Вимірювання висоти за атмосферним тиском

Avatar
Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

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.

Теоретична частина


Рисунок 1 – Приклад побудови автономного цифрового вимірювального комплексу (ЦВК)

Рисунок 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 при невідомій зміні висоти перебування над рівнем Землі, то цю висоту можна визначити за формулою:

h=Δp/12,7. (1)

В даній 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 у відповідності до методики «Цифровий вимірювальний комплекс на Arduino Nano 33 BLE Sense (варіант 2)», розміщеної на ресурсі https://stemua.science/.
2. Складіть автономний ЦВК у відповідності до схеми на рисунку 2, керуючись також рисунком 1.
3. Візьміть з собою ЦВК і смартфон і 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» та 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 рисунку 3.


Рисунок 3 – Приклад запису даних зміни атмосферного тиску при прогулянці сходами з п’ятого поверху і назад

Аналіз даних

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


Рисунок 4 – Приклад визначення зміни тиску у додатку Phyphox