Fizika – Modern fizika
KÍSÉRLETEK A NINTENDO WII-VEL EXPERIMENTS WITH NINTENDO WII REMOTE CONTROLLER Medvegy Tibor Szegedi Ipari, Szolgáltató Szakképző és Általános Iskola az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója
ÖSSZEFOGLALÁS A középiskolai fizikaoktatás során számtalan olyan kísérletet lehet bemutatni, amelyek modern multimédiás eszközök felhasználásával, vagy egy klasszikus eszközt helyettesítve lesznek érdekesebbek, vagy akár teljesen újszerű kísérleti elrendezéseket, méréseket tesznek lehetővé. Jó példa erre a Nintendo Wii, egy játék, amelyet a kísérletezés szolgálatába lehet állítani. A NINTENDO WII ÉS A WIIMOTE A Wii a Nintendo által gyártott videojáték-konzol. Különleges tulajdonsága, hogy a játék vezérlője egy vezeték nélküli távirányító, melyet WiiMote-nak neveznek. Használatakor ezt az eszközt kézben kell tartani és a játék eseményének megfelelően 3D-s mozgásokat lehet vele végezni.
1. ábra. A Nintendo Wii és a WiiMote (balra). A Wii Remote (röviden WiiMote) a konzol távirányítója, amelyet vezeték nélküli bleutooth kapcsolattal szereltek fel, amit egy BCM2042-es típusú, aránylag olcsó, billentyűzetekbe és egerekbe fejlesztett chip szolgáltat. Rendelkezik továbbá egy 3 dimenziós, 100 Hz-es mintavételű ADXL335 típusú gyorsulásmérővel, amely ±50m/s2-es intervallumban képes mérni. A kísérletek fejlesztésének szempontjából legfontosabb azonban a WiiMote elejébe épített infrakamera, amely a 940 nm-es hullámhosszra a legérzékenyebb, és egy képfeldolgozó chiphez van csatlakoztatva, így a számítógéphez már csak a feldolgozott adatok érkeznek meg. Ez az egység képes 1024x768-as felbontásban, 100 Hz-es mintavétellel egyidőben 4 infravörös fénypontot 45º-os érzékelési félszögben követni. A kamera és a képfeldolgozó egység nem képet, hanem a pontok koordinátáit továbbítják. A WiiMote 2 db AA-ás elemmel működik. A távirányítót önállóan is forgalmazzák, méghozzá a hasonló tulajdonságokkal rendelkező mérőeszközök árának töredékéért.
268
Fizika – Modern fizika AZ INFRA FORRÁS KÉSZÍTÉSE Az infra kamerával végzett kísérletekhez szükségünk lesz IR-forrásokra, amelyeknek a mozgását a WiiMote-al tudjuk majd követni. Két elkészült forrást fogok bemutatni, egy nagyon kis méretűt, illetve egy nagyobbat, amelynek elkészítéséhez több időre van szükség. Fontos ügyelnünk a fényforrás típusára, mivel folyamatos világítás mellett számos LED fényereje nem elegendő ahhoz, hogy a WiiMote nagy távolságból is észlelje.
2. ábra. Kis méretű infra-forrás. Az első forrás egy infra diódából, három gombelemből, és egy kis műanyag tokból áll. A tok és az elemek akár egy LED-es öngyújtóból is kiszerelhetőek. Ebben az esetben az egyetlen dolgunk a LED-et egy infra tartományban sugárzó diódára kicserélni.
3. ábra. Infra LED tokkal. A második infraforrás egy 1,5 V-os AAA-s elemmel üzemel, amit egy kétállású kapcsolón keresztül kötünk sorba az infra LED-el. Az elemtartót, a diódát és a kapcsolót egy műanyag tokba építjük. A WIIMOTE CSATLAKOZTATÁSA A SZÁMÍTÓGÉPHEZ A WiiMote-ba épített Bluetooth chipet szerencsénkre éppen vezeték nélküli egerekhez tervezték, ez nagyon leegyszerűsíti a számítógéphez való csatlakoztatás problémáját. Először is szükség lesz egy olyan számítógépre, amely rendelkezik Bluetooth kapcsolattal, illetve ha ilyenünk nincs, szereznünk kell egy Bluetooth adaptert. A későbbiekben ismertetett kísérletek során a számítógépes kapcsolat létrehozásához az egyik legelterjedtebb bluetooth szoftvert használtam, a BlueSoleil-t, ennek próbaverziója ingyenesen is letölthető a program honlapjáról. ADATFELDOLGOZÁS Az interneten található több adatfeldolgozó program közül az egyik legjobbat, a Wiifiz programot egy magyar fizikatanár, dr. Piláth Károly készítette, aki kifejezetten a fizikatanításban való felhasználásra fejlesztette a szoftvert. A programot ingyenesen letölthetjük dr. Piláth Károly honlapjáról [1]. A program a WiiMote számítógéphez való csatlakoztatása után indítható, és annak érzékelő egységei által küldött adatokat dolgozza fel. KÍSÉRLETEK A WIIMOTE-AL Ebben a fejezetben azokat a kísérleteket mutatom be, amelyek a WiiMote felhasználásával, vagy egy klasszikus eszközt helyettesítve lesznek érdekesebbek, vagy akár teljesen újszerű kísérleti elrendezéseket, méréseket tesznek lehetővé.
269
Fizika – Modern fizika Fontos néhány általános irányelvet szem előtt tartani a WiiMote-tal történő mérések esetén: Az infrakamera az általunk használt infra LED-en kívül más infra jelekre is érzékeny, ilyenek lehetnek például a nyílt láng vagy a közvetlen, illetve a visszatükröződött napfény. A probléma könnyen kiküszöbölhető, ha a mérést olyan irányban végezzük el, amit nem ér közvetlen napfény, illetőleg árnyékolhatjuk a kívülről jövő zavaró jeleket akár egy vetítővászon segítségével is. KISKOCSIS TÖRÉSTESZT A kísérlet során a tanulók megismerkedhetnek az autókban alkalmazott biztonsági berendezések (pl. biztonsági öv, légzsák) fontosságával, bemutathatjuk, hogyan zajlik egy autós törésteszt, illetve, hogy milyen erők hathatnak egy közúti baleset áldozataira.
4. ábra. Biztonsági öv befőttes gumiból. A kísérlet során egy bábut helyezünk egy kiskocsira, amelyet egy sínen tetszőlegesen lejtővel, vagy csigán átvetett fonálra erősített súllyal gyorsíthatunk az ütközésig. A bábu fejére egy IR-forrást erősítünk, amelynek a mozgását a WiiMote fogja követni. Pontosabb adatokhoz juthatunk, ha a WiiMote beépített gyorsulásmérőjét alkalmazzuk a mérésre. Ekkor a WiiMote-ot kell a kocsira erősítenünk, majd így elvégeznünk a kísérletet. Mérjük meg egy adott lejtőszögben a bábu gyorsulását becsapódáskor, majd adjuk feladatul tanulócsoportoknak, hogy az általunk előkészített eszközökkel próbáljanak olyan védő rendszereket a kocsira építeni, amelyekkel az ütközéskor fellépő gyorsulás mértéke csökkenthető. Készíthetünk biztonsági övet befőttes gumiból, vagy gyűrődési zónát hozhatunk létre a kocsi elején papírból, esetleg légzsákot készíthetünk lufiból. A kísérlet akár egy csoportos versenyként is levezethető a tanulók körében. KÖRMOZGÁS VIZSGÁLATA A kísérlet célja egy körmozgást végző pont pályájának pontos meghatározása, x és y koordinátáinak mérése, ezek egymáshoz viszonyított változásának szemléltetése, illetve a közmozgás és a harmonikus rezgőmozgás kapcsolatának bemutatása.
5. ábra. A kísérlet összeállítása a körmozgás vizsgálatához
270
Fizika – Modern fizika Az IR-forrást a forgózsámoly forgástengelyétől meghatározott távolságban rögzítjük, majd egy állványzat segítségével a WiiMote infra kameráját felülről a zsámolyra irányítjuk. A kísérletben természetesen a forgózsámolyt egy lemezjátszóval is helyettesíthetjük. A mért x és y koordinátákat egy grafikonon ábrázolva az idő függvényében jól látható, hogy a körmozgást végző IR-forrás mind x, mind y irányban harmonikus rezgőmozgást végez, amelyek közötti fáziseltolás jól szemléltethető.
6. ábra. A körmozgás merőleges vetületének jellemző görbéi. KÉNYSZERREZGÉS VIZSGÁLATA A 7. ábrán látható berendezés egy rugóra függesztett IR-forrást kényszerít rezgésre. A kényszerrezgést az eszköz egy állítható frekvenciájú körmozgást végző pont mozgásának függőleges irányú vetületéből állja elő. A WiiMote-ot a LED irányába fordítva indítsuk el a mérést, majd változtassuk a kényszerrezgés frekvenciáját addig, míg meg nem közelítjük a rendszer sajátfrekvenciáját.
7. ábra. A kényszerrezgést keltő motor és az IR-forrás.
8. ábra. Kitérés-idő grafikon a kényszerrezgés frekvenciájának változtatása során. Vizsgálhatjuk az amplitúdó-változást a frekvencia függvényében és bemutathatjuk, hogy a sajátfrekvenciának megfelelő gerjesztésnél a legnagyobb a kitérés.
271
Fizika – Modern fizika MÉRÉSI GYAKORLAT A LENDÜLETMEGMARADADÁS TÖRVÉNYÉNEK ALKALMAZÁSÁVAL Egy kiskocsira rögzítünk egy laprugót, amelyet megfeszített állapotban tartunk egy cérna segítségével. Felszereljük az IR-forrást, és a rugó elé helyezünk egy golyót. A cérna elégetésével a laprugó hátrataszítja a golyót, a kiskocsi pedig megindul az ellenkező irányba, a lendület-megmaradás törvényének megfelelően a golyóéval megegyező nagyságú lendülettel. Ügyeljünk arra, hogy a láng fényét takarjuk ki a WiiMote kamerája elől!
9. ábra. A golyót kilövő kiskocsi. A golyó és a kocsi tömegét ismerjük. A kiskocsi sebességének méréséből számolható a kilőtt golyó sebessége. A kocsi sebességének csillapodásából pedig a súrlódási tényező. WII RAKÉTA Két kiskocsit gyorskötözővel, vagy dróttal egymáshoz kapcsolunk, majd ráerősítjük a WiiMote-ot és a CO2 patront. A kiskocsik alján átfűzünk egy cérnát vezetőkábel gyanánt, majd a két végét erősen rögzítjük. A tapasztalatok szerint 4-6 méter hosszúságú pálya elegendő.
10. ábra. A WiiMote és a CO2 patron rögzítése. A patron kiszúrásával indíthatjuk el a rakétánkat. A mérés során a kiskocsira ható gyorsulás értékeket rögzítjük a WiiMote-ba épített gyorsulásszenzor segítségével. A mérés során vegyük figyelembe a Bluetooth hatótávolságát! Érdemes a számítógépet a pálya felére helyezni, hogy mindvégig rögzíthessük a rakéta gyorsulását. ÖSSZEFOGLALÁS Mint a fentiekből is látszik, a lehetséges kísérleti elrendezéseknek csak a fantázia szabhat határt. A WiiMote felhasználásával a hagyományos kísérletek mellett nem szokványos demonstrációk, mérések sokaságára adódik lehetőség. Remélem munkámmal segíteni tudtam a megújulásra vágyó, de ehhez anyagi háttérrel csak alig rendelkező iskoláknak és tanároknak. További kísérletek leírásait, illetve az ismertetettekről bővebb információkat az erre a célra készült honlapon olvashatnak az érdeklődők [2.].
272
Fizika – Modern fizika KÖSZÖNTENYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretnék köszönetet mondani Kopasz Katalinnak a kísérletek megvalósításában nyújtott segítségéért. Köszönöm Dr. Papp Katalinnak, Dr. Juhász Andrásnak, Dr. Bohus Jánosnak és Szakmány Tibornak, hasznos tanácsaikat és ötleteiket. IRODALOMJEGYZÉK 1. http://pilath.freeweb.hu 2. http://www.experimentwii.fw.hu/ 3. Vannoni M,Straulino S: Low-cost accelerometers for physics experiments, Eur. J. Phys., 28., 781-7, 2007. 4. Wheeler M: Physics experiments with Nintendo Wii controllers, Phys. Educ., 46, 57-63, 2011
273
