USO DE NUEVAS TECNOLOGIAS EN EL LABORATORIO DE FENOMENOS COLECTIVOS

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Título :	USO DE NUEVAS TECNOLOGIAS EN EL LABORATORIO DE FENOMENOS COLECTIVOS
Autor :	Ruiz Chavarria, Gerardo
Fecha de publicación :	2014
Resumen :	En este proyecto se busca un mejoramiento en la enseñanza experimental de la física por medio de la realización de nuevas prácticas en el Laboratorio de Fenómenos Colectivos o la reformulación de otras. Para este fin, se van a introducir nuevos procedimientos de medida de cantidades como la presión, la temperatura, las características de ondas de superficie, la ocurrencia de eventos rápidos, la velocidad en fluidos o la medición de longitudes pequeñas, por citar algunos. Para lograr esto se hará uso de tecnologías nuevas y procedimientos recientemente desarrollados. La idea es transitar del uso de dispositivos analógicos, como los termómetros de mercurio o los manómetros de aguja a la utilización de captores que producen señales de voltaje, resistencia o corriente, que luego son registradas en computadora por medio de dispositivos de conversión analógico/digital (A/D). Dado que las señales producidas por los captores pueden ser pequeñas o ser de tipo distinto a la que se ingresa a un conversor A/D, es necesario acondicionar las señales (amplificación, conversión a voltaje, filtrado, etc.), por lo que será necesario desarrollar circuitos electrónicos para este fin. El curso Laboratorio de Fenómenos Colectivos se imparte en el tercer semestre de la carrera de Física y en él se cubren temas de ondas, termodinámica y fluidos. Algunos de los experimentos sobre los que se trabajará son: ecuación de gas ideal, obtención de curvas de saturación, dilatación lineal, determinación de propiedades de ondas de superficie, interferencia y difracción, detección de vórtices en flujos con superficie libre, medición de densidad , viscosidad en fluidos y fluidos acelerados. Aparte del desarrollo o la reformulación de prácticas de laboratorio, una estrategia para el mejoramiento en la enseñanza es la difusión de los resultados obtenidos. Para lo cual, se propone realizar presentaciones de los equipos y materiales desarrollados, a través de seminarios dirigidos a profesores y estudiantes de la carrera de física, la presentación de trabajos en congresos y la publicación de resultados en revistas de enseñanza con arbitraje. Un punto importante es el desarrollo de manuales interactivos de los experimentos y equipos disponibles en el Laboratorio de Calor, Ondas y Fluidos (que es donde se imparte la materia Laboratorio de Fenómenos Colectivos), los que estarán disponibles en una página web para su consulta desde cualquier lugar donde haya una conexión a internet. Lo que se quiere es desarrollar en los alumnos un conocimiento más detallado de ciertos fenómenos físicos por medio del uso de tecnologías y procedimientos de medida que no han sido utilizados en cursos previos o que en algunos casos no existen en los cursos experimentales de la carrera de física.
URI :	http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/5170
metadata.dc.contributor.responsible:	Ruiz Chavarria, Gerardo
metadata.dcterms.callforproject:	2014
metadata.dc.coverage.temporal:	2014-2017
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura nivel superior
metadata.dc.description.objective:	1) Introducción de nuevas tecnologías para medición de variables como presión, temperatura, velocidad, deformaciones y otros, mediante diversos sensores y su posterior registro en computadora usando dispositivos de conversión analógico/digital. 2) Uso de técnicas ópticas para el estudio de ondas de superficie, detección de vórtices en líquidos y estudio de eventos con tiempos característicos de milisegundos. 3) Poner a disposición de los alumnos y profesores de la carrera de física nuevos experimentos en el curso Laboratorio de Fenómenos Colectivos. Adicionalmente, reformulación de ciertos experimentos que se realizan actualmente en este curso. 4) Elaboración de manuales interactivos de experimentos y equipos. Los que estarán disponibles en una página web para su consulta en cualquier momento.
metadata.dc.description.hypothesis:	El curso "Laboratorio de Fenómenos Colectivos" es una materia que se imparte en el tercer semestre de la carrera de física. En el temario (http://www.fciencias.unam.mx/licenciatura/asignaturas/1081/302) se da una lista de prácticas a realizar sobre tres áreas temáticas: medios continuos, termodinámica y ondas. Algunos de los experimentos de esta lista son la medición de desplazamientos y espesores pequeños, la medición de viscosidad y velocidad en fluidos, la formulación de las leyes de los gases ideales, la medición de calores específicos, la formulación de las leyes de las cuerdas vibrantes, la interferencia y la difracción de ondas. El Laboratorio de Calor Ondas y Fluidos, que es donde se imparte esta materia, cuenta con diversos equipos y materiales para la realización de experimentos. Entre los que podemos mencionar osciloscopios, vibradores, parrillas, termómetros y manómetros analógicos, cubas de onda, balanzas, etc . Una de las limitantes es que en varios casos los dispositivos son analógicos, por lo que el alumno debe registrar los datos a mano. Y el registro simultáneo de dos o más cantidades es una tarea que resulta difícil de realizar. En este proyecto se plantea el tránsito hacia el uso de transductores que permitan el registro directo en computadora de las variables que se van a medir. Por ejemplo, para medir presión se usarán captores piezoeléctricos, que proporcionan una señal de corriente o voltaje, que es proporcional a la presión (absoluta o relativa, dependiendo del tipo de captor). Para la medición de la temperatura, en lugar de utilizar termómetros de alcohol, mercurio o bimetálicos, se utilizarán termopares o sondas de platino PT-100. En la misma línea de cambiar la forma como se enseñan ciertos temas en el curso Laboratorio de Fenómenos Colectivos, se propone la introducción de técnicas ópticas para el estudio de ondas de superficie en fluidos. En particular, el uso del método conocido como Schlieren sintético, que se basa en la refracción de la luz y que está particularmente adaptado para ondas de pequeña amplitud. Las hipótesis que están en la base de este proyecto son: a) La introducción de nuevas tecnologías en el curso "Laboratorio de Fenómenos Colectivos" permitirá que los alumnos mejoren su comprensión de los fenómenos físicos, al tener la posibilidad de medir variables con mayor precisión y con una tasa de muestreo mayor a la que se dispone actualmente en la mayoría de los cursos experimentales. En el mismo tenor, se podrán medir simultáneamente más de una cantidad (por ejemplo presión y temperatura) b) El uso de sensores y dispositivos de conversión analógico/digital permitirá que se realicen experimentos que antes no se podían hacer en el laboratorio y que sin embargo están incluidos en el temario de la materia "Laboratorio de Fenómenos Colectivos" c) Para que se produzca una mejora sustantiva en la actividad docente se requiere de la elaboración de material de apoyo. En este caso, se propone la elaboración de manuales interactivos de los experimentos y del equipo.
metadata.dc.description.strategies:	El eje rector de este proyecto es el uso de diferentes tipos de transductores, cuyas señales son registradas en computadora. Las cantidades que se van a medir son presión, temperatura, desplazamientos, deformaciones, viscosidad, densidad y otras. Con respecto a la medición de presión, está se hará por medio de captores piezoeléctricos. La señal que proporcionan es una corriente o un voltaje, dependiendo del tipo de captor. Tomemos el caso de una salida en corriente: la señal tiene que ser acondicionada, lo que significa que hay que filtrarla para eliminar ruidos (por ejemplo, los introducidos por la red eléctrica, que tienen una frecuencia de 60 Hz) y convertirla a voltaje. Para la medición de la temperatura se dispone de dos tipos de captores, los termopares y las sondas de platino. En el primer caso, la cantidad termométrica es el voltaje, pero dado su pequeño valor (del orden de mV) es necesario amplificar por lo menos por un factor de 100. Con respecto a las sondas de platino, existe un tipo muy usado en la investigación y la industria, se conocen como PT-100. Estos dispositivos tienen una precisión mayor a los termopares, ya que son capaces de detectar variaciones de temperatura de decimas de grado. La cantidad termométrica es la resistencia. Es posible medirla directamente con un multímetro, pero si se quiere usar una tarjeta de conversión A/D, hay que convertir la señal a voltaje, lo que es posible realizar mediante un puente de Wheatstone seguido por la utilización de un amplificador. Para la medida de los desplazamientos pequeños que se presentan en la dilatación lineal de un metal, se propone el uso de sensores Hall, que con la ayuda de un imán de neodimio pueden detectar desplazamientos del orden de micras. La medición de la temperatura y presión es indispensable en varios experimentos de termodinámica. Por ejemplo en la formulación de las leyes de gas ideal. Para realizar este experimento es necesario tener un recipiente sin fugas cuyo volumen pueda ser modificado y en donde se han montado previamente los transductores de presión y temperatura. Al interior se pone un gas (aire, helio, bióxido de carbono). Se puede por ejemplo medir presión vs volumen, dejando la temperatura constante. Este experimento ya se realiza en el laboratorio, pero la presión se determina por medio del peso que se coloca sobre una jeringa que contiene al gas. Un experimento nuevo es la determinación de la curva P vs T en una sustancia en estado de saturación. Con este fin se utiliza un tubo sellado, una bomba de vacío y una sustancia en estado puro, por ejemplo agua. Con respecto a los dispositivos de conversión analógico/digital se propone el uso de dos variantes. Una tarjeta A/D con cuatro canales analógicos, una resolución de 14 bits y una tasa de muestreo de aproximadamente 50 khz. Para que este sistema sea portable se ha elegido una tarjeta que se conecta a la computadora por puerto USB. La segunda variante es un circuito conocido como Arduino, que es de bajo costo y que permite entradas y salidas analógicas. Uno de los temas que se propone desarrollar en este proyecto es el estudio de ondas de superficie. Un método recientemente desarrollado (Moissy, Exp. Fluids 46(2009)1021-1036) se conoce como Schlieren sintético. Está basado en la refracción de la luz. Un patrón de puntos dispuestos aleatoriamente se coloca en el fondo de un líquido transparente. En una primera etapa se toma una imagen de los puntos cuando la superficie está en reposo. Luego la superficie se perturba y se vuelve a tomar una imagen de los puntos. Debido a la deformación de la superficie del fluido, se produce un desplazamiento aparente de los puntos. Este desplazamiento es proporcional a la pendiente de la superficie libre en el punto de medida. Para medir los desplazamientos de los puntos en la imagen se utiliza un software de distribución libre conocido como DPIVsoft. Se trata de un programa para medir velocidad en fluidos por medio de la técnica de ve
metadata.dc.description.goals:	2014 a) Desarrollo y puesta a punto de los siguientes experimentos: TERMODINAMICA -Ecuación de gas ideal y gases reales -Curvas de saturación -Punto de ebullición ONDAS -Relación de dispersión en ondas de superficie (obtención de la curva de velocidad de fase vs frecuencia) -Interferencia y difracción b) Presentación de trabajos en congresos c) Realización de seminarios para la presentación de nuevas prácticas para el Laboratorio de Fenómenos Colectivos 2015 a) Desarrollo y puesta a punto de los siguientes experimentos: TERMODINAMICA -Dilatación lineal -Temperatura de una flama ONDAS -Ondas circulares. Decrecimiento de amplitud con la distancia. -Refracción de ondas por cambio en la profundidad de la capa líquida FLUIDOS -Medición de densidad en líquidos y gases -Medición de viscosidad en fluidos newtonianos b) Elaboración de manuales interactivos de experimentos de ondas y termodinámica. Estos se pondrán en una página web. c) Presentación de trabajos en congresos y publicación de resultados en revistas de docencia con arbitraje. 2016 a) Desarrollo y puesta a punto de los siguientes experimentos: FLUIDOS -Creación y detección de vórtices en flujos con superficie libre -Estudio de fluidos acelerados - Convección ONDAS -Propagación de ondas mecánicas (ondas en una cuerda, sonido) b) Elaboración de manuales interactivos de experimentos de ondas, termodinámica y fluidos. Estos se pondrán en una página web. c) Presentación de trabajos en congresos y publicación de resultados en revistas de docencia con arbitraje.
metadata.dc.description.selfAssessment:	El objetivo de este proyecto fue la elaboración e introducción de nuevas prácticas en el curso “Laboratorio de Fenómenos Colectivos”. Para ello se utilizaron nuevas tecnologías, como convertidores analógico/digital, toma y procesamiento de imágenes, captores piezoeléctricos, etc. Con esta idea se pusieron en operación experimentos que hasta el momento no era posible realizar, como por ejemplo la medición de longitud de onda y velocidad de fase en ondas de superficie en líquidos, la medición de la dilatación de objetos solidos debido a cambios de temperatura, la elaboración de curvas de saturación de sustancias puras (curvas de presión vs temperatura), etc. Para lograr todo esto se hizo una investigación de nuevos métodos de medida, se adquirieron captores de presión, temperatura, puntas Hall, celdas de fuerza, etc., se construyeron dispositivos electrónicos para toma de datos y control de instrumentos y se desarrolló software para su uso en dispositivos móviles o computadoras. Como resultado de todo lo anterior en esto momento se cuenta con nuevas prácticas para el Laboratorio de Fenómenos Colectivos en los temas de ondas, termodinámica y fluidos. Por otro lado, se ha trabajado en la incorporación de experimentos en temas que casi no se abordan en este curso. Es el caso de la dinámica de fluidos. Al momento de escribir estas líneas estamos trabajando en la puesta a punto de experimentos de flujos estratificados y en rotación. Nuestro interés se centra en la producción de vórtices lenticulares, cuyo estudio es de interés no solo para los alumnos de la carrera de física, sino también para los de ciencias de la tierra. Los resultados que hemos obtenido se han presentado dentro de la Facultad de Ciencias y en varios congresos nacionales. Con ello buscamos que las practicas propuestas se implementen en la Facultad de Ciencias de la UNAM y eventualmente en otras instituciones. Para facilitar el desarrollo de estos nuevos experimentos hemos desarrollado una página web donde se tienen diversos materiales (manuales, documentos con explicación de fenómenos, programas y software, videos, videoclips, etc.). En general consideramos que se ha hecho un buen trabajo, pero aún nos falta desarrollar nuevos experimentos y dar más detalles de algunas prácticas que se hemos elaborado. Uno de los puntos que aún nos falta por desarrollar es la escritura de artículos en revistas arbitradas. Para esto requerimos recopilar y procesar datos relativos a la experiencia frente a grupo (comentarios de alumnos, modificación del porcentaje de aprobación del curso, sugerencias de otros colegas que imparten la materia, etc.).
metadata.dc.description.goalsAchieved:	Durante los tres años de vigencia del proyecto se trabajó en la elaboración de nuevas prácticas y materiales de apoyo para el Laboratorio de Fenómenos Colectivos. Se trata de una materia obligatoria del tercer semestre la carrera de física. La idea era además introducir nuevas tecnologías en este laboratorio para la realización de los experimentos (sistemas de conversión analógico/digital, procesamiento de imágenes, automatización). Una lista de los experimentos que se han desarrollado y que están disponibles (o lo estarán en breve) es la siguiente: - Dilatación lineal de cuerpos sólido - Curvas de saturación - Relación de dispersión en ondas de superficie - Interferencia y experimento de la doble rendija en ondas de superficie - Ley de Snell y reflexión interna total - Medición de la densidad de gases - Convección de Rayleigh-Benard - Medición de la velocidad del sonido Al finalizar el año 2016 se estaba trabajando en el diseño de experimentos en fluidos estratificados y/o en rotación Para la toma de datos se han desarrollado dispositivos basados en el microcontrolador arduino, los que permiten registrar variables como temperatura, presión, variaciones de longitud. Además del propio dispositivo se desarrollaron aplicaciones para registrar datos en tabletas, teléfonos celulares y computadoras. Cuando la velocidad de toma de datos es superior a cierto valor se ha optado por la utilización de tarjetas de conversión analógico/digital. Este ha sido el caso del experimento sobre velocidad del sonido, en donde se requiere determinar con precisión la diferencia tiempo de llegada de una perturbación acústica a dos puntos diferentes. Una vertiente primordial en este proyecto ha sido la elaboración de videos, videoclips y material multimedia sobre temas de termodinámica, ondas y fluidos. Se elaboró por ejemplo un video sobre la causa de la caída del Puente de Tacoma. Estos materiales entregan en disco compacto o se pueden consultar en la página web de este proyecto PAPIME. La direccion de la página web es la siguiente: http://champagn.fciencias.unam.mx/PE103914 En ella se tienen prácticas de laboratorio, manuales de equipo, videos de fenómenos físicos (termodinámica, fluidos y ondas), material multimedia, presentaciones hechas en congresos, hojas técnicas de sustancia, un catálogo de equipo, entre otras cosas. Una parte importante ha sido la presentación de resultados en seminarios y congresos. En octubre de 2014 se hizo una presentación en la Facultad de Ciencias de experimentos de ondas con el método de Schlieren sintético, del proceso de medición de temperatura y presión de sustancias en estado de saturación y además de mostraron los avances de software y hardware para la toma de datos con dispositivos móviles. Por otro lado, se ha participado con trabajos en los siguientes congresos: Reunión Anual de la AAPT Sección México (2015 y 2016), Congreso de la División de Dinámica de Fluidos (2015 y 2016).
metadata.dcterms.provenance:	Facultad de Ciencias
metadata.dc.subject.DGAPA:	Física
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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