Smartphones... smartphysica

Introducció

El món de la telefonia mòbil s'ha revolucionat, una vegada més, amb l'aparició dels telèfons intel•ligents, anomenats sovint smartphones, que corresponen a la enèsima generació de telèfons. A més de l'avantatge de poder estar connectat amb la xarxa en qualsevol lloc gràcies a la tecnologia 3G té, pel professorat i alumnat de física, una gran innovació que cal aprofitar: la incorporació de diferents tipus de sensors que podem aprofitar per realitzar experiències i extreure'n dades numèriques.

Orientacions pel al professorat


Alumnes als quals s’adreça l’experiència

Metodologia


Orientacions tècniques

Què podem utilitzar dels telèfons mòbils sense que siguin de darrera generació?

De telèfons n’hi ha de moltes marques i amb sistemes operatius diferents; un dels més estesos és el sistema operatiu Android. A partir d'ara farem referència a telèfons que utilitzen l’Android, que té l'avantatge, entre altres, que és un sistema operatiu de codi obert.
La majoria de telèfons intel•ligents incorporen sensors de:

Per obtenir els valors dels diferents sensors disposem de diferents aplicacions (apps) que són gratuïtes i que podem descarregar i instal•lar directament des del mateix telèfon. Algunes de les aplicacions tenen una versió pro de pagament, que disposa de més opcions. Generalment l'opció bàsica de cada app dóna prou funcionalitat per al que ens interessa.

Androsensor (v. 1.9.4.4a)

Aquesta aplicació mostra totes les dades dels sensors en una única pantalla (que podem fins i tot ampliar per visualitzar-les gràficament) i dóna molta informació sobre el dispositiu i els seus registres.

Smart Ruler (v. 1.3.1)


Aplicació que ens permet mesurar (en mm) la llargada d’un petit objecte. El situem sobre la pantalla ajustat a l'esquerra i fem córrer el cursor fins al límit dret. En llegim directament el valor a la pantalla.

Fig. 1:

Mediciones (v. 1.1.0)

Aquesta aplicació permet mesurar (aproximadament) alçades, amplades, llargades i també volums i superfícies. El seu funcionament no és immediat i cal llegir les instruccions amb atenció perquè abans d'utilitzar l'apps cal calibrar per obtenir resultats més o menys fiables.

Velocímetro FREE (v. 3.3.0)

En aquest cas, cal activar el sensor GPS i la precisió (normalment baixa) del valor de la velocitat obtinguda dependrà òbviament de la sensibilitat que ofereixin els satèl•lits.
No el podrem utilitzar en el laboratori perquè en l’interior dels edificis no arriba el senyal del GPS. Haurem de limitar la seva utilització a l'exterior i amb velocitats bastant elevades; no ens servirà, doncs, per a l’anàlisi de la velocitat en un pla inclinat, per exemple.

Fig. 2:

Nivel de burbuja

Simula a la perfecció un nivell de bombolla dels que s'utilitzen en la construcció amb l'avantatge que també ens mesura l'angle d'inclinació. Funciona recolzant el telèfon per la seva cara posterior però també pel seu lateral.

La primera aplicació que se'ns acudeix és la mesura de la inclinació d'un pla. Podem utilitzar la trigonometria per comprovar efectivament la mesura.

Fig. 3:
Fig. 4:

Acelerómetro monitor

Aquesta app ens dóna els valors instantanis de l'acceleració en els tres eixos i també el mòdul de l'acceleració global del telèfon. També ens facilita les gràfiques de les variacions d'aquests valors respecte del temps. Per defecte, el valor de l'acceleració en una direcció z correspon a la gravetat (aproximadament, 9,8 m/s2), però a través del menú de configuració aquest valor es pot posar a zero. Aquesta opció ens serà molt útil si volem mesurar l'acceleració d'algun objecte al laboratori. Una altra opció molt interessant és que l'aplicació pot gravar en un fitxer de text els valors obtinguts per després exportar-los i poder-los processar i/o representar externament (amb un full de càlcul, per exemple).
De ben segur que just en aquest moment ja se'ns han acudit algunes experiències interessants que ens permetrà realitzar aquest sensor:

En la realització d'algunes d'aquestes experiències cal tenir molt present la fragilitat del telèfon i, per tant, cal o bé protegir-lo adequadament dels possibles cops (caiguda lliure...) o bé dissenyar l'experiment de forma adequada (alerta, per exemple, amb el moviment circular i la força centrífuga... encara que sapiguem que no existeix!).

Smart Compass (v. 1.4.8)

Una brúixola que funciona gràcies als sensors magnètics. Funciona horitzontalment com una brúixola clàssica i també verticalment amb combinació amb la càmera. Així doncs, podem trobar l'orientació d'un punt llunyà (muntanya, edifici, monument...) situant-lo al centre de la pantalla.
Podem fer exercicis d'orientació sobre plànols i també d'aplicació de trigonometria plana (triangulacions).

Light Meter (v. 1.7)

Fotòmetre per mesurar la intensitat de la llum (en luxs), tot i que sembla que no té una precisió gaire gran.

Google Sky Map (v. 1.6.4)

Una app espectacular que ens permet preparar una sessió d'observació astronòmica nocturna substituint els planisferis celestes clàssics (encara que pedagògicament sigui recomanable, almenys parcialment, utilitzar-los). Una vegada ubicat el telèfon, bé per GPS o bé a través de la xarxa, observem el cel (amb els noms i dibuixos de les estrelles, constel•lacions, planetes...) en la pantalla com si fos una finestra. Així doncs, per saber si un punt lluminós és un planeta o una estrella i descobrir-ne el nom, únicament hem d'encarar el telèfon en aquesta orientació per llegir-ne a la pantalla el nom corresponent. També hi ha la possibilitat de buscar un astre concret, en aquest cas l'app ens dóna un ajut visual en forma de fletxes que ens condueixen fins que tenim l'objecte que cerquem en el centre de la pantalla.
Aquesta aplicació és un bon element motivador per a quan treballem l'astronomia amb l'alumnat: els permet observar i distingir objectes astronòmics sense dependència d'un expert. A més, com a professors ens facilita la realització d'una observació nocturna amb l'alumnat que prèviament prepararem a l'aula.

Sound Meter (v. 1.4.9)

Sonòmetre que ens marca la intensitat sonora en decibels. Pot visualitzar la gràfica en funció del temps o bé una taula de valors estàndards (amb increments de 10 dB) en què queda marcat, en vermell, el valor actual de referència.
Amb una experimentació molt senzilla pot ser útil perquè l'alumnat comprengui que el decibel no és una mesura lineal de la intensitat sonora: un augment de 10 dB correspon al doble da la intensitat sonora.

Audalyzer 1.15

Gràficament ens mostra l'ona sonora i l'anàlisi de Fourier del so que capta; a més, ens assenyala els decibels de la intensitat sonora del so o del soroll. Podem observar de forma qualitativa diferents tipus de sons: sons bastant purs amb una freqüència fonamental i els seus harmònics i sons (o sorolls) compostos com a superposició de moltes freqüències diferents. Permet també observar les diferents formes d'ona d'una mateixa nota produïda amb diferents instruments o veus humanes.

Spectrum Analyzer

Semblant a l'anterior però en aquest cas ens dóna directament el valor de la freqüència de l'harmònic fonamental d'un so. Podem comprovar que efectivament els valors de l'escala musical amb diferents instruments observant també les diferents formes d'ona associades a cada instrument.

Fig.5:

True Tone

Permet reproduir un so d'una freqüència (des de 0 Hz fins a 21000 Hz) de forma sinusoïdal (però també quadrada, dent de serra i triangular). Com a experiència més senzilla i espectacular: comprovar el límit de freqüències audibles per l'alumnat (i el professorat) i comprovar que aquest disminueix amb l'edat. Només cal generar inicialment un to greu i anar progressivament augmentant-ne la freqüència, i preguntar cada vegada quines persones que no senten el so. Sempre detectarem algun alumne amb problemes auditius. Cal tenir present que el so es pot amplificar a partir de la sortida dels auricular amb uns senzills altaveus per a ordinadors o connectant-lo al sistema d'altaveus de què normalment disposem a les aules.
També podem utilitzar aquest aplicació (substituint a l'Audacity i a l'ordinador portàtil) per fer l'experiència d'interferències sonores proposada en l'article Interferències sonores de la revista Recursos de Física.

Metal Detector (v. 1.2.7)

Utilitza els sensors de camp magnètic per detectar la proximitat de metalls: ens proporciona el valor del camp magnètic (juntament amb els tres components) i de manera gràfica i sonora, amb la utilització de colors i d'una alarma, ens indica quan el telèfon és prop d'un material ferromagnètic.

Mostrador de radiactividad

En aquesta cas és una aplicació de pagament (3,49 €) i també se n'ofereix la versió Lite (1,99 €). Utilitza el sensor de la càmera del telèfon (cal tapar l'objectiu amb 3 o 4 capes de cinta aïllant negra) per poder detectar la radiació gamma. Per efectuar mesures correctament, cal calibrar-lo; el programari disposa de calibratges per als models de mòbils més usuals.
La precisió, com es pot esperar, no és gaire alta, però sí que podrem detectar les variacions de la radioactivitat i mesurar-la només atenent als ordres de magnitud.
De ben segur que trobareu moltes més aplicacions interessants per poder experimentar, calcular, observar, analitzar...
A continuació trobareu alguna experiència realitzada i els seus resultats.


Exemple 1: Gravetat

Aplicació

Acelerómetro monitor


Realització

Es tracta de deixar caure lliurement el telèfon (sobre una superfície prou tova per no malmetre l'aparell) mentre tenim activada la captura de dades.

Observacions

Per facilitar-ne l'anàlisi cal activar l'opció Remove Earth Gravity; d'aquesta manera, amb el telèfon immòbil les tres components de l'acceleració han de ser zero i mentre el deixem caure —horitzontalment— la component z de l'acceleració haurà de marcar -9,81 m/s2.
Les dades s'exporten a un fitxer de text, anomenat default.txt, i ubicat a la carpeta accData, el qual posteriorment es pot importar molt fàcilment des d'un full de càlcul (Excel, Calc...).
Les dades que obtenim són les tres components de l'acceleració (en m/s2) i l'interval de temps entre cada mesura (en mil•lisegons).
En les opcions podem configurar la velocitat de captura de les dades: Fastest, Game, Slow i Slowest. Si utilitzem la primera opció, l'interval de mesura és d'uns 16 ms.
En el full de càlcul caldrà generar una columna nova, Temps (s), a partir de les dades dels intervals entre mesures (recordeu que són mil•lisegons).

Resultat

Podem observar les dues columnes representades en color verd. En la gràfica s'observa perfectament els instants abans de la caiguda lliure (fins a 0,4 segons) moment en què l'acceleració és nul•la, la caiguda lliure d'una durada aproximada de 0,3 segons i amb un valor constant aproximat de -10 m/s2 i finalment les acceleracions dels rebots del mòbil en xocar amb el terra (encoixinat!).

Fig. 6:

En el segon cas observem més intervals interessants:

Abans d'iniciar el llançament (fins a 0,5 segons).

El llançament amb una acceleració positiva i aproximada de 10 m/s2, coincidència casual amb el valor de la gravetat (durada 0,3 segons).

Caiguda lliure de -9,8 m/s2 (fins a 1,5 segons). És molt interessant observar i comentar que no es diferencia per res l'interval de pujada del de baixada, fins i tot en el moment de màxima alçada l'acceleració continua essent la mateixa. Aquest és un aspecte que comentem sovint de manera teòrica a l'aula, però que en aquest cas hem comprovat explícitament!

Xoc i rebots amb el terra (encoixinat) amb acceleracions variables (aproximadament entre 1,5 i 1,8 segons).

Finalment el mòbil queda quiet al terra (a partir d'1,8 segons).

Tant el primer experiment com el segon són interessants no solament perquè els realitzi l'alumnat sinó també per poder analitzar amb detall les gràfiques obtingudes (de les quals aniria bé que l'alumnat prèviament en fes una predicció).

Fig. 7:

 

Exemple 2: Moviment vibratori vertical

Aplicació

Acelerómetro monitor

Realització

Es tracta de fer oscil•lar verticalment el telèfon lligat a una goma elàstica (o molla) mentre tenim activada la captura de dades.


Observacions

Hem d'estar molt segurs de la solidesa del lligam del mòbil amb la goma elàstica per no experimentar un desgraciat accident experimental. Com a suggeriment: pot ser una bona idea construir-nos una bossa que s'adapti perfectament a les mides del telèfon i amb un cordó que permeti tancar-la i lligar-la amb fermesa a la goma per fer oscil•lar el conjunt.
Cal procurar, per facilitar l'anàlisi posterior, que el moviment coincideixi amb l'eix y del mòbil.
En aquest cas, és millor tenir desactivada l'opció Remove Earth Gravity. El valor de la component y de l'acceleració s’incrementarà en el valor 9,81 m/s2.de la gravetat. Això ho corregirem posteriorment generant una nova columna en el full de càlcul.

Resultat

La primera columna ay correspon als valors capturats pel sensor acceleració en direcció y i la segona columna ay (color verd) és la que representem i l'obtenim de restar el valor 9,81 a la primera.
S'observa perfectament bé l'oscil•lació dels valors de l'acceleració i que el valor mitjà correspon aproximadament a zero.
Hauríem de comentar amb l'alumnat la correspondència dels valors màxims, mínims i nuls de l'acceleració amb la situació del mòbil en l'oscil•lació (alçada màxima i mínima i posició d'equilibri).
Caldria comparar els valors màxims i mínims de la gràfica amb els càlculs teòrics realitzats a partir del període i l’amplitud de l'oscil•lació (que, per exemple, podem obtenir d'una captura en vídeo de l'experiment), suposant que correspon a un moviment vibratori harmònic.

Fig.8:

 

Exemple 3: Música amb copes

Aplicació

Spectrum Analyzer

Realització

Es tracta de construir un instrument musical a partir de copes de cristall omplertes de diferents quantitats d'aigua (vegeu la figura 9 i el vídeo a la figura 10).

Observacions

Cal agafar copes de vi o d'aigua (de qualitat, és a dir, de vidre molt fi) i fer-les ressonar movent el dit per la circumferència superior. Perquè ressonin amb facilitat el millor és anar mullant el dit amb una barreja d'aigua i una mica de sabó de rentar plats.
Primerament podem buscar una música senzilla que necessiti poques notes per intentar tocar-la amb el nostre instrument.
Amb l'aplicació obtenim la freqüència del so fonamental i afegint aigua a la copa hem d'aconseguir la freqüència que ens convé per construir l'escala de notes que necessitem. Repetim aquest procés per a cadascuna de les copes.
Fig.9

En el vídeo següent podem escoltar com ressonen les copes i, a més, veure com l'aplicació del telèfon intel•ligent detecta la freqüència fonamental. En la segona part del vídeo variem el so de cada copa en incorporar-hi una quantitat diferent d'aigua.
Amb l'Spectrum Analyzer també observem que el so emès pràcticament és pur, és a dir, té una forma sinusoïdal quasi perfecte, de manera que no té harmònics, tret del fonamental. Només en la tercera copa, una vegada omplerta d'aigua, observem una forma d'ona composta i podem veure perfectament el diferents pics dels harmònics que es generen.
Fig.10. Video de l'experiència http://www.edu3.cat/Edu3tv/Fitxa?p_id=91963

 Autor d'aquesta pągina: Tavi Casellas professor de Física i Química de l’institut Montilivi.

 

Aquesta obra estą subjecta a una
Llicčncia de Creative Commons
Creative Commons License