eller App store. De bedste apps kan selvfølgelig også sende data videre, så man kan lave en graf i et regneark eller lignende. Man kan lave mange forskellige forsøg med accelerometeret både i CanSat en og smartphones. Forsøgsvejledning

15 Gymnasium Del 1: Måling med elevator Hvis der en elevator, kan du undersøge start og slut acceleration. Sæt CanSat en til at køre og start elevatoren. Husk at holde CanSat en i samme position inde i elevatoren hele tiden (helst parallelt med en af accelerometrets tre akser, så man altså måler hele accelerationen på den retning). Alternativt, stil den på gulvet. 5. Lav både en måling for en tur op og en tur ned. Du skal bagefter huske at trække tyngdeaccelerationen g fra den samlede acceleration, og så kan man lave grafer for accelerationen som funktion af tiden. Bemærk at man så regner accelerationen positiv, når den er nedadrettet og negativ når den er opadrettet. Ofte vil man hellere have det omvendt, og så skal man i stedet trække den samlede acceleration fra tyngdeaccelerationen. Det kan være en fordel at have opadrettet acceleration positiv når elevatoren går opad, og nedadrettet acceleration positiv når elevatoren går nedad, så man skal altså trække den samlede acceleration fra g, når bevægelsen er modsatrettet tyngdekraften (elevatoren går opad). Hvis bevægelsen er i samme retning som tyngdeaccelerationen, skal man trække g fra den samlede acceleration. 6. Hvordan ser graferne ud. Forklar deres udseende. 7. Er der forskel på hvordan elevatoren starter og hvordan den slutter.? 8. Er der tydelig forskel på om elevatoren går op eller ned? Man får hastigheden ved at integrere accelerationen mht. tiden. Dette kan gøres ved at finde arealet under kurven fra nul på xaksen til det ønskede tidspunkt. Man kan sætte sit grafprogram til at finde arealet under accelerationskurven frem til accelerationen bliver nul, eller man kan gøre det selv ved at skønne arealet ved hjælp af tilnærmede firkanter og trekanter. Derved får man et bud på elevatorens hastighed på det tidspunkt hvor accelerationen bliver nul og elevatoren altså har nået sin standardhastighed. Husk at måleusikkerheden opsummeres ved integrationen, så resultatet bliver ret usikkert. 9. Find elevatorens hastighed. 10. Undersøg om hastigheden er den samme på vej opad som på vej nedad. Del 2: Måling uden elevator Hvis du ikke har en elevator, kan du i stedet lave forsøg med fx en bil eller en cykel. Her er det dog lidt vanskeligere at korrigere for tyngdeaccelerationen, men hvis du kører på en lige strækning og sørger for at placere CanSat en, så dens ene måleakse er parallel med tyngdekraften (vender lodret ned), kan man korrigere for tyngdeaccelerationen på denne delacceleration. Du skal sikre dig at tyngdeaccelerationen måles positivt på denne akse Forsøgsvejledning

16 Gymnasium (CanSat en skal vendes om, hvis den bliver negativ), og så skal man bare trække g fra denne delacceleration, inden man beregner den samlede acceleration. Måling af tryk Tryksensoren i CanSat en kan måle luftens tryk, p, fra ca. 15 kpa til 115 kpa. Tryk måles i Pascal (Pa). Ud fra CanSat ens målinger af tryk, kan vi altså komme med et bud på hvor højt CanSat en er over jorden. Eksperiment 1. Sæt CanSat en til at måle mens den befinder sig ved jordoverfladen, og noter trykmålingerne. De svinger sandsynligvis en lille smule, hvilket først og fremmest skyldes, at de binære signaler ligger og svinger en enkelt bit. 2. Omregn til højde over jordoverfladen ved at sætte den laveste trykmåling til at være trykket ved jordoverfladen. Husk at måle temperaturen, som skal indsættes i beregningerne. 3. Hvor stor er usikkerheden på højdemålingerne? Den store usikkerhed skyldes ikke at sensoren er upræcis, men at vi kun udnytter en lille smule af dens måleområde. Når spændingerne omsættes til binære data mellem 0 og 1023 er det kun nogle få af disse tal vi udnytter, og det gør målingerne mindre præcise. Man kan sammenligne det lidt med, når man zoomer ind på et digitalt billede. Selvom det oprindelige billede er fint og skarpt, så vil man kun kunne se små firkanter når man zoomer langt nok ind. I vores forsøg svarer vores målinger til at vi har taget en fint landskabsbillede med et godt kamera, men det vi er interesseret i er så småt, at man skal zoome alt for meget for at kunne se det tydeligt. 4. Tag CanSat en med op til det højeste sted på skolen og det laveste sted på skolen, og beregn højdeforskellen ud fra trykmålinger de to steder. 5. Hvis skolen har en luftpumpeklokke, som man kan trække luften ud af (mest kendt fra flødebolleforsøg), kan man sætte CanSat en ind i denne og måle, hvor langt ned man kan få trykket. Trykket i kammeret kommer meget tæt på 0 Pa, så dette er mere en kontrol af nulpunktet for kalibreringen. Næste aktivitet er Delforløb 2 om design af CanSat og faldskærm. Forsøgsvejledning

17 Gymnasium Delforløb 2: Design af CanSat og faldskærm 1. Design af CanSat Der er risiko for, at snoren, der forbinder faldskærmen med dåsen trækkes over, hvorefter dåsen vil skydes uhindret op i luften og desværre også vil falde uhindret ned igen med et brag. Det har elektronikken ikke godt af. Et godt design af udløsermekanismen til faldskærmen er derfor vigtig. Og du kan udnytte CanSat ens egen bevægelse for at få det til at lykkes. For at give CanSat en et fornuftigt forløb, mens den er i luften, er det vigtigt, at du sikrer en god vægtfordeling. Mens CanSat en skydes ud ad røret i trykluftkanonen, vil en tung spids foran dåsen presses ned mod dåsens øverste ende. Og hvis der under denne spids gemmer sig en grundigt pakket faldskærm, vil faldskærmen ikke folde sig ud med det samme, men i princippet først, når dåsen nærmer sig banens toppunkt. Her vil spidsen så knække ud til siden, hvorved faldskærmen vil folde sig ud. Spidsen bør have et lod på omkring 100 g og være forbundet robust med dåsen. Kraftig tape og en sikkerhedssnor er tilstrækkeligt. I eksemplet på fotoet ovenfor er brugt meget tape, fordi elektronikken skulle beskyttes ekstra meget, da CanSat en blev skudt af sted rigtig mange gange på én dag for at teste en stabil udløsermekanisme. Det kegleformede låg på billedet er lavet af bøjeligt plastik 34mm, og er lavet således det passer nøjagtig ned på den cylinderformede top. Dog er der klippet tilstrækkeligt materiale af til at antennen kan pege ugeneret lodret op. Låget er monteret med 30mm bredde tapestykker, på både indvendig og udvendig side. Låget har monteret en sikkerhedsline af murersnor fra låget og ned til resten af dåsen. Låget har monteret et 100 gram lod i toppen for at give så meget vægt som muligt forrest i dåsen. Forsøgsvejledning

18 Gymnasium Låget har monteret en hagerem, som har til funktion at hjælpe med at få faldskærmen foldet ud når låget vipper op. På CanSat Youtubeplaylisten for CanSat kan du se et par klip, der viser faldskærmen folde sig ud.3 2. Design af faldskærm I CanSatBox er der to typer faldskærme, men I kan selv designe jeres egen faldskærm. Der skal afsættes megen tid til at lave sin egen faldskærm, og ud over tyndt stof og dragesnor samt øjer at binde den fast i, har du brug for en symaskine til at sy en fold rundt langs kanten på skærmen, så den ikke rives itu. Find inspiration i The CanSat Book, som er tilgængelig online (på engelsk).4 Nedpakning af faldskærm Der er mange måder at folde en faldskærm på, og med de små størrelser, der bruges til CanSat er betydningen måske begrænset. Alligevel er erfaringen, at en fornuftig sammenfoldning giver det bedste resultat. Dåsen pakkes med faldskærmen således at alt snoren presses ned i det halvdåsestore hulrum modsat arduinoen, mens falskærmen foldes som på denne video: Faldskærmen skal så vidt muligt være i toppen af dåsen, og IKKE nede i hulrummet sammen med snoren, da dette besværliggør dens udbrud fra dåsen. Design af udløsermekanisme For at sende CanSat en op med en ballon, er det vigtigt, at I kan styre tidspunktet for, hvornår CanSat en skal udløses og slippe ballonen, så I kan måle data mens CanSat en daler roligt ned i sin faldskærm. 3 goo.gl/n41fmn (15. August 2013, Naturvidenskabernes Hus). 4 Forsøgsvejledning

19 Gymnasium En lavpraktisk løsning kan være en pap eller plasticcylinder, men to diagonale huller tæt på bunden, gennem hvilke I fører en træpind, et par strips eller andet, som kan bindes til en snor og sættes i de to huller, diagonalt tværs gennem den cirkel, som cylinders tværsnit udgør. Inden pind/strips lukker for cylinderens bund, placeres først faldskærmen, og derunder den fastgjorte CanSat. På denne måde vil først CanSat en dumpe ud af cylinderen, efter pind/strips trækkes væk, og CanSat en vil let trække faldskærmen med sig ned i jordens tyngdefelt. I skal således styre to lange snore, når I skal sende CanSats op med ballon. En snor til at fire ballonen op, og en snor til at udløse CanSat en. Nu er I klar til Delforløb 3: Opsendelse af Cansats (og dataopsamling vha. CanSatBox). Forsøgsvejledning

20 Gymnasium Delforløb 3: Opsendelse og dataopsamling Opsendelse og sikkerhed Din lærer vil oplyse jer om vigtige sikkerhedshensyn, som skal tages yderst alvorligt! Trykluftkanon Start med at skyde en tom halvliters plasticflaske op i luften ved 2 bar (kanonens maksimalt tryk er 4 bar). Ret affyringsvinklen til og sikre jer, at nedslagspunktet er sikkert og langt fra personer, dyr, bygninger og biler! Dernæst fyld flasken halvt op med vand, skru låget på, og prøv igen, ved samme affyringstryk på 2 bar. Noter dig nedslagspunktet. Tag bestik af vinden. Når faldskærmen folder sig ud over CanSat en, vil vinden trække i hele objektet, og du skal korrigere for denne mulige bevægelse, inden du affyrer CanSat en med faldskærm. Affyringstryk på 2 bar er rigeligt til at få din CanSat op i 50 meters højde. 1. Jordtest Forsøget foregår på jorden for at sikre, at CanSatbox en virker, samt for at opsamle sensordata i jordniveau. Men også for, at du kan vurdere kvaliteten af dine data ved at sammenligne CanSat ens sensordata med medbragte temperatur, tryk og accelerationsmålere. Dette er et godt udgangspunkt for en diskussion af sensorerne og deres målenøjagtighed og kalibrering, og dermed som basis for en vurdering af sensorernes datavaliditet. Temperaturtest: Sammenlign med andet måleudstryr, fx Pasco ved samme position. Tryktest: Sammenlign direkte med andet måleudstyr, fx Pasco ved samme position. Accelerometertest: Vend Can sat en tre gange, først så xretningen peger mod jorden og noter accelerationen. Herefter gentages med y og zretningen. Samme procedure kan samtidig laves med et Pascoaccelerometer for at kunne sammenligne data. Dataopsamling ved brug af trykluftkanon Efter jordtesten er I klar til at logge flere dataserier, som I skal huske at gemme. Forsøgsvejledning

21 Gymnasium Hvis I ikke arbejder direkte på en bærbar computer, men opsamler data via en mobilenhed som en smartphone eller en tablet, så send dataserierne. Gem dem eventuelt i en tekst applikation, så I har dem til senere. En mulighed er også at kopiere hver dataserie og indsætte den i en e, som I så sender til jer selv. Når I vurderer, at I har tilstrækkelige dataserier, kan I forsøge opsendelse med ballon (se nedenfor) eller gå videre til delforløb 4 om databehandling, som foregår i klassen. Opsendelse med ballon Opsendelse af CanSat med ballon er en mere rolig og knapt så voldsom ved CanSat en, som når den skydes ud med en kanon. Vær forsigtig med dragesnorene, når I firer ballonen op i luften, og bind enden af snoren fast til noget tungt inden I går i gang ellers risikerer I at miste ballonen for altid! Det er en god idé at I har afprøvet udløsermekanismen (se delforløb 2), så I ved, at det virker. Når I vurderer, at I har tilstrækkelige dataserier, kan I gå videre til Delforløb 4: Databehandling, som foregår i klassen. Forsøgsvejledning

22 Gymnasium Databehandling Naturvidenskabernes Hus har forberedt et regneark, som ligger i linkboksen til højre. Regnearket findes også på jordstationens computer, og kan hentes via browseren og fx sendes via en smartphone til din adresse, så du kan arbejde med data på en computer eller bare hentes ned på skrivebordet, hvis du tilgår CanSatBox med en computer, der er logget på det trådløse netværk (se under dataopsamling). Skærmbillede af regnearket, hvor CanSat ens data er hentet ind fra den logfil, som blev sendt fra jordstationen til din smartphone/tablet/computer. Dataserien viser en CanSat, der ikke bevæger sig (a = konstant, fod med variation). Du kan se variationen i sensorernes datalogging, hvilket er et udtryk for måleusikkerhed. Den grønne kolonne til højre viser den beregnede størrelse af den samlede acceleration, den numeriske værdi af a, som noteres a. På baggrund af jeres dataserier kan I, i klassen, blandt andet diskutere Forsøgsvejledning

23 Gymnasium måleusikkerheder højdetryksammenhæng (se nogle grafer nedenfor, hvor der er opnået stor højde) accelerationsværdier sammenholdt med jordværdien Sammenligning af accelerationsforløbet over tid under opsendelse med hhv. trykluftkanon og ballon temperaturudsving Sammenlign data på tværs af grupper og diskuter forskelle og ligheder, trods forskellige i fx designs af CanSats. Figur: Flyvedata fra raketaffyring ved Borris ved Viborg Tekniske Gymnasium. 1) (tid [s], tryk [kpa])graf og 2) (tid [s], højde [m])graf. Her er højden beregnet med basis i data fra den første dataserie til venstre. Det fremgår, at trykændringen ved højder under 100 m er begrænsede. Men de kan dog måles! Afslutning og feedback Pak hele boksen ned, som da I åbnede den. Hvis noget er gået i stykker, så vis det til underviseren. Dette kan nemt ske under så høje tryk fra kanonen, og særligt hvis faldskærmen ikke folder sig ud, er der risiko for, at CanSat en eller arduinoen inden i kan udsættes for skade. Arduinoer er ikke billige, så derfor er det vigtigt, at der er styr på eventuelle skader, inden CanSatBox returneres til Naturvidenskabernes Hus. Diskuter meget gerne med jeres lærer, hvad I har lært af forløbet, og hvad var bedst samt hvad der kunne have været bedre i CanSatBoxundervisningsforløbet. I øvrigt kan I diskutere, hvad I eventuelt selv kunne have gjort bedre generelt, eller fx i jeres design af CanSats og faldskærme samt udløsermekanismen, og eventuelle idéer til forbedring af holdbarhed. Alle jeres input er vigtige for os i Naturvidenskabernes Hus, og I er velkomne til at give os konstruktiv feedback på kontakt@nvhus.dk. Forsøgsvejledning