Forum: Offtopic Geschwindigkeit und Aufprall eines Squashballs ermitteln


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von Silvio W. (giraffe66)


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Hallo

Ich möchte gerne die Geschwindigkeit und den Aufprall eines Squashballs 
ermitteln.
Also wie schnell fliegt der Ball und mit welcher Wucht schlägt dieser an 
der Wand auf. Des weiteren möchte ich diese Daten an mein Handy schicken 
lassen oder selbst abrufen.

Die ganze Elektronik möchte ich im Ball haben.


Welche Sensoren brauche ich dazu und wie Gross wird das ganze in etwa? 
Passt das in einen Squash- oder Tennisball?

Beste Grüsse

von David .. (volatile)


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Silvio W. schrieb:
> Hallo
>
> Ich möchte gerne die Geschwindigkeit und den Aufprall eines Squashballs
> ermitteln.
> Also wie schnell fliegt der Ball und mit welcher Wucht schlägt dieser an
> der Wand auf. Des weiteren möchte ich diese Daten an mein Handy schicken
> lassen oder selbst abrufen.
>
> Die ganze Elektronik möchte ich im Ball haben.
>
>
> Welche Sensoren brauche ich dazu und wie Gross wird das ganze in etwa?
> Passt das in einen Squash- oder Tennisball?

Du musst nur die Geschwindigkeit messen, aus dem bekannten Gewicht vom 
Ball kann bei einer harten Wand die Kraft berechnet werden.
Im Ball wird das aber nichts, das macht keine Elektronik lange mit. 
Besser waere eine externe Lichtschranke.
Worum gehts genau, warum brauchst du das?

von Willi W. (williwacker)


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Definiere "Wucht"

Das mit der Geschwindigkeit ist schon ganz richtig. Wenn die Genauigkeit 
nicht allzu hoch sein muss, müsste es auch eine Kamera (Smartphone) tun, 
die einzelnen Bilder haben einen gewissen zeitlichen Abstand (bekannt 
oder bestimmbar) und dann musst Du nur noch die Wegdifferenz (von Bild 
zu Bild oder über mehrere Bilder) messen. Dazu sollte ein Zollstock oder 
sowas reichen. Den Zollstock kannst Du an die Wand nageln, die Kamera in 
einem bestimmten Winkel draufschauen lassen und dann den sich daraus 
ergebenden Faktor berechnen (Geometrie).

Hätte direkt Lust, das mal auszuprobieren, kann aber nicht Squash.

von Silvio W. (giraffe66)


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Besten Dank für die Antworten.

@WilliWacker
Danke für deine Antwort, aber ich möchte die ganze Elektronik im Ball 
haben.

@David
auch dir besten dank für deine Antwort
Das habe ich natürlich total übersehen mit: F= m * a
Somit bräuchte ich nur einen Geschwindigkeitsmesser und ein Modul, das 
mir die Daten an mein Iphone schickt.

Kennt sich da jemand mit aus ? Ich wäre auch bereit dafür zu Zahlen.
(Bitte per PM melden)

Wofür ich das brauche:
Just 4 fun und ich will es...  :-)

Beste Grüsse

von Oliver R. (orb)


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Silvio W. schrieb:
> aber ich möchte die ganze Elektronik im Ball haben.

Das ist schön, wird aber nichts.
Selbst in einem Fußball ist das nicht so unterzubringen, daß sich der 
Ball noch normal verhällt.
Sie Dir mal Highspeedaufnahmen vom Aufprall eines Squashballs an (z.B. 
https://www.youtube.com/watch?v=5IOvqCHTS7o ) und überleg wieviel Platz 
da noch für Elektronik bleibt. Null dürfte eine brauchbare näherung 
sein.

von Mani W. (e-doc)


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Silvio W. schrieb:
> Die ganze Elektronik möchte ich im Ball haben.

Halte ich für nicht zielführend, aus Beschleunigungs-Gründen...


Eher zwei Laser-Einheiten über Spiegel als Geschwindigkeits-
Messung über die ganze Fläche, die "durchschossen" wird.

Silvio W. schrieb:
> mit welcher Wucht schlägt dieser an
> der Wand auf.

Könnte man aus der Geschwindigkeit und dem Gewicht(Masse) des
Balls berechnen:




Mani

von Timm T. (Gast)


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Silvio W. schrieb:
> Danke für deine Antwort, aber ich möchte die ganze Elektronik im Ball
> haben.

> Somit bräuchte ich nur einen Geschwindigkeitsmesser und ein Modul, das
> mir die Daten an mein Iphone schickt.

Na, wer hat denn da in Physik nicht aufgepasst?

Du kannst die Geschwindigkeit des Balls nicht IM Ball messen. Du 
brauchst dazu ein externes Bezugssystem. Und das wird bei nem fliegenden 
Ball schwierig, denn GPS dürfte zu ungenau und zu langsam sein.

Du kannst die Beschleunigung des Balls messen. Da hast Du aber 3 
Lagefreiheitsgrade und 3 Rotationsfreiheitsgrade. Selbst mit einem 
ausreichend schnellen Sensor dürfte Dir das recht schnell entgleiten.

Ganz davon abgesehen, dass die Elektronik das nicht lange überlebt.

=> Miß den Ball von außerhalb.

von Stefan M. (derwisch)


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Die Wand ist das Messgerät.

Ich würde mir eine dicke Stahlplatte an zwei Seilen aufhängen.
Die Stahlplatte ist mit Dehnungsmessstreifen oder Piezowandler bestückt 
( hinten... )

Nun kannst du feststellen, mit welcher Amplitude die Platte beim 
Aufprall des Balls schwingt.

Diese "Messplatte" muss natürlich vorher mit genau bakannten Kräften 
kalibriert werden.

So kannst du mit Hilfe der gut bekannten Masse des Balls die kinetische 
Energie messen.

Und mit den richtigen Formeln kannst auch auf die Geschwindigkeit im 
Auftreffmoment schliessen.

von Silvio W. (giraffe66)


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Vielen vielen Dank für die Ausführlichen Informationen.

Ich habe es eingesehen, dass mit einem Squash- oder Tennisball hier nix 
zu machen ist.
--> Elektronik macht dies nicht allzu lange (wenn überhaupt) mit.

Dennoch möchte ich an meiner Grundidee festhalten...

Besteht die Möglichkeit dies in einem Wurfball (mit Styropor oder drgl. 
gefüllt) zu realisieren ?
Also:
Die Elektronik gut einpacken, mit Gummi oder Schaumstoff ausstatten und 
das ganze dann in einen kleineren Ball verstauen. Der Ball sollte nicht 
grösser als ein Tennisball sein.
Das die Wurfkraft eines Menschen nicht so hoch ist wie die mit einem 
Schläger geschlagen, sollte dies doch eine Möglichkeit sein, oder ?

von Timm T. (Gast)


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Du kannst dafür z.b ein Quadrokopter-Steuermodul verwenden. Das hat 
3Achs Beschleunigungssensor, Controller für Datenauswertung und 
Kommunikation, Bluetooth oder Wlan für Datenübertragung, Akku und 
Akkumanagement. Es muss nur frei programmierbar sein.

Du kannst damit aber wie gesagt nur Beschleunigung messen, für 
Geschwindigkeit brauchst Du ein Bezugssystem.

von Jonny O. (-geo-)


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Ich würde eine Kamera im Eck platzieren und dann per Bilderkennung die 
Geschwindigkeit errechnen. Die Software muss dann nur nach den 
schnellsten, sich bewegenden, Pixeln im Bild Ausschau halten... 
Natürlich muss die Framerate hoch genug sein.

: Bearbeitet durch User
von Mani W. (e-doc)


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Die Idee von Jonny ist gut, mit guter Kamera und gutem Programm
wäre die Geschwindigkeit theoretisch an jedem Quadratmeter der
bespielten Fläche zu messen.

Wenn das Programm dann auch weis, in wie vielen Zentimetern vor der
Wand der Ball wie schnell unterwegs war, dann könnte man an Hand des
Gewichtes/Masse des Balls die Aufprall-Kraft errechnen.


Da halte ich Laser-Lichtschranken (auf die ganze Fläche gesehen)
für günstiger.

Aber wie müssten diese konstruiert sein?

Rotierende Spiegel, etwas anderes fällt mir dazu nicht ein.


Diese müssten allerdings sehr schnell rotieren, um einen Squashball
zu erfassen...


Gruß
Mani

von Timm T. (Gast)


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Mani W. schrieb:
> Da halte ich Laser-Lichtschranken (auf die ganze Fläche gesehen)
> für günstiger.
> Aber wie müssten diese konstruiert sein?
> Rotierende Spiegel, etwas anderes fällt mir dazu nicht ein.

Man könnte das wie eine Laserharfe aufbauen. Ein Laserstrahl scannt X1, 
ein Laserstrahl scannt Y1, Z Meter weiter scannt ein Laser X2, einer Y2.

Die Laser werden über rotierende Spiegel aufgefächert und sind im 
kHz-Bereich moduliert. Es wird das am Ball gestreute Laserlicht mit 
einer oder mehreren schnellen Photodioden erfasst. Mit einem Lock-In 
werden die Signale X1, Y1, X2, Y2 aus dem modulierten Streulich 
extrahiert. Da die Lage der Strahlen im Moment der Erfassung bekannt 
sind, kann die Position und Zeit des Balls (x1 y1 z1 t1) und (x2 y2 z2 
t2) berechnet werden. Damit bekommt man einen Richtungsvektor und eine 
Zeitdifferenz und kann die Geschwindigkeit berechnen unter der Annahme, 
dass sie sich zwischen z1 und z2 nicht nennenswert ändert.

von Mani W. (e-doc)


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Timm Thaler schrieb:
> Die Laser werden über rotierende Spiegel aufgefächert und sind im
> kHz-Bereich moduliert.

Danke für Deine sehr schönen Ausführungen!


Mani

von peter b. (raeusper)


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Mit der Messung der Beschleunigung (Vektor) durch einen Sensor kennt man 
auch die Geschwindigkeit und den Weg, ohne "Bezugssystem".
v=Integral a dt
s=Integral v dt

von Hannes J. (Firma: _⌨_) (pnuebergang)


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Timm Thaler schrieb:
> Du kannst damit aber wie gesagt nur Beschleunigung messen, für
> Geschwindigkeit brauchst Du ein Bezugssystem.

Praktisch geht es wahrscheinlich nicht.

Theoretisch und unter idealisierten Bedingungen sollte die 
Geschwindigkeit aus dem Ball heraus messbar sein.

Misst du im Ball die Beschleunigung a(t) und die Zeit t über die die 
Beschleunigung negativ wirkt, kannst du die Änderung der Geschwindigkeit 
v(t) durch Integration von a bestimmen. Gehst du von einer 
Endgeschwindigkeit von 0 m/s im Bezug zur Wand aus, bevor der Ball 
zurückprallt, kannst du auf die Ausgangsgeschwindigkeit zurückrechnen.

Das würde am besten funktionieren, wenn die grundsätzlichen Richtungen 
der Vektoren bekannt sind. Z.b. wenn der Beschleunigungsvektor senkrecht 
zur Wand stehen würde. D.h. der Ball fliegt gerade, prallt im 90° Winkel 
auf die Wand, die Kompression des Balls ist symmetrisch, usw. Das wäre 
dann ein sehr idealisierter Flug und Ball.

UND, bei digitaler Messung brauchst du Messungen die das Abtasttheorem 
erfüllen, daran dürfte es bei schnellen Änderungen, wie dem 
Zusammenprall mit einer Wand, scheitern.

: Bearbeitet durch User
von Timm T. (Gast)


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peter b. schrieb:
> Mit der Messung der Beschleunigung (Vektor) durch einen Sensor kennt man
> auch die Geschwindigkeit und den Weg, ohne "Bezugssystem".
> v=Integral a dt
> s=Integral v dt

Ähm ja, Herr Mathelehrer, und in den Mathearbeiten sind auch die 
Ergebnisse beim Lösen von quadratischen Gleichungen immer ganzzahlig.

Die Realität sieht etwas anders aus. Da der Sensor nur eine begrenzte 
Genauigkeit hat und die Abtastung nicht beliebig schnell erfolgen kann, 
fliegt Dir das Integral mehr oder weniger schnell um die Ohren. Diese 
Erfahrung hat man mit Quadrokoptern machen müssen, und deswegen sind 
auch autonome Quadrokopterflüge ohne externes Bezugssystem (GPS, 
Bodenkamera) nicht machbar.

Und so ein Ball hat deutlich höhere Beschleunigungen als ein 
Quadrokopter zu ertragen. Ich bezweifle, dass die Beschleunigungsumkehr 
beim Aufprall auf die Wand mit den üblichen Accelerometern überhaupt 
erfassbar ist.

Außerdem steckt in

> v=Integral a dt
> s=Integral v dt

ein unbekanntes vo und so. Und das ist bekanntlich gut so, sonst würdest 
Du ständig kotzen müssen.

von peter b. (raeusper)


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Als Physikaufpasser weiss ich, daß vom Prinzip kein externes 
Bezugssystem notwendig ist.
Die Untersuchung mechanischer Strukturen erfolgt vorzugsweise mit 
Beschleunigungssensoren,  die beiden anderen physikalischen Größen (v, 
s) sind damit genauso vorhanden.

von Detlef K. (adenin)


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peter b. schrieb:
> Als Physikaufpasser weiss ich, daß vom Prinzip kein externes
> Bezugssystem notwendig ist.

Nobelpreisverdächtig. :)

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Motion Capture könnte auch klappen. Dazu streicht man den Ball in einer 
bestimmten Farbe, die sonst nicht vorkommt (Feuerwehrsignalfarbe?) und 
erfasst ihn mit einer Kamera mit Chroma Keying. Die Motion Capture 
Software bringts dann auf den Bildschirm.

von Gerald M. (gerald_m17)


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Man kann, wenn man gut trifft, auch den Ball gegen eine Metallplatte 
schlagen. Wenn die Metallplatte oben schwenkbar gelagert ist, kann man 
mit der Masse des Balles, dem Trägheitsmoment der Scheibe und der Höhe, 
wie hoch die Platte kippt die Geschwindigkeit berechnen.
Wenn man das mit einer schnellen Kamera aufnimmt kann man über die 
Kontaktzeit auch die durchschnittliche Kraft auf den Ball berechnen (
 )

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