Módulos del Mundo de los Materiales - CIMAVproductividad.cimav.edu.mx/productividad/adjuntos/libros/194/Senso… · riales desde los tiempos de la prehistoria. Al principio, hicieron

Módulos del Mundo de los Materiales Un programa educacional de ciencia y tecnología basado en la indagación

Northwestern University (847) 467-2489

www.materialsworldmodules.org

Desarrollo del Módulo

Eric J. Baumgartner School of Education and Social Policy Northwestern University

Prueba de campo

James Czuchra Maestro de QuímicaAmundsen High SchoolChicago, Illinois

Renee DeWorldMaestro de QuímicaEvanston Township High SchoolEvanston, Illinois

Marty LandorfMaestro de QuímicaMaine West High School Des Plaines, Illinois

William A. Lederhouse Maestro de Física Schaumburg High School Schaumburg, Illinois

Prof. Brian Reiser Sooja NehrlichSchool of Education and Social Policy Northwestern University

Sooja Nehrlich Maestra de Química y Biología Amundsen High School Wheaton-Warrenville High SchoolWheaton, Illinois

Chris SmithMaestro de Química Palatine High School Palatine, Illinois

James TefftMaestro de Química Palatine High School Des Plaines, Illinois Palatine, Illinois

Ronald L. WilliamsMaestro de Física Schaumburg High School Schaumburg, Illinois

Programa MWMDirector Prof. Robert P. H. ChangCoordinador del Programa Beth AbbattConsultor en EducaciónRichard Goodspeed Distribución/Difusión Barbara Pellegrini Red de comunicación Lisa SinghContralor Anne Muller

Diseño del ProductoEditor de la Serie Elizabeth Kaplan Diseños Gráficos de la SerieMaria MariottiniEditor del MóduloRebecca StrehlowDiseño Gráfico del MóduloDale D. BedaEditor de MinipediaCarrie DierksEditor de Foto Mary E. GoljenboomProducciónPatricia Parra

Derechos de autor © 1998 Northwes-tern University. Derechos reservados. Este trabajo no puede reproducirse o transmitirse en ninguna forma o por ningún medio electrónico o mecánico, incluyendo fotocopias o grabaciones o por ningún sistema de almacenamiento o reproducción sin la previa autorización escrita de la Northwestern University, al menos que esa reproducción este permi-tida por las leyes del derecho de autor. Dirección para solicitudes: Materials World Modules, Northwestern University, Evanston, IL 60208

Este proyecto fue financiado en parte, por la National Science Foundation Las opiniones expresadas en este documento son propias de los autores y no necesariamente son las de la fundación.

Equipo de los Módulos del Mundo de los Materiales

Autores Matthew Hsu, Northwestern University Ken Turner, Schaumburg High SchoolTom Young, Waukesha South High School

Este módulo está dedicado a la memoria de Dale D. Beda.

Este proyecto fue apoyado, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencia

Las opiniones expresadas son de la audiencia y no necesariamente de la

Fundación

Programa Módulos Mundo de los MaterialesMéxico

Traducción, Adaptación e InstrucciónCentro de Investigación en MaterialesAvanzados, S.C.

Coordinador TécnicoLuis Fuentes Cobas

Titular del Módulo de Sensores Inteligentes

Adriana Ramos Palomino

Dra. Mirna López Fuentes.Facultad de Ingeniería Química (BUAP)

Amando Zaragoza ContrerasAntonino Pérez HernándezFrancisco Espinosa MagañaJosé Martin Herrera Ramirez

Sión Federico Olive Méndez

Edición del Módulo

Maria Elena Montero CabreraRoberto Sánchez Martínez

Programa Financiado por la Secretaría deEducación, Cultura y Deporte del Gobiernodel Estado de Chihuahua. Edición 2012-2013

Pablo Espinoza Flores

Secretario de Educación, Cultura y

Deporte

Director de Educación Media Superior

y Superior

Salomón Maloof Arzola

Secretario Técnico de la CEPPEMS

(Comisión Estatal para la Planeación y

Programación de la Educación Media Superior)

Victor Hugo López de Lara Chávez

Supervisor Operativo del Proyecto

Horacio Echavarría González

Ricardo Cervantes Sixtos

Subsecretario de Educación, Cultura y

Deporte

Centro de Investigación enMaterialesAvanzados, S.C.

Jesús González HernándezDirector General

Alfredo Aguilar ElguezabalDirector Académico

Gob i e r no de l E s t ado

Secretaría de EducaciónCultura y Deporte

Introducción al Módulo de los Sensores Inteligentes

Actividades

Contenido

iv

Evadir la Detección de Movimiento Expandiendo los conceptos

Introducción: Rodeado de sensores Un Recorrido por Algunos Sensores

Expandiendo los conceptos

Introducción: Sensor de Sonido Hacer un Micrófono

Expandiendo los conceptos Introducción: Piezoelectricidad Explorando el Efecto Piezo: La Historia Detrás


Introducción: Probando Materiales Piezoeléctricos Midiendo la Respuesta Piezoeléctrica


Diseñando un Contador de Monedas

Diseñando un Nuevo Sensor

Proyectos de Diseño

Glosario Créditos

13

469

101215

161825

282935

37

41

4547

2

iv

Expandiendo los Conceptos Los sensores inteligentes están hechos de materiales que responden a la tensión generando un voltaje.

¿Qué cosa son los Módulos..

La gente ha estado experimentando con mate-riales desde los tiempos de la prehistoria. Al principio, hicieron herramientas de piedras que se encontraban. Después, aprendieron a extraer y forjar metal herramientas que duraban más tiempo. En la actualidad, los científicos e ingenieros dedican toda su vida al estu-dio y desarrollo de nuevos y mejores materiales para una variedad de propósitos.

v

ActividadesCon este módulo, harás tus propias preguntas y buscaras tus propias respuestas acerca de un material llamado fluoruro de polivinilideno, o PVDF, el cual se usa en aparatos conocidos como sensores inteligentes. Usa las actividades para aprender cómo construir y operar sensores inteligentes con el PVDF. Platica con tus compa-ñeros acerca de lo que aprendiste.

“Toda la vida es un experimento. Mientras más experimentos loharás, mejor.”

Ralph Waldo EmersonEscritor Norteamericano

del Mundo de los Materiales?

Sensores Inteligentes. ¿Qué son?¿En dónde puedes encontrarlos?¿Por qué son útiles?

Proyectos de DiseñoUna vez que sepas algo sobre materiales que son sensores inteli-gentes, usarás lo que aprendiste de las actividades para diseñar tu propio aparato sensor. También probarás en aparato. ¿Tiene la sensibilidad adecuada? ¿Tu sensor funciona como tu querías?

Tú eres el científico.Cuéntanos acerca de tu é[email protected]

1Actividad 1 Evadir La Detección Del Movimiento

Los Detectores de Movimiento son dispositivos que responden a cambios en radiaciones electromagnéticas. Pueden detectar movimiento y después abrir puertas de tiendas, encender las luces en baños públicos o simplemente indicar la presencia de intrusos. Actualmente estas diseñando un detector de movimiento que te avi-sara cuando una persona se acerque a la puerta principal. ¿Cuál es el movimiento que quisieras que el sensor detectara? ¿La distancia, la velocidad o que otra cosa?

PrediccionesEn esta actividad, observaras e investigaras un detector de mo-vimiento comercial. Tu profesor ha colocado un detector de movi-miento en el salón de clases. El detector de movimiento contiene un sensor. Predice como te podrías mover dentro del rango del sensor y evadir la detección, comenta tus predicciones con tus compañe-ros y escribe el porqué de tus predicciones.

Procedimientos y Observaciones1. Cuando los compañeros pasen a observar el detector, observa su sensibilidad, nota que movimientos el sensor detecta, dibuja un cuadro que represente el salón de clases y señala los límites de la sensibilidad del detector. La región en la que el detector trabaja es su área activa.2. En grupos pequeños den ideas de como una persona se puede mover dentro del área activa sin ser detectado. Consideren probar a lo que el sensor responda primero. Lleguen a una conclusión de cuál es la mejor forma de hacer sus pruebas, después un integran-te del equipo intentara probar cada una de sus pruebas de evasión hasta que una de resultado, escriban que pasa.

Evadir La Detección Del Movimiento

Piensa en alguna de estas preguntas mientras se realizala actividad:¿Qué detecta este detector de movimiento? ¿Detecta solo movimiento o algo más? ¿Qué tipo de movimiento puedes hacer para evadir al detector?¿Qué tipo de protección te podría ayudar a evadir el detector?

Conexión al Diseño ¿En qué usos puedes pensar para este tipo de detector de movimiento?

“Muy a menudo es poco importante cuál es tu suposi-ción, pero siem-pre es importante cómo pruebas esa suposición”

George Polya, Matemático Húngaro

2 Módulo de los Sensores Inteligentes

Reflexiones 1. ¿Tus observaciones apoyaron tu predicción de cómo funciona el

detector de movimiento? Explícalo2. ¿Cuál fue la mejor manera de evadir la detección?

Juntando Todo3. ¿Cuál es el sensor de detección? ¿Qué evidencias tienes para

apoyar tus conclusiones?4. ¿Qué has aprendido de la sensibilidad de los detectores de movi-

miento?5. Basándonos en lo que sabes de la evasión del detector, enlista

algunas ventajas y desventajas de utilizar un detector de movi-miento.

Conexión al DiseñoSi seleccionaras un detector para un uso en particular, ¿Qué te gus-taría saber acerca de la sensibilidad del detector?

Me PreguntoEn tu equipo, generen una pregunta acerca de los detectores de mo-vimiento la cual les gustaría conocer la respuesta. Compartan esta pregunta con la clase y estén listos para explicar porque la respues-ta es importante para el equipo.

Expandiendo los Conceptos Lee esta explicación de cómo funciona el detector de movi-miento, ¿Tienes nuevas ideas de cómo evadir el sensor? Si quieres puedes ir atrás y probar de nuevo, ¿Cómo lo arias ahora, basándote en esta información? ¿Te habías imaginado alguna vez ser un radiador de calor? Pues resulta que lo eres, el calor es una forma de energía llama-da energía térmica. Todo lo que tenga una temperatura sobre 0 K (cero absoluto) incluyendo al cuerpo humano irradia energía térmica desde su superficie.Cuando pongas tus manos cer-ca de un objeto caliente podrás sentir el calor del objeto sin si quiera tocarlo. Por ejemplo, un rizador. Esto se debe a que la energía térmica se emite como radiación infrarroja. Tu piel siente la radiación infrarroja, los detectores de movimiento con-tienen un sensor que también detecta la radiación infrarroja.El detector de movimiento que

has estudiado es un ejemplo de un sistema de sensor inteligen-te. Contiene un sensor que ge-nera un voltaje en respuesta al cambio de temperatura (calor). Específicamente reacciona a los cambios de los patrones de la radiación infrarroja emitida por los objetos de su área activa. El sensor reacciona al crear una señal eléctrica cuando detecta el aumento o la disminución en la radiación infrarroja. Si la can-tidad de radiación es la misma entonces el sensor no generara ninguna señal. El sensor esta hecho de una película de fluoruro de polivi-nilideno o PVDF. Vea (A) en el diagrama. Cuando una persona se pare dentro del área activa del detector. La radiación que él o ella emitan cambiara la total radiación del área. Si la radiación infrarroja aumenta, la película del sensor se expandirá mientras absorbe esa energía extra, así como se muestra en la fig. B. Esta expansión causa ten-sión en la película, lo cual crea

0V 1-5V

++++

----

(A) Antes de exponer el cambio de calor

(B) Despúes de exponer el cambio de calor


voltaje. Cuando la persona se va, la energía térmica se reduce. Esto provoca que la película del sensor regrese a su estado original. El voltaje que creo el sensor es pequeño, por lo cual un proce-sador en el detector de movi-miento lo amplifica a una señal eléctrica que puede activar un generador de sonido o una luz. El cual es la respuesta del sistema al movimiento que se detecta. El cambio en la energía térmica debe de ser lo suficien-temente larga para producir una señal que causara responder al sistema. La mayoría de los sis-temas detectores cuentan con una opción para que el usuario ajuste la sensibilidad o la míni-ma señal requerida para que se produzca una respuesta. Esto puede ser de gran utilidad en una puerta principal. Por ejem-plo, si quieres que responda al movimiento de las personas y no al de los animales.


La palabra sentido viene del Latin sensus, que significa sentir o perci-bir. La definición más simple de lo que es un sensor sería: “un aparato que recibe responde a una señal o estímulo.”Los sensores responden a un estímulo que entra (algún cambio detectable en su ambiente) y lo convierte en una señal eléctrica que puede ser canalizada, amplifi-cada y modificada por otros aparatos para activar una respuesta.

RODEADO DE SENSORES

Piensa en tus cinco sentidos: gusto, tacto, olfato, vista y oído. Quizás han estudiado los tipos de célula en el cuerpo humano que detectan estímulos y que le permiten responder a estos. Aunque tu cuerpo tiene muchos tipos de células sensoriales especializadas diferentes, todas ellas participan en el mismo proceso: responden a los cambios y crean una señal eléctrica (el impulso nervioso) que es transmitido al cerebro. Las plantas también tienen células sensoriales. Toma en cuenta la Venus atrapamoscas que se muestra aquí. Los tricomas en forma de vello que se encuentran en sus hojas responden a un estímulo al contacto de un insecto.

En la actividad 1, observaron como un detector de movimiento opera. Ahora explorarán como operan otros sensores y sistemas de sensores.

Venus atrapamoscas

Conceptos detrás de los Sensores Inteligentes Los sensores piezo pueden reaccionar ante una variedad de estímulos, y el voltaje que generan puede ser amplificado para operar una variedad de dispositivos eléctricos.

Los iones (átomos con carga eléctrica) fluyen de célula en célula como resultado de esta simulación y provoca que la planta responda cerrando sus hojas atrapando al insecto. Toma cerca de un segundo que las hojas se cierren después de que el insecto las toca. Entonces la planta digiere lentamente a la nutritiva presa. Todos los sensores físicos y químicos, biológicos o no, usan materiales que convierten un estímulo en una respuesta eléctrica. Los sensores hechos por el hombre actúan casi igual que los sensores en el cuerpo humano, es decir, detectan estímulos y generan respuestas. En los dispositivos sensoriales comerciales, el estímulo es recibido y proce-sado (convertido) en la respuesta. Todo el dispositivo también puede llamarse sistema de sensores. Vivimos entre cientos de sensores hechos por el hombre que a su vez están hechos de muchos materiales y vienen en muchos tamaños y formas. Monitorean y controlan cosas como la temperatura de una habitación, consumo de combustible, seguridad en el hogar, procesos de fabricación automatizados, juguetes y juegos, componentes de audio, dispositivos de telecomunicación, equipo deportivo y máquinas robóticas.Los sensores Piezoelectricos, a menudo llamados solo sensores piezo (se pronuncia piaizo), están hechos de una capa delgada de polímero piezoeléctrico (o película). Una sustancia es piezoeléctrica si respon-de al estrés al generar una diferencia eléctrica potencial o voltaje. Las sustancias piezoeléctricas también responden a cambios en campos eléctricos el cual se refleja en el cambio de forma. Gracias a su versa-tilidad, los sensores piezo se usan en muchas aplicaciones diferentes. Verán cómo se realizan algunas de estas en la Actividad 2.

Los sensores piezo en las líneas de una cancha de tenis ayudan a los jueces a determinar si el saque fue bueno o no (si cruzó o no la línea).


Un Recorrido Por Algunos Sensores


Piensa en estas preguntas mientras haces la actividad:

¿Cómo puedes describir los estímulos que detecta cada sensor?¿Cómo crees que opera el sensor? ¿Cuáles son las diferencias entre estos sensores?

Conexión al Diseño¿Cómo se relaciona el diseño de cada sensor con su función?

¿Alguna vez has escuchado la alarma de un carro activarse en un estacionamiento o jalar una cuerda para indicarle al chofer del autobús que se detenga en la próxima parada? ¿Te has preguntado por qué algunos semáforos cambian a verde sólo cuando los carros están enfrente esperando? Trata de imaginar los sensores que están en uso en estos sistemas.

Tu maestro ha colocado varios dispositivos que utilizan materiales de sensores. Tendrás tiempo de trabajar con cada sensor para de-terminar cómo responde a cambios en su entorno.

Realiza una tabla con espacio para anotar:

• los nombres de cuatro o más dispositivos • los estímulos que cada sensor detecta• tu descripción del proceso del componente• las respuestas que cada sensor crea

“Mi definición de una persona educa-da es la que puede concentrarse en un sujeto por más de dos minutos”

Robert A. Millikon, Físico Americano.

Procedimientos, Información y Observaciones 1. Tu grupo realizará un recorrido dónde se encuentran situados

los dispositivos, en cada uno toma algunos minutos para obser-var, probar y describir cómo opera cada sensor. Investiga a que estímulos responde y cuál es esa respuesta.

2. Sí puedes llegar hasta el material del sensor sin romper ni da-ñar el dispositivo, examina el material y describe su apariencia, textura y su locación dentro del dispositivo.

3. Anota en tu tabla tus observaciones de cada dispositivo. Llega a un concenso con tu grupo de qué es lo que el sensor realiza. Dirígete con tu profesor para que te indique con que continuar.

7Actividad 2 Un recorrdio por Algunos Sensores

“Ten cuidado de no perder la esencia, sólo por intentar algo más”

Aesop, Autor de fabulas Griego

Interpretaciones de la Información1. Escoge uno de los dispositivos y crea un poster en grupos que ex-

plique lo que el sistema de sensores detecta, lo que hace en res-puesta a los estímulos y lo que tu grupo piensa que sucede dentro del objeto. Presenta tu poster al resto de la clase y explícalo.

2. Identifica el estímulo de entrada, el componente del proceso y el estímulo de salida de los diferentes dispositivos que examinaste.

Reflexiones3. ¿Qué materiales parecen los más comunes en las partes del sen-

sor de los dispositivos que has investigado?4. ¿Alguno de los dispositivos te sorprendió en la forma que respon-

dieron a los estímulos?

Juntando Todo5. ¿A qué conclusión puedes llegar acerca de los sistemas de sen-

sores que se vieron en esta actividad? 6. ¿Cuáles sensores parecen tener el uso más practico?

Conexión al DiseñoEscoge un dispositivo, después enlista las características que un diseñador tomaría en cuenta para hacerlo atractivo al consumidor.

Me PreguntoAhora que has tenido la oportunidad de observar varios sensores, piensa en 3 o más preguntas de cómo funcionan los sensores o de cómo los usamos. ¿Cómo podrías encontrar las respuestas?


Expandiendo los Conceptos Para causar una respuesta, el sensor tiene que ser parte de un sistema. Después de que leas esta descripción de los sistemas de sensores, recuerda los senso-res que ya has observado. Compa-ra esta explicación de los sistemas de sensores con las explicaciones que propusiste en tu poster.

Considera el sistema de control de las puertas de un carro, cada puerta tiene un sensor que detecta la posición de la misma (abierta o cerrada), en la mayo-ría de los carros, el sensor es un simple interruptor eléctrico que se enciende cuando se abre la puerta y se apaga cuando se cierra. Cuando el interruptor se encuentra encendido, una señal aparece en el microprocesador interno del carro (computadora). El microprocesador manda una señal que aparece en la panta-lla del tablero. El conductor al percibir la señal sólo tiene que cerrar la puerta.

Muchos sensores forman parte de sistemas como estos, el sis-tema causa una respuesta espe-cífica a estímulos específicos, a esto se le denomina sistemas de sensores inteligentes o siste-mas inteligentes.

En cualquier sensor inteligente, el sensor convierte los cambios físicos medibles, como los que se muestran en la tabla de abajo, en cambios que se pueden transmitir y procesar electrónicamente.El sistema de monitoreo de las puertas de un carro opera en respuesta a la presión. El detector de movimiento que investigaste opera en respuesta a la radiación infrarroja.

Los sensores inteligentes operan en sistemas que consisten en tres diferentes partes que se muestran en el diagrama de la derecha: el material del sensor, un procesador y un dispositivo de salida que actúa en la señal. Cada uno de los sensores que investigaste opera bajo el mismo

principio básico. Un estímulo causa un cambio en el material del sensor, el cual genera vol-taje. Este voltaje es usualmente pequeño para que se utilice en la mayoría de los dispositivos eléctricos. Por lo tanto, un proce-sador lo amplifica o lo transforma para que se pueda utilizar. El dispositivo de salida muestra un mensaje para encender o apagar la luz o algún otro dispositivo eléctrico, esto depende de otros tipos de sistemas, humanos o mecánicos. De esta manera el sensor inteligente ha realizado su trabajo, detectó y respondió a una señal específica.

9

Estímulo

Material del sensor

Procesador

Dispositivo de salida

Respuesta

Fuentes de Estímulo físicoTérmico

Temperatura Flujo de calor Radiación infrarroja magnético

Mecánico Químico Presión Masa Sonido

Químico

pH Concentración Emisión de gas

Magnético/eléctrico Resistencia Voltaje Fuerza del campo

Óptico

Longitud de ondaIntensidad

Actividad 2 Un recorrdio por Algunos Sensores

Todos hemos visto que los artistas utilizan micrófonos para amplifi-car sus voces. Probablemente te ha tocado participar en un karaoke y has utilizado un micrófono para cantar alguna de tus canciones favoritas. Mágicamente, parce que la voz humana se amplifica elec-trónicamente y se proyecta para que los demás la escuchen. ¿Cómo sucede? ¿Qué hay en el micrófono que detecta el sonido y lo cambia en algo que puede ser procesado por un sistema electrónico?El oído humano es considerado como un sensor natural. Como se muestra en la página 11, el oído recibe la entrada del medio ambiente en forma de ondas de sonido que llegan al tímpano. La vibración del tímpano provoca que el oído medio genere impulsos eléctricos que corresponden a la ola del sonido. Estos impulsos eléctricos se mueven al cerebro por las fibras del nervio auditivo. El cerebro procesa los impulsos, interpreta el sonido y estimula otras partes del cuerpo que responden al mensaje.

Sensor de Sonido

Un sensor inteligente puede trabajar de manera muy similar, puede responder tanto al sonido como a la luz, a la temperatura, al magnetismo o a la presión. El sensor inteligente provoca una respuesta específica al estimulo, por ejemplo: al encenderse una lámpara de la calle cuando cae la tarde.

En la Actividad 2, exploraste un rango de aplicaciones de sensores inteli-gentes. Ahora te centraras en una aplicación relacionada con las vibracio-nes de los sonidos


Conceptos detrás de los Sensores Inteligentes Los sensores inteligentes son llamados inteligen-tes porque provocan una respuesta específica a un estimulo especifico. El sonido es uno de los estímulos específicos al cual un sensor inteligen-te puede responder.

11

“Haz todo tan sim-ple como pueda ser, pero no más simple”

Albert Einstein Científico Americano

El micrófono es una aplicación en la cual un sensor inteligente interactúa con las vibraciones (presión) de las olas de sonido. Una pequeña tira plateada de la película PVDF puede actuar como tu tímpano. Conectado a conductores eléctricos, puede trasladar la presión de las olas de sonido a una señal eléctrica.

Probablemente has estudiado olas de sonidos en clase de ciencias. Posiblemente puedas distinguir entre sonidos largos y continuos como el de la sirena de los policías o sonidos con pulsaciones como cuando tocas fuerte una puerta. Estos sonidos simplemente representan dos diferentes patrones de olas de sonidos. Una ola de sonido es básicamente un movimiento de vaivén de una sustan-cia en tiempo y espacio. Una de las características de una ola es su frecuencia, la cual es el número de movimientos en un periodo de tiempo específico (generalmente un segundo). L as diferentes frecuencias de sonido producen diferentes resultados en tu tímpano y en tu película PVDF, diferencias que investigarás en esta actividad.

El oído humano es un sensor natural que detecta la energía del sonido y la convierte en energía eléctrica.

Actividad 2 Un recorrdio por Algunos Sensores

Los equipos de sonido son costosos, así que ¿no sería divertido si pudieras hacer tu propio equipo? Tal vez preferirías armar una mega-fonía para darle un mensaje a una audiencia grande y entusiasmada. Estos proyectos son muy complejos para completarlos en el salón de clases. Sin embargo, al experimentar con una película piezoeléctrica sensible llamada PVDF, puedes diseñar tu propio micrófono.

PrediccionesLee la lista de materiales en esta página y los pasos del procedimien-to en la página 13. Después, trata de predecir cómo reaccionará tan-to la película flexible como la película rígida durante cada una de las cuatro pruebas. También trata de predecir cómo agregar a la película un medio de vibración llamado sustrato afectará la respuesta tanto de la película flexible como la rígida.

Crea un cuadro con diferentes espacios para anotar:• Tus predicciones acerca de cómo los cuatro diferentes montajes de

la película PVDF responderán durante las cuatro diferentes pruebas.• Las razones de tus predicciones.• Tus observaciones durante las pruebas

Reúne estos materiales:• Dos piezas de la película PVDF, una flexible y una rígida.• Sustrato (un globo de hule, un guante de hule, envoltura de plástico

o cualquier tipo de material elástico).• Soporte para el sustrato (un vaso de platico o poliestireno) y ligas

para sujetar el sustrato.• Amplificador con bocinas• Cables conductores con pinzas de cocodrilo• Cinta con pegamento en ambos lados

Hacer Un Micrófono

Piensa en estas preguntas mientras haces la actividad:¿Cuál es la diferencia entre la forma en la que funciona un micrófono y la forma en la que funciona el oído?¿Qué variables influyen en la calidad del sonido que esta película PVDF puede producir?

Conexión al diseño ¿En dónde puedes usar un sistema de sensor inteligen-te que responda al sonido?


Procedimiento y Observaciones

1. Une la película PVDF flexible al amplificador/bocina usando los cables conductores. Antes de que hagas alguna de las pruebas, selecciona a alguien del grupo que haga las anotaciones de lo que haces y de lo que resulta.

2. Dale un pequeño golpe a la película y observa la respuesta. Ve si cambiando la forma en que le das el golpe cambia también

la respuesta.3. Rasguña un poco la película con tu dedo y observa la respuesta. Nota

como la velocidad y dureza del rasguño afecta lo que escuchas.4. Sóplale a la película y observa la respuesta. Determina si la pelícu-

la reacciona diferente dependiendo de la fuerza con la que soples o que tan cerca o lejos lo hagas.

5. Habla cerca de la película y observa la respuesta. Nota que tan cerca de la película debes estar para escuchar una respuesta.

6. Repite las mismas cuatro pruebas, golpea, rasguñar, soplar y ha-blar, con la película rígida. Toma nota de cualquier diferencia que observes entre esta película y la flexible.

7. Ahora haz un micrófono usando las PVDF (véase el diagrama). Es-tira el sustrato sobre el soporte y asegúralo para que se mantenga sujeto o infla y amarra el globo. Une la película flexible al sustrato con la cinta con pegamento en ambos lados o con resistol. Asegú-rate de que la película PVDF esté plana contra el sustrato.

8. Ejecuta las mismas cuatro pruebas como antes en este equipo de micrófono, anota las observaciones en el cuadro. También anota cualquier diferencia en las respuestas comparadas con las prue-bas que realizaste sin usar sustrato.

9. Reemplaza la película flexible por la rígida y de nuevo ejecuta las mismas cuatro pruebas en este equipo de micrófono, notando cualquier diferencia entre las respuestas que obtengas ahora y las que obtuviste con las pruebas anteriores.

Guante de hule o globo amarrado a la parte superior del vaso.

Tira PVDF

Vaso de plástico o poliestireno sin fondo.

Amplificador con bocina

Globo Tira PVDF

13Actividad 3 Hacer un Micrófono

Amplificador con bocina

Interpretaciones de las Observaciones

1. En términos de grado y volumen de reproducción del sonido ¿cuál película respondió mejor, la flexible sola o la rígida sola?

2. ¿Las películas respondieron mejor al contacto directo (golpe y ras-guño) o al tensión de la distancia (soplar y hablar)? ¿Añadir el sus-trato tiene más efectos al contacto directo o a la tensión de la dis-tancia sobre las respuestas de las películas? Explica.

Reflexiones3. ¿Tus observaciones concuerdan con tus predicciones? ¿Las razo-

nes que diste sobre tus predicciones explican los resultados? Si la repuesta es no, ¿qué nueva explicación tienes para tus resultados?

4. Revisa la forma en la que llevaste a cabo tus pruebas para identi-ficar los factores que pudieron haber afectado la exactitud de tus resultados. ¿Cómo podrías refinar tu procedimiento de evaluación para hacer tus pruebas más exactas?

Juntando Todo5. Basado en tus observaciones describe el papel que crees que la

película PVDF juega en el micrófono.6. ¿Cómo afecto el uso del sustrato el desempeño del micrófono

PVDF?7. Diseño de Conexión. ¿Cómo podrías utilizar lo que has apren-

dido en esta actividad para diseñar un teléfono celular miniatura o un equipo de sonido miniatura?

Me pregunto…Habla con el grupo para generar algunas preguntas acerca de la ac-ción de una película PVDF como elemento de un micrófono.

“La ciencia es muda, es el científico quién habla”

Simon Weil, Filósofo Frances.


Expandiendo los Conceptos ¿Qué pasa dentro de un micrófo-no una vez que el sensor detec-ta el estímulo? Los sistemas de sensores inteligentes, como so-bre el que acaban de investigar, todos tienen procesadores de señales. Lee este apartado para descubrir más acerca de ellos.Los micrófonos, y las bocinas, son transductores que convier-ten la energía mecánica (sonido) en energía eléctrica y vice versa, como se muestra en el diagrama de arriba.Tradicionalmente esto se hace con la bobina de un cable ata-da a un imán, como se muestra en el diagrama de abajo: si la bobina se movió, se produjo un voltaje. Si un cambio de voltaje atraviesa la bobina, provocará que ésta se mueva.Un material piezoeléctrico se comporta de la misma forma. Cuando una onda de sonido pro-voca que el material se mueva como columpio, hacia atrás y hacia adelante, el material crea una señal eléctrica. Si el mate-rial recibe un cambio en la señal eléctrica, vibrará en respuesta a este cambio.En el micrófono que acabas de hacer, la PVDF trabaja como un generador de señal. Debido a que el funcionamiento de la pe-lícula es pequeño, se debe poner

en contacto con algo más grande para crear un sonido audible. Es aquí donde los sustratos (ma-teriales como plásticos o elás-ticos a los que la película piezo se pueden adherir) y el proceso de señales entran. Los sustra-tos amplifican la vibración de la película, haciendo una vibración más grande que genera un vol-taje más alto. Los procesadores de señales tales como los ampli-ficadores incrementan la fuerza del voltaje.Casi todos los sensores (como las películas piezoeléctricas en el micrófono) producen niveles bajos de señales de entrada (voltaje muy bajo). Igualar las se-ñales a niveles compatibles o a niveles audibles con otros apara-

tos requiere un amplificador. Un amplificador es un aparato que hace que una señal débil se vuel-va fuerte. La señal de salida del amplificador contiene las mis-mas características frecuencia que la señal de entrada. Es por esto que el sonido que escuchas desde las bocinas es el mismo que el sonido que haces sobre o dentro de la película cuando usas un amplificador. El uso de un sustrato aumenta la vibración de la película e incrementa el voltaje que envía hacia el ampli-ficador, haciendo del micrófono un mejor reproductor de sonido que la película PVDF sola.

Voltaje

Parlante

Microfono

El altavoz convierte el voltaje en sonido;el microfono convierte el sonido en voltaje

Sonido

15Actividad 3 Hacer un Micrófono

En la Actividad 3 observaron cómo la película piezo responde a las ondas vibratorias del sonido. Esta vez reducirán la vibración a una sola onda y aprenderán cómo está construida la película piezoeléctrica de manera que pueda responder a tal estímulo.

El cuarzo es un mineral hecho de dióxido de silicio (SiO₂) que forma cristales hexagonales (de seis lados) o concentraciones de cristales. Los hermanos Jacques y Pierre Curie descubrieron un efecto eléctri-co en los cuarzos en 1880.

PIEZOELECTRICIDAD

Nombraron a este fenómeno piezoelectricidad, que deriva de la palabra griega piezein, que signi-fica presionar. Se hizo muy poco uso práctico de las propiedades piezoeléctricas hasta 1917 cuando Paul Langevin, un estudiante de Pierre Curie, uso la piezoelectri-cidad del cuarzo para generar y detectar el ondas sonoras en el agua. Éste fue el precursor del pri-mer sonar (acrónimo del nombre en inglés- sonar: sound navigation ranging- registro de ondas de na-vegación) aparato que se usa para la detección y exploración debajo del agua. Durante los 60s y los 70s, investigadores que buscaban mejores mate-riales piezo descubrieron que muchos materiales orgánicos exhibían el efecto piezo. Estudiaron varios polímeros incluyendo poliestireno, polimetil metacrilato y Teflon™.Los polímeros son moléculas de gran tamaño compuestas de miles o millones de moléculas más pequeñas y más simples conocidas como monómeros. En 1969, H. Kawai, físico japonés, descubrió una respuesta piezoeléctrica potente en el polímero fluoruro de polivinilideno (PVDF). El PVDF desarrolló mucha mejor actividad piezo que cualquier otro polímero sintético o natural.

Los operadores del sonar en submari-nos actuales usan tecnología basada en los primeros experimentos hechos con piezoelectricidad.


Conceptos detrás de los Sensores Inteligentes La estructura química de un material piezoeléc-trico permite a las cargas cambiar en la super-ficie del material cuando ésta está curveada. Este cambio de cargas provoca que el material genere voltaje.

Las películas piezoeléctricas tales como el PVDF se utilizan en la actualidad para detectores de movi-miento porque son bastante sensibles a la radia-ción infrarroja. La mayoría de la energía termal que el ser humano emite se encuentra en el registro infrarrojo. Las películas piezo también pueden res-ponder a fuerzas mecánicas, incluyendo la presión al flexionar. Son sensibles porque los polímeros de los cuales están hechos consisten en dipolos.Un dipolo es una molécula con una separación par-cial de carga. Por ejemplo, una molécula de agua, con apenas unos átomos de hidrógeno opuestos a apenas un átomo de oxígeno, forma un dipolo.Para ser de utilidad como un elemento sensible, el PVDF debe tener las propiedades de un dipolo. Regiones unidas del material deben tener carga positiva y regiones separadas deben tener carga negativa. Los científicos logran la separación de cargas en el PVDF al polarizar la película PVDF. Polarizar involucra exponer la película a un campo eléctrico fuerte. El campo provoca que se alineen las cargas positivas y negativas en regiones separadas. El efecto piezoeléctrico resulta de la separación de estas regiones cargadas.

17Actividad 4 Explorando el Efecto Piezo: La Historia Detrás

Las molélas de agua son dipolos

Cómo se polariza el PVDF

Los investigadores descubrieron recientemente que cuando aplica-ban un campo eléctrico a barras de chocolate derretidas, el chocola-te inmediatamente se endurecía. Cuando los investigadores quita-ban el campo eléctrico, el chocolate inmediatamente se derretía otra vez. Para tratar de explicar esto, consideraron los ingredientes del chocolate: suspensión de azúcar, polvo de cocoa y sólidos lác-teos con una pequeña cantidad de agua en un fluido aceitoso (man-tequilla de cocoa líquida). Uno de los primeros experimentos había confirmado que partículas suspendidas adquieren cargas inducidas y actúan como dipolos moleculares cuando están cerca de un cam-po eléctrico. El orden de los dipolos afecta la estructura del material en la cual se encuentran los dipolos y cómo actúan. En un campo eléctrico, las partículas suspendidas en el chocolate derretido se alinearon y se unieron haciendo que el chocolate se pusiera rígido. La película PVDF también está hecho de moléculas dipolos. La for-ma en la que están ordenadas las cargas positivas y negativas en la película conlleva la clave de su funcionamiento como un sensor inte-ligente. Entender como la estructura química del PVDF se relaciona con el voltaje que genera te ayudará a diseñar nuevas aplicaciones para la película.

Construir el monómero PVDFEstas a punto de utilizar equipos de modelos moleculares para explorar cómo se forma el PVDF de átomos individuales y unidades moleculares pequeñas. Trabajen en equipo para hacer modelos con el equipo de modelo molecular. Comenzarán por trabajar con los miembros del equipo y después se unirán con el resto de la clase.

Explorando el Efecto Piezo: La Historia Detrás

Piensa en estas preguntas mientras haces la actividad:¿Qué le pasa al polímero PVDF cuando sufre la poli-merización?¿Qué orientaciones mole-culares producen propieda-des piezoeléctricas en un polímero? ¿A qué reacciona la pelí-cula PVDF cuando genera voltaje?

Conexión al diseño Si fueras a usar el PVDF en el sensor, ¿cómo podrías regular la fuerza de la carga eléctrica que genera?

PARTE A


“La razón y la experimentación }fueron complaci-das, pero el error huyó antes”.

Thomas Jefferson, tercer presidente de Estados Unidos

Procedimientos, Información y Observaciones 1. En grupos, construyan un modelo de H2O y un modelo de C2H2

(Etileno). Apóyense de un libro químico si así lo requieren. Tam-bién monten estos modelos:

2. Fluoruro de polivinilideno, PVDF, es un polímero de la unidad repetida difluoroeteno (C2F2H2). Construye un monómero para esta unidad.

3. Compara el modelo que construiste con los modelos que tus compañeros construyeron. Nota las diferencias que existen entre los modelos PVDF.

4. El monómero PVDF es el 1.1 isómero difluoroeteno. Recuerda que los isómeros son diferentes arreglos de los átomos. Sigue las instrucciones de tu maestro, vuelve a arreglar tu modelo de acuerdo a estas configuraciones y compara el modelo del mo-nómero PVDF con los modelos H2O y C2H4. Dibuja los modelos moleculares.

5. La electronegatividad es la habilidad de un átomo para contraer los electrones compartidos en un enlace químico. El átomo de flúor es mucho más electronegativo (4.0) que el carbono (2.5) o que el hidrogeno (2.1). (De hecho, el átomo de flúor es el más electronegativo de los elementos) sabiendo esto, ¿Dónde dirías que se encuentran las cargas en el monómero PVDF (un dipo-lo)? Identifica las zonas positivas y negativas en tu dibujo.


Interpretaciones de la Información 1. ¿Cuántos modelos de isómeros diferentes C2F2H2 realizó la

clase? 2. ¿Qué es lo que distingue al monómero PVDF del H2O y del C2H4?

Reflexiones 3. ¿Cuáles son las propiedades características (químicas y eléctricas)

que estos modelos sugieren que tenga el monómero PVDF? 4. ¿Cómo crees que reaccionaría una molécula de agua en un campo

eléctrico? ¿Cómo crees que reaccionaría un monómero PVDF en un campo eléctrico?

Construyendo el Polímero PVDFAhora producirás un modelo de polímero PVDF utilizando los monó-meros de la Parte A

Predicciones¿Cómo crees que los monómeros pueden estar conectados para hacer un polímero? Realiza unos dibujos de cómo se vería la estruc-tura del polímero. ¿Cuántas formas crees que existen para realizar un polímero? Explica tus dibujos.

“De las cosas que difieren viene la más bella sintonía”

Heraclitus, Filósofo Griego

PARTE B


Procedimiento y Observaciones 1. Júntense con otros 2 o 3 grupos para producir un modelo mo-

lecular del polímero PVDF más grande, uniendo las puntas de sus monómeros. Dibujen el resultado de la representación del polímero PVDF y expliquen por qué unieron el polímero de esa forma.

2. Describe la polaridad de tu molécula del polímero. Un miembro del grupo puede grabar la descripción del grupo.

3. En grupo den ideas de cambios en la estructura química o de la conformación que puede aumentar la polaridad de tu modelo. (La respuesta del piezoeléctrico requiere la máxima polaridad.)

Interpretaciones de la Información 1. ¿De cuantas maneras se puede formar un polímero de un mo-

nómero PVDF?2. ¿Cómo se puede comparar la polaridad del polímero con la

polaridad del monómero?

Reflexiones 3. Compara tu modelo con los dibujos que hiciste de tus prediccio-

nes. ¿La organización de los dipolos en el polímero se relacionó con alguno de los arreglos que predijiste? Explícalo.

4. ¿Cómo manipularías el polímero para que se volviera más orde-nado y pueda apilarse más fácil con las cadenas que formaron los otros grupos?

5. ¿Cómo polarizarías aún más (incrementar la polaridad) la cade-na del polímero PVDF?


Viendo la Estructura en el Trabajo En esta parte de la actividad, determinaras como la película PVDF reacciona a los dobleces.

Predicciones Basándote en tus modelos moleculares y en tu experiencia con sensores en las actividades previas, trata de llegar a un consenso dentro de tu grupo acerca de lo que puede pasar con la señal de la película PVDF cuando se doble en diferentes direcciones. Después, trata de predecir si la película producirá una mayor señal cuando se doble poco o mucho, lento o rápido o cuando se junte con el mate-rial de sustrato en lugar de doblarse por sí solo. ¿Existe algo más que consideres que pueda afectar la señal? Escribe tus ideas, anota tus predicciones y explica tus razonamientos.

Haz un cuadro con espacio para anotar tus predicciones y resul-tados de tus experimentos. Para cada variable que pruebes, incluye tu predicción de la respuesta de la película y de los resultados. La tabla debe incluir las siguientes variables:

• La dirección en la cual se dobla la película• La cantidad en la que la película se dobla• La velocidad con la cual se dobla la película• La efectividad de utilizar un sustrato flexible

PARTE C


“Necesitamos especialmente la imaginación en la ciencia, no son sólo matemáticas o lógica, también es algo de belleza y poesía”

Mario Mitchell,Astrónomo Americano

Procedimientos, Información y Observaciones 1. Investigar la respuesta actual del piezoeléctrico de la película

PVDF que se doblara. Necesitaras una forma de medir la señal eléctrica. Dependiendo del equipo de laboratorio, puedes medir la respuesta del voltaje de la película con un multímetro, conecta el voltaje a una computadora o a una calculadora gráfica, tam-bién puedes mostrar el voltaje en un osciloscopio. Pregúntale a tu maestro que sistema puedes utilizar.

2. Junta las pinzas de cocodrilo con los electrodos de la película PVDF y conecta las puntas con el dispositivo de medición. Si tie-nes dudas, pregúntale a tu profesor.

3. Crea un método en el que relaciones la dirección de los doble-ces, la cantidad y la velocidad con la que se produce el voltaje. Toma en cuenta que mientras realizas pruebas de una variable, las demás necesitan mantenerse constantes. Ten cuidado de no arrugar la película PVDF durante tus pruebas, dóblalo, pero no lo rompas. Anota tus resultados.

4. Busca métodos para unir la película PVDF con el material de sus-trato (plástico, espuma o cartulina) en lugar de doblar la película por si sola. Prueba la reacción de la película de acuerdo a las diferentes direcciones de los dobleces, a la cantidad y a la veloci-dad. Anota tus resultados.


Interpretaciones de la Información1. ¿Qué descubriste acerca del voltaje que se produce por la pelícu-

la PVDF cuando se dobla en direcciones opuestas? 2. ¿La película PVDF reaccionó más la cantidad de dobleces o a la

velocidad con la que fue doblada? 3. ¿Cuál fue el efecto de juntar el PVDF con el material de sustrato?4. ¿Cuáles fueron las posibles causas de errores en tu procedimien-

to y cómo podrías rediseñar el experimento para evitarlos?

Reflexiones5. Retomando la estructura de la molécula del polímero PVDF, ¿Los re-

sultados que obtuviste de la dirección de dobleces tienen sentido?6. Qué tan bien se relacionan los resultados con tus predicciones? ¿Cuáles son las razones para que se dieran estos resultados?

Juntando Todo7. ¿Por qué crees que el polímero reaccionó de esa manera durante

tus experimentos?8. ¿Qué hace el dobles de la película PVDF a la locación de las cargas

en el polímero? ¿Cómo afecta su voltaje de salida?

Conexión al DiseñoExplica por qué la película PVDF hace atractivo al material del sensor

Me Pregunto¿Qué nuevas preguntas tienes acerca de la química de la película PVDF?, ¿Cómo ayudaría saber las respuestas a esas preguntas?

“Esa es la manera en la que se acla-ran las cosas. Sólo pasa de repente. Y luego descubres que tan obvio era todo”

Madeleine L’Engle.Escritora Americana


Expandiendo los Conceptos El secreto de la respuesta del piezoeléctrico PVDF se encuen-tra en su estructura molecular. Continúa leyendo para descu-brir cómo el PVDF genera un voltaje en respuesta a la tensión mecánica.

Como ya has aprendido en la Actividad 4. El monómero PVDF es un dipolo. Esto se debe a que los átomos de flúor en un extre-mo de la molécula son mucho más electronegativos que los átomos de hidrógenos del otro extremo. Mira el diagrama del monómero PVDF, nota como las cargas se separan del monó-mero con cargas parcialmente negativas en el extremo del flúor y con cargas parcialmente positi-vas en el extremo del hidrogeno.Los monómeros PVDF se enlazan para formar el polímero PVDF, nota la disposición al azar del hidrogeno y de los átomos de flúor a lo largo de la longitud del polímero. Cuando se forma la película PVDF, las cadenas de los polímeros se empacan y se apilan en una hoja delgada. Sin embargo, la película debe someterse a un nuevo proceso

antes que el material exhiba sus propiedades piezoeléctricas. Este proceso implica extender la película, los polímeros individua-les y exponer como se extiende la película a un campo eléctrico. Con esta exposición las cargas parciales negativas en las cade-

nas del polímero se van a una dirección y las cargas parciales positivas se van a otra dirección. Al nivel molecular, los hidrógenos se forman a un lado del polímero y los átomos de flúor se forman del otro lado, así como se mues-tra abajo en el diagrama.


Monómero1.1 Duoflorecencia

PolímeroPVDF (floruro de Polivinideno)

PVDF(polarizado extendido)

Vista del extremo de las moléculas del polímero PVDF durante la polarización

Momento dipolar único

Electrodos

Momentos dipolares en la película PVDF

Con este arreglo de los dipolos y con los electrodos (una capa de metal) cubriendo las superfi-cies superiores e inferiores de la película PVDF, la película puede exhibir la respuesta piezoeléctrica.Una forma de comprender cómo y porqué pasa esta respuesta en la película PVDF es analizando la respuesta en términos de momentos dipolares. Un mo-mento dipolar es un vector de cantidad y se representa por una flecha. Como vector, un mo-mento dipolar tiene magnitud y dirección. La magnitud se indica por la longitud de la flecha. La dirección se indica por la punta de la flecha, la cual por convenio apunta de regiones negativas a regiones positivas. Cada mo-mento dipolar en la ilustración representa múltiples cadenas del polímero PVDF.Como puedes observar en las ampliaciones de la derecha, los momentos dipolares se alinean en la película PVDF polarizada. Los dipolos se suman para hacer de la película un todo para com-portarse como un dipolo gigan-te. La superficie superior de la película tiene una carga positiva y la superficie inferior tiene una

carga negativa. Esta distribución de cargas establece un campo eléctrico a través del material (el cual se dice ser eléctricamente polarizado). Las cargas en cada superficie de la película indicen igualdad pero cargas contrarias en el electrodo con la cual la

superficie esta en contacto. Nota que el electrodo en la superficie de la película con carga positiva tiene una carga negativa y que el electrodo en la superficie con carga negativa tiene una carga positiva. Esto mantiene una carga total neutra..


Eléctrodos NO genera voltaje

Película PVDF con ten-sión debido a los do-bleces. La disminución de la densidad de la carga en la superficie provoca la generacion de voltaje.

Película PVDF sin tensión unida con el circuito externo, no se genera voltaje.

Voltaje generado

Cuando los momentos dipolares se abren, nota que el compo-nente vertical, el cual indica la magnitud de la separación de car-gas, disminuye. Esto provoca un aumento en la densidad de la carga en la superficie de la película.

Cuando la película se encuen-tre doblada se vuelve un poco deforme. Esta deformación pro-voca distorsión en la estructura molecular. El resultado es una mala alineación de las cadenas de los dipolos y disminuye el momento dipolar, así como se muestra en el diagrama B. Esto requiere menos carga en las superficies metalizadas de los dobleces de la película PVDF. Cuando la película se conecta a un circuito externo, la reduc-ción en la densidad de la carga obliga a un flujo de electrones a requilibrar los dipolos. La superficie superior del dobles de la película PVDF se vuelve menos positiva mientras el elec-trodo superior se vuelve menos negativo. Los electrones son removidos del electrodo supe-rior para que se compensen. Por otra parte, el electrodo inferior se vuelve menos positivo. Esta redistribución de carga ocurre para balancear el dipolo de la película. La liberación del dobles de la película provoca la reali-neación de sus dipolos y que la corriente fluya en la dirección

opuesta para restaurar el bance de la carga. Una vez que se logra la neutralidad eléctrica, el movimiento de los electrones cesa. Por eso la película PVDF genera un voltaje sólo cuando se deforma y no mantiene el vol-taje incluso cuando se mantiene en la posición de dobles.Cuando se dobla una pelícu-la PVDF que esta unida a un sustrato, se puede generar un voltaje mucho más largo. Esto sucede debido a que se debe ejercer mucho más fuerza para doblar la película y el sustrato, comparado con la fuerza que se ejerce cuando doblas la película por si sola.Con esta fuerza extra, la película se extiende más y provoca un desalineamiento mayor de los dipolos en la estructura molecular de la película. Esto resulta en una reducción en el momento dipolar. El descenso total de la densidad de la carga de la superficie es mucho más largo, sin embargo se genera un voltaje mayor. Cuando se dobla lentamente la película, la distorsión es gra-dual. El sistema electrodo de la

película también tiene tiempo para ajustarse gradualmente. Piensa en una esponja húmeda, cuando la exprimes lentamente, sólo libera una cuantas gotas, lo mismo pasa cuando doblas la película lentamente, sólo se produce un pequeño voltaje. Cuando la película se dobla rápi-damente, la distorsión es rápida. Piensa de nuevo en la esponja húmeda, cuando la exprimes rápido, el agua sale en chorros. De la misma manera sucede cuando doblas la película rápido, se genera un voltaje mayor en respuesta a la fuerza aplicada..



En la actividad 4 se mostró como la estructura molecular del PVDF contri-buye a las capacidades inteligentes de ésta. Ahora investigarás y medirás las respuestas tanto piezoeléctrica y piroeléctrica de la película PVDF.

PROBANDO MATERIALES PIEZOELECTRICOSProbablemente has tenido un termómetro debajo del brazo por varios minutos para saber si tenías temperatura. ¿Esos minutos no parecían eternos? En la actualidad, en especial en los hospitales, te pueden tomar la temperatura en cuestión de segundos con un termómetro piroeléctrico. Estos aparatos emplean un polímero pie-zoeléctrico similar al PVDF. El termómetro se pone en tu oreja por un momento. El material sensor al final del termómetro envía una señal a una pantalla que muestra tu temperatura.Cuando la película PVDF se distorsiona, ésta genera un voltaje ya que las cargas eléctricas en la superficie se reacomodan. Tales distorsiones y el voltaje resultante indican que la película PVDF ha sido tensionado. Una tensión es una fuerza aplicada. Es posible decir que tan enérgica es esta fuerza por la cantidad de voltaje que la película genera. El PVDF es versátil. En respuesta a la presión tiene propiedades pie-zoeléctricas, en respuesta al calor tiene propiedades piroeléctricas (piro- es el prefijo que significa fuego o calor). El nuevo termómetro que hace que tomar la temperatura sea tan fácil es una aplicación piroeléctrica de la película PVDF.

Conceptos detrás de los sensores inteligentesEl voltaje que un material piezoeléctrico genera en respuesta a la tensión puede ser amplificado y medido. Los cambios en las me-didas del voltaje pueden reflejar cambios en el tipo y cantidad de tensión al que el material esté respondiendo.Termómetro piezoeléctrico

29Actividad 5 Midiendo la respuesta piezoeléctrica

Probablemente has visto como un doctor revisa los reflejos en una persona. Cuando el doctor golpea el lado derecho con el martillo, la pierna del paciente responde al este golpe. ¿Cómo medirías la fuerza del martillo y la fuerza de la respuesta? Podemos hacer la misma pregunta acerca de la relación de fuerza y respuesta en los sensores piezoeléc-tricos (sensibles a la presión) o acerca de la relación de temperatura y respuesta en los sensores piroeléctricos (sensibles al calor).

Están a punto de trabajar en equipos para realizar uno de los dos sets de experimentos. Cualquiera de los sets les permitirá explorar como el voltaje producido por la película PVDF se relaciona con la forma en la que la película se tensiona. Uno de los sets de experi-mentos involucra tensionar mecánicamente un pedazo de película PVDF con diferentes objetos o con diferentes métodos de impacto. El otro set de experimentos involucra observar como la película PVDF responde al cambio de temperatura (tensión termal). Ambos experi-mentos involucran descubrir relaciones numéricas entre la fuerza de la tensión y la cantidad de voltaje producido y de igual forma evaluar como la película reacciona a los diferentes tipos de tensión.

Midiendo la Respuesta Piezoeléctrica a la FuerzaEn esta actividad compararás la tensión mecánica aplicada a la película PVDF con el voltaje producido. Manipulando una película de polímero PVDF aprenderás como cuantificar la respuesta de voltaje como una función del estímulo.

MIDIENDO LA RESPUESTA PIEZOELECTRICA

Piensa en estas preguntas mientras haces la actividad:¿Cómo genera la tensión aplicada el impulso eléctrico?¿Cómo puedes cuantificar la relación entre fuerza de impacto o temperatura y repuesta de voltaje?¿Qué variables influyen en el voltaje que la película genera?

Conexión al diseño ¿Por qué la medida exacta es importante en el diseño de sensores PVDF?

Haz un cuadro con espacios para anotar:• Como variarán el impacto de la película• La respuesta de voltaje que predijeron para cada variación• Razones de tus predicciones• Respuestas de voltaje obtenidas

Predicciones ¿Cómo crees que la salida de voltaje se comparará para los dife-rentes impactos? Escribe dos o más predicciones acerca de cómo cambiar la masa o tamaño del objeto de impacto, la fuerza o método de impacto o el sustrato (si se usa alguno) afectará la cantidad de voltaje producido. Da razones de tus predicciones.

Procedimiento, Observaciones e Información1. Para investigar la respuesta piezoeléctrica de la película PVDF

a la tensión necesitarás una forma de medir la señal eléctrica. Dependiendo del tipo de material de laboratorio que se tenga, la respuesta de voltaje de la película será mostrada en un oscilos-copio, a través de una interfaz en una computadora o calculadora gráfica o será medida por un multímetro. Une las pinzas de coco-drilo a los dos electrodos de la película PVDF y conecta la película al aparato medidor. Si quieres unir la película a algún sustrato tales como una tarjeta de crédito vieja o un pedazo de gomaespu-ma asegúrate de que la película esté bien sujeta al sustrato.

2. Aplica una fuerza (como un ligero golpe) sobre la película y observa el voltaje de salida. Si no obtienes ningún valor en tu aparato medidor, pídele ayuda a tu maestro.

3. Ahora vas a observar como diferentes acciones o sustratos afectan la película. Varía la fuerza de impacto, observa y anota en tu cuadro el cambio de voltaje. Varía la masa o el tamaño del objeto de impacto, y/o el método de impacto, y/o el sustrato. Observa y anota los cambios de voltaje.


“El gran secreto del estudio de la natu-raleza está en sa-ber cómo usar los ojos”

George Sand, escritor francés.

4. Elige una de las variables con las que acabas de hacer pruebas y diseña un experimento para probarlo sistemáticamente. Usa-rás la información del experimento para determinar la relación entre la tensión mecánica aplicada y la respuesta eléctrica de la película. Describe el procedimiento experimental en detalle y haz un cuadro para anotar la información. Haz el experimento y anota la información en el cuadro.

5. Para determinar la relación entre tensión y voltaje, grafica la información obtenida.

Interpretaciones de la información 1. Basado en tus observaciones y análisis de tus graficas, ¿cuál es

la relación entre la fuerza aplicada y el voltaje creado?2. ¿Cuáles crees que sean algunas fuentes posibles de error

experimental en tu procedimiento? ¿Cómo podrías rediseñar el experimento para que estos errores no sucedan?

Reflexiones 3. ¿Tus resultados son los mismos que las predicciones que

hiciste? ¿Las razones que diste de tus predicciones explican tus resultados? Si la respuesta es no, ¿qué nueva explicación funcionaría con tus resultados?

4. ¿Qué efecto tiene un impacto en la posición de las moléculas en la película PVDF? ¿Cómo crees que esto afectaría la distribu-ción de la carga en la película?

*Véase en la página 34 “Poniéndolo todo junto”


Midiendo la respuesta piezoeléctrica a la tensión termal

En esta actividad compararás el calor aplicado a la película con el voltaje producido. Tu maestro tiene una selección de objetos que varían en su habilidad para producir calor. Elige una y decide cómo puedes controlar la cantidad de calor que produce. Al calentar una película de polímero PVDF aprenderás como cuantificar la respuesta de voltaje como una función del estímulo.

Haz un cuadro con espacio para anotar:• Como variarán el calor aplicado a la película• La respuesta de voltaje que predijiste para cada variación • Razones de tus predicciones• Respuesta de voltaje obtenida

Predicciones ¿Cómo crees que la película PVDF responderá a las variaciones en la cantidad de calor? Incluye las razones de tus predicciones.

Procedimiento, Observaciones e Información1. Para investigar la respuesta piezoeléctrica de la película PVDF a la

tensión termal necesitarás una forma de medir la señal eléctrica. Dependiendo del tipo de material de laboratorio que se tenga, la respuesta de voltaje de la película será mostrada en un oscilos-copio, a través de una interfaz en una computadora o calculadora gráfica o será medida por un multímetro. Une las pinzas de coco-drilo a los dos electrodos de la película PVDF y conecta la película al aparato medidor.

2. Respira sobre la película y observa el voltaje de salida. Si no obtie-nes ningún valor en tu aparato medidor, pídele ayuda a tu maestro.

PARTE B


1. Ahora vas a observar como diferentes cantidades de calor afectan la película. Usa un objeto que produzca calor para variar la canti-dad de calor al que se expone la película. Varía la intensidad de calor, la distancia entre la fuente de calor y la película, y/u otros factores que puedas pensar que afectarán la cantidad de calor que la película reciba. Observa y anota los cambios en voltaje en tu cuadro. Apaga o bloquea la fuente de calor después de cada prueba. Luego vuelve a encenderla cuando estés listo para obser-var y anotar la siguiente respuesta de voltaje.

2. Elige una de las variables con las que acabas de hacer pruebas y diseña un experimento para probarlo sistemáticamente. Usarás la información del experimento para determinar la relación entre la tensión termal aplicada y la respuesta eléctrica de la pelícu-la. Describe tu procedimiento experimental en detalle y haz un cuadro para anotar la información. Haz el experimento y anota la información en el cuadro.

3. Haz una gráfica con tus resultados.


Interpretaciones de la Información1. Basado en las observaciones y los análisis de tus gráficas, ¿cuál es

la relación entre el calor aplicado a la película y el voltaje creado?2. ¿Cuáles crees que sean algunas fuentes posibles de error experi-

mental en tu procedimiento? ¿Cómo podrías rediseñar el experi-mento para que estos errores no sucedan?

Reflexiones3. ¿Tus resultados son los mismos que las predicciones que hiciste?

Si la respuesta es no, ¿qué nueva explicación funcionaría con tus resultados?

4. ¿Por qué apagar y prender la fuente de calor?5. ¿Qué es lo que le pasa generalmente a los materiales cuando se

calientan? ¿Cómo crees que esto podría afectar la forma en la que la carga se distribuye en la superficie de la película PVDF?

Juntando Todo6. ¿Qué tipo de estrés causó el mayor incremento en voltaje de los

que anotaste?7. Trabaja con un equipo que hiciera la parte de la actividad que tú

no hiciste. Compara tus resultados experimentales y tus respues-tas a las preguntas de la sección Reflexiones con las del otro equi-po. Juntos hagan una descripción de cómo esta película responde a la tensión. Dibuja un modelo para explicar como la película generó un voltaje a partir de las tensiones en los experimentos de la clase.

Conexión al DiseñoBasado en lo que descubriste, describe algunas posibles aplicacio-nes prácticas del PVDF.

Me PreguntoHablen en grupo y generen preguntas que aún tengan acerca del uso de la película PVDF en un aparato sensor.

“Aunque ésta pueda parecer una paradoja, toda ciencia exacta está dominada por la idea de la aproximación.”

Bertrand Russell, matemático y filósofo Británico.


Expandiendo los ConceptosEl voltaje surge del movimiento de electrones dentro de la pelí-cula PVDF y este voltaje puede variar con diferentes tensiones. Lee este apartado para averi-guar por qué tus experimentos funcionan de esa forma y cómo el calor causa una respuesta piroeléctrica

Un material piezoeléctrico gene-ra una gran cantidad de carga cuando es tensionado. Como has visto, esto se da porque la tensión provoca un cambio en la distribución de las cargas en la película. Cuando las cargas de la superficie cambian, los electrodos de cada superficie ganan o pierden electrones para restaurar la neutralidad de las cargas en la película sensora.Cuando una fuerza mecánica actúa sobre la película PVDF, el voltaje producido es directamen-te proporcional a la cantidad y rapidez con que la película es deformada. Mientras más grande sea la deformación en la película, más alto será el voltaje que produzca.Para entender esto imagina que tiras una bola de boliche sobre la superficie de una mesa de madera. La superficie de la mesa sólo se deforma en donde golpeo la bola. Ahora imagina que tiras la misma bola de boliche sobre un trampolín. El impacto provoca que todo el

trampolín se flexione o se estire. El trampolín muestra una mayor cantidad de deformación mecáni-ca (estiramiento o tensión, en este caso) que la mesa de madera.Considera estas caídas de la bola como una analogía de lo que le pasa a una película piezoeléctrica. En el caso de la prueba de la caída directa de la bola, con la película golpeada contra una superficie rígida de manera que la fuerza actúe para comprimir el grosor de la película (A), la fuerza es ejercida sólo sobre el área que fue impactada y la carga eléctrica es peque-ña. Sin embargo, si colocas la

misma película por encima de un sustrato flexible verás un incremento significante en la respuesta de voltaje. El impacto de la bola ahora provoca una mayor deformación mecánica en la película y esto re-sulta en mayor voltaje de salida. Las películas de polímero piezo-eléctrico también son piroeléc-tricas. Mientras la película PVDF absorbe energía termal (como en un detector de movimiento), se expandirá (B) y se contraerá en repuesta al aumento termal desarrollado. Esto redistribuye las cargas eléctricas en la pelícu-la, la cual genera un voltaje.


(A) Compresión debidoa a la fuerza de impacto o contracción

(B) Expansión debida a la fuerza de estiramento o el calor

Una película PVDF polarizada no ten-sionada. Acercamiento de las superfi-cies y los electrodos de la película

Voltaje producido

Voltaje producido

No hay voltaje

Diseñando un Contador de Monedas

La compañía de máquinas expendedoras HiYield ha seleccio-nado a tu equipo de diseño para estudiar y hacer uso de las propiedades innovadoras de las películas piezoeléctricas para la siguiente generación de máquinas expendedoras. La compañía quiere específicamente que las nuevas máquinas que despachen exactamente productos de diferentes costos. HiYield le ha pedido a tu equipo que determinen si el PVDF tiene la sensibilidad y selectividad adecuada para separar y contar monedas. Tu meta es impresionar a HiYield con un nuevo contador de monedas que haga exactamente lo que la compañía quiere.

37Diseño de Proyecto 1 Diseñando un Contador de Monedas

Llevando un Registro de DiseñoCada equipo deberá llevar un registro mientras participan en el reto del diseño. Tu maestro deberá darles un juego de hojas de trabajo para llenar mientras diseñan, prueban, evalúan y modifican sus prototipos. Estas hojas siguen el proceso aquí descrito. También pueden llevar sus propios registros de diseño. Asegúrate de anotar todas tus ideas, incluso las que decidas que no van a funcionar por alguna razón. Tal vez te sean útiles o te den ideas de algo que no habías entendido antes. Utiliza tu registro de diseño para anotar tus ideas mientras completas los siguientes pasos.

Elabora una Propuesta para un Prototipode Contador de MonedasDiscutan sobre diferentes diseños de contadores de monedas y deci-dan sobre un prototipo de contador de monedas que te gustaría hacer y probar. El prototipo de tu equipo debe seguir estás restricciones:1. El material sensible es la película PVDF que tu maestro te propor-

cionará.2. El punto de entrada para las monedas debe ser de un metro o

menos desde el detector, y las monedas caen sobre el sensor. No deberás tirar la moneda para que el sensor responda.

3. Las monedas deben estar contenidas dentro del sistema.

Piensa en estas preguntas mientras haces la actividad:¿Cómo puede la película PVDF detectar efectivamen-te la fuerza del golpe de la moneda? ¿Reaccionará mejor a la curvatura, al golpe o a algo más?¿Un solo sensor será sufi-ciente para el trabajo?¿Qué pasará eventualmente con el voltaje que genere el sensor?


El Reto del Diseño Su trabajo es idear el prototipo de mecanismo de sensor, separa-dor y contador de monedas para usarse en una nueva generación de máquinas expendedoras de HiYield. Tú y tu equipo diseñarán, construirán y probarán el aparato sensor de monedas y después aplicarán lo que han aprendido para producir un diseño me-jorado. HiYield necesita un contador de monedas que detecte confiablemente los números y tipos de monedas. Para describir que tan sensible es tu aparato, necesitarás relacionar el voltaje que midas a los golpes por varios tipos de monedas.

39

Interpretaciones de la InformaciónDespués que hayas decidido sobre su prototipo, escriban una propuesta grupal y entréguenla a su profesor para que la apruebe antes de comenzar la construcción. La propuesta debe contener una lista de los materiales que desean usar para su contador de mone-das y las razones por las cuales escogieron ese diseño.

Haz una Predicción de cómo Trabajara tu PrototipoAntes de que construyas tu prototipo, debes predecir que tan bien será capaz de diferenciar entre cuatro denominaciones de monedas. Escribe tu predicción y da razones del por qué de ella.

Sigue un Procedimiento Repetitivo para Construir y Probar tu PrototipoConstruye tu contador de monedas. En tu registro de diseño, lleva anotaciones de cualquier modificación al diseño que hagas duran-te el proceso. Describe cómo vas a probar tu aparato. Pruébalo y anota tus resultados en la tabla de información. También anota las observaciones que hagas en tu aparato.

Interpreta la Información de tus PruebasDescribe tus resultados. Usa cuadros o gráficas si te ayudan a orga-nizar la información. Basado en tu información, evalúa el desempe-ño de tu prototipo. Describe las fortalezas y debilidades del diseño de tu contador de monedas.

Reflexiona sobre tus Predicciones OriginalesDiscutan cómo los resultados de las pruebas confirmaron o se diferenciaron de lo que predijeron. Traten de descubrir por qué el contador de monedas funcionó de cierta manera y analicen posibles fuentes de error experimental. Decidan que tan cerca estuvieron de igualar los criterios del diseño original de detectar confiablemente los números y tipos de monedas.

“Las omisiones no son accidentes”

Marianne MoorePoeta Americana

Diseño de Proyecto 1 Diseñando un Contador de Monedas

Presenta Tu Prototipo y Resultados a Otro EquipoEnvíen a un miembro de su equipo de diseño a descri-bir sus resultados a los miembros de otros equipos de diseño. El representante de su equipo debe demostrar cómo funciona su prototipo, explicar cómo lo probaron y pedir una crítica de su diseño y comentarios sobre el pro-ceso de diseño que siguieron. Escriban los comentarios y sugerencias que les den los otros equipos. Tu equipo deberá conducir una evaluación similar de los prototipos de otros equipos.

Rediseña Tu Contador de MonedasEvalúa tu diseño original y mejóralo. Explica claramente el razonamiento sobre tu nuevo diseño. Repite el proceso de diseño para modificar y probar tu nuevo contador de monedas. Evalúa tus pruebas.

Compila un ReporteEscribe un reporte describiendo tu contador de monedas para HiYield. Incluye detalles que muestren cómo tu pro-totipo cumple con los criterios de diseño y las restriccio-nes. Motívate a convencer a HiYield que tu último diseño es el diseño óptimo.

Presenta tu Reporte y Selecciona un Diseño ÓptimoEscoge a alguien de tu equipo para presentar lo más importante del reporte a la clase, y selecciona a otra per-sona para demostrar el contador de monedas. Después que todos los equipos hayan presentado sus reportes y demostrado sus contadores de monedas, voten por el mejor diseño para mandarlo a HiYield. Discutan el resul-tado de la votación.

Saca conclusiones acerca de lo que aprendiste del Proceso de Diseño Explica lo que has aprendido acerca de materiales piezo-eléctricos, sensores inteligentes y del proceso de diseño, construcción y prueba de un prototipo de contador de mo-nedas. Si disfrutaste este proceso, quizá consideres seguir una carrera en ciencias de los materiales o ingeniería.

“La creencia cruda, la hipótesis fértil, el paso valiente a un conclusión ten-tativa estas son la moneda más valio-sa del pensador en el trabajo”

Jerome Seymour BrunerPsicólogo Americano


Diseñando un Nuevo Sensor

41Diseño de Proyecto 2 Diseñando un Nuevo Sensor

El Congreso del Estado acaba de anunciar un concurso para buscar una nueva y mejor aplica-ción para la película PVDF. El representante de tu estado ha venido a tu clase a pedir algunas ideas. Ahora cada equipo de diseño debe proponer un nuevo sistema de sensores que usará el PVDF como material inteligente. En algunos días, cada equipo le presentará un prototipo de su sistema de sensores al panel de evaluación represen-tativo del estado. Sólo diseños excepcionales serán elegidos para desarrollarlos en la mejor universidad del estado y naturalmente tú desea-rás convencer al Congreso que seleccione el tuyo. Aunque, necesitas un diseño dinamita del mismo modo que una presentación persuasiva para con-vencer al Congreso de los meritos de tu propuesta.

Llevando un Registro de DiseñoCada equipo debe llevar un registro mientras participan en el reto del diseño. El maestro deberá darles un juego de hojas de trabajo para que las llenen mientras diseñan, prueban y evalúan el sistema de sensores. Estas hojas siguen el proceso aquí descrito. También puedes llevar tu propio registro de diseño. . Asegúrate de anotar todas tus ideas, incluso las que decidas que no van a funcionar por alguna razón y lleva una lista de todas las modificaciones que hagas en tu diseño. Tal vez te sean útiles o te den ideas de algo que no habías entendido antes. Utiliza tu registro de diseño para anotar tus ideas mientras completas los siguientes pasos.

Elabora una Propuesta para un Nuevo Sistemas de SensoresConsidera que inventos podrían mejorar la vida de la gente en la actualidad. Piensa en problemas actuales que se podrían resolver teniendo un buen sistema de sensores. ¿Cómo podría un nuevo sistema de sensores inteligentes cumplir una necesidad de la so-ciedad? Hagan lluvia de ideas en equipo y elaboren ideas para un nuevo sistema usando la película PVDF. Escojan una idea y desarro-llen un diseño que cumpla estas restricciones:1. El sistema de sensores debe cumplir con una necesidad que con-

cierna a mucha gente.2. El sistema debe incorporar la película PVDF como material sensible.Describe y dibuja tu diseño, enfocándote en la función del sensor. Asegúrate de explicar cómo los componentes del PVDF le permiten al sistema lograr su propósito.

Piensa en estas preguntas mientras haces la actividad:¿Cómo puede la película PVDF detectar efectivamen-te la fuerza del golpe de la moneda? ¿Reaccionará mejor a la curvatura, al golpe o a algo más?¿Un solo sensor será sufi-ciente para el trabajo?¿Qué pasará eventualmente con el voltaje que genere el sensor?


El Reto del Diseño Cada equipo debe diseñar un sistemas de sensores PVDF piezo innovador que mejorará un aparato ya existente o que le permitirá a la gente aprender o hacer algo nuevo. Diseña el sistema de sen-sores, construye un prototipo y desarrolla una presentación que convencerá al panel de evaluación (el resto de la clase) de seguir tu idea.Ten en cuenta estas preguntas mientras trabajas en tu sistema se sensores:¿Quién querrá utilizar este sistema y por qué?¿Cómo mejorará este sistema de sensores la vida de las perso-nas?¿Qué detectará el nuevo sistema?¿Qué respuestas deberá generar el sistema?

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Explica cómo es que la sociedad estará mejor con el sensor y si el sensor remplaza algún otro sistema de sensores, explica que es lo que hace mejor.

Elige los Criterios para Evaluar tu Sistema de SensoresPiensa en las características más importantes del sistema que propusiste. Haz una lista de formas de evaluar cómo tu sistema in-corpora cada característica. Usa la lista para seleccionar los criterios más importantes para evaluar el sistema que construirás. También deberás escribir el desempeño mínimo aceptable para tu sistema y qué tipo de desempeño excedería tus expectativas.

Haz Predicciones de Cómo Tú Nuevo Sistema de Sensores FuncionaráUna vez que hayas determinado cómo evaluar tu sistema, haz pre-dicciones de que tanto logrará tu sistema las metas que te propusis-te. Escribe las razones de tus predicciones.

Desarrolla y Sigue un Procedimiento Repetitivo para Construir y Probar tu Sistema de SensoresConstruye un prototipo de tu nuevo sistema de sensores y decide exactamente cómo lo vas a probar. Describe las pruebas. Considera probar aspectos como la posición del elemento sensor o el orden de varios de los componentes. Realiza cuadros de información para tus pruebas. Prueba tu sistema de sensores y anota la información.Interpreta y Reflexiona sobre la Información de las Pruebas

Revisa tu información y saca conclusiones basadas en tus interpretaciones y observaciones. Determina si hay patrones en la información que te sugieran en donde hacer mejoras. Discute como los resultados de tus pruebas apoyaron o no tu predicción de que tanto tu sistema de sensores po-dría alcanzar los objetivos de tu diseño. Revisa tu procedimiento de prueba para encontrar fuentes de error experimental que expliquen cualquier resultado inesperado.

“Mater artium necessitas. (La madre de todos los inventos es la necesidad)”

Dicho en Latín Anónimo

Diseño de Proyecto 1 Diseñando un Contador de Monedas

Rediseña tu Sistema de Sensores InteligentesElabora un nuevo diseño para tu sistema de sensores inteligentes basados en la información de las pruebas y en las conclusiones que has sacado de ésta. Determina que modificaciones necesitas hacer-le al diseño original y repite el proceso de construcción y prueba de tu sistema.

Haz tu Presentación y Haz Críticas de las Otras PresentacionesEl día de las presentaciones en clase, tu equipo presentará y es-cuchará las presentaciones de los otros equipos. El grupo fungirá como el panel de evaluación de diseño y tratará de escoger el mejor sistema para mandarlo al Congreso del Estado. Presenta al panel tu sistema de sensores inteligentes. Muestra al panel como funciona y explica el proceso de diseño que siguió tu equipo. Cada equipo tendrá cinco minutos para su presentación seguida de tres minutos para discusión en clase y sugerencias.

Discusión acerca del Resultado de las PresentacionesReflexiona sobre el proceso de las presentaciones con el resto del grupo. Discutan las sugerencias que hicieron en equipo acerca de los sistemas de sensores e identifiquen cual creyeron que era el mejor proyecto de la clase. En clase lleguen a un consenso sobre el nuevo sistema de sensores que presentarán ante el representante del estado.

Saca Conclusiones Acerca de lo que Aprendiste del Proceso de DiseñoConsidera lo que has aprendido acerca de los sensores inteligentes a través de este proceso. Reflexiona sobre la variedad de nuevas aplicaciones que consideraste y las que tu clase propuso. Si disfru-taste este proceso, tal vez consideres una carrera en ciencias de los materiales o ingeniería.

“El todo de la cien-cia no es más que el refinamiento del pensamiento”

Albert Einstein,Científico Norteamericano


45Glosario

Área activa—El área sobre la cual el sensor detecta estímulos.Amplificador—Aparato eléctrico para amplificar el voltaje, la corriente o el poder.Aparato de salida—Mecanismo que pasa una señal a una pantalla o a algo que pueda actuar sobre la señal.Aplicación—uso específico de algo.Detector—Aparato para determinar la presencia de vibraciones, campos elec-tromagnéticos o radioactividad.Detector de movimiento—sensor que percibe movimiento.Dispositivo—Pieza de un equipo o mecanismo que cumple un propósito espe-cífico o realiza una función específica.Dipolo—Molécula que en un extremo tiene una ligera carga negativa y en el otro extremo tiene una ligera carga positiva, una molécula polar. Electronegatividad—Habilidad de un átomo de atraer los electrones compar-tidos en un enlace químico.Error experimental—Circunstancias que provocan variabilidad de medidas o errores de cálculo en un experimento.Estímulo de entrada—El primer estímulo percibido por un sensor que des-pués es procesado.Grupos polares—Partes de la molécula que atraen y repelen electrones, creando una carga parcial.Isómero—uno de dos o más compuestos que tienen la misma composición pero diferentes estructuras moleculares.Material sensor—Sustancia que reacciona a un estímulo del entorno.Monómero—La unidad que se repite en un polímero.Película—material extremadamente delgado y flexible.Película piezoeléctrica—material de polímero delgado con propiedades piezoeléctricas.Piezoelectricidad—Desarrollo de electricidad o polaridad eléctrica debido a la presión, especialmente en una sustancia cristalina tal como el cuarzo o en polímeros semicristalinos tal como el PVDF.Polarización—Proceso en el que se ejerce influencia sobre una sustancia con un campo eléctrico para que ésta se polarice, distorsionando la nube de elec-trones de un átomo para producir un dipolo. Polímero—Molécula grande, de gran masa molecular, formada de unidades estructurales repetidas llamados monómeros.Predicción—Acto de pensar acerca de algo antes de que suceda y decir que podría pasar.Prototipo—Primera forma que sirve como modelo para desarrollar.Piroelectricidad—Desarrollo de electricidad o polaridad eléctrica debido a la radiación termal.

Glosario

Radiación electromagnética—Forma de energía que ocurre en ondas tales como las ondas de radio, luz visible y ultravioleta, radiación infrarroja, rayos gama y rayos X. Radiación infrarroja—Radiación electromagnética con una longitud de onda de entre 700 nanómetros y 1 milímetro, reconocido como calor. Sensor—Aparato que recibe y responde a una señal o estímulo.Sistema de sensor—Detector u otro aparato sensible que incluye un compo-nente de entrada, un componente procesador y un componente de salida.Sensor inteligente—Sensor que integra un estímulo y una señal que respon-de al estímulo; sensor que provoca una respuesta específica a un estímulo específico.Sustrato—Capa subyacente tal como el material al que el polímero piezoeléc-trico puede unirse para que responda más fácilmente a un estímulo.Tensión—Fuerza aplicada.Transductor—Aparato que convierte la energía de entrada de un tipo en ener-gía de salida de otro tipo.Variable—En un experimento científico, una característica que varía cuando todas las demás características se quedan iguales.Voltaje—Potencial eléctrico o diferencia de potencial, usualmente expresado en voltios.


Créditos de Fotografíap. iv abajo, NASAp. v cortesía de Active Control eX-perts (ACX), Inc.p. 5 © 1997 ALLSPORT USA/Shaun Botterill. Todos los derechos reser-vados.p. 10, Robert w. Ginn/ Edición de Fotografíap. 16, Yogi, Inc./ Corbisp. 28, cortesía de Thermoscan Inc.p. 33, fotografía de Julie Webber/ Little Fort Media. Estudiantes: Rocío Toledo, Jessica Bradley y Mary Stiles.

Créditos de Artep. iv arriba, Derecho de Autor © 1959 Edwin Tunis, derecho de autor revisado © 1979 Banco Nacional de Maryland, Ejecutor y Albacea bajo el testamento de Edwin Tunis.Dibujos TécnicosJulie Heyduk/ Patricia Parrapp. 3, 9, 13, 15, 17 arriba, 19, 25, 26, 30, 35Tony Nucciop.17 abajo Logotipos Patti Greenpp. v, 1, 2, 7, 8, 12, 13, 14, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 30, 31, 32, 34, 38, 42Ilustraciones LinealesCarol Stutzpp. 2, 4, 6, 7, 11, 12, 22-23, 29, 37, 41

47Créditos

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Módulos del Mundo de los Materiales - CIMAVproductividad.cimav.edu.mx/productividad/adjuntos/libros/194/Senso… · riales desde los tiempos de la prehistoria. Al principio, hicieron