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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN

FACULTAD DE CIENCIAS-ESCUELA DE FÍSICA

MAESTRÍA EN ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

CURSO: ENSEÑANZA DE LA FÍSICA –MECÁNICA-

PRÁCTICA # 1: EL DISPOSITIVO MÓVIL COMO UN DATALOGGER Diego L. Aristizábal R.

Profesor asociado con tenencia de cargo, Escuela de Física de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín

Febrero de 2015

Temas

Introducción

¿Qué es un DATALOGGER?

Instalación y descripción de PhysicsSensor para dispositivos móviles ANDROID

Adaptación de la entrada y salida de sonido del dispositivo móvil

Prueba de la adaptación

Introducción

Desde la penetración masiva tanto de la Internet como del uso de los dispositivos móviles la interacción

entre los ciudadanos ha sufrido un cambio abrupto y esencialmente a nivel de los jóvenes: éstos pertenecen

a una generación donde el uso de las nuevas tecnologías de la información y las comunicaciones (NTICs) es

algo natural. Por lo tanto no es necesario ser un gran investigador en materia de educación para concluir

que el proceso de enseñanza-aprendizaje debe ser impactado en forma esencial por estas nuevas forma de

interactuar.

Así lo ha entendido un gran número de docentes de la Escuela de Física de la Universidad Nacional de

Colombia sede Medellín, por lo que desde hace alrededor de unos 10 años viene diseñando e implementado

material didáctico en los que se usa las NTICs para apoyar, con éxito, la enseñanza de la física básica que

imparte la escuela en los cursos de ingeniería, tanto en la parte teórica como experimental.

El último desarrollo que se hizo (finales del año 2013) fue la implementación de la plataforma

PhysicsSensor-ARDUINO para dispositivos móviles ANDROID. Esta plataforma hardware-software

reemplaza el PC y se convierte en una valiosa herramienta para ser usada en los laboratorios de ciencias

naturales ya que facilita la implementación de las NTICs con muy bajo costo y con un valor agregado:

penetración de alto conocimiento tecnológico para los estudiantes. El software tiene las siguientes

aplicaciones: acelerómetro (inercial y no inercial), inclinómetro, termómetro (temperatura ambiental),

barómetro, higrómetro, altímetro, luxómetro, gaussímetro, sonómetro, sonoscopio, generador de señales,

espectrómetro, regresión lineal, regresión cuadrática. Adicionalmente el software posee un instrumento

virtual para conectarse vía bluetooth con sensores externos acoplados a la tarjeta ARDUINO,

obteniéndose una plataforma hardware-software poderosísima incluso para actividades de investigación.

En lo que respecta al curso del cual es objeto este módulo, su formato será 100 % experimental y el

objetivo fundamental será el proceso de medición (“… medir pero bien …”). Para lograr esto los

participantes implementarán la instrumentación tecnológica necesaria con base en las NTICs para realizar

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los experimentos. En esta versión del curso el teléfono celular reemplazará en su totalidad al PC tanto para

el análisis y la recolección datos (DATALOGGER), entre otras funciones (como por ejemplo, generador de

señales y espectrómetro).

Se espera que los docentes-estudiantes logren impactar con estas herramientas los cursos de ciencias

naturales que imparten en sus instituciones educativas: observar que la metodología hace que los

estudiantes se involucren de lleno en su aprendizaje (“APRENDER-HACIENDO”). Las siguientes son ideas

básicas en las que se fundamenta la metodología propuesta:

“VEO Y RECUERDO”

“OIGO Y OLVIDO

“HAGO Y APRENDO”

Confucio

APRENDER HACIENDO A TRAVÉS DE EXPERIENCIAS CIENTIFICO TECNOLÓGICAS USANDO

LAS NTICs

EL BUEN APRENDIZAJE DE LAS CIENCIAS NATURALES DEBE INVOLUCRAR LA COMPETENCIA

DE MEDIR:

MEDIR PERO BIEN

LOS ENTORNOS DE TRABAJO CON ÉNFASIS TECNOLÓGICO PROMUEVEN EL TRABAJO EN

EQUIPO MÁS QUE CUALQUIER OTRA OPCIÓN DE DEMANDE TRABAJO COOPERATIVO.

¿Qué es un DATALOGGER?

Es un dispositivo electrónico que registra datos en tiempo real por medio de instrumentos y sensores

propios o externos. Comercialmente los precios de estos equipos están alrededor de 350 US sin tener en

cuenta los sensores que se le acoplan para medir las magnitudes problema (presión temperatura, campo

magnético, aceleración,…).

PhysicsSensor para ANDROID convierte el dispositivo móvil (celular o tablet) en un datalogger muy

adecuado para ser usado en los laboratorios de ciencias naturales, Figura 1.

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Figura 1: Celular convertido en datalogger a través de PhysicsSensor

Instalación y descripción de PhysicsSensor para dispositivos móviles ANDROID

Instalación:

Los pasos a seguir son los siguientes:

Descargar al celular (o tablet) el archivo physicssensor.apk

Habilitar el celular (tablet) para instalar software de orígenes desconocidos: ir a la opción de

seguridad del dispositivo y allí se encontrará la opción para dar el permiso de instalar aplicaciones de

fuentes que no sean Play Store.

Proceder a instalar haciendo clic sobre el archivo.

Listo.

Ejecución:

Hacer clic sobre el icono de PhysicsSensor, Figura 2

Figura 2

Se desplegará la siguiente pantalla, Figura 3

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Figura 3

Hacer clic en el botón aceptar y se desplegará la pantalla de la Figura 4.

Figura 4

Si aparecen botones desactivados significa que el celular (o tablet) no dispone de esos sensores para

ejecutar la aplicación correspondiente.

Los 12 botones que aparecen son los que dan inicio a cada una de las aplicaciones disponibles de

PhysicsSensor, las cuales se describirán de forma superficial a continuación. Sin embargo a medida que se

avance en el curso y se vayan necesitando de estas aplicaciones, se profundizará en la explicación de las

mismas tanto desde el aspecto tecnológico como desde el aspecto científico.

Acelerómetro:

Haciendo clic en el botón ACELEROMETRO se despliega la pantalla de la Figura 5.

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Figura 5

Esta aplicación utiliza el sensor acelerómetro del dispositivo móvil. El rango en el cual mide la aceleración

depende del celular (o tablet), dato que aparece en letras azules en la parte inferior izquierda de la

pantalla. En este ejemplo, el rango es aproximadamente 2 g (donde g= 9,81 m.s-2). Sin embargo la aplicación

se diseñó para ser usada en los laboratorios de enseñanza por lo que solo se dispuso de un tacómetro que

mide desde -9,8 m.s-2 hasta +9,8 m.s-2. Se pueden medir tanto las componentes rectangulares como la

magnitud de dos tipos de aceleraciones: la inercial y la no inercial. Adicionalmente se puede graficar en el

tiempo (en tiempo REAL), Figura 6. Los detalles del funcionamiento y la interpretación de los datos

obtenidos con la aplicación es objeto de una práctica de laboratorio en dinámica, donde se analiza en

detalle el concepto de sistema inercial.

Figura 6

Inclinómetro:

Haciendo clic en el botón INCLINOMETRO se despliega la pantalla de la Figura 7.

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Figura 7

Esta aplicación utiliza el sensor acelerómetro del dispositivo móvil. La aplicación mide ángulos de inclinación

para lo cual toma como referencia la vertical definida por la aceleración de la gravedad. El rango en el cual

mide es de 0o a 180o. Los detalles del funcionamiento y la interpretación de los datos obtenidos con la

aplicación es objeto de una práctica de laboratorio en dinámica, donde analiza en detalle el concepto de

sistema inercial. También despliega la variación temporal de las inclinaciones angulares, lo cual es muy útil

para estudiar, por ejemplo, el movimiento pendular.

Luxómetro:

Haciendo clic en el botón LUXOMETRO se despliega la pantalla de la Figura 8.

Figura 8

Esta aplicación utiliza el luxómetro del dispositivo móvil. El rango en el cual mide la iluminancia depende del

celular (o tablet), dato que aparece en letras azules en la parte inferior izquierda de la pantalla. En este

ejemplo, el rango máximo es 60 000 lux (la luz diurna brillante está alrededor de 100 000 lux y para un

ambiente de trabajo se necesita una iluminancia de unos 500 lux). La aplicación también despliega una

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gráfica de la Iluminancia vs Tiempo. Esta aplicación es muy útil para realizar experimentos en óptica física,

biología y química.

Gaussímetro:

Haciendo clic en el botón GAUSSIMETRO se despliega la pantalla de la Figura 9.

Figura 9

Esta aplicación utiliza el sensor de campo magnético del dispositivo móvil. El rango máximo en el cual mide

el campo y sus componentes rectangulares depende del celular (o tablet), dato que aparece en letras azules

en la parte inferior izquierda de la pantalla. En este ejemplo, el rango es aproximadamente 20.0 Gauss (el

campo magnético terrestre en la línea del Ecuador es aproximadamente 0.5 Gauss, el campo magnético de

un imán pequeño 200 Gauss, el de un imán de Neodimio es 2 000 Gauss y el de un gran electroimán 15 000

Gauss). Los detalles del funcionamiento y la interpretación de los datos obtenidos con la aplicación es

objeto de una práctica de laboratorio en electromagnetismo.

Ambientómetro:

Haciendo clic en el botón AMBIENTOMETRO se despliega la pantalla de la Figura 10.

Esta aplicación utiliza sensores de variables ambientales del celular: termómetro para temperatura

ambiente, higrómetro para humedad relativa, barómetro para presión atmosférica y altímetro para altura

sobre el nivel del mar. Los rangos máximos dependen del celular (o tablet), dato que aparece en letras

azules en la parte inferior izquierda de la pantalla. En este ejemplo, los rangos son los siguientes:

Termómetro: 165 oC con apreciación de 0.01 oC.

Higrómetro: 100 % de humedad relativa.

Barómetro: 760 mm de Hg con apreciación de 0.8 mm de Hg.

Esta aplicación es útil en los laboratorios de ciencias naturales (Biología, Física y Química).

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Figura 10

Sonómetro:

Haciendo clic en el botón SONÓMETRO se despliega la pantalla de la Figura 11.

Figura 11

Esta aplicación emplea la tarjeta de sonido y el micrófono del dispositivo móvil. La intensidad del sonido

captado es digitalizada en números de 16 bits (cuantización de 16 bits) por lo que el rango dinámico para el

nivel de intensidad es:

216

0

2β = 10 log

2

β = 96 dB (dB significa decibeles)

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Esta aplicación es útil en los laboratorios de ciencias naturales para estudiar las propiedades del sonido.

Por ejemplo en el laboratorio de física permite medir la velocidad del sonido a través de las ondas

estacionarias generadas en tubos.

Sonoscopio:

Haciendo clic en el botón SONOSCOPIO se despliega la pantalla de la Figura 12. Esta aplicación emplea la

tarjeta de sonido y el micrófono del dispositivo móvil. El sonido es muestreado a 44 100 Hz. Puede ser

empleado para estudiar señales (formas, frecuencias y periodos) y para medir intervalos de tiempo

adaptándole una fotocompuerta a la entrada del micrófono. Para esto es necesario usar la interface de

audio PhyscisSensor (ver módulo # 1 del hardware de PhysycsSensor).

Aunque se muestrea siempre a 44 100 Hz, es decir, cada 23 µs se toma un dato, la aplicación funciona en

tres modos para hacer la representación gráfica de la señal en el tiempo, es decir, el sonograma. En el

MODO 1 se grafica las muestras obtenidas cada 0,0023 s, en el MODO 2 se grafica cada 0,00046 s y en el

MODO 3 cada 0,000023 s. El modo a utilizar depende de las necesidades del experimento en particular:

para medir periodos de oscilación de péndulos y sistema masa-resorte es suficiente el MODO 1; para medir

intervalos de tiempo en experimentos de cinemática como caída libre, cuerpos moviéndose por planos

inclinados y poleas girando es suficiente el MODO 2; para medir frecuencias y formas de sonidos se utiliza

el MODO 3.

Figura 12

En la Figura 13 se ilustra un sonograma de un sonido armónico de 400 Hz tomado con el MODO 3 de la

aplicación.

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Figura 13

Esta aplicación hace que el teléfono celular desplace las fotocompuertas comerciales que oscilan con

precios entre los US 250 y US 400.

Generador de señal armónica:

Haciendo clic en el botón GENERADOR SEÑAL se despliega la pantalla de la Figura 14.

Figura 14

Esta aplicación emplea la tarjeta de sonido del dispositivo móvil para obtener señales armónicas entre 5 Hz

y 5 000 Hz a través de la salida en modo audífono. Para generar señales armónicas con muy buena

resolución se muestrea a 44 100 Hz. Esta aplicación puede ser empleada para realizar experimentos de

ondas y oscilaciones. Convierte el teléfono celular en un generador de señales armónicas. Acoplándole el

celular a través del cable acondicionado (tema de la próxima sección de este documento) a un amplificador

de señales permitirá realizar numerosas experiencias en los laboratorios de física (oscilación de cuerdas,

placas vibrantes, varillas vibrantes,...). En la Figura 15 se ilustra el amplificador de PhysicsSensor que se le

puede acoplar y cuyos detalles de construcción se encuentran en la página web de LudiFísica:

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http://ludifisica.medellin.unal.edu.co/index.php/software-hardware

Figura 15

Esta aplicación hace que el teléfono celular reemplace en buena medida el generador de ondas comercial

que se emplean en los laboratorios de física y cuyo costo oscila con precios entre US 300 y US 500.

Regresión Lineal:

Haciendo clic en el botón REGRESIÓN LINEAL se despliega la pantalla de la Figura 16.

Figura 16

Se introducen los datos y se pasa al tab correspondiente a Gráfica. Haciendo clic sobre el botón Graficar

se despliega la recta que ajusta mejor a los datos, Figura 17. El método que el software emplea en los

cálculos es el de los mínimos cuadrados.

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Figura 17

Pasando ahora al tab de Resultados se obtiene los valores de la pendiente y el intercepto de la recta con el

eje vertical. También se obtiene la correlación y las incertidumbres correspondientes de estos parámetros,

Figura 18.

Figura 18

Regresión cuadrática:

Haciendo clic en el botón REGRESIÓN CUADRÁTICA se despliega la pantalla de la Figura 16. El

procedimiento es idéntico al de la regresión lineal pero ya se obtiene es una parábola.

Espectrometro:

Haciendo clic en el botón ESPECTROMETRO se despliega la pantalla de la Figura 19.

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Figura 19

Luego se procede a escoger el espectro haciendo clic en el botón Escoger. Este espectro ha sido grabado a

través de una fotografía con el mismo celular.

Seguidamente se procede a cargar el espectro haciendo clic en el botón Cargar. Se despliega la pantalla de

la Figura 20.

Figura 20

Luego se procede a calibrar el espectro conociendo dos longitudes de onda de dos rayas espectrales y la

posición en pixeles de éstas.

Una vez calibrado el espectro se pasa al tab Análisis y se hace clic en el botón Actualizar. Se despliega la

pantalla de la Figura 21. Sobre esta Figura se pueden obtener los valores de las longitudes de onda

correspondientes a todas las rayas espectrales correspondientes al espectro.

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Figura 21

En la práctica de espectroscopia se entrará en el detalle de este procedimiento.

Arduino:

FIN