PANEL SOLAR COMO SEGUIMIENTO DE SOMBRAS: 7 pasos (con imágenes)

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

Una magnitud fundamental utilizada en Física y otras ciencias para describir el movimiento mecánico es la velocidad. Medirlo ha sido una actividad recurrente en las clases experimentales. Normalmente utilizo una cámara de video y un software TRACKER para estudiar el movimiento de ciertos objetos con mis alumnos. Una dificultad que hemos experimentado es: los objetos que se mueven a velocidades relativamente altas aparecen borrosos en los fotogramas de video, lo que introduce incertidumbres en las mediciones realizadas con el software. Los métodos e instrumentos más comunes para el estudio de objetos a relativamente alta velocidad se basan en el efecto DOPPLER y sensores ópticos acoplados con cronógrafo.

En el presente INSTRUCTABLE abordo un método experimental alternativo para medir la velocidad promedio de un objeto con el uso de un panel solar y un osciloscopio. Es aplicable en las lecciones de laboratorio de la asignatura Física (Mecánica Clásica), en particular en el tema: Cinemática del movimiento mecánico de la traducción. El método propuesto y su aplicación experimental es poderosamente aplicable a otras tareas experimentales dentro de la disciplina Física para no graduados y graduados. También se puede utilizar en otros cursos de ciencias donde se estudien estos contenidos.

Si desea acortar los fundamentos teóricos e ir directamente a la construcción del aparato experimental, cómo realizar las mediciones, los materiales necesarios y las imágenes de mi diseño, vaya directamente al paso 6.

Paso 1: algo de teoría:

La "velocidad" se conoce como la distancia recorrida por un objeto en un determinado intervalo de tiempo. La velocidad es la cantidad escalar, es decir, la magnitud del vector de velocidad que también requiere la dirección en la que ocurren los cambios de posición. Hablaremos en este INSTRUCTABLE para medir la velocidad, pero realmente estaremos midiendo la velocidad media.

Paso 2: ¿Medir la velocidad con un panel solar?

Los paneles solares son dispositivos que operan bajo el principio del efecto fotoeléctrico y cuya función principal es hacer circular una corriente eléctrica en los circuitos en los que se utilizan. Por ejemplo, los paneles solares se utilizan para operar ciertos tipos de relojes, cargar baterías de todo tipo, también en sistemas de generación de CA para la red pública y en los hogares. Las aplicaciones son muchas, su precio en el mercado es cada vez más atractivo y contribuye al desarrollo sostenible lo cual es genial.

Debido al desarrollo de esta tecnología que ha experimentado la encontramos en muchos dispositivos, por ejemplo, el que les muestro fue extraído de una linterna barata que guardé y ahora tiene un nuevo uso.

El principio es básico. Cuando una luz se proyecta sobre un panel, provoca una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) en sus terminales. Cuando se conecta un voltímetro, esto se puede verificar fácilmente. Esta diferencia de potencial es responsable de la circulación de una corriente eléctrica cuando se conecta un dispositivo consumidor, por ejemplo, una resistencia eléctrica. Dependiendo de la "impedancia" del circuito y de las características del panel, circulará más o menos corriente. En relación a esta corriente se experimentará una caída de tensión en los terminales del panel solar una vez conectado el consumidor, pero si la impedancia se mantiene constante, la tensión también se mantiene constante siempre que las características de la iluminación también lo sean. Los voltímetros generalmente tienen una alta impedancia, por lo que afectarán muy poco al voltaje que se mide con ellos. Pero, ¿qué pasa si cambia la iluminación ?, también lo hará el voltaje y esta es la variable que usaremos.

Resumiendo:

• Un panel solar cuando se ilumina muestra un voltaje en sus terminales que se puede medir con un voltímetro.

• El voltaje no cambia si la impedancia del circuito y las características de la iluminación se mantienen constantes (debe estar en el espectro sensible del panel para que ocurra el efecto fotoeléctrico).

• Cualquier cambio en la iluminación provocará una variación en el voltaje, variable que se utilizará posteriormente para obtener la velocidad de los objetos en los experimentos.

Con base en los preceptos anteriores se podría formular la siguiente idea:

La sombra proyectada de un objeto que se mueve sobre un panel solar provocará una disminución en su voltaje terminal. El tiempo que tarda la disminución se puede utilizar para calcular la velocidad media con la que se mueve ese objeto.

Paso 3: Experimento inicial

En el vídeo anterior se muestran de forma experimental los principios en los que se basa la idea anterior.

La imagen muestra el tiempo que duró la variación de voltaje que fue trazado por un osciloscopio. Configurando correctamente la función de disparo se puede obtener el gráfico al que podemos medir el tiempo transcurrido durante la variación. En la demostración, la variación fue de aproximadamente 29,60 ms.

En realidad, el borrador de la pizarra en el experimento no es un objeto puntual, tiene dimensiones. El extremo izquierdo del borrador comienza a proyectar su sombra en el panel solar y, en consecuencia, comienza a disminuir el voltaje a un valor mínimo. Cuando el borrador se aleja y el panel comienza a ser descubierto nuevamente, se observa un aumento de voltaje. El tiempo total medido corresponde al tiempo que tardó la proyección de la sombra en recorrer todo el panel. Si medimos la longitud del objeto (que debería ser igual a la proyección de su sombra si tomamos ciertos cuidados) lo sumamos con la longitud de la zona activa del panel y lo dividimos entre el tiempo que duró la variación de voltaje, luego obtendremos la velocidad promedio de ese objeto. Cuando la longitud del objeto a medir su velocidad es cuantitativamente superior a la zona activa del panel, el panel se puede considerar como un objeto puntual sin introducir un error notable en las medidas (significa no sumar su longitud a la longitud del objeto).

Hagamos algunos cálculos (ver foto)

Paso 4: para aplicar este método, deben tenerse en cuenta algunas precauciones

• El panel solar debe estar iluminado por la fuente de luz proporcionada en el diseño experimental, evitando en la medida de lo posible otras fuentes de luz que lo afecten.

• Los rayos de luz deben incidir perpendicularmente a la superficie del panel solar.

• El objeto debe proyectar una sombra bien definida.

• La superficie del panel y el plano que contiene la dirección del movimiento deben ser paralelos.

Paso 5: un ejercicio típico

Determine la velocidad de una bola que cae desde 1 m de altura, considere la velocidad inicial cero.

Si la bola cae en caída libre es muy sencillo: ver foto

En condiciones reales el valor anterior puede ser menor debido a la acción del rozamiento con el aire. Determinamos experimentalmente.

Paso 6: Diseño, Construcción y Ejecución del Experimento:

• Pegue un tubo de plástico en el área activa del panel solar. • Suelde nuevos cables a los terminales del panel solar para evitar contactos falsos.

• Cree un soporte para el conjunto de tubo y panel solar de modo que pueda sostenerse horizontalmente.

• Coloque una linterna u otra fuente de luz sobre otro soporte para que la proyección de la luz emitida incida perpendicularmente en el panel solar.

• Verifique con un multímetro que cuando una luz incide en el panel solar, se registra un valor de voltaje constante mayor que cero.

• Coloque el conjunto de tubo y panel solar en la parte frontal de la linterna, dejando un espacio mayor que el objeto cuya velocidad desea medir. Trate de mantener lo más lejos posible la fuente de luz (linterna) del panel solar. Si la luz de la linterna la crea un solo led, mejor.

• Mida desde el centro del panel solar y hacia arriba una distancia de un metro y márquelo en una varilla, pared o similar.

• Conectar la sonda del osciloscopio a los terminales del panel solar, respetando la polaridad.

• Configure correctamente la opción TRIGGER en el osciloscopio, de modo que se puedan registrar todas las variaciones de voltaje durante el paso de la sombra en el panel. En mi caso, las divisiones de tiempo estaban en 5 ms y las divisiones de voltaje en la escala eran de 500 mv. La línea de cero voltajes tuvo que ajustarse hacia abajo para que encajara toda la variación. El umbral de activación se colocó justo por debajo del voltaje constante inicial.

• Medir la longitud del objeto y la de la zona activa del panel, sumarlos y anotarlo para el cálculo de la velocidad.

• Dejar caer el cuerpo desde la altura de 1 m para que su sombra interrumpa el haz de luz proyectado por la linterna.

• Mida el tiempo de la variación de voltaje con los cursores del osciloscopio en la escala de tiempo.

• Divida la suma de las longitudes realizadas anteriormente entre el tiempo medido en el osciloscopio.

• Comparar el valor con los cálculos teóricos y llegar a conclusiones (tener en cuenta los posibles factores que introducen errores en la medición).

Resultados obtenidos: ver foto

Paso 7: Algunas notas del experimento:

• Los resultados obtenidos parecen ser correctos en correspondencia con la teoría.

• El objeto seleccionado para este experimento no es el ideal, planeo repetirlo con otros que puedan proyectar una sombra mejor definida y que sean simétricos para evitar posibles rotaciones durante la caída.

• Hubiera sido ideal colocar el panel-tubo y la linterna en mesas separadas, dejando un espacio libre hacia abajo.

• Se debe repetir el experimento varias veces, tratando de controlar las posibles causas de errores en las mediciones y se deben utilizar métodos estadísticos para obtener resultados más confiables.

Sugerencias de materiales e instrumentos para este proyecto: Aunque creo que cualquier osciloscopio digital, fuente de luz y panel solar podría funcionar, aquí están los que utilizo.

ATENCIÓN OSCILOSCOPIO

PANEL SOLAR

ANTORCHA

Todos los materiales y herramientas utilizados en mis proyectos se pueden comprar a través de Ebay. Si haces clic en el siguiente enlace y realizas una compra estarás contribuyendo a obtener una pequeña comisión.

EBAY.com

Estaré esperando sus comentarios, preguntas y sugerencias.

Gracias y mantente al día con mis próximos proyectos.