Pillole di Bit

Negli ultimi anni c’è un tipo di componente che è diventato onnipresente in ogni dispositivo ed è usato, sempre più spesso in abbinamento con algoritmi gestiti dall’AI, per fare misurazioni di ogni tipo.
Contapassi, conteggio scalini, qualità del sonno, rilevazione cadute, rilevazione incidenti, solo per citare un piccolo sottoinsieme di tutto quello che si può fare.
Forse ci siete già arrivati, ma era anche presente nel titolo della puntata, sto parlando degli accelerometri.
Misurare le accelerazioni alle quali è sottoposto il nostro corpo o parte di esso, per poi misurarle, aiuta a scoprire un sacco di cose interessanti.

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La funzionalità più comune con cui avete a che fare, gestita da un accelerometro, è la rotazione dello schermo del telefono o del tablet, da verticale a orizzontale. Girate il dispositivo e la grafica dello schermo si adatta di conseguenza.
Come fa il telefono ad accorgersi che è in orizzontale o in verticale?
Sfrutta un sensore che misura l’accelerazione alla quale siamo sottoposti tutti sulla terra: l’accelerazione di gravità, quella che ci tiene saldamente con i piedi per terra e non ci permette di fluttuare, quella che ci fa andare in modo piuttosto veloce, dal trampolino fino allo specchio d’acqua della piscina.
L’accelerazione della gravità terrestre è circa 9,81 metri al secondo quadrato.
Vuol dire che acceleriamo di 9,81 metri al secondo ogni secondo.
L’accelerazione, nel mondo reale che conosciamo, è quella sensazione che proviamo quando modifichiamo la nostra velocità. Se ci muoviamo a velocità costante su una linea retta, il nostro corpo non percepisce forze. Anche se siamo fermi e non ci stiamo muovendo a velocità costante.
Chiedo clemenza ai fisici.
Nel momento in cui questa condizione varia, ce ne accorgiamo, in modo più o meno intenso.
In auto, ad esempio, quando si accelera, si frena o si sterza, sull’ottovolante, in ascensore, solo per fare alcuni esempi banali.
Misurare l’accelerazione a cui è sottoposto un oggetto è una cosa importante per molti motivi, alcuni strutturali, altri di salute, altri di sicurezza, altri di funzionalità.
Un aereo può sopportare solo una determinata accelerazione in volo, prima di rompersi, chi lo pilota deve essere avvertito.
Il nostro corpo può sopportare accelerazioni di diverso tipo, a seconda delle condizioni, anche in questo caso, se le misuriamo e mettiamo degli allarmi, riusciamo ad evitare danni che potrebbero richiedere trasferimenti di urgenza in ospedale.
Sapere se un veicolo urta, provocando una determinata decelerazione, misurandola possiamo determinare la gravità dell’urto, azionare i dispositivi di sicurezza e far partire la chiamata di emergenza, se necessario.
Nel piccolo, un accelerometro al polso riesce a misurare una quantità di cose impensabili, come i passi, gli scalini, il tipo di attività svolta, la qualità del sonno, eventuali cadute.
Tutto questo ovviamente si fa leggendo i dati dell’accelerometro e analizzandoli con software complessi e, da qualche tempo, l’aiuto dell’AI.
Veniamo al punto della puntata: come funziona un sensore che misura l’accelerazione, un accelerometro?
E come si fa a mettere dentro un circuito elettronico che può stare in un aereo, un’automobile, un telefono, un orologio o un anello smart?
Partiamo dal grande, perché se questo fosse un video, vi faccio vedere un’animazione ed ecco che è tutto chiaro. Ma questo è un podcast e devo farvi lavorare con l’immaginazione.
Prendete un sottobicchiere, di quelli con il bordino rialzato e mettete una pallina di metallo all’interno.
Per questo esperimento immaginiamo che il sottobicchiere sia concavo, in modo che in situazione di quiete la pallina stia sempre al centro.
Poggiate il sottobicchiere su una superficie piana del cruscotto della vostra auto ferma.
La pallina è al centro.
Partite e la pallina si muoverà verso la parte posteriore dell’auto.
Più accelerate, più la pallina si allontanerà dal centro.
In base a un po’ di conti, misurando la distanza della pallina dal centro potete misurare la vostra accelerazione.
Di solito si misura in “g”, dove 1g è pari all’accelerazione della gravità terrestre.
Quando passate a velocità costante la pallina torna al centro.
Se fate una curva la pallina si sposta verso l’esterno, state subendo un’accelerazione laterale.
Se frenate la pallina si sposta verso la parte anteriore dell’auto.
Se mettete una telecamera sopra la pallina, con un po’ di elaborazione software potete misurare le accelerazioni della vostra automobile.
Ma questo sistema è scomodo.
Serve qualcosa di più piccolo, che si possa installare in un chip da saldare su una scheda di un circuito elettronico e che soprattutto restituisca qualcosa che possa essere letto da un circuito elettronico, una variazione di tensione, ad esempio.
E serve che misuri accelerazioni su tutti e tre gli assi nello spazio, anche l’asse Z, per le accelerazioni verticali.
Il chip che fa tutto questo è piccolissimo, costa pochissimo, lo trovate a pochi centesimi, e ha all’interno effettivamente 3 piccole masse che si muovono liberamente nello spazio.
Sono 3 oggetti piccolissimi che scorrono nei tre assi e sono tenuti da delle microscopiche molle calibrate.
Questi piccoli oggetti sono una delle facce di un condensatore. L’altra faccia è fissa sul chip.
Muovendosi, la distanza tra le facce del condensatore cambia, in questo modo cambia la sua capacità.
La lettura della capacità del condensatore nel tempo è la variazione dell’accelerazione.
Torniamo al grande.
Immaginate di avere tre penne sul tavolo, le facce dei nostri condensatori.
Due sono incollate al tavolo.
La penna in mezzo si può muovere tra le due penne a seconda di quanto il tavolo viene inclinato.
Più si avvicina alla penna di destra più posso leggere una variazione di capacità, perchè la distanza tra la penna di destra e quella in mezzo diminuisce e tra quella di sinitra e quella in mezzo aumenta.
Se alzo il tavolo dall’altra parte la cosa si inverte.
Visto che chi progetta il chip conosce il peso della massa che si muove, la forza delle molle e le capacità di cui stiamo parlando, il datasheet avrà indicato che accelerazione corrisponde a quale tensione.
Il software di gestione si occuperà di fare le sue analisi.
In ogni chip ci sono 3 masse libere di muoversi collegate a delle molle, per registrare le accelerazioni sui 3 assi.
I giroscopi funzionano più o meno nello stesso modo, con una libertà di movimento leggermente diversa all’interno dell’integrato.
Se l’accelerometro misura le accelerazioni lineari, i giroscopi misurano le accelerazioni angolari sui tre assi.
L’imbardata, il rollio e il beccheggio.
Siamo sempre in auto per fare degli esempi pratici.
Il beccheggio è quando l’auto punta verso il basso quando frenate.
Il rollio è quando l’auto si schiaccia sulle sospensioni esterne quando fate una curva.
L’imbardata è quando perdete aderenza e l’auto si gira su sé stessa e fa quello che si chiama testa-coda.
Il sensore rileva queste accelerazioni angolari con delle piccole masse, libere di muoversi, ma tenute da delle molle, che si allontanano dalla faccia del condensatore, come raccontato prima, tanto più quando il sensore gira veloce.
Se torniamo all’esempio delle penne, immaginate di avere tre penne, al cappuccio di una legate un cordino e appendete le altre due, in modo che siano appese al suo fianco.
In stato di quiete le penne si toccano.
Se la penna in mezzo inizia a girare, per effetto delle forza centrifuga le due penne si allontanano da quella centrale, il sensore, sapendo che le penne sono le facce di un condensatore, sa che la capacità varia in base alla distanza delle facce, ecco che più l’asse gire veloce più le facce sono lontane.
Fa in questo modo per i tre assi, ovviamente in un modo più furbo delle penne per evitare che cadano per effetto della gravità per le misurazioni di X e Y.
Spero di aver reso l’idea.
Questo sensore è usato moltissimo sui droni, per tenerli stabilizzati, legge i movimenti nello spazio e l’elettronica comanda i rotori in tempo reale per contrastarli. Per questo i droni moderni sono così stabili, anche in presenza di vento.
Voi a mano con il telecomando non ci riuscireste, né in tempo di reazione, né in precisione.
Il sensore di imbardata è usato ad esempio nel sistema di stabilizzazione delle auto, l’ESP, se nota che la macchina sta per girarsi, aziona i freni sulle singole ruote e taglia l’alimentazione per cercare di bilanciare le forze e evitare che l’auto vada in testacoda.
Nei telefoni viene usato per stabilizzare i video.
L’analisi dei dati di questi sensori è di grande aiuto in moltissimi casi e genera una quantità di informazioni inimmaginabili. La loro elaborazione porta a ottenere ancora più informazioni, soprattutto adesso che c’è di mezzo l’intelligenza artificiale.
Se volete alcuni numeri che potreste provare sul vostro corpo, in auto, quando accelerate con una utilitaria media potete arrivare a 0,2g, quando fate una frenata di emergenza su asciutto raggiungete circa 1g, in curva mai più di 0,7g.
Se l’auto è sportiva le accelerazioni possono essere maggiori.
Per avere 1g in accelerazione, l’auto deve fare 0-100km/h in meno di 2,8”.
Potete farli su una Tesla Model S Plaid o una McLaren 720S, ad esempio.
L’ottovolante Blue Tornado a Gardaland ha un picco di accelerazione pari a 4.5g
Quando decollate con un volo di linea l’accelerazione orizzontale raramente supera 0,4g, una vettura sportiva accelera molto di più.

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