В кармане у каждого лежит переносная лаборатория. Акселерометр, гироскоп, магнитометр, микрофон, барометр, GPS, камера с высокой частотой кадров — современный смартфон имеет на борту у себя более десятка датчиков научного уровня. Это те же MEMS-технологии, что используют в авиации, автомобилестроении и подушках безопасности.
Редакция «Компьютерры» собрала все, что нужно знать, чтобы превратить смартфон в лабораторию по физике. Как работают датчики и насколько они точны, полезные эксперименты, выбор приложений и советы — читайте в этом материале.
Сравнение смартфона и традиционного оборудования
| Функция | Смартфон | Традиционное оборудование |
| Ускорение (3 оси) | ✓ | ✓ |
| Вращение (гироскоп) | ✓ | редко |
| Звук (уровень, частота, спектр) | ✓ | ✓ |
| Излучение калиброванных звуков | ✓ | ✗ (отдельный генератор) |
| Магнитное поле | ✓ | ✓ (специальный зонд) |
| Атмосферное давление | ✓ (зависит от модели) | ✓ |
| Свет (освещённость, цвет) | ✓ | ✓ |
| GPS / измерения на местности | ✓ | ✗ |
| Камера / видеоанализ | ✓ | иногда |
| Температура, pH, напряжение | ✗ (нужен внешний датчик) | ✓ |
Смартфон не заменяет все, его ограничения мы опишем ниже, но он поможет изучить основы механики, акустики, магнетизма и фотометрии.
Насколько это точно?
Вопреки распространенному мнению, датчики смартфона — не игрушки. Они принадлежат к двум крупным технологическим семействам.
Первое — MEMS (микроэлектромеханические системы), это датчики, содержащие настоящую подвижную механическую микроструктуру, вытравленную в кремнии на микронном уровне. Акселерометр — архетип такого устройства: масса, подвешенная на микроскопических пружинах, смещается под действием инерционных сил, а изменение электрической емкости преобразуется в ускорение. Гироскоп использует силу Кориолиса, действующую на вибрирующую массу, тот же принцип, что и в органах равновесия насекомых. Барометр измеряет деформацию мембраны, а микрофон сам является MEMS-устройством с миниатюрной вибрирующей мембраной.
Второе семейство — микроэлектроника без движущихся частей, например, матрица КМОП-фотодиодов в камере, радиочастотный чип GPS, магнитометр на эффекте Холла. Никакой механики нет, тут только физика твердого тела.
Что объединяет эти два семейства, так это экономия на масштабе. Производимые миллиардами экземпляров ежегодно для телефонов, других устройств, автомобилей (подушки безопасности, система стабилизации) и дронов, эти компоненты пережили обвал размеров и цен. Например, камера, стоившая сотни евро в научном приборе 1990-х, теперь стоит копейки.
Характеристики:
- акселерометр — выборка на 100 Гц и выше, разрешение порядка сотой доли м/с², то есть измерение g с точностью лучше 1%;
- микрофон — оцифровка на 44 100 Гц (частота дискретизации CD-аудио), измерение частоты с точностью до герца во всем слышимом диапазоне;
- магнитометр — чувствительность в несколько десятых микротеслы при магнитном поле Земли около 47 мкТл;
- камера — 60, 120 или даже 240 кадров в секунду в замедленном режиме, то есть временное разрешение 4 мс;
- барометр — чувствительность, достаточная для обнаружения изменения высоты на один метр.
Калибровка — сырые данные против обработанных
Смартфон почти никогда не выдает сырые данные датчика. Магнитометр постоянно перекалибруется операционной системой (поэтому компас сопротивляется магнитам), акселерометр проходит заводскую коррекцию, а микрофон иногда применяет шумоподавление
Чего смартфон измерить не может
У смартфона есть явные ограничения:
- Температура. Внутренние датчики измеряют температуру батареи и процессора, а не воздуха или жидкости.
- Электрическое напряжение и ток. Ни один датчик не дает к ним доступа, электричество остается вотчиной мультиметра.
- pH и химия растворов. Помимо косвенной колориметрии, прямого химического измерения нет.
- Радиоактивность. Вопреки приложениям, обещающим ее измерить через камеру, результат не надежен.
- Сертифицированный абсолютный уровень звука. Шумомер телефона не калиброван как прибор класса 1, он отличается, но приблизителен в абсолютных значениях.
- Метрологическая точность. GPS дрейфует в помещении, а часы не являются атомными.
Для всех этих величин решение — внешний датчик, подключенный к телефону или планшету по Bluetooth. Второй, еще более интересный способ — связать телефон по Bluetooth с микроконтроллером: micro:bit, Arduino или ESP32. Эти платы принимают самые разные датчики, стоят недорого и их можно запрограммировать. Смартфон тогда становится дисплеем, регистратором и лабораторным журналом.
Датчики смартфона
В нескольких квадратных сантиметрах уживаются более десяти научных датчиков, разберем основные.
Акселерометр для механики
Это король датчиков механики: изучение колебаний маятника или системы масса-пружина, измерение ускорения лифта, трамвая или автомобиля, анализ удара или прыжка, демонстрация невесомости в свободном падении.
Телефон выдает две разные величины. Абсолютное ускорение включает реакцию на гравитацию — телефон, лежащий на столе, показывает 9,81 м/с². Линейное ускорение вычитает ее программно — тот же телефон показывает ноль. В свободном падении абсолютное ускорение падает до нуля (датчик больше ничего не «чувствует»: невесомость), а линейное показывает g.
Гироскоп для вращения и момента импульса
Гироскоп измеряет угловую скорость вокруг трех осей в радианах в секунду. Он показывае все о вращении: период проигрывателя, сохранение момента импульса на офисном стуле (пользователь разводит, затем прижимает руки, а телефон в кармане фиксирует ускорение вращения), анализ движения гимнаста.
Микрофон для лаборатории акустики
С частотой дискретизации 44,1 кГц микрофон прежде всего позволяет увидеть форму звука. Осциллограмма вычерчивает амплитуду сигнала во времени, это форма самой волны, и она может быть разной. Гармонический звук — музыкальная нота, пропетая гласная — рисует узор, повторяющийся идентично период за периодом, тогда как шум не имеет регулярности вовсе. Длительность узора дает высоту ноты, его более или менее замысловатая форма намекает на тембр.
Эти инструменты открывают самые красивые звуковые исследования: изучение тембра музыкального инструмента, анализ птичьего пения, разгадка того, почему звук колоколов негармоничен, или разоблачение иллюзии тона Шепарда — гаммы, которая будто бы поднимается вечно.
Микрофон — также измерительный прибор сам по себе. Как шумомер он измеряет уровень звука в децибелах — затухание с расстоянием, звуковая карта. Как акустический секундомер он срабатывает при прохождении звука и измеряет длительности с точностью до миллисекунды — ключ к измерению скорости звука.
Смартфон не только приемник, но и излучатель. Его синтезатор генерирует точные частоты — достаточно, чтобы создать биения между двумя соседними тонами, изучить интерференцию между двумя динамиками или проверить слух. Он также может воспроизводить определенные звуковые образцы: звуки инструментов, шумы, различные звуковые эффекты, полезные для изучения тембра или запуска измерений.
Камера для видеоанализа, хронофотографии и колориметрии
При видеоанализе (кинематическое отслеживание), отмечая кадр за кадром положение снятого движущегося объекта, вы получаете кривые положения, скорости, ускорения и энергии. После калибровки масштаба можно количественно проверить законы Ньютона, сохранение энергии и уравнение параболы. Это также врата в биомеханику: прыжки с шестом, штрафные броски, теннисные подачи.
Хронофотография накладывает последовательные положения движущегося объекта на одно изображение. Падающий мяч, запуск снаряда, маятник, то есть пользователь видит с одного взгляда траекторию и меняющийся интервал, а значит, и скорость, при этом без всяких вычислений.
Колориметрия (анализ интенсивностей красного, зеленого и синего) превращает камеру в еще один датчик, который помогает узнать состав света, концентрацию окрашенного раствора (в этом весь смысл активности с законом Бера — Ламберта — Бера) или измерить пульс методом фотоплетизмографии, когда палец прикладывают к объективу.
Магнитометр для исследования магнитных полей
Присутствующий в каждом телефоне для компаса, магнитометр измеряет магнитное поле в микротеслах по трем осям. Им можно измерить поле Земли и его наклонение, восстановить закон диполя 1/d³, отодвигая магнит, продемонстрировать эффект Эрстеда вокруг провода с током или обнаружить металлические конструкции внутри стены.
Кстати парадоксальный эксперимент можно сделать с магнитом. Если его поднести к телефону, то значение поля сойдет с ума, но компас продолжает указывать на север. Почему компас смартфона не реагирует на магниты? Дело в непрерывной программной перекалибровке — это прекрасная иллюстрация разницу между сырыми и обработанными данными, о чем мы писали выше.
GPS для скорости, положения и определения на местности
Приемник GPS (точнее, GNSS: GPS, Galileo, ГЛОНАСС) дает положение, высоту и скорость. Им можно изучать движение велосипедиста или бегуна, сравнивать мгновенную и среднюю скорость или вести научные картографические проекты — геолоцированные измерения шума или магнитного поля. Это также отличная отправная точка для разговора об относительности. Часы спутников должны корректироваться на релятивистские эффекты, чтобы ваше положение было точным.
Барометр, люксметр и остальное
Барометр обнаруживает изменение высоты на один метр. Можно измерить высоту здания, поднимаясь по лестнице, или отслеживать погоду. Люксметр изучает освещенность и ее затухание по закону 1/d². Добавьте к этому датчик приближения, шагомер и, на новых моделях LiDAR, способный картографировать комнату в 3D.
Какие приложения выбрать
Датчики находятся в телефоне, но именно программное обеспечение превращает их в инструменты. Сосуществуют три семейства приложений.
FizziQ — бесплатное приложение без рекламы и сбора личных данных, разработанное во Франции. Оно не просто показывает значения датчиков, а структурирует весь исследовательский процесс.
Доступны более 50 измерительных инструментов, в том числе акселерометр, гироскоп, шумомер, частотомер, осциллограф, спектрограф, магнитометр, люксметр, инклинометр, GPS, колориметр, акустический секундомер, синтезатор частот, встроенные инструменты хронофотографии и видеоанализа, а также цифровой лабораторный журнал.
Еще 9 приложений для работы с датчиками смартфона описаны в нашей статье:
Карманная лаборатория: 7 датчиков в смартфоне, которые превращают его в мультитул
Часто задаваемые вопросы
Можно ли действительно делать точные измерения смартфоном?
Да. MEMS-датчики смартфонов имеют промышленный класс: акселерометр измеряет g с точностью лучше 1%, микрофон измеряет частоты с точностью до герца, а публикации в American Journal of Physics подтвердили пригодность этих датчиков для университетских практикумов.
У всех ли смартфонов одинаковые датчики?
Нет. Акселерометр, гироскоп, магнитометр, микрофон, камера и GPS присутствуют почти на всех моделях, барометр и LiDAR — только на некоторых. Приложение FizziQ, например, может автоматически определить доступные датчики.
Android или iPhone выбрать?
Оба работают. Датчики эквивалентного качества. Единственное заметное различие в том, что доступ к данным слегка варьируется между моделями, что, кстати, питает дискуссии о сравнении инструментов.
Можно ли использовать планшет вместо смартфона?
Да. Планшеты имеют большинство тех же датчиков (часто без барометра или GPS на Wi-Fi-моделях).
Нужен ли интернет для использования датчиков?
Нет. Все датчики работают в авиарежиме. Только GPS нуждается в приеме спутников, но не в мобильной сети. Измерения можно делать офлайн.
Какие физические эксперименты можно сделать вообще без оборудования?
Измерить скорость звука двумя телефонами, изучить свободное падение хронофотографией, проанализировать спектр своего голоса, измерить магнитное поле Земли, записать ускорение лифта или измерить пульс камерой.
Чего смартфон измерить не может?
Температуру воздуха, электрическое напряжение и ток, pH и радиоактивность внутренние датчики не измеряют.