TACÓMETRO DE PANEL SOLAR: 5 Pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

En el INSTRUCTABLE "Panel solar como rastreador de sombras", se presentó un método experimental para determinar la velocidad de un objeto a partir de la proyección de su sombra en un panel solar. ¿Es posible aplicar alguna variante de este método para estudiar objetos en rotación? Sí, es posible. A continuación, se presentará un sencillo aparato experimental que permitirá medir el período y la frecuencia de rotación de un objeto. Este aparato experimental se puede utilizar durante el estudio de la asignatura "Física: Mecánica clásica", en particular durante el estudio del tema "Rotación de objetos rígidos". Es potencialmente útil con estudiantes de pregrado y posgrado, durante demostraciones experimentales o clases de laboratorio.

Paso 1: algunas notas teóricas

Cuando un objeto sólido gira alrededor de un eje, sus partes describen circunferencias concéntricas a ese eje. El tiempo que le toma a una de estas partes completar la circunferencia se llama período de rotación. El período y la frecuencia son magnitudes recíprocas. En el Sistema Internacional de Unidades, el período se expresa en segundos (s) y la frecuencia en Hertz (Hz). Algunos instrumentos para medir la frecuencia de rotación dan los valores en Revoluciones por Minuto (rpm). Para convertir de Hz a rpm, simplemente multiplique el valor por 60 y obtendrá las rpm.

Paso 2: Materiales e instrumentos

• Panel solar pequeño (100 mm * 28 mm)

• Linterna LED

• Cinta adhesiva reflectante

• Cinta aislante negra

• Cable eléctrico

• Bridas para cables

• Pistola de silicona caliente

• Soldador y estaño

• Tres piezas de madera (45 mm * 20 mm * 10 mm)

• Osciloscopio digital con su sonda

• Objeto giratorio al que desea medir su frecuencia de rotación

Paso 3: Principio de funcionamiento

Cuando la luz incide en un objeto, una parte se absorbe y otra se refleja. Según las características de la superficie y el color del objeto, esa luz reflejada puede ser más o menos intensa. Si las características de una parte de la superficie se cambian arbitrariamente, digamos pintándola o pegándola a una cinta adhesiva plateada o negra, podríamos provocar intencionalmente un cambio en la intensidad de la luz reflejada en esa zona. Aquí no estaríamos haciendo un "SEGUIMIENTO DE SOMBRAS" sino que estaríamos provocando un cambio en las características de la iluminación reflejada. Si un objeto al girar está iluminado por una fuente de luz y un panel solar está correctamente colocado, de modo que una parte de la luz reflejada incida sobre él, debe aparecer un voltaje en sus terminales. Este voltaje tiene una relación directa con la intensidad de luz que recibe. Si cambiamos la superficie, cambia la intensidad de la luz reflejada y con ella el voltaje del panel. Este panel podría conectarse a un osciloscopio e identificar variaciones de voltaje con respecto al tiempo. Si podemos identificar un cambio coherente y repetitivo en la curva, midiendo el tiempo que tarda en repetirse, determinaríamos el período de rotación y con él, la frecuencia de rotación indirectamente si lo calculamos. Algunos osciloscopios son capaces de calcular automáticamente estos valores, pero desde el punto de vista de la enseñanza, es productivo para los estudiantes calcularlo. Para simplificar esta actividad experimental podríamos utilizar inicialmente objetos que roten a rpm constantes y preferiblemente simétricos con respecto a su eje de rotación.

Resumiendo:

1. Un objeto que gira continuamente refleja la luz que incide sobre él.

2. La intensidad de la luz reflejada por el objeto giratorio depende del color y las características de su superficie.

3. El voltaje que aparece en el panel solar depende de la intensidad de la luz reflejada.

4. Si las características de una parte de la superficie se cambian intencionalmente, la intensidad luminosa de la luz reflejada en esa parte también cambiará y con ella el voltaje en el panel solar.

5. El período del objeto durante la rotación se puede determinar midiendo el tiempo transcurrido entre dos puntos con valores idénticos de voltaje y comportamiento con la ayuda de un osciloscopio.

Paso 4: Diseño, Construcción y Ejecución del Experimento

1. Suelde dos conductores eléctricos al panel solar. 2. Cubra los contactos eléctricos del panel con silicona caliente para evitar cortocircuitos.

3. Construya el soporte de madera uniendo con silicona caliente u otro pegamento las tres piezas de madera como se ve en la imagen.

4. Pegue el panel solar al soporte de madera con silicona caliente como se muestra en la imagen.

5. Pegue la linterna al soporte de madera como se muestra en la imagen y fíjela con bridas de plástico.

6. Fijar los conductores eléctricos del panel con otra brida al soporte de madera.

7. Pegue en el objeto que desea estudiar una banda de cinta negra y luego una banda plateada como se ve en la imagen.

8. Inicie la rotación del objeto que desea estudiar.

9. Conecte la sonda del osciloscopio correctamente a los conductores del panel solar.

10. Configure su osciloscopio correctamente. En mi caso las divisiones de voltaje fueron de 500mv y las divisiones de tiempo de 25ms (dependerá de la velocidad de rotación del objeto).

11. Coloca el aparato experimental que acabas de montar en una posición donde los rayos de luz se reflejen en la superficie que gira y golpean el panel solar (ayúdate de lo que ves en el osciloscopio para obtener una curva con cambios más pronunciados).

12. Mantener el aparato experimental fijo en la posición adecuada durante unos segundos para ver si los resultados de la curva permanecen constantes.

13. Detenga el osciloscopio y analice la curva para determinar qué posiciones corresponden a la cinta negra y cuáles a la cinta plateada. En mi caso, como el motor eléctrico que estudié era dorado, los cambios provocados por la cinta se hicieron más notorios.

14. Con los cursores del osciloscopio, mida el tiempo transcurrido entre los puntos con igualdad de fase, primero para la cinta y luego para la cinta plateada y compárelos (deben ser iguales).

15. Si su osciloscopio no calcula automáticamente la inversa del período (frecuencia), hágalo. Puedes multiplicar el valor anterior por 60 y así obtener las rpm.

16. Si tiene el valor kv o revoluciones por voltio (en el caso de que sea un motor que ofrezca estas características) multiplique el valor kv por el voltaje de entrada, compare el resultado con el obtenido por usted durante el experimento y llegue a conclusiones.

Paso 5: Algunas notas finales y recomendaciones

• Es conveniente comprobar inicialmente el estado de calibración de su osciloscopio para obtener resultados fiables (utilice la señal de calibración que ofrece el osciloscopio, que generalmente es de 1 kHz).
• Ajuste la sonda de su osciloscopio correctamente. Debería ver pulsos rectangulares no deformados si usa la señal generada por el propio osciloscopio (ver imagen).
• Investigue el tiempo de respuesta eléctrica con el fabricante de su panel solar (hoja de datos). En mi caso fue mucho menor que el período de rotación del motor eléctrico que estudié, por lo que no consideré su influencia en las mediciones que hice.
• Compare los resultados obtenidos por este método con los obtenidos por un instrumento comercial y considere las ventajas y desventajas de ambos.

Como siempre estaré atento a tus sugerencias, comentarios y preguntas. ¡Buena suerte y mantente al día con mis próximos proyectos!

Finalista en el concurso de ciencias en el aula