Ứng dụng cảm biến lực và vi điều khiển Arduino để thiết kế bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH 
TẠP CHÍ KHOA HỌC 
HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION
JOURNAL OF SCIENCE
ISSN: 
1859-3100 
KHOA HỌC GIÁO DỤC 
Tập 16, Số 4 (2019): 81-89 
EDUCATION SCIENCE
Vol. 16, No. 4 (2019): 81-89
 Email: tapchikhoahoc@hcmue.edu.vn; Website:  
81 
ỨNG DỤNG CẢM BIẾN LỰC VÀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO 
 ĐỂ THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT HỆ SỐ MA SÁT 
Nguyễn Thành Phúc, Quách Uy Lập, Ngô Minh Nhựt*, Nguyễn Lâm Duy 
Khoa Vật lí – Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh 
* Tác giả liên hệ: Ngô Minh Nhựt – Email: nhutnm@hcmue.edu.vn 
Ngày nhận bài: 09-10-2018; ngày nhận bài sửa: 25-10-2018; ngày duyệt đăng: 24-4-2019 
TÓM TẮT 
Bộ thí nghiệm kháo sát hệ số ma sát được thiết kế dựa trên việc sử dụng vi điều khiển 
Arduino và cảm biến lực. Với khả năng giao tiếp với máy vi tính thông qua kết nối bluetooth, dữ 
liệu thực nghiệm có thể được ghi nhận một cách liên tục và nhanh chóng; biểu diễn được quá trình 
chuyển tiếp giữa lực ma sát nghỉ và ma sát trượt. 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 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 trong chương trình Vật lí lớp 10 trung học phổ thông. 
Từ khóa: cảm biến lực, hệ số ma sát, kết nối Bluetooth. 
1. Mở đầu 
Trong dạy và học Vật lí, thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình 
thành và củng cố kiến thức, góp phần rèn luyện kĩ năng, thái độ và tư duy thực nghiệm cho 
học sinh. Tuy nhiên, việc sử dụng thí nghiệm trong giảng dạy vẫn còn hạn chế. Cụ thể 
trong chương trình Vật lí lớp 10 THPT – phần Cơ học, khi giảng dạy kiến thức về lực ma 
sát giáo viên thường chỉ mô tả hiện tượng, ít kiểm chứng bằng các thí nghiệm vì không có 
đầy đủ dụng cụ thí nghiệm hoặc độ chính xác của các bộ thí nghiệm không cao, dẫn đến sai 
số phép đo lớn. Ở thị trường trong nước, bộ thí nghiệm khảo sát lực ma sát bằng phương 
pháp mặt phẳng nghiêng do Công ti Cổ phần Sách và Thiết bị Trường học sản xuất (2018) 
đang được sử dụng rộng rãi tại các trường trung học phổ thông, tuy 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, không cho thấy quá trình chuyển từ ma sát 
nghỉ sang ma sát trượt. Ở thị trường ngoài nước, một số bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma 
sát do các hãng thiết bị như Leybold (2018), Phywe (2018) sản xuất cũng ứng dụng 
phương pháp mặt phẳng nghiêng, một số khác lại ứng dụng phương pháp sử dụng lực kế 
gắn trên vật và kéo vật theo phương nằm ngang. Tuy nhiên, các bộ thí nghiệm trên không 
biểu diễn được quá trình chuyển đổi giữa ma sát nghỉ và ma sát trượt, hơn nữa việc thực 
hiện thí nghiệm đòi hỏi người sử dụng phải có khả năng thực nghiệm tốt. Trong khi đó, bộ 
thí nghiệm khảo sát lực ma sát do hãng Pasco (2018) sản xuất và bộ thí nghiệm do Lee và 
A. Polycapou thiết kế có khả năng cập nhật giá trị lực ma sát tự động lên máy vi tính, tiện 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 16, Số 4 (2019): 81-89 
82 
lợi cho việc quan sát kết quả thí nghiệm (6, tr. 757). Tuy nhiên, thiết kế của Lee và A. 
Polycapou lại phức tạp, sử dụng cảm biến lực theo ba phương và bộ truyền động vi cấp nên 
việc tìm kiếm các thiết bị, vật tư này trên thị trường Việt Nam khá khó khăn; bộ thí nghiệm 
của hãng Pasco có thiết kế đơn giản hơn nhưng giá thành cao, không thể trang bị rộng rãi ở 
các trường phổ thông. 
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, tr. 10-18). Đối với môn 
Vật lí, 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 công 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 xử lí số 
liệu nhanh chóng và dễ dàng hơn. Vì vậy, nghiên cứu này tập trung ứng dụng vi điều khiển 
Arduino và cảm biến lực để chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát có thể biểu diễn 
được quá trình chuyển đổi lực ma sát nghỉ qua ma sát trượt. Đồng thời phương pháp đĩa 
xoay mà chúng tôi sử dụng để khảo sát hệ số ma sát là một phương pháp mới, chưa từng 
được áp dụng ở các bộ thí nghiệm trong và ngoài nước. Hơn nữa, bộ thí nghiệm này sử 
dụng các thiết bị hiện có trong nước nên dễ dàng tìm được vật dụng để sửa chữa. 
2. Nội dung nghiên cứu 
Dựa trên cơ sở xác định các phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên 
cứu cụ thể, chúng tôi thiết kế bộ thí nghiệm theo các bước, được minh họa ở Hình 1: 
Hình 1. Sơ đồ hệ thống bộ thí nghiệm 
2.1. Mô hình khảo sát hệ số ma sát 
Bộ thí nghiệm kh