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Robot Pet Therapy: costruiamo un drawdio


Recentemente mi è capitato di partecipare ad una riunione presso il Dipartimento di Informatica di Torino, in merito alle possibili soluzioni elettroniche/informatiche in campo educativo per un progetto legato ad alcune attività presso un museo di Torino. Poiché l’invito mi è arrivato improvviso e visto che recentemente sono entrato a far parte del CTS di Torino, ho pensato di illustrare brevemente il mio tentativo di recupero adottato tempo fa con un allievo con un profilo autistico utilizzando “l’elettronica creativa”

Ho mostrato due dispositivi:

  • un drawdio realizzato con un NE555
  • un secondo di cui ve ne parlerò tra qualche giorno in quanto in fase di miglioramento da parte di alcuni miei allievi.

Le due sperimentazioni fanno parte del progetto di Robot Pet Therapy

Drawdio

La parola Drawdio deriva dall’unione delle due parole:

  • (to) Draw: disegnare
  • Audio

è un dispositivo in grado di produrre suono mentre si disegna ed il suono emesso è funzione della quantità di grafite presente sul foglio.
Oltre ad emettere suono mentre si disegna e possibile realizzare varianti del dispositivo per suonare con l’acqua oppure “sentire” i diversi suoni emessi da diversi materiali, in realtà ciò che percepiamo e la variaione di resistenza che sussiste tra gli elettrodi e il materiale.
Il dispositivo ha degli impieghi interessantissimi soprattutto in un contesto educativo.

Prima di continuare vi invito a vedere i filmati che seguono:

Il sito di riferimento è: http://web.media.mit.edu/~silver/drawdio/ su cui trovate esempi e se desiderate anche un PCB per la realizzazione del circuito stampato, io ho utilizzato una basetta millefori e in cira 30 minuti ho saldato e realizzato il primo prototipo mostrato in questo articolo.

Come spesso ho avuto modo di affermare gli attegiamenti di protobullissmo in una classe creano scarso legame tra gli allievi e spesso mi è capitato di vivere in classi in cui si formano fazioni e forti rivalità.
Per spezzare questo attegiamento diseducativo tempo fa, con l’aiuto di un allievo diversamente abile abbiamo realizzare un drawdio che ha risolto alcuni problemi, il rendere “suono” i disegni ha incuriosito immediatamente e coinvolto l’intera classe e l’allievo diversamente abile è diventato “protagonista” inoltre. Ho anche sfruttato il dispositivo per creare una catena umana “resistiva” che suonava tutta insieme, questa semplice azione stranamente a incominciato ad aggregare il gruppo classe.
Stringere la mano, toccare la punta del naso o il braccio del compagno di classe per emettere un suono e qualcosa che tocca la sfera personale, ma credo che abbia fatto nascere in loro la consapevolezza di essere individui essenziali per emettere suono e quindi appartenenti ad un gruppo che crea.

Ma come funziona e come si realizza un drawdio?

Schema elettrico e componenti:

Schema di montaggio:

Se non vi occupate di elettronica non è importante capire tutto, potete limitarvi ad acquistare i componenti e saldarli insieme seguendo lo schema elettrico indicato sopra.

Per chi volesse saperne di più questa è la spiegazione.

Per poter emettere il suono durante il disegno bisogna collegare due elettrodi uno alla mina della matita ed uno sulla struttura della matita, toccando con un dito la traccia della matita e con l’altra mano tocchiamo la struttura della matita viene inserita tra i due contatti una resistenza elettrica che varia in funzione della distanza tra il dito sulla traccia e lo spessore della traccia, la variazine di resistenza viene utilizzata per variare la frequenza della nota emessa dal dispositivo.

Affinchè si possa produrre il suono la traccia sul foglio non deve avere interruzioni.

Il circuito elettrico non è altro che un generatore di nota modulabile in frequenza realizzato con un NE555 in configurazione astabile dove però e stata modificata la rete di temporizzazione tra il piedino 7 (discharge) e il 2 e il 6 (trigger e threshold) inserendo la resistenza variabile costituita dalla la matita e dal tratto di grafite.
Non mi dilungherò sul funzionamento interno dell’NE555, (probabilmente lo farò più avanti) è sufficiente per questa spiegazione ricordare che la frequenza del segnale rettangolare dipende dalle resistenze R2, R3 secondo la seguente formula:

[pmath size=16]f=1.44/C3*(R2+2*R3)[/pmath]

Impugnando la matita e collegandola come indicato nello schema (CORPO, PUNTA) e toccando con un dito dell’altra mano la traccia disegnata sul foglio viene inserita una resistenza variabile in serie alla resistenza R3, ciò consente di far dipendere la frequenza del segnale emesso dal tocco del nostro dito e dalla posizione della matita e dallo spessore della matita, infatti maggiore spessore della grafite equivale a minore resistenza, minore spessore della grafite equivale a maggiore resistenza.
L’uscita (pin 3) è collegata ad un piccolo altoparlante da 8 Ohm mediante un condensatore di disaccoppiamento che ha la funzione di bloccare la componente continua nel caso in cui l’oscillatore si fermi.
Quindi disegnando con la matita udiremo un suono che varia di tonalità, suono che si interromperà non appena solleviamo la matita.
Nel circuito ho aggiunto un LED per visualizzare l’accensione del circuito.

La leggenda di Moore

Ringrazio Sax, l’amico di avventure informatiche, sperimentazioni e mille altre cose, per la segnalazione di:

La leggenda di Moore
Nota di approfondimento al capitolo 26
di L’umanità dell’internet

di

Giancarlo Livraghi
gian@gandalf.it
luglio 2001

Ottima lettura che giro ai miei studenti.

La cosiddetta “legge di Moore” non è una legge. Cioè non è un principio scientifico che sia stato enunciato come tale – o che abbia conferma nell’osservazione dei fenomeni.

È una delle tante affermazioni che circolano (sull’informatica come in altre materie) trattate universalmente come “verità rivelata” e continuamente ripetute senza verificarne l’attendibilità. E per di più interpretate in vari modi che nulla hanno a che fare con il loro reale significato…

continua la lettura su gandalf.it.

Simulatori Arduino

La richiesta di informazioni sull’esistenza di simulatori di Arduino su PC e tra le domande che più di sovente mi vengono poste via e-mail, a questa domanda ho appena risposto con un commento a Giuseppe, che ringrazio.

Riporto di seguito i link per renderli maggiormente rintracciabile da chi interessato li aggiungerò anche nella sezine Arduino di questo sito.

Poster: codice colori resistenze

L’idea mi è venuta quando un allievo, dopo aver letto la mia lezione on-line:

Lezioni di laboratorio di elettronica – Uso del multimetro: misurare la resistenza elettrica

mi ha chiesto la versione in alta risoluzione del codice colori delle resistenze a 4 e 5 anelli:

ma perché non realizzare poster riassuntivi di elettronica da affiggere in laboratorio?“.

E così è stato ho incominciato a tappezzare il laboratorio 🙂

L’idea comunque non è nuova in quanto già lo IET (Institution of Engineering and Technology) ha realizzato diversi poster per lo studio dell’elettrotecnica e dell’elettronica, ne avevo dato segnalazione tempo fa.

Questo il mio primo poster: Codice colori resistenze a 4 e 5 anelli

Il file è in formato pdf dimensione A4.

Lezioni di laboratorio di elettronica “fondamenti di elettricità” 


Durante lo svolgimento delle lezioni di laboratorio mi sono reso conto che spesso gli allievi hanno forti dubbi su alcuni concetti fondamentali di fisica che avrebbero dovuto far propri negli anni precedenti e come ogni anno scolastico è il caso di riprenderli per procedere agevolmente nello studio. Queste carenze si manifestano non appena si incomincia a sperimentare in laboratorio cercando di misurare tensioni, correnti e resistenze.
E’ tipico ad esempio confondere o non ricordare i significati di quantità di elettricità, corrente elettrica o differenza di potenziale che devono essere considerati i mattoni fondamentali su cui costruire la propria competenza in elettronica e di conseguenza le proprie abilità nella progettazione e realizzazione di dispositivi elettronici in laboratorio.

In questa lezione cercherò di unire concetti già pubblicati su questo sito inserendo nuove spiegazioni in cui utilizzerò l’analogia idraulica. Partirò dalla struttura atomica per giungere al significato di corrente elettrica e di forza elettro-motrice.

La lezione è da considerare un ripasso necessario.

L’elettricità è qualcosa che usiamo ogni giorno ed è così comune nella nostra vita che non ci chiediamo da dove provenga, è un bene di prima necessità così importante che ci accorgiamo della sua importanza solamente quando non è presente, pensate all’impotenza che si ha quando ad esempio si interrompe l’erogazione di energia elettrica nella nostra abitazione. Nell’ambito dell’elettronica è importante conoscere la teoria fisica fondamentale.

La teoria dell’elettrone

La teoria fondamentale afferma che l’elettricità è il movimento di elettroni e tale movimento sia causato da un eccesso o da una mancanza di elettroni in un determinato punto.

Struttura atomica

Tutta la materia è costituita da unità elementari chiamati atomi che possiamo considerare come mattoni che costituiscono tutto ciò che ci circonda.
L’atomo è costituito da un nucleo composto da protoni che possiedono una carica positiva e da neutroni che non hanno carica e da particelle dette elettroni, carichi negativamente, che ruotano su orbite intorno al nucleo secondo orbite circolari o ellittiche, in modo approssimato possiamo immaginare l’atomo come ad un minuscolo sistema solare.

Ad esempio l’atomo del rame è costituito da 29 elettroni, 35 neutroni e 29 protoni.

Un atomo normale ha un numero uguale di elettroni e protoni e la carica positiva e negativa si annullano a vicenda, si dice che l’atomo è elettricamente neutro.
Tuttavia è possibile per atomo perdere o guadagnare un elettrone e ciò cambia l’equilibrio.
Se perde un elettrone vuol dire che l’atomo sarà più positivo che negativo, un atomo carico positivamente si chiama ione positivo.
Se l’atomo invece guadagna un elettrone vorrà dire che è più negativo che positivo, in questo caso l’atomo viene detto ione negativo.

Gli atomi e gli elettroni sono in continuo movimento nella materia, tuttavia il movimento degli elettroni liberi da un atomo all’altro e casuale senza una particolare direzione. Questo movimento di elettroni non costituisce un flusso di elettroni. Per avere un flusso di elettroni è necessario che ci sia un movimento continui in cui la maggior parte degli elettroni liberi si muove nella stessa direzione.

Vi propongo la visione del filmato che segue dal titolo: La struttura dell’atomo (storia), tratto da “Pulsar – storia della scienza e della tecnica del XX secolo”, di E. Agapito, V. Armentano, P. Greco; regia di E. Agapito – 1999.

Unità di carica elettrica o di quantità elettrica

Come il chilogrammo (Kg.) è stato scelto come unità di massa e di quantità di materia (ad es. acqua) così il

COLOUMB (C)

è stao scelto come unità di quantità di elettricità o di carica elettrica.

Unità di carica dell’elettrone

Così come la molecola è la parte più piccola di un elemento chimico o composto chimico, così l’elettrone e la parte più piccola di elettricità:

  • in un chilogrammo di acqua si trovano [pmath size=16]3,25*10^25[/pmath] molecole
  • in un coloumb di elettricità si trovano [pmath size=16]6,25*10^18[/pmath] elettroni

Potenziale della carica elettrica

Come ben sapete per produrre energia elettrica l’acqua viene innalzata per farle acquistare un potenziale (in metri di altezza) così anche l’elettricità può venir innalzata per farle acquistare un potenziale (in volt di tensione elettrica).

  • in volt si misura il livello di carica elettrica
  • in metri si misura il livello della quantità di acqua

Movimento delle cariche elettriche

Come l’acqua scorre da una altezza maggiore a quella minore e la sua portata viene misurata in

chilogrammi al secondo (o litri al secondo)

così anche l’elettricità scorre dal potenziale maggiore a quello minore e la sua corrente elettrica si misura in

coloumb al secondo

e questa unità di misura prende il nome di Ampere (A).

A differenza dell’acqua che può essere tolta da una tubazione, gli elettroni sono sempre presenti in qualunque materiale ed in particolare nei conduttori anche quando non c’è passaggio di corrente.

Approfondiamo i concetti di corrente elettrica e potenziale elettrico.

Corrente elettrica

Per avere un flusso di elettroni è necessario che ci sia un movimento continuo in cui gran parte degli elettroni liberi si muove nella stessa direzione.

Se si crea un percorso che permette di far muovere gli elettroni da un materiale carico negativamente ad uno carico positivamente allora gli elettroni potranno fluire, quando ciò accade si dice che si ha una corrente elettrica ed il fluire di cariche elettriche continuerà fino a quando il percorso non viene interrotto oppure finchè la carica elettrica non è la stessa per entrambi i materiali.

Per avere una corrente misurabile è indispensabile che vi sia un movimento di una grande quantità di elettroni, dell’ordine del milione.

L’unità di misura della corrente elettrica è l’Ampere.

Un flusso di corrente di 1 Ampere corrisponde al movimento di [pmath size=16]6,25*10^18[/pmath] elettroni al secondo che passano in un un determionato punto.

Se non siete pratici con la notazione scientifica vi ricordo che il numero [pmath size=16]6,25*10^18[/pmath] corrisponde a 6.250.000.000.000.000.000 piuttosto grande non trovate ? 🙂

Direzione del flusso degli elettroni

Abbiamo detto che la corrente è un flusso di elettroni e questo flusso va sempre da un punto ad eccesso di elettroni, carico negativamente (-), verso un punto che non ha elettroni, carico positivamente (+).
Fate attenzione però che questa affermazione è vera se si considera la corrente come flusso di elettroni ciò che accade realmente nei conduttori.

Prima che si conoscesse la teoria dell’elettrone si pensava che la corrente fluisse dal (+) al (-) ed la simbologia di alcuni componenti riflette ancora questa teoria e quindi viene considerato che il verso della corrente è quello delle cariche positive da un punto a potenziale positivo (+) a quello a potenziale (-), quindi nonostante ciò la definizione originale di corrente elettrica resta ancora valida e viene oggi usata e quindi nella lettura e risoluzione di schemi elettrici considererete sempre il verso del flusso convenzionale di corrente.

direzione-flusso-ok

Sorgenti di elettricità

Per far si che vi sia una corrente che fluisca continuamente è indispensabile una forma di energia che continuamente ponga in moto le cariche positive (secondo il flusso convenzionale).

Le sorgenti di energia elettrica possono essere di diverso tipo:

Attrito
Lo strofinamento di materiali, come visto nella lezione precedente, determina la formazione di cariche; probabilmente tale situazione è stata da voi sperimentata quando passeggiate su alcuni tipi di tappeti.

Azione chimica
Una batteria elettrica utilizza l’azione chimica di diversi materiali per produrre energia elettrica.

Pressione
Se su alcuni tipi di cristalli applicate una pressione è possibile produrre energia elettrica.

Calore
Il principio della termocoppia sfrutta proprio il calore applicato alla giunzione di due materiali diversi.

Magnetismo
Il movimento di un filo costituito da materiale conduttore in un campo magnetico determina il movimento degli elettroni verso un capo del filo.

Luce
Alcuni dispositivi, come le fotocellule, se colpiti da luce possono produrre energia elettrica.

Forza elettro-motrice

Precedentemente vi ho detto che un materiale può essere carico positivamente o negativamente, ma il materiale può essere anche privo di carica in questo caso diciamo che è neutro.
Quando un materiale è carico si dice che possiede un potenziale elettrico.
La differenza di potenziale elettrico tra due materiali è la forza che determina il flusso degli elettroni quando si crea un percorso per la corrente tra essi.
Questa forza è chiamata FORZA ELETTRO-MOTRICE (FEM) ed è misurata in unità chiamate volt.

La figura mostra tre piastre, la prima è caricata a un potenziale elettrico di -30V, la seconda è senza carica ed ha un potenziale elettrico di 0V, mentre la terza ha un potenziale di +30V. Tra ogniuna delle tre piastre esiste una differenza di potenziale e quindi una FEM.
La FEM tra la prima e la seconda piastra è 30V. Questa è vero anche se la seconda piastra non è carica. Tra la seconda e la terza piastra c’è ancora una differenza di potenziale o FEM di 30V. Quant’è la differenza di potenziale tra la prima e la terza piastra?

60V

La forza-elettro-motrice (FEM) è la forza che determina il flusso degli elettroni ed è misurata in volt.

Al posto di forza elettromotrice si può usare il termine tensione. I due termini significano la stessa cosa.

Analogia di comportamento dell’energia idrica con quella elettrica

Una spiegazione esaustiva del concetto di differenza di potenziale della forza elettromotrice può essere fatta facendo un’analogia con un impianto idraulico.
Per far ciò ho ripreso due disegni tratti dagli appunti di quando io ero studente 🙂 e che ben chiariscono il tutto:

Un generatore di forza motrice può essere assimilato ad una torre che regge due serbatoi ad altezze differenti e contenenti acqua:

Un generatore contiene elettricità a due diversi livelli di potenza: