Experimente mit Arduino Uno

Einige Experimente lassen sich am Besten mit einem Microcontroller, wie z.B. einem Arduino Uno, durchführen. Sei es, um genaue Messwerte oder ganze Messwert-Reihen in Form von Tabellen und Grafiken zu erfassen.

Auch haben wir eine selber gebaute Wetterstation mit arduinokompatiblen Sensoren ausgestattet und somit erfolgreich digitalisiert.

Einige der Experimente sind auf dieser Seite detailliert beschrieben.

Some experiments are best done with a microcontroller, e.g. an Arduino Uno, whether to capture accurate readings or entire series of measurements in the form of tables and graphs.

We also equipped a self-built weather station with arduino compatible sensors and thus successfully digitized it.

Some of the experiments are described in detail on this page.

Wärmeisolationseigenschaften

Heat insulation properties

Welche Materialien und Stoffe eignen sich gut, um die Wetterballonsonde vor dem Auskühlen zu schützen? Ein Thermistor wird durch eine Infrarot-Wärmelampe bestrahlt und die Werte mit einem Arduino kontinuierlich gemessen. Das Programm dazu haben die Schüler natürlich selber mit mBlock erstellt. Getestet wurden diverse Materialien; Stoffe verschiedener Qualität, Klarsichtfolie, Alufolie, Papier, Karton und Rettungsdecken. Klarer Sieger war die Rettungsdecke, deren Folie im Vergleich zum Karton mit dem wesentlich dünneren und somit geringeren Gewicht am besten isolierte.

What materials and fabrics work well to protect the weather balloon probe from cooling down? A thermistor is irradiated by an infrared heat lamp and the values measured continuously with an Arduino. Of course, the students have created the program themselves with mBlock. Various materials were tested; Different quality fabrics, plastic wrap, aluminum foil, paper, cardboard and rescue blankets. The clear winner was the rescue blanket, whose foil insulated best compared to the cardboard with the foils much thinner and therefore lower weight.

Das Treibhausgas CO₂ im Test

Greenhouse gas CO₂ tested

Die Wirkung von CO₂ als Treibhausgas testen wir in PET-Flaschen. Dazu mischen die Schülerinnen und Schüler Backpulver mit Essig. Der "Streichholztest" bestätigt, dass in der Flasche Kohlenstoffdioxid entstanden ist. Das Streichholz erlischt. Mit einer Infrarotlampe bestrahlen wir nun die mit CO₂ sowie die mit Luft gefüllte Flasche als direkten Vergleich.

We test the effect of CO2 as a greenhouse gas in PET bottles. To do this, the students mix baking soda with vinegar. The "match test" confirms that carbon dioxide has formed in the bottle. The match goes out. With an infrared lamp we now irradiate both the with CO2 and the with air filled bottles as a direct comparison.

Backpulver und Essig gemischt ergeben als Reaktionsprodukt Kohlendioxid

Ein brennendes Streichholz verbraucht Sauerstoff und sollte...

...im Kohlendioxid erlöschen.

Der Aufbau des Experiments ist einfach; zwei identische Plastikflaschen werden mit Temperatursensoren präpariert. Dies können auch normale Thermometer sein, die einfach durch ein Loch im Flaschendeckel gesteckt werden. In unserem Fall verwenden wir Thermistoren, die über die analogen Anschlüsse (a0 und a1) mit dem Arduino Uno verbunden werden.

Zwei Sprites werden so programmiert, dass diese sogleich ein Graph das Ergebnis anzeigt. Zusätzlich werden die gemessenen Werte in Listen abgespeichert, welche später aus mBlock exportiert und mit Excel weiterverarbeitet werden können. 

Sobald die Flaschen vorbereitet sind, also eine der beiden CO₂ enthält, starten wir das Experiment. Wenige Sekunden nach Start schalten wir die Infrarot-Lampe ein.

The structure of the experiment is simple; Two identical plastic bottles are prepared with temperature sensors. These could also be normal thermometers that are simply plugged through a hole in the bottle cap. In our case, we use thermistors that are connected to the Arduino Uno via the analogue ports (a0 and a1).

Two sprites are programmed to immediately display a graph of the results. In addition, the measured values are stored in lists, which can later be exported from mBlock and further processed with Excel.

As soon as the bottles are prepared, that is, one of the two containing CO2, we start the experiment. A few seconds after starting, we turn on the infrared lamp.

Nach wenigen Minuten ist auf dem Bildschirm bereits ein Temperaturunterschied zu erkennen.

Dieses Experiment weist darauf hin, dass CO₂ einen Einfluss auf die Temperatur hat und somit das Klima haben kann.

John Tyndall hat ein ähnliches Experiment bereits Mitte der 1850er Jahre durchgeführt.

Der Graph aus den erhobenen Daten in Excel dargestellt

After a few minutes, a temperature difference can already be seen on the screen.

This experiment indicates that CO2 has an influence on the temperature and thus can have an impact on the climate.

John Tyndall did a similar experiment as early as the mid-1850s.

Fritzing für die beiden Thermistoren

Das gute alte Wissen um Föhrenzapfen ist heute noch aktuell. Mit Zapfen von Nadelbäumen lässt sich die Luftfeuchtigkeit messen; ist die Umgebungsluft trocken, öffnen sich die Schuppen des Föhrenzapfens und der Samen fällt hinaus. Ist die Luft hingegen feucht, bleibt der Zapfen geschlossen.

Diesen Umstand können wir uns zu Nutze machen. Schneiden wir eine Schuppe grosszügigen mit einem Teil des Zapfenkerns aus und kleben diesen in eine Box, erhalten wir ein recht zuverlässiges Hygrometer. Für die einfachere Lesbarkeit befestigen wir einen Zahnstocher als Zeiger an der Schuppe und erstellen unsere eigene Luftfeuchtigkeits-Skala.

Die Digitalisierung unseres selbstgebauten Gerätes erfolgt über den Einbau eines Biege-Sensors, der mit einem Stück Schnur mit der "altmodischen" Konstruktion verbunden ist. Mittels eines Arduino Unos lassen sich so Luftfeuchtigkeitsschwankungen digital erfassen und speichern.

Knowledge from "the good old days" about pine cones is still relevant today. With cones of coniferous trees, air humidity can be measured; if the ambient air is dry, the scales of the pine cone open and the seeds fall out. If the air is moist, the scales of the pine cone remain closed.

We can make use of this phenomena. If we cut out a scale with a large part of the cone core and stick it in a box, we get a fairly reliable hygrometer. For easier readability, we attach a toothpick as a pointer to the scale and create our own humidity scale.

The digitization of our self-made device is done by installing a bending sensor, which is connected by a piece of string with the "old-fashioned" construction. With the help of an Arduino, air humidity fluctuations can be recorded and stored digitally.

Das Anemometer ist ein Messgerät, welches die Windgeschwindigkeit misst. Für unser Anemometer haben wir Teile mit einem 3D-Drucker hergestellt. Diese Teile lassen sich aber auch problemlos aus Bastelmaterialien wie z.B. Ping-Pong-Bällen bauen.

Um die Drehbewegung useres Anemometers zu messen, verwenden wir einen Elektromotor als Sensor. Der Elektromotor ist aus Dauermagneten und einem Rotor mit Elektromagneten aufgebaut. Durch diese Kupferspulen des Elektromagenten fliesst ein sehr schwacher Strom, der wiederum ein schwaches Magnetfeld erzeugt. Zu schwach, um den Motor anzutreiben. Wird er Elektromotor nun durch eine äussere Kraft - in diesem Falle der Wind - bewegt, dreht sich der Anker durch das Magnetfeld der Dauermagneten. Die beiden Magnetfelder interferieren, was wir mit dem Arduino messen. je stärker der Motor gedreht wird, desto stärker interferieren die beiden Magnetfelder.

The anemometer is a measuring device that measures wind speed. For our anemometer we made parts with a 3D printer. These parts can also be easily made of craft materials such as ping-pong balls.

To measure the rotation of our anemometer, we use an electric motor as a sensor. The electric motor is made up of permanent magnets and a rotor with electromagnets. Through these copper coils of the electromagnet flows a very weak current, which in turn generates a weak magnetic field, too weak to power the motor. If the electric motor is now moved by an external force, in this case the wind, the rotor rotates through the magnetic field of the permanent magnets. The two magnetic fields interfere, which is what we measure with the Arduino. The faster the motor gets turned, the more the magnetic fields interfere.

Das Programm in mBlock zeichnet die Windgeschwindigkeit grafisch auf und speichert die Messwerte auch in einer Liste ab.

The program in mBlock records the wind speed graphically and also stores the measured values in a list.

Fritzing für den Elektromotor als Sensor