Il Raspberry Pi è un piccolo ma potente computer che può essere utilizzato per realizzare un personale e portatile laboratorio di fisica.
Un Raspberry pi con il suo Sense Hat su di esso, E’ possibile vedere i vari sensori ed il display a cristalli liquidi sulla sinistra,
In passato abbiamo visto come sia possibile – utilizzando il nostro smartphone- effettuare misurazioni precise di varie grandezze fisiche (qui e qui). Le funzionalità di questi potenti elaboratori sono però estremamente ridotte a causa dell’ambiente (sia esso Android, Apple o Microsoft) in cui sono ingabbiati. Per effettuare misurazioni più complete e dettagliate è possibile ricorrere a sistemi basati su microcontrollori come Arduino o su microprocessori come il Raspberry pi.
Quest’ultimo è un vero e proprio computer dotato di wifi, usb, uscita video ecc. Collegando tastiera, mouse e schermo video è possibile avere a poco prezzo (30 euro più 10 della micro usb che svolge le funzioni del disco rigido) – un’ottima macchina, da dedicare agli usi più disparati. Si può installare sia uno dei vari Linux che (gratuitamente!) una versione di Windows adattata apposta per il Raspberry. È anche possibile collegare un touchscreen con un cavo dedicato (ma schermo e della meccanica hanno un coso che si avvicina ai 100 euro).
Ma la caratteristica più interessante del Raspberry – che lo differenzia da un semplice computer a basso costo – è che può essere collegato a una serie di sensori e attuatori tramite le porte digitali (GPIO, General Purpose Input/Output) di cui è dotato e con cui può dialogare e interagire con il mondo esterno **1. Ciascuno di questi sensori può essere acquistato in rete per pochi euro, ma per rapporto prezzo/prestazioni e semplicità di utilizzo il Sense hat è tra migliori. Come suggerisce il nome, il Sense hat è dotato di una pletora di sensori: temperatura, pressione, accelerometro/giroscopio, campo magnetico e umidità, nonché un display multicolori a 64 canali e un piccolo ma funzionale joystick con cui è possibile – volendo – interagire senza tastiera. Questa scheda – che si innesta sul connettore GPIO – è stata sviluppata per effettuare varie dimostrazioni pratiche a bordo della stazione spaziale nell’occasione del volo dell’astronauta inglese Tim Peak nel 2015 e successivamente da altri astronauti tra cui Paolo Nespoli e Luca Parmitano (qui un concorso dell’ESA al riguardo).
Grazie a delle librerie di software (in vari linguaggi, python, C, etc) di cui è fornito il Sense Hat, con poche righe di codice è possibile leggere tutti i sensori ed effettuare un monitoraggio continuo dell’ambiente che ci circonda. La flessibilità del codice e del sistema operativo in cui risiede consente di regolare la frequenza delle acquisizioni, il formato dei dati e il suo immagazzinamento in maniera molto più semplice di quanto possibile fare con lo smartphone. Un primo uso può essere quello della stazione meteorologica, misurando così temperatura pressione a casa. Il vantaggio del Raspberry è che può essere facilmente portato in giro, è possibile sbizzarrirsi e osservare in prima persona molti dei fenomeni fisici che – pur presenti nella nostra vita di tutti i giorni – restano spesso relegati sui libri di scuola. Nelle due figure è possibile vedere le misure effettuate con un Raspberry in occasione di un volo intercontinentale da Roma a Tokyo e muovendosi con la metro per Tokyo.
A una prima occhiata sono visibili vari comportamenti a breve e lungo termine che dipendono dall’ambiente esterno o dal tipo di trasporto utilizzato. In una serie di post successivi analizzeremo in dettaglio i vari sensori e le grandezze fisiche che è possibile misurare.
Grafico di accelerazione, campo magnetico, pressione, temperatura, umidità e pressione in un volo di circa 12 ore da Roma a Tokyo in funzione del tempo in secondi. Sono visibili le fasi di vibrazione del volo e i picchi dovuti all’atterraggio. Il campo magnetico, a parte le fluttuazion inziali dovute all’alloggiamento nell’aereo ha una lenta deriva dovuta al campo geomagnetico, mentre la temperatura decresce lentamente. L’umidità dell’aria è molto bassa (aria secca), mentre la pressione decresce a sbalzi dato che è regolata su circa 2000 metri quando l’aereo è alla quota di crocierea (di 11000 metri). Quando inizia l’atterraggio la pressione sale sino a bilanciarsi con quella al suolo.
Il Raspberri a spasso per Tokyo. Si notano le virbazioni dovute al camminare e agli spostamenti in metro (che modificano anche il campo magnetico). Temperatura e umidità dipendono dal luogo, mentre il grosso abbassamento della pressione si ha salendo al 30 piano di un edificio.
**1 A differenza del suo cugino Arduino, il Raspberry non è dotato di un ADC (Analog to Digital Converter), un componente in grado di trasformare i valori analogici in tensione provenienti dai sensori e trasformarli in valori digitali per essere immagazzinati nel computer. L’opposto dell’ADC e’ il DAC (Digital to Analog converter), che legge i valori digitali del computer (o di un CD) e li converte in segnali analogici in tensione (ad esempio il suono dello stereo). I chip Atmel montati sulle schede di Arduino hanno queste funzionalità al loro interno mentre nel caso del Raspberry questa non è presente e va aggiunta a parte. D’altro canto, si può sempre collegare Arduino al Raspberry e leggerlo tramite la porta usb.
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