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Miss die Geschwindigkeit und zurückgelegte Höhe aus einem Aufzug heraus mittels des Barometers.
Liebe Phyphoxmacher,
ich habe einen kleinen Kritikpunkt zur Beschleunigungsmessung hier beim Aufzug und auch generell bei der Phyphoxbeschleunigungsmessung: Die z-Komponente ist beim unbeschleunigten Liegen des Smartphones grundsätzlich von 9,81 m/s² verschieden, bzw. die Beschleunigung ohne g dann konsequenterweise verschieden von Null. Bei der hier dargestellten Messung ist das ca. 0.2, bei dem von mir benutzten Smartphone ist das – 0.2. Auch die y-Komponente weicht von Null ab. Das liegt aber offensichtlich nicht (oder nicht ausschließlich) am eingebauten Sensor, denn bei Benutzung von Physics Toolbox werden korrekte Werte angezeigt. Kann man da nichts dran ändern? Bei vielen anderen Messsystemen (z. B. TI-nspire mit Verniersensoren) kann man das einstellen. Das wäre doch hier auch schön! Insbesondere wenn man mit SuS misst.
Herzliche Grüße
Bärbel Fromme
Hallo Frau Fromme,
danke für die konstruktive Kritik, zu der ich wohl leider eine sehr umfassende Antwort schreiben muss:
Zunächst einmal sollte ich wohl erklären, wie die „Beschleunigung ohne g“ zustande kommt, da dies auch für die anderen Erklärungen relevant ist. Der tatsächlich verbaute Sensor ist natürlich die „Beschleunigung mit g“, denn es handelt sich hierbei letztendlich um nichts anderes als eine federnd gelagerte Testmasse, deren Auslenkung gegenüber der Ruhelage gemessen wird. Neben der Auslenkung durch die Trägheit beim Beschleunigen des Smartphones wird diese natürlich auch durch die Schwerkraft ausgelenkt, so dass der Sensor stets 9,81 m/s² zum Erdmittelpunkt „sieht“. Um den Wert zu erhalten müssen wir glücklicherweise nicht viel machen, sondern können einfach das System fragen und erhalten den fertig kalibrierten Wert direkt in der richtigen Einheit vom Betriebssystem.
Die Beschleunigung ohne g ist ein ganzes Stück komplizierter, denn es reicht nicht einfach, 9,81m/s² entlang einer Achse abzuziehen, denn das Smartphone weiß nicht, welche Achse das wäre. Es ist aus Sicht des Smartphones nicht unterscheidbar, ob sie es senkrecht zur Erdbeschleunigung zusätzlich beschleunigen oder ob sie es nur leicht in eine Richtung verkippt haben. Diese Unterscheidung ist erst durch das Gyroskop möglich, weswegen Sie den Sensor „Beschleunigung ohne g“ (bis auf wenig eher unseriöse Ausnahmen) nur auf Geräten finden, die auch ein Gyroskop haben. Glücklicherweise müssen wir aber auch hier nicht viel machen, um diesen Wert zu erhalten, da auch dieser direkt vom System geliefert wird – wir fragen einfach nach dem Sensor „linear acceleration“ (wie er in anderen Apps auch meist genannt wird) und erhalten direkt das Ergebnis aus der Kombination von Beschleunigungssensor und Gyroskop.
Hier wird es dann allerdings etwas schwammig, da diese Fusion der Daten aus den beiden Sensoren durchaus Geräteabhängig sein kann. Bei meinem Nexus 5x beobachte ich beispielsweise, dass die gemessene Erdbeschleunigung zu Beginn einer Messung als Referenz genommen und im folgenden abgezogen wird. Dabei korrigiert das Gyroskop die Richtung und es scheint zudem Filter zu geben, die eine (unvermeidbare) Drift des Gyroskops ausgleicht, so dass die Beschleunigung in Ruhe stets Richtung Null driftet.
Damit kann ich nun etwas konkreter auf Ihre Beobachtungen, Fragen und Wünsche eingehen:
– Dass der Wert von 9.81 m/s² abweicht ist eine „schlechte Kalibration“ durch den Hersteller und muss nicht zwingend direkt zu einer Abweichung in der Beschleunigung ohne g führen (. Eine allgemeine Aussage ist hier schwierig, aber Werte ungleich Null bei ruhendem Handy sind meistens darauf zurückzuführen, dass das Handy beim Start der Messung nicht ruhte oder dass der Beschleunigungssensor entlang einer Achse anders kalibriert ist als entlang einer anderen. In dem Fall wird beim Drehen des Smartphones nie die richtige Beschleunigung abgezogen und auch eine Funktion zum Nullen würde nur bis zur nächsten Drehung helfen. Hierzu nochmal das Beispiel meines Nexus 5x: Die y-Achse hat einen Offset von 1 m/s² während die anderen Achsen „normal“ funktionieren, also die z-Achse bei liegendem Handy auch 9,81 m/s² anzeigt. Starte ich nun die Messung „ohne g“, zieht das Handy diese beiden Werte ab und ich sehe erwartungsgemäß eine Beschleunigung (ohne g) von Null. Drehe ich das Handy dann aber in Richtung der y-Achse, sinkt die y-Achse auf Null (der falsche Offset) und die z-Achse wird dennoch kleiner. Der Betrag der gemessenen Beschleunigung (mit g) sinkt deutlich unter 9,81 m/s², aber das Handy zieht weiterhin die 9,81 m/s² und sogar noch die 1 m/s² ab – lediglich gedreht über das Gyroskop. Die Beschleunigung ohne g steigt dadurch an, wenn ich mein Handy drehe. Wie gesagt ist dieses Verhalten aber vom Modell abhängig und leider nicht durch eine einfache Kalibration zu beheben – Man müsste schon einen eigenen Algorithmus zur Berechnung der Beschleunigung ohne g implementieren.
– Dass Physics Toolbox etwas anderes anzeigt als phyphox überrascht mich sehr. Ich habe einen recht guten Kontakt zu dem Entwickler und empfehle diese App auch gerne, insbesondere wenn Lehrende Interesse daran haben, dass die Sensordaten nicht direkt ausgewertet werden, sondern nur die Rohdaten verfügbar sein sollen. Bei einem Test auf dem gerade beschriebenen Nexus 5x zeigt die App jedenfalls exakt das gleiche Verhalten. Könnten Sie mir sagen, auf welchem Smartphone-Modell Sie das beobachten? Unter Android vermute ich, dass Physics Toolbox die Daten genau gleich abfragt (denn so viele Möglichkeiten gibt es da nicht), aber unter iOS gibt es verschiedene Varianten, da man hier nicht die Sensoren direkt abfragt, sondern verschiedene „Ergebnisse“. Wenn der unterschied reproduzierbar ist und nicht davon abhängt, ob man das Smartphone nach Start der Messung bewegt, würde ich gegebenenfalls auch mit dem Entwickler Rücksprache halten, da wir da eventuell beide etwas von lernen können…
– Grundsätzlich plane ich durchaus, eine Kalibrationsfunktion einzubauen, kann aber noch nicht sagen, wann wir das angehen. Dabei ergibt sich auch das Problem, die Funktion so einzubauen, dass Sie die Bedienung der App nicht unnötig verkompliziert und zugleich flexibel genug ist um sinnvoll zu sein. Hier wird gerne eine einfache Funktion zum „Nullen“ des Sensors angeboten, da aber auch lineare Abweichungen und vor allem unterschiedliches Verhalten der verschiedenen Achsen eine Rolle spielen, dient das meist eher der Beruhigung, da der Fehler nicht mehr offensichtlich ist.
Sie können mir auch gerne per Mail antworten, wenn das bequemer ist als in diesem Kommentarsystem (das erinnert mich daran, mal ein Forum einzurichten). Vielen Dank jedenfalls schon einmal für Ihr Feedback, denn auch wenn ich hier leider keine direkte Lösung versprechen konnte, lernen wir nur über dieses Feedback, was für unsere Nutzer wichtig ist.
Viele Grüße
Sebastian Staacks