حساسیت‌های پرفراز و نشیب

تئوری

برای این‌که بفهمیم یک شتاب‌سنج تلفن همراه چگونه عمل می‌کند، باید مسأله‌ را از دید فیزیکی آن ببینیم. شاید نخستین تعریفی که از شتاب در ذهنتان شکل می‌گیرد، تغییرات سرعت باشد که تعریف درستی است. یعنی اگر سرعت‌های مختلف یک جسم را در یک فاصله‌ زمانی حساب کنیم، می‌توانیم شتاب را به دست بیاوریم، اما مشکل اینجاست که گوشی شما نمی‌تواند برای محاسبه‌ شتاب صبر کند.‌ اما چگونه می‌توانیم با حذف زمان یا مسافت، شتاب را محاسبه‌ کنیم؟ اینجا یکی از قوانین سه‌گانه‌ نیوتن به کمک ما می‌آید؛ یعنی قانون دوم. این قانون فرمول ساده‌ای دارد که عبارت است از نیرو = جرم × شتاب یا شتاب = نیرو / جرم.‌ به عبارت دیگر، شتاب را می‌توان نیروی مورد نیاز برای جابه‌جا کردن واحد جرم در نظر گرفت. بگذارید به قضیه ساده‌تر نگاه کنیم، شما روی صندلی عقب یک خودرو نشسته‌اید و ماشین ناگهان راه می‌افتد. حس می‌کنید به پشتی صندلی فشار داده می‌شوید، چرا؟ به دلیل شتاب خودرو هنگام حرکت و به هر میزان که این فشار به صندلی بیشتر باشد، شما در ذهنتان تخمین می‌زنید که خودرو شتاب بیشتری دارد. این قاعده، مبنای عملکرد شتاب‌سنج‌ها به شمار می‌آید.

انواع

انواع مختلفی از شتاب‌سنج‌ها وجود دارد که با وجود تفاوت در ساختار، از همان تئوری توضیح داده شده برای سنجش شتاب استفاده می‌کنند.

شتاب‌سنج‌های مکانیکی که ساده‌ترین نوع شتاب‌سنج‌ها به شمار می‌آیند، چیزی شبیه همان مدل صندلی عقب و مسافر است، اما در ابعاد کوچک‌تر.‌ این شتاب‌سنج‌ به صورت جعبه‌ای است که در داخل آن، جسمی با جرم محسوس قرار دارد. این جسم از کنار به یک فنر متصل شده و می‌تواند آزادانه حرکت کند. هنگامی که به این دستگاه شتابی وارد شود، جعبه‌ بیرونی به سرعت حرکت می‌کند، اما جسم داخلی عقب می‌ماند و باعث کشیده شدن فنر می‌شود. با توجه به آن‌که میزان کشیدگی فنر متناسب با نیروی وارد به آن است، با اندازه‌گیری آن (مثلا با اتصال یک مداد به جسم داخلی) می‌توان شتاب را محاسبه کرد. دستگاه‌های زلزله‌نگار تا حد زیادی به همین صورت عمل می‌کنند.

نوع دیگر شتاب‌سنج‌ها، به جای محاسبه‌ نیرو به کمک مداد و کاغذ، از جریان‌ الکتریکی برای این محاسبه بهره می‌گیرد. در شتاب‌دهنده‌های خازنی، با وارد شدن شتاب، فشار جسم داخلی سبب نزدیک شدن یک صفحه‌ خازن به صفحه‌ دیگر که ثابت است، می‌شود. این نزدیکی باعث تغییر در ظرفیت خازن می‌شود که سپس با محاسبه‌ میزان این تغییر می‌توان به میزان شتاب وارد شده به دستگاه پی‌برد.

شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریکی نیز عملکردی مشابه دارند؛ با این تفاوت که در آنها از کریستال‌های پیزوالکتریک مثل کوارتز به جای خازن استفاده می‌شود. این کریستال‌ها با دریافت نیرو، جریان الکتریکی تولید می‌کنند که با محاسبه‌ میزان آن، می‌توان میزان نیروی وارده و در نتیجه شتاب را محاسبه کرد.

نوع سوم، شتاب‌سنج‌های با اثر هال است که شتاب را به وسیله‌ محاسبه‌ تغییرات جریان الکتریکی در میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط حرکت یک آهنربا تخمین می‌زند.

تلفن همراه

حتما با خود فکر می‌کنید این شتاب‌سنج‌ها که داخل یک گوشی جا نمی‌شوند. این حرف تا حدی درست است؛ یک شتاب‌سنج مکانیکی با جرم و فنرش را نمی‌توان داخل یک گوشی گنجاند، اما قضیه در مورد شتاب‌سنج‌های خازنی کمی متفاوت است.

شتاب‌سنج‌هایی که در داخل یک تلفن‌ همراه قرار دارند، عملا از نوع شتاب‌سنج‌های خازنی است که بر پایه‌ تکنولوژی MEMS یا Micro Electro Mechanical System ساخته شده‌اند. با وجود اندازه‌ میکرومتری این شتاب‌سنج‌ها، در داخل آنها جسم متحرکی قرار دارد که جزء اصلی آن به شمار می‌رود. این جسم که به آن جرم لرزه‌ای (Seismic Mass) نیز گفته می‌شود، لابه‌لای صفحات چند خازن قرار گرفته است. این خازن‌ها نیز به مدار اصلی گوشی متصل است.‌ با حرکت دادن گوشی، جرم لرزه‌ای به حرکت در می‌آید و باعث تغییر در فاصله‌ صفحات خازن‌ها و در نتیجه‌ آن تغییر در ظرفیت‌ آنها می‌شود.

این تغییر ظرفیت، تغییر در جریان الکتریکی عبوری از این تراشه را سبب می‌شود که بر این اساس، شتاب وارد شده به گوشی محاسبه می‌شود. علاوه بر این، به کمک این شتاب‌سنج‌ها و با در نظر گرفتن شتاب جاذبه، می‌توان زاویه‌ قرار داشتن تلفن همراه در دست را نیز تخمین زد.‌ نکته‌ اعجاب‌آور در مورد این شتاب‌سنج‌ها، ساخته‌ شدن آن روی یک میکروچیپ است. به این صورت که اجزای مختلف آن در لایه‌های متفاوت و از انواع مختلف سیلیکون تولید شده و روی یک تراشه قرار می‌گیرند.

کاربردها

هنگامی که صحبت از کاربردهای شتاب‌سنج‌ در دستگاه‌های الکترونیک می‌شود، اغلب کاربران با کاربردهایی مثل بازی‌های حرکتی (روی تلفن‌های همراه و کنسول‌های بازی مثل نینتندو Wii) یا تشخیص جهت صفحه‌ گوشی آشنا هستند، اما این شتاب‌سنج‌ها کاربردهای جالب دیگری نیز دارد:

قدم‌شمار: بسیاری از گوشی‌ها از شتاب‌سنج در سیستم قدم‌شمار (pedometer) بهره می‌گیرند.

تثبیت تصویر: برخی دوربین‌های دیجیتال و همچنین گوشی‌ها، اثر تکان خوردن دست هنگام گرفتن عکس را به کمک شتاب‌سنج از تصویر حذف می‌کنند تا تصویر دقیقی ذخیره شود.

جلوگیری از آسیب به هارد دیسک: شاید فکر نمی‌کردید لپ‌تاپ شما هم در داخل خود دارای شتاب‌سنج باشد، اما امروزه بسیاری از لپ‌تاپ‌ها از شتاب‌سنج‌ها برای تشخیص سقوط استفاده می‌کنند. وقتی این سیستم تشخیص دهد لپ‌تاپ در حال سقوط است (احتمالا از دست یا میز افتاده است) به سرعت هد هارددیسک را قفل کرده تا از آسیب به صفحات آن و در نتیجه از بین رفتن داده‌ها جلوگیری کند.

محمود صادقی