Вимірювання висоти за атмосферним тиском

Завдання роботи:

Виміряти висоту, що відповідає верхньому поверху багатоповерхової будівлі відносно Землі.

Обладнання:

– плата Arduino Nano 33 BLE Sense;
– макетна плата;
– перемички;
– вимикач;
– гальванічні елементи живлення;
– тримачі елементів живлення;
– кабель USB – micro-USB;
– смартфон з ОС Android;
– ПК.

Основні терміни та поняття

Тиск газу – Гідростатика та аеростатика АТМОСФЕРНИЙ ТИСК, ЙОГО ВИМІРЮВАННЯ – ЕЛЕМЕНТИ МЕХАНІКИ РІДИН ТА ГАЗІВ

Теоретична частина

Рис. 1. Приклад побудови автономного цифрового вимірювального комплексу (ЦВК)

Рис. 2. Схема підключення автономного живлення до плати Arduino Nano 33 BLE Sense

Відомо, що атмосферний тиск зменшується зі зростанням висоти над поверхнею Землі. На цьому явищі ґрунтується принцип дії авіаційних висотомірів. Висота над поверхнею Землі, що відповідає зменшенню тиску на 1 мм. рт. ст. = 133,32 Па, дорівнює у середньому 10,5 м. Отже, зміна тиску при збільшенні висоти дорівнює 133,32/10,5 = 12,7 Па/м.

Якщо відома зміна атмосферного тиску ∆р за невідомої зміни висоти перебування над рівнем Землі, то цю висоту можна визначити за формулою:

h=Δp/12,7. (1)

У цій роботі пропонується провести вимірювання висоти, що відповідає верхньому поверху багатоповерхової будівлі відносно Землі. Це може бути ваш будинок, будівля вашої школи і т.п. Для цих вимірювань зручно скористатися цифровим вимірювальним комплексом (ЦВК) на Arduino Nano 33 BLE Sense з автономним живленням.

Хід роботи

1. Створіть ЦВК відповідно до методики «Цифровий вимірювальний комплекс на Arduino Nano 33 BLE Sense (варіант 2)».
2. Складіть автономний ЦВК відповідно до схеми на рис. 2, керуючись також рис. 1.
3. Візьміть із собою ЦВК і смартфон та вийдіть на верхній поверх будівлі, в якій ви перебуваєте.
4. Увімкніть живлення ЦВК.
5. На смартфоні у додатку Phyphox у розділі Arduino Nano 33 BLE Sense оберіть Pressure та під’єднайтеся до ЦВК по Bluetooth.
6. У мобільному додатку Phyphox натисніть «Запис», прогуляйтеся сходами або ліфтом до нижнього поверху та вийдіть на вулицю, після чого знову поверніться на верхній поверх.
7. Завершіть реєстрацію даних та збережіть експеримент. Приклад отриманого графіку зміни атмосферного тиску зображено на рис. 3.

Рис. 3. Приклад запису даних зміни атмосферного тиску під час прогулянки сходами з п’ятого поверху і назад

Аналіз даних

1. Відкрийте у додатку Phyphox збережений експеримент.
2. Натисніть «Вибір даних».
3. Визначте зміну атмосферного тиску ∆р, встановивши маркери на ділянках графіка, що відповідають перебуванню на поверхні землі та на верхньому поверсі (рис. 4). Переведіть значення з кПа у Па.
4. За формулою (1) розрахуйте висоту, що відповідає верхньому поверху.

Рис. 4. Приклад визначення зміни тиску у додатку Phyphox