Experimentació amb tecnologia mòbil. L’acceleròmetre i la caiguda lliure

Physics toolbox SuiteAplicació a utilitzar

Physics Toolbox

Physics Toolbox és un conjunt d’aplicacions (una suite) de l’empresa Vieyra Software que està format per les següents aplicacions:

Physics Toolbox Apps

En el cas que en el telèfon no es pugi instal·lar la suite es pot baixar cada aplicació per separat. En el que ens ocupa ara només cal l’app Physics Toolbox Acelerómetro.

Uns altres autors, Forinash y Wisman, han desenvolupat l’aplicació  Accolyze que crida a una altra, la del acceleròmetre Accelerometer Analyzer (Accelerometer Monitor) de Mobile Tools, pren les dades i després les importa en el mateix telèfon a Kingsoft Office (ara WPS Office) i les grafica en el seu full de càlcul.

També es podria considerar l’aplicació de Google, Science Journal, que encara treballa amb pocs sensors però que té un aspecte molt amigable i, com és de Google, ja comença a tenir tot un núvol d’empreses i col·laboradors al seu voltant: mireu Making Science.

Funcionament de l’acceleròmetre

AccelerometreLes tauletes i telèfons intel·ligents contenen acceleròmetres que monitoritzen l’orientació del dispositiu. L’acceleròmetre del mòbil realment mesura la força que pateix, no acceleració. Amb l’esquema de la figura us podeu imaginar una massa enganxada a un ressort que tira cap avall amb una força igual a seva massa per l’acceleració de la gravetat i es manté en equilibri per la força que fa el resort en sentit contrari.

Si empentem la caixa cap amunt la molla s’estirarà i la massa es desplaçarà cap a baix de la capsa, ajuntant les plaques del condensador al que està enganxada. Quant més forta sigui l’estirada, més s’aproparan les plaques del condensador i la capacitat del condensador augmentarà provocant que passi una petita quantitat de corrent per reequilibrar la distribució de càrregues.

Si es deixa caure la caixa, passarà el contrari, si es deixa quieta vertical la capacitat del condensador mesurarà l’acceleració de la gravetat, i si es fica la capsa horitzontal el resort restarà en la seva posició d’equilibri, el que indicarà una nova capacitat.

Acceleròmetre i giroscopi en una placa per utilitzar amb Arduino

Amb tres caixetes com aquesta col·locades perpendicularment entre si en un objecte podríem saber la posició en la que es troba i l’acceleració que pateix. En la pràctica l’acceleròmetre dels mòbils i tauletes utilitza una poteta microscòpica (d’uns 100 µm de longitud per 1 µm d’amplada), en lloc de la massa d’un ressort, per mesurar la força en una direcció determinada . Aquesta poteta és una de les plaquetes del condensador i està ficada sense tocar-se entre altres dues (amb separacions d’1 µm) que constitueixen l’altra placa. Si el mòbil es mou, la poteta es flexiona i disminueix la distància entre les potes. En el vídeo Bill Hammack de EngineerGuy l’explica estupendament. Explica no només com funciona, si més no com els fabriquen amb silici i hidròxid de potassi per un procediment curiosíssim.

Però, com es situen els tres eixos de l’accelerador als mòbils i tauletes?. Si es posa el telèfon sobre una taula horitzontalment amb la pantalla cap amunt els eixos X e Y mesuraran zero i l’eix Z mesurarà 1 g = 9,81 m/s2, o si es demana a l’aplicació amb la que estem mesurant que desconti la gravetat, marcarà també zero. Si el telèfon es fica vertical serà l’eix Y el que mesurarà g, i si es fica vertical però apaïsat, serà l’eix X el que aquesta vegada indicarà tota l’acceleració de la gravetat.

Si està el dispositiu en posició horitzontal, orientada la pantalla a dalt, i s’empenta cap a la dreta el valor de l’acceleració en X és positiu, també si es mou el telèfon cap endavant allunyant-lo d’un mateix el valor de l’acceleració en Y és positiu, i per últim, si s’accelera cap amunt s’afegirà aquesta acceleració a la de la gravetat (si no s’ha desconnectat).

Es pot visualitzar el comportament de l’acceleròmetre amb l’app pel mòbil i el programa per ordinador  iMecaProf, del que he tret la imatge de sota, elaborats pel professor Joel Chevrier que imparteix un curs online sobre Expériences de Mécanique Classique avec un Smartphone.

Tres eixos

Realització

Començarem per obrir la suite Physics Toolbox i escollirem l’app Acelerómetro lineal, ja que aquí ja està descontada l’acceleració de la gravetat. Si volem veure el valor de g hem d’usar l’aplicació Fuerza g.

accelerometre1accelerometre2

 

L’aplicació mostra les acceleracions en X, Y i Z en unitats de m/s2.Es pot moure l’aparell en les tres direccions de l’espai per veure com canvien els valors, es poden aturar les mesures per analitzar més bé el que hem fet i ampliar la imatge amb dos dits, es pot reprendre la presa de dades, i aquestes es poden gravar amb el botó de gravació (vermell amb un +).

En parar la gravació hem de donar un nom a l’arxiu, que es guarda amb format .csv. Si després volem visualitzar aquest arxiu en un full de càlcul o en un programa d’anàlisi de dades, com el SciDavis, hauríem d’entrar prèviament en els ajustaments de l’aplicació i ficar el caràcter delimitador de les dades en el csv com a punt i coma. Si fiquem la coma, després l’Excel o el Calc es fan un lio al importar-lo.

Us proposo dues experiències: Deixar caure el telèfon lliurement i llançar-lo cap amunt verticalment. En tots dos casos és convenient que el mòbil estigui inicialment oriental en una de les tres direccions principals i que disposeu d’alguna cosa suau en què la que dispositiu pugui aterrar, com un abric, un coixí, el llit, etc.

Per exemple, manteniu el dispositiu pla amb la pantalla cap amunt a uns 50 centímetres per sobre del coixí, inicieu la recol·lecció i la gravació de les dades i deixeu anar el dispositiu. Quan aterri, pareu la pressa de dades, guardeu-les i examineu-les inicialment en el mateix telèfon. Què passa amb l’acceleració durant la caiguda lliure?. Podeu repetir l’experiment però deixant anar el telèfon en una altra orientació, per exemple en vertical.

En la segona experiència actuarem com abans però ara llançarem inicialment el telèfon cap amunt no massa fort, per exemple que arribi a pujar uns altres 50 centímetres.

 

Observacions

Els dibuixos de sota mostren les gràfiques de la caiguda lliure i del llançament vertical, respectivament. Es pot observar a simple vista que en el primer cas cau amb acceleració –g durant breus instants, mentre que en el segon cas, primer puja amb una acceleració de més d’un +g per caure ràpidament amb l’acceleració de la gravetat, i posteriorment rebotar.

accelerometre3accelerometre4

 

Si les dades les passem a un full de càlcul podem obtenir una gràfica com la de sota i fer mesures més acurades. En aquest cas veiem que l’objecte està caient uns 0,4 s (concretament, 0,397 s), per el que podem contrastar si s’ha deixat caure des d’una altura de 0,77 m. Després d’1,56 s s’observen pujades i baixades de l’acceleració corresponents al xoc i successius rebots amb el matalàs.

Caiguda lliure

Si en lloc d’Acelerómetro lineal escollim l’app Fuerza g podeu estudiar quins valors dona de les acceleracions X, Y i Z per a les següents orientacions: Telèfon horitzontal i pantalla amunt, telèfon vertical i pantalla al davant i pantalla amb un angle d’aproximadament de 45 graus.

Si usem el valor de la última mesura, podem determinar l’angle real per veure com de prop a 45 graus estava el telèfon. Recordeu que el component d’acceleració en la direcció Z és gsinθ.

Forinash y Wisman proposen un protocol molt interessant, semblant al que he fet jo mateix, però ells l’han fet abans, i en el que usen la seva aplicació Ciencia Móvil – Accolyze.

També Tavi Casellas en la revista Recursos de física ha descrit en l’article Smartphones… smartphysica un experiment igual als descrits aquí. Ell ho va fer amb l’aplicació Acceleròmetre monitor i després va tractar les dades amb un full de càlcul. És un article molt recomanable en el que també parla d’altres aplicacions i explica diferents experiments.


Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s