Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

Kỷ yếu khoa học

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CƠNG NGHỆ
BLUETOOTH ĐỂ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT HỆ SỐ MA
SÁT VÀ LỰC HƯỚNG TÂM
Nguyễn Thành Phúc*, Quách Uy Lập
Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh
*Tác giả liên lạc:
TĨM TẮT
Bài báo này trình bày việc ứng dụng vi điều khiển Arduino và công nghệ
Bluetooth để chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát và lực hướng tâm. Bộ
thí nghiệm khảo sát được quá trình chuyển tiếp giữa lực ma sát nghỉ và ma sát
trượt, đồng thời khảo sát được tính chất của lực hướng tâm. Với khả năng giao
tiếp với máy vi tính thơng qua kết nối bluetooth, dữ liệu thực nghiệm được ghi
nhận liên tục và nhanh chóng; biểu diễn được quá trình chuyển tiếp giữa lực ma
sát nghỉ và ma sát trượt; sự phụ thuộc của lực hướng tâm với các đại lượng khối
lượng, tốc độ góc, khoảng cách. Từ đó, người sử dụng có thể tính được hệ số ma
sát nghỉ và hệ số ma sát trượt giữa hai bề mặt vật liệu bất kì; khảo sát biểu thức
lực hướng tâm với độ sai biệt nhỏ hơn 10% so với bộ thí nghiệm hiện có trên thị
trường. Bộ thí nghiệm góp phần hỗ trợ giáo viên và học sinh trong việc dạy và
học kiến thức về lực ma sát, lực hướng tâm trong chương trình Vật lí lớp 10 Trung
học Phổ thơng.
Từ khóa: Vi điều khiển Arduino, công nghệ Bluetooth.
APPLICATION OF ARDUINO MICROCONTROLLER AND
BLUETOOTH TECHNOLOGY FOR DESIGNING AN
EXPERIMENTAL KIT EXAMINING THE COEFFICIENT OF
FRICTION AND CENTRAL FORCE
Nguyen Thanh Phuc*, Quach Uy Lap
Ho Chi Minh City University of Education

*Corresponding Author:
ABSTRACT
This article demonstrates the application of Arduino microcontroller and
Bluetooth technology into fabricating testing sets for friction coefficient and
central force. The experiment kit can investigate the transition between static
friction and kinetic friction while investigating the properties of central force.
With the ability to communicate with a computer through bluetooth connectivity,
data will be recorded continuously and rapidly, which demonstrates the
transition between static friction and kinetic friction along with the dependence
of central force on mass, angular velocity and distance. Following up, the user
can calculate the coefficient of resting friction and friction coefficient between
two surfaces of any material together with investigating central force with an
inexactness of less than 10% compared to the existing kits on the market. Hence,
this kit will assist teachers and students in teaching and learning the knowledge
of friction and central force in 10th grade Physics.
Keywords: Arduino microcontroller, Bluetooth technology.
516


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

TỔNG QUAN
Ở thị trường trong nước, bộ thí nghiệm
khảo sát lực ma sát bằng phương pháp
mặt phẳng nghiêng do Công ty Cổ
phần Sách và Thiết bị Trường học sản
xuất (2018) đang sử dụng rộng rãi ở
các trường trung học phổ thơng.Tuy

Kỷ yếu khoa học


nhiên, bộ thí nghiệm này còn bộc lộ
nhiều hạn chế như sai số phép đo phụ
thuộc rất nhiều vào người làm thí
nghiệm, việc thu thập kết quả mất thời
gian, khơng cho thấy q trình chuyển
từ ma sát nghỉ sang ma sát trượt.

Hình 1. Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát của Công ty Cổ phần Sách và
Thiết bị Trường học sản xuất (trái) và Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát do
hãng Pasco sản xuất (phải)
Bên cạnh đó, ở thị trường ngoài nước, liệu kết quả lực ma sát theo thời gian
bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát do lên máy vi tính một cách nhanh chóng,
hãng Pasco (2018) sản xuất có khả tự động. Bộ thí nghiệm này biểu diễn
năng cập nhật giá trị lực ma sát tự động được quá trình chuyển đổi lực ma sát
lên máy vi tính, tiện lợi cho việc quan nghỉ qua ma sát trượt. Đồng thời
sát kết quả thí nghiệm, tuy nhiên do giá phương pháp đĩa xoay mà chúng tôi sử
thành của bộ thí nghiệm cao, và các vật dụng để khảo sát hệ số ma sát là một
tư thay thế khó tìm kiếm nên việc sử phương pháp mới, chưa từng được áp
dụng bộ thí nghiệm của hãng Pasco là dụng ở các bộ thí nghiệm trong và
khá khó khăn.
ngồi nước. Bên cạnh đó, bộ thí
Chính vì vậy, bộ thí nghiệm khảo sát nghiệm này có giá thành khơng cao,
hệ số ma sát được nhóm chúng tơi phù hợp cho nhu cầu trang bị ở các
nghiên cứu có khả năng cập nhật dữ trường phổ thơng.

Hình 2. Bộ thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm do Công ty Cổ phần Sách và
Thiết bị Trường học sản xuất
Hình 2 là bộ thí nghiệm về lực hướng bị Trường học sản xuất và trang bị cho
tâm do Công ty Cổ phần Sách và Thiết các trường trung học phổ thông

517


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

(2018).Tuy nhiên, bộ thí nghiệm này
cồng kềnh, kết quả của bộ chỉ cho thấy
được mối quan hệ giữa lực hướng tâm
theo khoảng cách, việc quan sát số liệu
thí nghiệm khó khăn do thanh thước
quay quanh trục trong quá trình làm thí
nghiệm. Ngồi ra con có bộ thí nghiệm
khảo sát lực hướng tâm hãng Pasco sản
xuất tương đối nhỏ gọn, có thể cập nhật
kết quả đo lực tự động về máy tính,
giúp cho việc đo đạc và tiến hành thí
nghiệm thuận tiện (2018). Bộ thí
nghiệm này có giá thành cao nên cản
trở việc trang bị rộng rãi ở các trường
phổ thơng. Vì vậy, bộ thí nghiệm khảo
sát lực hướng tâm được nhóm chúng
tơi nghiên cứu có khả năng cập nhật kết
quả lên trên máy vi tính một cách
nhanh chóng, có thể thực hiện các thí
nghiệm định tính và định lượng lực
hướng tâm. Bộ thí nghiệm này cũng
dùng phương pháp đĩa xoay, ứng dụng
cách vận hành và giao diện gần giống
bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát nên
việc thực hiện thí nghiệm sẽ đơn giản

và thân thiện với người sử dụng.
Ngoài ra, việc đổi mới phương pháp
dạy học và ứng dụng khoa học - công
nghệ vào giảng dạy đang là một nhu
cầu cấp thiết (Dương Xuân Quý, 2010,

Kỷ yếu khoa học

tr. 10-18). Đối với môn vật lý, việc ứng
dụng các bộ thí nghiệm kết nối với máy
vi tính đang là một xu thế tất yếu trong
việc đổi mới phương pháp dạy và học.
Cụ thể như các cơng trình nghiên cứu
của Hoàng Văn Huệ (2012), Mai
Hoàng Phương (2016, tr.68-75) và
Nguyễn Huỳnh Duy Khang (2016, tr.
128-137): các tác giả đã nghiên cứu, sử
dụng vi điều khiển, cảm biến trong
thiết kế các bộ thí nghiệm kết nối với
máy vi tính; giúp cho việc đo đạc và sử
lí số liệu nhanh chóng và dễ dàng hơn.
Chính vì vậy, mục tiêu của nghiên cứu
này là chế tạo được một bộ thí nghiệm
sử dụng board mạch Arduino để điều
khiển, truyền nhận dữ liệu về máy vi
tính thơng qua cơng nghệ Bluetooth để
khảo sát tự động hệ số ma sát và lực
hướng tâm. Thực hiện một số thí
nghiệm để đánh giá độ chính xác và
tính ổn định của bộ thí nghiệm đã thiết

kế.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
VÀ VẬT LIỆU
Phương pháp nghiên cứu
Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát và
bộ thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm
được chế tạo dựa trên các ý tưởng sau:

Hình 3. Mơ hình thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát (trái) và Mơ hình thí nghiệm
khảo sát lực hướng tâm (phải)
Mơ hình thí nghiệm khảo sát hệ số bề mặt đĩa tròn và nối với cảm biến lực
bằng sợi dây. Khi đĩa trịn quay, lực ma
ma sát
Bộ thí nghiệm khảo sát lực ma sát được sát xuất hiện giữa bề mặt vật và đĩa.
xây dựng trên ý tưởng như hình 3(trái). Lực ma sát được đo thơng qua việc đo
Mơ hình bao gồm một đĩa trịn được lực căng dây nhờ cảm biến lực. Hệ số
gắn với động cơ, một vật được giữ trên ma sát giữa bề mặt vật và đĩa được tính
518


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

thông qua giá trị lực ma sát. Vi điều
khiển Arduino tích hợp trong Hệ thống
điều khiển trung tâm có vai trị thu
nhận giá trị cảm biến lực và điều khiển
động cơ.
Mơ hình thí nghiệm khảo sát lực
hướng tâm
Bộ thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm

được xây dựng trên ý tưởng như Hình
3 (phải). Dựa trên ý tưởng sử dụng đĩa
quay, khi đặt vật trên đĩa, vật có xu
hướng văng ra do lực quán tính ly tâm.
Độ lớn lực này bằng với lực hướng
tâm. Lực hướng tâm được xác định
bằng việc đo lực căng dây nhờ cảm
biến lực đặt tại tâm của đĩa quay. Vì
tính chất đĩa quay liên tục nên việc
truyền dữ liệu từ cảm biến lực tới Hệ
thống điều khiển trung tâm thông qua
công nghệ truyền nhận không dây
Bluetooth.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Sau thời gian nghiên cứu và thiết kế,
chúng tơi đã xây dựng được bộ thí
nghiệm đo được hệ số ma sát đồng thời
khảo sát các tính chất của lực hướng
tâm trong chuyển động trịn và kết nối
với máy tính thơng qua giao tiếp
Bluetooth.
Hệ thống điều khiển trung tâm là phần
quan trọng nhất trong nghiên cứu này,
được sử dụng trong bộ thí nghiệm đo
hệ số ma sát và bộ thí nghiệm khảo sát
lực hướng tâm. Hệ thống trung tâm bao
gồm màn hình LCD để hiển thị kết quả

Kỷ yếu khoa học


thí nghiệm, các nút nhấn để điều chỉnh
thơng số khi làm thí nghiệm và các
cổng USB để kết nối với cảm biến
ngoại vi.
KẾT LUẬN
Từ các thí nghiệm ta thấy Bluetooth đã
cho thấy sự tiện lợi trong giao tiếp giữa
vi điều khiển và máy tính, việc thu thập
dữ liệu và truyền nhận một cách nhanh
chóng, đơn giản. Bộ thí nghiệm đã cho
ra kết quả tốt bằng việc khảo sát đối
tượng với sai số nhỏ hơn 10%. Tuy
nhiên, do thiết kế cơ khí chưa tốt dẫn
đến đĩa xoay khơng đều, làm cho sai số
đo vận tốc góc cịn lớn. Bộ thí nghiệm
có thể dùng để dạy bài thí nghiệm phần
động lực học trong chương trình vật lý
phổ thơng. Với ưu điểm nổi bật là tự
động hóa và truyền nhận dữ liệu khơng
dây (khoảng cách máy tính có thể nhận
dữ liệu cảm biến 10m trong môi trường
vật cản).
Tuy nhiên thí nghiệm cho kết quả
khơng ổn định vì lặp lai nhiều lần làm
xước mặt phẳng quay nên kết quả sẽ ra
khác. Bộ thí nghiệm đã chế tạo rút ngắn
thời gian đo đạc và thu nhận số liệu bên
cạnh đó người thao tác dễ thực hiện do
thí nghiệm đã tự động hóa.
Nếu được khắc phục nhược điểm và cải

tiến, bộ thí nghiêm ứng dụng Bluetooth
sẽ được sử dụng rộng rãi không chỉ
trong phịng thí nghiệm hay trên đại
học mà cịn được ứng dụng ở trong các
tiết học trên lớp ở trường phổ thơng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
HỒNG VĂN HUỆ, PHÙNG VIỆT HẢI, NGUYỄN THỊ THANH HƯƠNG.
(2012). Nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến và thí nghiệm ghép nối với máy vi
tính trong dạy học vật lí ở trường phổ thơng. Đề tài Khoa học và Công nghệ
cấp bộ, Trường Đại học Tây Ngun.
MAI HỒNG PHƯƠNG, NGƠ MINH NHỰT (2016). Thiết kế bộ cảm biến kết
nối khơng dây với máy vi tính kiểm chứng định luật II và III Newton. Tạp chí
Khoa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, 61, 68-75.

519