Experiments de mecànica amb l’ajut del sensor de so dels telèfons mòbils i tauletes

Guia per al professorat

Orientacions generals

En el present article es desenvolupen tres experiments de mecànica: càlcul de g estudiant la caiguda lliure, càlcul del coeficient de restitució d’una bola en rebotar a terra i mesura de la velocitat d’un objecte utilitzant l’efecte Doppler.
També se'n proposen alguns més (figura 1), tots usant telèfons i tauletes “intel•ligents” amb l'aplicació Mobile Science-AudioTime+,

que és capaç d’enregistrar el so i fer-ne una anàlisi posterior.

Fig 1: Aplicacions per a tauletes i mòbils.

 

Càlcul de g estudiant la caiguda lliure

 

La caiguda lliure que s’estudia és la d’un objecte que està inicialment penjat d’un fil a una altura determinada del terra. Es mesura el temps que passa entre el so clic de les tisores en tallar el fil i el soroll clonc de l’objecte en xocar amb el terra. L’equació de la posició en funció del temps del moviment uniformement accelerat permetrà calcular l’acceleració de la gravetat.

Càlcul del coeficient de restitució d’una bola en rebotar a terra

 

Es deixa caure una bola que va perdent altura com a conseqüència bàsicament de la pèrdua d’energia en cada xoc, i es grava el so que produeix en xocar repetidament amb el terra en els successius rebots.

El coeficient de restitució dóna indirectament una idea de la pèrdua d’energia que es produeix en cada xoc i es pot mesurar de diferents maneres, per exemple: com el quocient entre els temps que tarden en produir-se dos rebots successius. La tauleta enregistra els xocs i amb l’aplicació es poden mesurar els temps que es necessiten.

En la part per a l’alumnat s’explica una mica més el fonament físic i s’indica el procediment que cal seguir per realitzar l’experiment.

Si es vol aprofundir una mica més es pot consultar el nou curs interactiu, ara amb simulacions en HTML5 (abans eren en Java), Fundamentos Físicos de las Energías Renovables

• http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/index.html

d'Ángel Franco, professor de física de la Universitat del País Basc, en particular les unitats:

• Choques en una dimensión, on es defineix el coeficient de restitució http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/dinamica/choques/choques_1.html
  
• Sucesivos rebotes en el plano horizontal http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/dinamica/rebotes/rebotes.html

Mesura de la velocitat d’un objecte utilitzant l’efecte Doppler

Si es fa passar un objecte que emeti un to d’una freqüència determinada, per exemple un telèfon mòbil, pel davant d’un altre telèfon o tauleta que gravi el so, després serà possible analitzar la gravació per mesurar la nova freqüència i calcular la velocitat a què anava el primer objecte, a partir de la variació de la freqüència mesurada.

Aplicació que s'utilitzarà

Fig 2: Aplicació utilitzada

L’aplicació que s’utilitzarà en els experiments és Mobile Science- AudioTime+ (vegeu la figura 2):

que ha estat realitzada per R. Wisman i K. Forinash, professors d’informàtica i de física a la Universitat d'Indiana (USA). És una app magnífica que permet enregistrar l’entrada de so i mesurar temps.
Paral•lelament a la creació d’aplicacions per a tauletes i telèfons mòbils, Kyle Forinash ha elaborat una sèrie de propostes experimentals en el camp de la física molt interessants i traduïdes al castellà, entre les quals es troben les tresque es proposen en aquest article:

El disseny de l’app està pensat per utilitzar-la en una tauleta o en un telèfon mòbil gran. En les indicacions als alumnes se n ’explica el funcionament, però bàsicament la interacció amb la pantalla és:

• Tocant amb un dit la pantalla es marca una línia. Si es toca en un altre punt de la pantalla es visualitzen els registres en un interval de temps de color groc.
  
• Si s’arrossega una de les marques es modifica l'interval groc.
  
• Arrossegant dos dits alhora es pot fer zoom.
  
• Es pot arrossegar un dit per desplaçar-se cap a l'esquerra i cap a la dreta.
  
• Si es colpeja dues vegades la pantalla s’eliminen els marcadors de color groc.
  

En la figura 3 s’indiquen les funcions dels botons de l’aplicació.

Fig 3: Funcions dels botons d'AudioTime+

Atenciól! Aquesta aplicació serveix per gravar so a través del micròfon del dispositiu mòbil. Si es vol utilitzar un micròfon connectat a la sortida dels auriculars per recollir els sons, s’ha d’utilitzar una altra aplicació, bessona d’aquesta: AudioTime (sense el +):

Altres experiments relacionats

La realització d’aquests experiments a les aules de secundària no és una novetat. La novetat està en les eines utilitzades i en el fet que l’alumnat disposa d’auestes eines i pot fer l’experimentació autònomament i a casa seva.
L’estudi de la caiguda lliure i el càlcul de l’acceleració de la gravetat s’ha fet de moltes maneres. Per exemple, estudiant la caiguda d’una tanca

que passa davant d’un sensor de llum controlat per l’Exao o el Multilog, i més recentment gravant en vídeo la caiguda de qualsevol objecte

i estudiant posteriorment la gravació amb un programa d’anàlisi de vídeo com el Tracker, de punteig i anàlisi de vídeo, amb el qual podem mesurar temps i altures.

Recentment, Santi Vilchez publicava l’article "Es pot determinar el valor de la gravetat amb una bala?"

en la revista Recursos de física, on descriu com els seus alumnes s’enfronten a aquest problema experimental, primer amb regle i el cronòmetre dels seus telèfons i després amb un dispositiu de mesura basat en Arduino.

També es pot calcular el coeficient de restitució amb un ordinador, un micròfon i el programa Audacity, i si es té la sort de disposar del Multilab i el sensor de distància es pot fer seguint el protocol del CDEC d'energia dissipada en el bot d’una pilota

en què es calcula el coeficient a partir de les successives altures aconseguides per la pilota.

Una altra manera per obtenir les dades és gravar els bots de la pilota en vídeo amb un telèfon (o amb una càmera fotogràfica, o una càmera web, o una videocàmera) i estudiar-los després amb el magnífic programa Tracker. També ens serveix per mesurar temps el programa VLC Media Player.

Quant a l’efecte Doppler, es pot estudiar amb l'esmentat programa Audacity. Només es necessita un objecte que sigui capaç d’emetre un to d’una freqüència determinada. Podria ser un telèfon, però també un altaveu connectat a un altre ordinador.
A més, l’aplicació que utilitzem en aquest treball, AudioTime+, es pot usar per fer molts altres d’experiments sobre el so, la dinàmica, la llum i la termodinàmica, però seguint en el camp de la mecànica, que és el cas dels exemples desenvolupats, podríem estudiar també:

La caiguda lliure d’un conjunt de cargols enganxats entre si per un fil, bé guardant distàncies iguals o bé distàncies que segueixen una funció quadràtica. Es registra la successió de xocs contra el terra i s’estudia el temps entre cops:

• https://experimentaciolliure.wordpress.com/2013/12/01/oida-caiguda-lliure/

El moviment uniformement accelerat. Es deixa caure una bola per un rail en U en el qual s’han enganxat bocinets de cartolina a intervals regulars. S’estudia la relació entre el temps entre els xocs i la distància recorreguda.

De forma similar es pot estudiar com gira una rodeta que a cada volta copeja una cartolina. Per exemple, pot ser la politja d’una màquina d’Atwood.

També es pot estudiar la caiguda lliure d’un objecte que emeti un so determinat, per exemple un telèfon mòbil. Es deixa caure lliurement mentre el to que emet es grava en un altre mòbil que es troba a terra. L’anàlisi de la freqüència del to abans de deixar-lo caure i en el moment que arriba a terra (tot just abans del xoc) permetrà calcular la velocitat final abans de l’impacte i a continuació el valor de g.

...

Temporització

Una mitja sessió de classe (uns 20 minuts) per instal•lar l’aplicació en el dispositiu i conèixer-ne el funcionament.
Una sessió de classe per explicar el fenomen físic i dissenyar l’experiment.
Una altra sessió per realitzar la presa de dades i analitzar-les, fent els càlculs, etc. Com que els experiments els realitzarà l’alumnat amb els seus propis telèfons o tauletes, el poden fer pel seu compte al centre i/o també a casa seva.
Una tercera per fer l’anàlisi de les dades i exercicis de reforç.

Alumnes als quals s’adreça l’experiència

Alumnat de 4t d’ESO: Càlcul de g per caiguda lliure.

Malgrat que és a 1r de batxillerat que s’aprofundeix una mica en el moviment d’objectes a l’aire amb i sense fregament, ja a 4t d’ESO s’estudia la caiguda lliure simple i es planteja el problema de l’acceleració amb què cauen els cossos.

Alumnat de 1r de batxillerat: Coeficient de restitució

Què seria de la unitat dels xocs sense els xocs inelàstics?

Alumnat de 2n de batxillerat: Mesura de la velocitat d’un objecte utilitzant l’efecte Doppler

Encara que el càlcul de freqüències i velocitats relacionades amb l’efecte Doppler no és matèria de l’examen de selectivitat, és un experiment molt interessant que pot ajudar a entendre els conceptes involucrats en l’efecte.

Autor d'aquesta pàgina: Lorenzo Ramírez. Catedràtic de Física i Química en l’institut Maria Rúbies de Lleida

Aquesta obra està subjecta a una
Llicència de Creative Commons