Πού βρίσκεται το επιταχυνσιόμετρο στα κινητά τηλέφωνα;

Posted on 17/09/2018

0


Ένας χρήσιμος (αλλά και διασκεδαστικός) αισθητήρας που διαθέτουν τα σημερινά έξυπνα τηλέφωνα είναι αυτός που μετράει την επιτάχυνση – το επονομαζόμενο επιταχυνσιόμετρο.

Πώς λειτουργεί ένας τέτοιος αισθητήρας; Εν συντομία … Μια συνηθισμένη μέθοδος είναι η μεταβολή της χωρητικότητας πυκνωτών λόγω της επιτάχυνσης!

Σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα, όταν το τηλέφωνο επιταχύνεται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, τότε η μπλε διάταξη δονείται μεταβάλλοντας την απόσταση των οπλισμών των πυκνωτών που σχηματίζουν τα φύλλα του πυριτίου:

Η μετακίνηση του μεσαίου φύλλου μεταβάλλει την χωρητικότητα, άρα και το ηλεκτρικό φορτίο του πυκνωτή, προκαλώντας ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Από αυτές τις μεταβολές οι μηχανικοί μπορούν να προσδιορίσουν το αίτιο που τις προκάλεσαν, την επιτάχυνση του τηλεφώνου. Για περισσότερες λεπτομέρειες δείτε το βίντεο που ακολουθεί:

Όμως, το θέμα μας δεν είναι πως λειτουργεί το επιταχυνσιόμετρο … αλλά σε ποια θέση του κινητού μας τηλεφώνου εδρεύει ο αισθητήρας του επιταχυνσιομέτρου. Για παράδειγμα στην εικόνα που ακολουθεί βλέπουμε που ακριβώς βρίσκεται αισθητήρας της επιτάχυνσης … αν ανοίξουμε το κινητό τηλέφωνο:
Το ερώτημα που προκύπτει είναι: υπάρχει τρόπος να προσδιορίσουμε την θέση του επιταχυνσιομέτρου στο τηλέφωνό μας, χωρίς να το ανοίξουμε (δηλαδή χωρίς να το καταστρέψουμε);

Η απάντηση είναι καταφατική, αρκεί να εφαρμόσουμε τις γνώσεις που έχουμε σχετικά με την κεντρομόλο επιτάχυνση.

Ένα σώμα που εκτελεί ομαλή κυκλική κίνηση σε κύκλο ακτίνας r, έχει σταθερή συχνότητα f και κυκλική συχνότητα ή γωνιακή ταχύτητα ω=2πf. Παρά το γεγονός ό,τι το μέτρο της ταχύτητας στην περίπτωση αυτή παραμένει σταθερό, η κίνηση του σώματος είναι επιταχυνόμενη διότι μεταβάλλεται η κατεύθυνση της ταχύτητας. Την επιτάχυνση στην ομαλή κυκλική κίνηση την ονομάζουμε κεντρομόλο επιτάχυνση και το μέτρο της υπολογίζεται από την εξίσωση: α=ω2r.

Θα μπορούσαμε λοιπόν να θέσουμε σε ομαλή κυκλική κίνηση το τηλέφωνό μας με μια απλή διάταξη , όπως αυτή του παρακάτω σχήματος:

Υπάρχει ένας χάρακας που μετράει την απόσταση του κάτω μέρους του τηλεφώνου από το κέντρο του κύκλου και ένα εμπόδιο στο απέναντι άκρο, για να μην διαφύγει το τηλέφωνο από τον δίσκο προς τα έξω.

Θέτουμε το κινητό τηλέφωνο σε ομαλή κυκλική κίνηση. Το επιταχυνσιόμετρο θα μετρήσει την κεντρομόλο επιτάχυνση του τηλεφώνου, αλλά υπάρχει και εφαρμογή που μετράει και την γωνιακή ταχύτητα ω (π.χ. η εφαρμογή PhyPhox, τόσο για Android όσο και για iOS).

Μεταβάλλοντας την γωνιακή ταχύτητα ω, μεταβάλλεται και η κεντρομόλος επιτάχυνση α. Μπορούμε λοιπόν κάνοντας μερικές μετρήσεις να πάρουμε ένα διάγραμμα της επιτάχυνσης συναρτήσει του ω2, όπως το παρακάτω:

Αν γραφική παράσταση είναι ευθεία, μάλλον οι μετρήσεις μας είναι καλές. Η κλίση αυτής της ευθείας θα μας δώσει την απόσταση του αισθητήρα επιτάχυνσης του τηλεφώνου από το κέντρο του κύκλου. Η κλίση της παραπάνω ευθείας είναι 14,1 cm. Aυτή είναι η ακτίνα του κύκλου που διαγράφει ο αισθητήρας.

Δεδομένου ότι το μέσον της μικρής πλευράς του τηλεφώνου απέχει από το κέντρο 9 cm, συμπεραίνουμε ότι ο αισθητήρας απέχει απόσταση 5,1 cm περίπου από το κάτω μέρος του τηλεφώνου. Στην πραγματικότητα ο αισθητήρας μπορεί να βρίσκεται στο εύρος που σημειώνεται στην παρακάτω εικόνα, το οποίο είναι αρκετά μικρό.

Πρέπει όμως να βρούμε και την απόσταση του αισθητήρα από το πλαϊνό μέρος του τηλεφώνου (την μεγαλύτερη πλευρά).

Επαναλαμβάνουμε λοιπόν το πείραμα τοποθετώντας το τηλέφωνο έτσι ώστε η πλαϊνή πλευρά του να βλέπει προς το κέντρο του κύκλο (και το ευθύγραμμο τμήμα ΑΒ να είναι βρίσκεται στην ίδια ευθεία με το κέντρο του κύκλου). Το νέο διάγραμμα της κεντρομόλου επιτάχυνσης α συναρτήσει του ω2 φαίνεται στο επόμενο σχήμα:

Η κλίση της ευθείας είναι 17,7 cm. Τόσο απέχει, στην περίπτωση αυτή, ο αισθητήρας από το κέντρο του κύκλου. Με τον χάρακα βρίσκουμε ότι η απόσταση της πλαϊνής πλευράς του τηλεφώνου από το κέντρο είναι 15,9cm.

Συνεπώς, ο αισθητήρας απέχει από την συγκεκριμένη πλαϊνή πλευρά απόσταση 1,8 cm.

Iδού λοιπόν που βρίσκεται ο αισθητήρας του επιταχυνσιομέτρου στο συγκεκριμένο τηλέφωνο:

πηγή: https://www.wired.com/story/how-to-easily-locate-the-accelerometer-in-an-iphone/