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Diseño e Implementación de Laboratorios de bajo costo con
plataforma Arduino, un estudio de caso: Perfiles Equipotenciales y líneas
de Campo Electrostático
Jeniffer Lorena Aristizabal Ángel Johann Andrés Camargo Camargo
Antony Ferney Tejada Martin Wilmar David Vera Quintero
Fundación Universitaria Unipanamericana – Compensar
Facultad de Ingeniería, Ingeniería de Software
Bogotá D.C., Colombia
2019
Diseño e Implementación de Laboratorios de bajo costo con
plataforma Arduino, un estudio de caso: Perfiles Equipotenciales y líneas
de Campo Electrostático
Jeniffer Lorena Aristizabal Ángel Johann Andrés Camargo Camargo
Antony Ferney Tejada Martin Wilmar David Vera Quintero
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de:
Ingeniero de Software
Director: Alexander Agudelo Cárdenas
Línea de Investigación:
Ingeniería de Software
Grupo de Investigación:
GIIS
Fundación Universitaria Unipanamericana – Compensar
Facultad de Ingeniería, Ingeniería de Software
Bogotá D.C., Colombia
2019
Dedicada a nuestros padres, hermanos, amigos,
parejas e hijos, por la paciencia y comprensión durante la
realización de nuestro proyecto de grado.
Agradecimientos Agradecemos, cada momento compartido, cada fin de semana en que nos reunimos por que
más que un equipo de trabajo fuimos grandes humanos al comprender al otro, a su vez
agradecemos a nuestras familias y parejas por toda la paciencia que nos brindaron durante
este tiempo, por comprender el poco tiempo que compartimos con ellos.
Igualmente agradecemos a la universidad Unipanamericana y a cada docente, por el
acompañamiento a nuestra formación profesional y crecimiento personal, los cuales nos
permitieron realizar nuestro trabajo de grado, también queremos resaltar, agradecimientos a
nuestro tutor Alexander Agudelo director de la facultad de Matemáticas, por cada palabra en
la construcción del proyecto, por el apoyo y la paciencia durante estos meses.
Resumen y Abstract IX
Resumen Se detallará el diseño e implementación de laboratorio de bajo costo, utilizando
microcontrolador Arduino para el caso de líneas de campos electrostáticos y perfiles
equipotenciales, automatizando la toma de datos y generando gráficos más intuitivos para la
explicación del concepto físico. Este trabajo va dirigido a los estudiantes de las diferentes
instituciones educativas como colegios privados y particulares, de la misma forma para
estudiantes de primeros semestres de universidades en Bogotá. En la conceptualización de los
fenómenos físicos. Dando como resultado una mayor alfabetización científica e inclusión en
nuestro país.
Palabras clave: Microcontrolador Arduino, Laboratorio de bajo costo, Bluetooth,
Aplicación móvil, Campo electrostático, Perfiles equipotenciales.
Resumen y Abstract XI
Abstract The design and implementation of a low cost laboratory will be detailed, using Arduino
microcontroller for the case of lines of electrostatic fields and equipotential profiles,
automating the data collection and generating more intuitive graphics for the explanation of
the physical concept. This work is aimed at students from different educational institutions
such as private and private schools, in the same way for first semester students of universities
in Bogotá. In the conceptualization of physical phenomena. Resulting in greater scientific
literacy and inclusion in our country.
Keywords: Arduino Microcontroller, Low cost laboratory, Bluetooth, Mobile app,
Electrostatic field, Equipotential profiles.
Contenido XIII
Contenido PÁG.
AGRADECIMIENTOS .............................................................................................................................. VII
RESUMEN ................................................................................................................................................. IX
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................................XV
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS ........................................................................................... XVII
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 19
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................................... 20
OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................................................ 23
Objetivos Específicos .............................................................................................................................. 23
ALCANCES Y LIMITACIONES ............................................................................................................................. 23
1. GENERALIDADES ........................................................................................................................... 25
1.1 CAMPO ELECTROSTÁTICO Y SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES ................................................................. 25
1.2 ANDROID STUDIO .............................................................................................................................. 27
1.3 JAVA ................................................................................................................................................ 27
1.4 SERVICIOS WEB ................................................................................................................................ 27
1.5 BOOTSTRAP ...................................................................................................................................... 27
1.6 HTML5 ........................................................................................................................................... 28
1.7 HIGHCHARTS ................................................................................................................................ 28
1.8 PLOTLY JS ......................................................................................................................................... 28
1.9 C++ ................................................................................................................................................. 28
1.10 SERVIDOR SQL ................................................................................................................................. 29
1.11 SERVIDOR GLASSFISH ........................................................................................................................ 29
MARCO TEÓRICO ................................................................................................................................... 29
1.12 ARDUINO .......................................................................................................................................... 29
1.12.1 La plataforma Arduino ......................................................................................................... 30
1.12.2 El firmware de Arduino ........................................................................................................ 31
1.12.3 Plasduino ............................................................................................................................... 31
1.13 LABORATORIO DE FÍSICA .................................................................................................................... 31
1.13.1 Obtención de Competencias.................................................................................................. 31
1.14 PLACA DE PROTOBOARD ..................................................................................................................... 32
1.15 BLUETHOOTH ................................................................................................................................... 33
1.15.1 Bluethooth HC-05 ................................................................................................................. 33
1.16 MOTOR PASÓ A PASO 3.2KG/M, NEMA 17 ........................................................................................... 34
XIV Diseño e Implementación de Laboratorios de bajo costo con plataforma Arduino, un
estudio de caso: Perfiles Equipotenciales y líneas de Campo Eléctrico
1.17 VARILLA METÁLICA ........................................................................................................................... 34
1.18 CORREA DENTADA ............................................................................................................................. 35
1.19 TORNILLO DE AVANCE 8MM PARA VARILLA ROSCADA ............................................................................ 35
1.20 ARDUINO MEGA 2560 (REV3) ........................................................................................................... 36
1.21 DRIVER A4988 ................................................................................................................................. 36
1.22 FUENTE DE ALIMENTACIÓN ................................................................................................................ 37
1.23 CABLE USB (A/B) ............................................................................................................................ 38
1.24 RODAMIENTO LINEAL 8MM ................................................................................................................ 38
1.25 CABLES HEMBRA Y MACHO ................................................................................................................ 39
1.26 TORNILLO SIN FIN ............................................................................................................................. 39
1.27 POLEA GT2 ...................................................................................................................................... 40
1.28 LCD 16X2 + 12C ............................................................................................................................. 40
1.29 DIPOLOS ........................................................................................................................................... 41
1.30 FINAL DE CARRERA ............................................................................................................................ 41
1.31 ANTECEDENTES ................................................................................................................................ 42
2. DESARROLLO DEL PROYECTO ..................................................................................................... 46
3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................................................... 55
3.1 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 55
3.2 RECOMENDACIONES .......................................................................................................................... 55
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................................ 57
Contenido XV
Lista de figuras PÁG.
Figura 1:Campo electrostático con cargas puntuales .............................................................................. 23
Figura 2:Líneas de campo electrostático y superficies equipotenciales .......................................... 24
Figura 3:Superficies equipotenciales .............................................................................................................. 24
Figura 4:Protoboard .............................................................................................................................................. 30
Figura 5:Bluethooth ............................................................................................................................................... 31
Figura 6:Motor Paso a Paso Mena 17 .............................................................................................................. 32
Figura 7:Varilla Metalica ...................................................................................................................................... 32
Figura 8:Correa Dentada ...................................................................................................................................... 33
Figura 9:Tornillo de avance ................................................................................................................................ 33
Figura 10:Arduino MEGA ..................................................................................................................................... 34
Figura 11:Driver A4988 ....................................................................................................................................... 35
Figura 12:Fuente de Alimentación .................................................................................................................. 35
Figura 13:Cable USB .............................................................................................................................................. 36
Figura 14:Rodamiento Lineal ............................................................................................................................ 36
Figura 15:Cables hembra y macho .................................................................................................................. 37
Figura 16:Tornillo sin fin ..................................................................................................................................... 37
Figura 17:Polea GT2 .............................................................................................................................................. 38
Figura 18:LCD 16x2 + 12C................................................................................................................................... 38
Figura 19:Dipolos .................................................................................................................................................... 39
Figura 20:Final de carrera ................................................................................................................................... 39
Figura 21:Triples, barras metalicas ................................................................................................................. 45
Figura 22:Conexiones protoboard ................................................................................................................... 46
Figura 23:Fuente de alimentacion ................................................................................................................... 47
Figura 24:Pecera ..................................................................................................................................................... 47
Figura 25:Estructura coordenadas XY ........................................................................................................... 48
Figura 26:App coordenadas ............................................................................................................................... 48
Figura 27:Pagina Web ........................................................................................................................................... 49
Figura 28:Puntos coordenadas ......................................................................................................................... 50
Figura 29:Grafica 3D .............................................................................................................................................. 51
Figura 30:Grafica 2D .............................................................................................................................................. 51
Figura 31:Tabular Información ......................................................................................................................... 52
Contenido XVII
Lista de Símbolos y abreviaturas
Abreviaturas
Abreviatura Término GUI Interfaz Grafica del Usuario
PC Computadora Personal
V Voltaje A Amperios cm centímetros mm milímetros IDE Entorno de desarrollo integrado APP Aplicación Kbps Kilobytes por segundo
Introducción En varias instituciones educativas como colegios y universidades, se realizan experimentos
para demostrar teorías de las ciencias como la química o la física, estos se realizan en
laboratorios con una serie de pasos e instrumentos, las instituciones se enfrentas a costos
elevados, asesoría profesional y también herramientas industriales para la construcción de
estos (Sanchez, 2017).
Las empresas que construyen sistemas de adquisición de datos para contrastación
experimental de teorías científicas se caracterizan por un precio elevado en su ventana de
productos entre los cuales se encuentran a saber: sensores ultrasónicos, sensores de rotación,
sensores de campos magnéticos entre otros, acompañados con software de tipo comercial e
interfaces con una gran resolución en cuanto a toma de datos. En países emergentes como el
nuestro, estos altos costos generan exclusión en cuanto a la construcción de conocimiento
científico, desdibujando las lógicas de alfabetización científica, evidenciados en América latina.
(Rico, A. P. 2010).
Una opción para visibilizar la ciencia, desde una postura creativa surge con la elaboración e
implementación de laboratorios de bajo costo, que permita la inclusión en poblaciones
vulnerables. A su vez nuestra propuesta se centra para colegios privados y del distrito,
respondiendo a los derechos básicos de aprendizaje para estudiantes entre 8 y 11 grado, no
obstante, esta misma implementación en primeros semestres en espacios de física de
universidad.
Tomando como referente el trabajo realizado en Brasil, en la universidad de Pelotas, el docente
Fabio Da Rocha en Brasil en el año 2013, expone un laboratorio de bajo de costo a estudiantes
de colegios, demostrando propiedades de un acelerómetro electrónico y generando en el
estudiante un pensamiento científico, poniendo en contexto una metodología de apoyo para el
20 Laboratorio de bajo costo
docente en la explicación de acontecimientos científicos que ocurren en el entorno. (Rocha. F.
& Marranghello. G.2013).
También, se tomó como referente la mediación tecnológica, el microcontrolador Arduino, el
cual, presenta las siguientes ventajas: Bajo costo en comparación con otros
microcontroladores existentes dentro del mismo mercado, esta es un sistema es
multiplataforma, se puede ejecutar y configurar en diferentes sistemas operativos como
Windows, Mac OSCX y Linux, Arduino tiene código abierto, y planos abiertos, de tal manera
quien lo use pueda crear una su propia versión acorde a sus necesidades(Herrador, 2009).
Por otra parte, se presenta una desventaja al momento de implementar este microcontrolador,
una de ellas es: la falta de Interfaz Gráfica para usuario (GIU). Aunque en el mercado se pueden
encontrar diferentes herramientas que cubren esta necesidad tales como MATLAB
(MathWorks, Natick MA, EE. UU.) o LabVIEW para controlarlo. Es de considerar que estas
interfaces son muy costosas al momento de realizar su implementación.
Para resumir, como solución a esta falencia se propone implementar una interfaz para la
obtención de datos, análisis de las muestras del experimento y generación de graficas
amigables para el estudiante, demostrando la teoría.
Antecedentes y Justificación
En los años 70, se presenta un laboratorio de bajo costo, el Slowpoke, en su momento fue un
reactor nuclear para uso en la universidades, hospitales e institutos de investigación, se
encargaba de analizar la activación de neutrones, así mismo, la mayoría de las muestras eran
irradiaciones y generación de isotopos, este proyecto fue instalado en la universidad de
Toronto (Kay, R. E 1973). Continuando con la línea de optimización de costos para laboratorios
en el año 2003, nace Arduino permitiendo la facilidad y uso de lo electrónico y programación,
a costos asequibles para muchos estudiantes.
Arduino muestra un camino infinito de nuevos proyectos, como sucedió en Brasil, en febrero
del 2013, Los docentes Fabio Da Rocha y William Frederik ,exponen un laboratorio de bajo
21
costo para uso de la enseñanza mecánica, demostrando propiedades de un acelerómetro
electrónico, este obtiene datos, al medir la aceleración de un cuerpo en caída y aparte este
mismo muestra el antes, durante y después de la caída del cuerpo al final del recorrido
previsto, también estudia el movimiento Armónico Amortiguado , este proyecto no tiene costo
financiero solo conocimientos básicos en soldar, los materiales y el procedimiento se
encuentra en internet(Da Rocha, F. S., & Marranghello, G. F. (2013).
En abril del mismo año los docentes en conjunto con el docente Lucchese , presentaron el
proyecto de acelerómetro electrónico con placa Arduino para la enseñanza de física en tiempo
real, su principal objetivo era la innovación tecnológica con bajo costo; los sensores, el
microcontrolador y el prototipo conectado a un PC, muestra los datos en tiempo real, realiza
cálculos complejos y visualiza, permitiendo al estudiante dedicar más tiempo al análisis e
interpretación de la teoría física (Da Rocha, F. S., Maranghello, G. F., & Lucchese, M. M. 2014).
En otros países como Taiwan, en el año 2015, permanecieron con la plataforma y la ayuda de
un microcontrolador basado en laboratorios - MBL, se reemplaza el uso de un cronometro o
un celular inteligente a recolectar los datos por Arduino y conectarlo a un PC, permitiendo la
lectura de datos en tiempo real, guardando estas muestras en un archivo Excel, donde el
estudiante lo abre y genera un gráfico de movimiento armónico de ángulo versus tiempo con
amplitud decreciente. (Wong, W. K., Chao, T. K., Chen, P. R., Lien, Y. W., & Wu, C. J. 2015).
Mientras que, en septiembre del mismo año, en el Instituto Universitario de Tecnología del
Estado Bolívar, Venezuela; presenta un laboratorio con otros instrumentos, ellos usaron el
mando del juego Wii para la demostración en planos inclinados, este mando es conocido como
WiiMote, el cual cuenta con tres ejes para medir la aceleración y una cámara para medir la
posición del mando, para interfaz se usó Wiimote Physics, este guarda las muestras en un
archivo para abrirse en cualquier PC (Pérez, J. E. M. 2015).
Justificación
Cada laboratorio se desarrolla a partir de instrumentos que se encargan de obtener datos de
fenómenos de física, realizar mediciones y evidenciar la teoría en la práctica. Existen varias
22 Laboratorio de bajo costo
empresas privadas que crean sensores para la obtención de datos de laboratorio en varias
ciencias siendo las más importantes Vernier, Phywe, Label y Pasco.
Al obtener esta información se puede discernir que las empresas Vernier y Pasco son aquellas
que distribuyen sensores con mayor accesibilidad para los estudiantes, a continuación, se
describe de forma general cada una: a) Vernier: Fundada en 1981, Vernier es pionero en
interfaces premiadas, sensores, software y currículo para transformar la forma en que los
educadores enseñan ciencias y cómo los estudiantes recopilan, analizan e interpretan datos
científicos (Nava, 2015).
Se ha perfeccionado con lo que respecta a la recopilación de datos desarrollando y
produciendo productos de obtención de datos asequibles y fáciles de usar en laboratorios de
todo el mundo, realizando una revisión de sus productos orientados al área de física posee
sensores independientes y equipos de laboratorio, el más costoso es el dispositivo LabQuest2
y su valor es de 455 dólares y es una interfaz que permite conectar casi todos los sensores de
la marca Vernier y conexión con otros dispositivos móviles, pendrive y pc ;b)PASCO.
Esta empresa surgió de una feria de ciencia teniendo presente la necesidad de ciencia practica
y la investigación, teniendo como misión proporcionar a los docentes de todo el mundo formas
innovadoras de enseñar y aprender, siendo Pasco uno de los líderes del mercado mundial. El
fundador desde que hizo el proyecto siempre tuvo el deseo de ayudar a los estudiantes
teniendo experiencias de verdad en todo el mundo. Sin embargo, estas empresas no garantizan
el uso de sus productos en muchas instituciones.
Luego de que estas empresas reconocidas no logran llegar a todos los estudiantes, el docente
Fabio Da Rocha expone que, es necesario la construcción de conocimientos científico en
instituciones educativas de estratos socioeconómicos con poco presupuesto, esto se logra
optimizando costos y presentando al estudiante una interfaz amigable, para la recolección de
datos, análisis y gráficos de estos, probando cada teoría.
De acuerdo, a la pesquisa antes mencionada, se empieza la construcción de un laboratorio de
bajo costo con plataforma Arduino, en la primera versión del proyecto se realizará el estudio
de caso Perfiles Equipotenciales y líneas de Campo Electrostático.
23
Objetivo General
Implementar y diseñar un prototipo funcional para laboratorio de bajo costo, tomando como
estudio de caso, la correlación entre campos electrostáticos y perfiles equipotenciales,
mediante el uso de plataforma Arduino e interfaz gráfica para el usuario.
Objetivos Específicos
Diseñar un laboratorio de bajo costo, con la construcción de una estructura de
coordenadas XY para determinar la correlación entre campos electrostáticos y perfiles
equipotenciales.
Construcción de software para manipulación de data y APP que realice el control de la
práctica a través de un microcontrolador Arduino.
Análisis de data propios del estudio de caso para constatarlo con la teoría científica que
describe el comportamiento de las superficies equipotenciales apoyadas en
Dashboards (gráficos) amigables para el estudiante.
Alcances y Limitaciones
Se implementará y desarrollará un laboratorio de bajo costo, con el estudio de caso de campos
electrostáticos y perfiles equipotenciales, usando Arduino Mega, una estructura de
coordenadas, mediante la obtención de las coordenadas (en los puntos X - Y del plano
24 Laboratorio de bajo costo
cartesiano) y campos electrostáticos generados en este punto, la aplicación obtendrá los datos
de Arduino, mostrara el comportamiento del voltaje en cualquiera de las coordenadas del
recipiente con líquido, se proyectan los datos obtenidos al estudiante por medio de una
aplicación web, donde se visualizará la información recolectada de una forma más amigable e
intuitiva. Lograr que el estudiante comprenda los conceptos abstractos de los fenómenos
físicos, creando un pensamiento físico científico en el mismo.
Limitaciones
El dispositivo móvil deberá contar con tecnología bluethooth para envió de datos del
Arduino a la aplicación.
El teléfono móvil deberá disponer sistema operativo Android versión 6.0 o superior.
Se debe otorgar permisos de escritura a la aplicación móvil, para el buen
funcionamiento en la generación de graficas.
El navegador deberá tener habilitado JavaScript y soportar HTML5, para la generación
de graficas 2D y 3D.
Se requiere acceso a internet para bueno funcionamiento de la aplicación y servicio
web.
Los estudiantes no tengan conocimiento suficiente sobre herramientas tecnológicas, y
con ello no realizar un buen uso de la aplicación y servicio web.
25
1. Generalidades
En esta sección se explican los conceptos teóricos físicos, lenguajes de programación y las
diferentes herramientas que se manejaran en el proyecto.
1.1 Campo Electrostático y Superficies Equipotenciales
El campo electrostático se define como una región en el espacio donde se encuentra situada
una carga puntual(q) y esta experimenta una fuerza o acción eléctrica a causa de la existencia
de una o más cargas eléctricas(q1) que se encuentran en la misma región. Cuya trayectoria
que toma el campo electrostático está influenciada por la fuerza actúe sobre la carga
eléctrica, esta reacción genera una línea en forma radial que va hacia afuera cuando la carga
es positiva, y de ser negativa el campo estará dirigida hacia la segunda carga. Como se
representa en la siguiente figura 1
Fig. 1 Campo electrostático cargas puntuales y Campo electrostático de un vector positivo a negativo
También, entendemos el campo electrostático como un punto del espacio, que se mide como
la fuerza electrostática por unidad de carga, que experimenta una carga de prueba
infinitesimal en dicho punto, debida a una distribución estática de cargas en el espacio,
definido con la fórmula:
𝐸 = lim𝑞0→0
𝐹
𝑞0
En esta ecuación, se evidencia que indica que fuerza electrostática es una cantidad vectorial
con magnitud y dirección, entonces el campo electrostático es un campo vectorial, lo cual
indica que para cada punto del espacio existe un valor de campo electrostático con su
correspondiente magnitud y dirección.
26 Laboratorio de bajo costo
La relación entre las superficies equipotenciales y el campo electrostático, la diferencia de
potencial electrostático entre dos puntos es la medida de la diferencia de energía potencial
eléctrica por unidad de carga eléctrica, para una carga de prueba inmersa en un campo
electrostático generado por una distribución de cargas determinada.
Fig. 2 Líneas de campo electrostático y superficies equipotenciales
Una superficie equipotencial se representa como la trayectoria radial o circular cerrada que
rodea toda la carga eléctrica puntual donde los puntos que definen la trayectoria tienen el
mismo valor de magnitud de potencial eléctrico.
Donde en comportamiento de las líneas de campo electrostático son, en cada punto,
perpendiculares a las superficies equipotenciales y estas se dirigen hacia donde el potencial
de campo electrostático disminuye.
27
Fig. 3 Superficies equipotenciales
De acuerdo con los conceptos anteriores, se quiere desarrollar un sistema que tomé medidas
de potencial en un plano, se pude graficar las líneas equipotenciales de la intersección de ese
plano (x, y), con las superficies equipotenciales (x, y, z), debidas a la distribución de cargas
existente, y las líneas continuas perpendiculares a las líneas equipotenciales en el plano de
medida, son las líneas de campo electrostático. Y que estos conceptos que son un poco
abstractos en el campo físico sean más fáciles de comprender.
1.2 Android Studio
Android Studio es un entorno de desarrollo (IDE) empleado para la creación de aplicaciones
bajo el sistema Android. Este IDE de desarrollo está basado en IntelliJ IDEA (entorno de
desarrollo para programación Android) de la compañía JetBrains (Android Studio, s.f.).
Así mimo, Android Studio cuenta con una licencia de software libre Apache 2.0, está
programado en Java y es multiplataforma. Esta licencia permite crear diversas aplicaciones
móviles que corren bajo el sistema Android de los dispositivos móviles sin ningún costo de
licencia por realizarlas.
1.3 Java
Java es un lenguaje de programación con compatibilidad para sistemas operativos como OS,
Unix, Linux, Solaris, Windows o Android. Java se utiliza para crear y desarrollar diversos
tipos de programas, aplicaciones web y móviles. Además, Java mejora el rendimiento, la
seguridad y la estabilidad de las aplicaciones. La programación en Java está orientada a
objetos (Java, s.f.)., el uso de este lenguaje esta enfocado principalmente para facilitar el
modelo cliente-servidor web.
1.4 Servicios Web
Un servicio web es un componente accesible desde la web, que se puede acceder mediante
protocolos web estándar para el intercambio de la información. Los servicios web están
compuestos por métodos o procedimientos, con los cuales se realiza un intercambio de
información. Estos servicios se pueden acceder desde cualquier parte de internet y consumir
su información generada (Introducción a los Servicios Web, s.f.).
1.5 Bootstrap
Boostrap es un framework que permite crear aplicaciones móviles y web que se adapten a
los diferentes tipos de pantalla si perder la estructura de la información presentada.
28 Laboratorio de bajo costo
Bootstrap es un conjunto de herramientas de código abierto para desarrollar con HTML, CSS
y JS (Boostrap, s.f.).
1.6 HTML5
Html5 provee básicamente tres características: estructura, estilo y funcionalidad (Gauchat, J.
D. (2012). Html5 permita la estructuración de la información que se desea mostrar, para este
proyecto permite maquetar la información que se le presentara al estudiante.
1.7 HIGHCHARTS
De acuerdo con el sitio oficial HIGHCHARTS. (s.f.):
Highcharts es una biblioteca de gráficos escrita en JavaScript puro, que ofrece una manera fácil
de agregar gráficos interactivos a su sitio web o aplicación web. Highcharts actualmente admite
líneas, spline, area, areaspline, column, bar, pie, scatter, ángulos angulares, arearange,
areasplinerange, rango de columnas, burbuja, cuadro de caja, barras de error, embudo, cascada,
y tipos de gráficos polares.
Esto permitirá crear un entorno grafico que permita mostrar la información recolectada lo
más amigable posible.
1.8 Plotly Js
Plotly.js es una biblioteca creada para poderse implementar en aplicaciones de JavaScript que
utilizan gráficos y tablas. Entre ellos gráficos 3D, gráficos estadísticos y mapas SVG (Plotly,
s.f.0). Esta librería nos permite interactuar con la grafica creada a partir de los datos
recolectados, ver desde diferentes ángulos e identificar las coordenadas sobres las cuales se
está relacionado la información.
1.9 C++
Es un lenguaje de programación de alto nivel basado en C multiparadigma, puesto que
permite programar de manera imperativa, orientada a objetos. Al ser un lenguaje orientado a
objetos permite desarrollar de manera más estructurada, creando un mejor flujo de
información en el programa (Deitel, H. M., & Deitel, P. J. 1999).
29
1.10 Servidor SQL
De acuerdo con Santillán, L. A. C., Ginestà, M. G., & Mora, Ó. P. (2014). Un servidor SQL:
es el servicio mysqld, que puede recibir solicitudes de clientes locales o remotos a través
TCP/IP, sockets o pipes en forma de ficheros locales a la máquina en que se está ejecutando. En
la distribución se incluye un cliente llamado mysql-client, al que en adelante nos referiremos
simplemente como mysql (así es como se llama el programa ejecutable).
1.11 Servidor Glassfish
GlassFish es un servidor de aplicaciones desarrollado por Sun Microsystems que implementa
las tecnologías definidas en la plataforma Java EE y permite ejecutar aplicaciones que siguen
esta especificación (Serra Manchado, D., & Franco Puntes, D. 2013). Este servidor utiliza una
licencia Open Source, concretamente la licencia Common Development and Distribution
License(CDDL) v1.0 y la GNU Public License (GPL) v2.
Marco teórico
A través de este capítulo se mostrarán conceptos básicos para la implementación de un
laboratorio de bajo costo en el estudio de líneas de campo electrostático y perfiles
equipotenciales, con microcontrolador Arduino.
Inicialmente, se hará un preámbulo al tema y como esta implementación ayuda al estudiante a
comprender los fenómenos físicos.
1.12 Arduino
El primer microcontrolador Arduino se introduce en el año 2005 como una medicación
tecnológica para ayudar a los estudiantes en el diseño y programación de microcontroladores.
30 Laboratorio de bajo costo
Arduino está elaborado bajo código abierto (open-source), facilitando la contribución de la
comunidad que ayuda en la mejora continua del código.
La configuración del microcontrolador Arduino se basa en el chip ATMega 328, una CPU de 8
bits y 16MHz con 2KB de RAM para la ejecución del programa, y 32KB de RAM para el
almacenamiento del programa. La unidad tiene 20 pines de IO digital. Varios de los estos pines
pueden usarse como entradas analógicas para medir voltajes, temperatura, humedad, presión,
distancia, entre otros. (Herrador, 2009).
El sistema Arduino permite la lectura simultánea de decenas de sensores, tanto digitales como
analógicos y, dependiendo del conocimiento en electrónica y programación, es posible agregar
decenas de sensores a través de lo que se llama multiplexación. Puede ser asociado al software
Processing para presentación de resultados en forma gráfica y en tiempo real Martinazzo, A.,
Trentin,D., Ferrari,D. (2014).
Su aplicación va desde la seguridad hasta la automación de procesos electromecánicos. En
cuanto a la Enseñanza de Física, tiene gran aplicabilidad, pues es posible leer datos de
cualquier fenómeno físico detectable por sensores, o sea, básicamente es un sistema que lee
señales eléctricas en sensores expuestos al ambiente a partir de sus puertas digitales y
analógicas.
1.12.1 La plataforma Arduino
Arduino es una plataforma de creación de prototipos de electrónica de código abierto basada
en hardware y software flexible y fácil de usar. Tiene una conexión muy generalizada con el
concepto de tiempo real para un sistema de adquisición de datos.
El equipo de Arduino proporciona una serie de tableros asequibles (20–50e). Peculiaridades,
además, todas ellas incluyen al menos: un micro controlador; Más de 14 pines de E / S digitales:
algunos o todos los cuales tienen capacidades de modulación de ancho de pulso (PWM) y / o
pueden manejar interrupciones; 6 pines analógicos de E / S con un ADC de 10 o 12 bits; y existe
una interfaz en serie para comunicarse, tanto en direcciones como con un ordenador host a
través de un cable USB estándar.
31
1.12.2 El firmware de Arduino
Sobre la base de la biblioteca central de Arduino, tenemos implementó un conjunto de
programas configurables (o bases) para el micro controlador, por ejemplo, para medir el
tiempo o para muestrear señales en las entradas analógicas.
1.12.3 Plasduino
Plasduino es una aplicación de subprocesos múltiples para el control de la adquisición de
datos. Entre sus características más destacadas se encuentran: la detección automática de la
placa Arduino, la carga automática del rmware del microcontrolador y el manejo de la
recopilación, el procesamiento y el archivo de datos. El sistema proporciona un usuario gráfico
flexible.
1.13 Laboratorio de Física
Las prácticas tradicionales de laboratorio de física que aún existen en nuestras clases de
enseñanza superior, este método experimental propende el fortalecimiento de la formación
inicial y formación continua. Estos laboratorios son una herramienta que ayuda a nuestros
profesores, en la enseñanza de conceptos teóricos de la Física.
1.13.1 Obtención de Competencias
Los alumnos en una práctica de laboratorio con la implementación del microcontrolador
Arduino, Sánchez (2017) nos dice que los estudiantes podrán adquirir la capacidad de
32 Laboratorio de bajo costo
manipular los datos obtenidos mediante el uso de dispositivos electrónicos de última
generación. Creando en el estudiante mejores metodologías para los tratamientos de los datos
obtenidos; Análisis, selección, resumen y la comunicación de estos.
De igual manera como lo menciona la Organización para la cooperación y el desarrollo
económico (2010, p. 8), se tiene el siguiente concepto:
Las TIC proporcionan herramientas útiles para manejar muchos de los procesos involucrados
en esta actividad, tales como integrar y resumir la información, analizar e interpretar la
información, dar forma a la información, conocer cómo funciona un modelo y las relaciones
entre sus elementos o, finalmente, generar nueva información que desarrolle nuevas ideas.
Se debe agregar que, en este proyecto se quiere facilitar la interpretación del fenómeno físico
de los campos electrostáticos y superficies equipotenciales mediante el método experimental,
con la manifestación física mediante el conocimiento y comprensión de objetos, procesos,
sistemas y medidas del mundo físico. Desarrollando destrezas y habilidades en el estudiante.
1.14 Placa de protoboard
Es una placa de pruebas en la cual se pueden insertar elementos electrónicos y cables con los
que se arman circuitos sin necesidad de soldar ninguno de los componentes. Las protoboards
tienen orificios conectados entre sí por medio de pequeñas láminas metálicas de forma
horizontal como vertical. Esta se usa para la elaboración de circuitos ya se para realizar
pruebas o un diseño inicial, ya que en se puede interconectar componentes sin tener que
soldarlos.
Caracteristicas: Placa de alta calidad, con medidas de 16X 5 Cm, con 830 puntos y tiene base
con pegatina adhesiva. (BricoGeek.com. 2019)
Figura 4(Protoboard)
(BricoGeek.com. 2019)
33
1.15 Bluethooth
Estándar de comunicación que permite esta entre computadores, móviles y otros dispositivos
sin necesidad de cables, generando comunicación inalámbrica de voz y de datos a corta
distancia utilizando radiofrecuencia. Las especificaciones vienen definidas por rangos de
frecuencia de radio, con capacidad de trasmitir datos y voz a más de 720 Kbps. (Sparacino, G.
L. 2003).
1.15.1 Bluethooth HC-05
Este ofrece mejor precio y características frente a otras versiones, este módulo es Maestro-
Esclavo, quiere decir que genera conexiones hacia otros dispositivos y recibe conexión desde
un PC o Tablet, permite conexión punto a punto y es compatible con Arduino. (Tutoriales
Arduino. 2019)
El módulo Bluetooth HC-05 permite establecer conexión inalámbrica fiable y El módulo
Bluetooth HC-05 puede alimentarse con una tensión de entre 3.3 y 6V (normalmente 5V),
pero los pines TX y RX utilizan niveles de 3,3V por lo que no se puede conectar directamente
a placas de 5V. Debes utilizar dos pequeñas resistencias como divisor de tensión para que el
módulo no se estropee. Dispone de un pulsador para entrar en modo comandos, aunque
también lo puedes hacer por software utilizando el pin EN.
Tiene un LED incorporado que indica el estado de la conexión y si está emparejado o no en
función de la velocidad del parpadeo. (BricoGeek.com. 2019)
Figura 5(Bluethooth HC-05)
(BricoGeek.com. 2019)
34 Laboratorio de bajo costo
1.16 Motor pasó a paso 3.2Kg/m, Nema 17
Este motor es bipolar, tiene un ángulo de paso de 1.8º (200 pasos por vuelta) y cada bobinado
es de 1.2 A a 4 V, capaz de cargar con 3.2 kg/cm (44 oz-in).El motor es muy robusto
ampliamente utilizando en impresoras 3D caseras como las Prusa. Entre sus características, es
de un tamaño 42.3 x 48 mm, pesa 350gr, corriente de 1.2 A, resistencia de 3.3 Ohm por bobina,
inductancia de 2.8 Mh por bobina. (BricoGeek.com. 2019)
Figura 6(Motor pasó a paso, Nema 17)
(BricoGeek.com. 2019)
1.17 Varilla Metálica
Varilla lisa de 8 mm de diámetro hecha de acero inoxidable 303 para una mayor resistencia y
precisión. Características para el uso del proyecto: con diámetro de 10mm y largo de 300mm.
(BricoGeek.com. 2019)
Figura 7(Varilla Metálica) (BricoGeek.com. 2019)
35
1.18 Correa dentada
Correa dentada GT2 de neopreno con fibra de vidrio y paso de 2mm, esta es una bobina de
correa dentada con paso de 2 mm. Se puede utilizar en una impresora 3D o cualquier otro
sistema que necesite mover algún eje. Características: Tiene un ancho de 6 mm, altura 1.78
mm, un paso de 2mm, la altura del diente es de 0.75 mm, el tamaño de la bobina de 5 m.
(BricoGeek.com. 2019)
Figura 8(Correa Dentada)
(BricoGeek.com. 2019)
1.19 Tornillo de avance 8mm para varilla roscada
Este tipo de tornillo de avance permite que se deslice sobre una varilla roscada y así
transformar un movimiento circular en movimiento lineal. Es el mismo tipo de tornillo que se
usan en máquina como impresoras 3D o máquina CNC. Está hecho para varillas roscadas de 8
mm. Está hecho de bronce y tiene un paso de avance de 8 mm que ofrece un buen compromiso
entre rozamiento y fuerza. Necesita tornillos de tipo 6-32. Tiene un diámetro interior de 8mm
y un exterior de 2.54 cm. (BricoGeek.com. 2019)
36 Laboratorio de bajo costo
Figura 9(Tornillo de avance) (BricoGeek.com. 2019)
1.20 Arduino Mega 2560 (rev3)
Este tiene más memoria para el programa, más RAM y más pines. 100% compatible con
la versión UNO, utiliza un potente procesador de AVR ATMEGA2560 con un amplio espacio de
memoria para programar y corriendo a 16Mhz. Es ideal para proyectos de robótica ya que lo
más destacado es su elevada cantidad de pines de entrada y salida y sus 4 puertos UART por
hardware. (BricoGeek.com. 2019)
Figura 10(Arduino Mega)
(BricoGeek.com. 2019)
1.21 Driver a4988
Controlador que simplifica el manejo de motores desde una Arduino, limitan la corriente que
circula por el motor, tiene una intensidad máxima de 2 A y tensión máxima de 3.3 V a 5v DC,
puede alcanzar altas temperaturas, también dispone de protección contra cortocircuito,
sobretensión y sobre temperatura. Este controlador ha alcanzado popularidad al ser usado en
impresoras 3D caseras. (BricoGeek.com. 2019)
37
Figura 11(Driver)
(BricoGeek.com. 2019)
1.22 Fuente de alimentación
Componente que se encarga de trasformar una corriente eléctrica alterna en corriente
eléctrica continua, con el fin de llevar corriente necesaria para el buen funcionamiento de
cada componente, para el siguiente proyecto se usó una fuente de poder con características:
Tensión de12v, Corriente nominal de 8A, potencia de salida de 240W, voltaje regulable de
mínimo de 10V- máximo de 14.5 V, es útil para cámaras, iluminación entre otros.
Fuente de alimentación profesional cerrada y con perfil bajo y eficiente. Su recubrimiento
cerrado de malla metálica garantiza un óptimo flujo de aire para una mejor disipación del calor.
(BricoGeek.com. 2019)
Figura 12 (Fuente de alimentación)
(BricoGeek.com. 2019)
38 Laboratorio de bajo costo
1.23 Cable USB (A/B)
Cable USB 2.0 estándar A/B. Es el más común de los cables USB ya que se utiliza en un amplio
abanico de aparatos. También es utilizado para las placas Arduino UNO y Arduino MEGA.
Figura 13 (Cable USB)
(BricoGeek.com. 2019)
1.24 Rodamiento lineal 8mm
Este rodamiento consiste en una jaula polimérica con segmentos de pista de acero endurecido
guiar un juego de bolas dentro del cilindro, estas proporcionan movimiento ilimitado y un
movimiento de baja fricción. Estos rodamientos son ideales para impresoras 3D, anima trónica
y otros proyectos que requieren mecanismos de deslizamientos de baja fricción.
Características: diámetro interior de 8mm y exterior de 15mm, tiene 24 mm de largo.
(BricoGeek.com. 2019)
Figura 14 (Cable USB)
(BricoGeek.com. 2019)
39
1.25 Cables Hembra y Macho
Cables de alta calidad para placa de protoboard. (BricoGeek.com. 2019)
Figura 15 (Cables hembra y macho)
(BricoGeek.com. 2019)
1.26 Tornillo sin fin
Tornillo bolas recirculante sfu1204, este cuenta con husillos de bolas, estos pueden aplicar o
soportar altas cargas de empuje y hacerlo con un mínimo de fricción interna. Se fabrican para
tolerancias estrechas y, por lo tanto, son adecuadas para su uso en situaciones en las que es
necesaria una alta precisión. El conjunto de bola actúa como la tuerca, mientras que el eje
roscado es el tornillo. (BricoGeek.com. 2019)
Figura 16 (Tornillo sin fin)
(BricoGeek.com. 2019)
40 Laboratorio de bajo costo
1.27 Polea GT2
Polea GT2 con 20 dientes y agujero de 5mm ideal para motores con eje del mismo diámetro.
Está fabricada en aluminio y los dientes tienen un paso de 2mm, es para una correa de 6mm
de ancho, el diámetro de la polea exterior es de 16mm, el diámetro interior (dientes) es 12mm,
tiene 16 mm de alto, el agujero central mide 5 mm y el tornillo pasante 3mm. (BricoGeek.com.
2019).
Figura 17 (Polea GT2)
(BricoGeek.com. 2019)
1.28 LCD 16X2 + 12C
Display de cristal líquido, este es usado para en proyectos con Arduino y otros
microcontroladores, se utiliza el 12C, para obtener una conexión fácil, este permite la conexión
a dos líneas digitales de dieciséis caracteres de 8 x 5 pixeles cada uno, con una luz trasera. Para
ser usada la pantalla con Arduino se debe descargar librerías y ser programada para mostrar
datos enviados por Arduino. (Geek Factory. 2019)
Figura 18 (Montaje LCD 16x2 + 12C)
(Geek Factory. 2019)
41
1.29 Dipolos
En líneas de campos electrostáticos, está formado por dos cargas eléctricas, una positiva
y otra negativa, separadas en un espacio pequeño por lo general. Los dipolos son colocados
en un campo electrostático, para el proyecto se usan dos varillas lisas, del mismo tamaño.
Figura 19 (Dipolos)
(La Mano Biónica.2019)
1.30 Final de carrera
Es un interruptor cuya función es detectar la posición de un elemento móvil, este es muy
utilizado en la industria, para saber dónde finaliza el recorrido de un elemento. Para este
proyecto se utilizará el interruptor final de carrera abierto KW12- 3, de un tamaño de 20 mm
de largo x 10 mm de ancho y 5 mm de alto, con un voltaje de 125v- 250v.
Figura 20 (Final de carrera)
(Yorobotics.2019)
42 Laboratorio de bajo costo
1.31 Antecedentes
En los últimos años, los laboratorios de física con la implementación del microcontrolador
Arduino están teniendo un mayor auge. Esto ha ayudado al docente a explicar los conceptos
físicos que son abstractos para el estudiante. Así mismo Martinazzo. A., Trentin. D., Ferrari. D.
& Piaia. M. (2014), no dice que se destaca el uso didáctico de computadoras, que se han
introducido gradualmente en aulas y laboratorios como una herramienta adicional a las clases
tradicionales. Donde la integración de computadores en la explicación de la física mejora el
procesamiento de los datos, así como también el modelado de estos.
Martinazzo. A., Trentin. D., Ferrari. D. & Piaia. M. (2014), presenta Arduino como una
plataforma alternativa en la adquisición automática de datos en experimentos didácticos de
Física a través del puerto USB del computador. Apoyando el uso de esta plataforma debido a
que es muy versátil, que será muy bien al propósito del desarrollo de experimentos didácticos
que permitan una enseñanza y un aprendizaje de Física más significativo. Promoviendo el uso
de nuevas tecnologías en las aulas de clase, ya que estos sistemas en ayuda de sistemas de
computación modelan los fenómenos físicos abstractos y cobran vida, dando mayor facilidad
de comprensión de este.
También, Cavalcante. M., Tavolaro. C. & Molisani. E. (2011) evidencia las diferentes formas de
operar el microcontrolador Arduino para que funcione como una interfaz alternativa para la
automatización de la adquisición de datos en experimentos de física a través del puerto USB
de la computadora. Dando como ejemplo el estudio de carga y descarga de un condensador, el
proceso de construcción del circuito, recopilación y almacenamiento de datos en formato TXT
y visualización gráfica en formato real. Dado que la tensión obtenida en los terminales del
condensador en función del tiempo fue analizada a través de la entrada analógica 0 del
Arduino.
Así mismo, Andrew J. Haugen, Nathan T. (2014), consideran que la introducción de la
programación de microcontroladores en el laboratorio de física hace un enfoque efectivo para
la enseñanza de ciencias, en el que los estudiantes aprenden el material estándar mediante el
desarrollo y despliegue de modelos del mundo físico, “Problema que puede resolverse con uno
o más sensores y un microcontrolador” (Andrew J. Haugen and Nathan T).
43
El enfoque que se muestra en el artículo mencionado hace referencia a un enfoque efectivo
para el aprendizaje de la ciencia en el nivel secundario, en el que los estudiantes aprenden el
material estándar, desarrollando y desplegando fenómenos físicos. Donde los estudiantes se
involucran con un problema rico en contexto.
Este modelo dio como resultado que los estudiantes que se aferraron a la idea y produjeron
resultados notables. Por ejemplo, durante el semestre de 2011, un estudiante realizó una
simulación de la misión Ranger 7 a la luna, 15, en su tablero Arduino (en lugar de a través de
una hoja de cálculo, como se instruyó al resto de la clase). Más adelante, algunos estudiantes
de la sección 2011 pasaron a usar los tableros Arduino en sus proyectos de diseño de
ingeniería senior. De manera similar, algunos de los estudiantes de 2013 tomaron el Examen
de Certificación Labview inicial de National Instrument, 16, y al menos un estudiante obtuvo
una pasantía de verano, en parte debido a su exposición a la interfaz de Labview.
A su vez, L. H. M. de Castro, B. L. Lago & Felipe Mondaini. (2015), nos dice:
El uso de laboratorios didácticos en la educación física es ampliamente recomendado porque se
considera un elemento fundamental. Herramienta para la comprensión de los fenómenos físicos
y los conceptos teóricos subyacentes. Sin embargo, el equipo requerido para la adquisición de
datos suele ser de gran valor y su mantenimiento debe ser realizado por técnicos especializados,
lo que impide su uso generalizado en las escuelas o incluso en las universidades
A causa de esto, la implementación de experimentos en clases de física basadas en el tablero
Arduino han ido en aumento, no solo porque involucran materiales de bajo costo, sino también
porque contribuyen a mejorar la comprensión cualitativa de Fenómenos físicos y para
aumentar la interacción de los estudiantes con el proceso de construcción de la ciencia. Y como
el mismo autor nos dice “conlleva muchos beneficios, tales como: una mayor comprensión de
Conceptos teóricos, práctica con ensayo y error, análisis de las piezas que producen mejores
resultados y participación L. H. M. de Castro, B. L. Lago & Felipe Mondaini. (2015).
Igualmente, uno de los puntos que se quiere intervenir, es la reducción de la incertidumbre o
error humano al momento de tomar las mediciones y que estas sean más precisas. Donde el
uso de Software de gráficos que permite la visualización de ciertos fenómenos, incorporando
diferentes sensores como por ejemplo los fotosensores, micrófonos, sensores de humedad, de
resistencia, entre otros, mediciones que son interpretadas por el microcontrolador Arduino.
44 Laboratorio de bajo costo
Como es el caso de L. H. M. de Castro, B. L. Lago & Felipe Mondaini. (2015), quien implemento
este microcontrolador en un experimento de física explicando el tema de movimiento
armónico simple (SHM) de una masa en un resorte y un sensor de distancia HC-SR04. En cuyo
resultado final contribuyo en los alumnos a mejorar tanto su experiencia experimental y
habilidades teóricas.
Así mismo, encontramos a Plasduino que es un marco de adquisición de datos fuente
específicamente diseñado para experimentos de física educativa. El código fuente, los
esquemas y la documentación están en el dominio público bajo una licencia GPL y el sistema,
simplificado por su bajo costo y facilidad de uso, puede replicarse en la escala de un laboratorio
didáctico típico con un mínimo esfuerzo Baldini. L., Sgro. C., Andreoni. E., Angelini. F., Bianchi.
A., Bregeon. J., Fidecaro .F., M., Massai. M. Merlin. V., Nespolo. J., Orselli. S., & Pesce-Rollins. M.
(2014). Es una herramienta fácil de manejar solo requiere tener unos conocimientos previos
para su uso y configuración. En este artículo Baldini. L., Sgro. C., Andreoni. E., Angelini. F.,
Bianchi. A., Bregeon. J., Fidecaro .F., M., Massai. M. Merlin. V., Nespolo. J., Orselli. S., & Pesce-
Rollins. M. (2014), se realizó un experimento de un péndulo "digital" que implicaba el uso de
una puerta óptica para estudiar el período de un péndulo en función del tiempo y / o la
amplitud de la oscilación.
La salida discriminada de la puerta óptica se alimenta a una entrada digital Arduino donde
cada uno el borde de la señal activa una interrupción al enviar la marca de tiempo a la PC host.
Al final de la sesión de adquisición, los datos se procesan posteriormente en un archivo ASCII
para su posterior análisis. Lo expuesto en este artículo se puede replicar en la escala de un
laboratorio didáctico típico con un mínimo esfuerzo. Describe como esta arquitectura básica
se puede implementar en algunos ejemplos de la vida real. Cuyos objetivos principales es
exponer lo simple, económico y el uso de código abierto disminuye el coste económico de
aplicación en los experimentos de física y aumenta la experiencia en el conocimiento físico.
Por otro lado, Anderson. R., Alexsander. C., Paixao., Diego D. Uzeda., Marco A. Dias., Duarte. S.
& Helio S. de Amorim. (2011), expone dos aplicaciones simples que demuestran las
potencialidades que puede tener la placa de Arduino. Uno de los ejemplos, es un Oscilador
amortiguado donde utilizando un receptor sensible a la luz LDR (Light Depen-dent Resistor)
45
integrado a la placa, los datos recolectados pasan por un convertidor analógico digital, donde
la placa programada para realiza repetidamente la lectura de los datos obtenidos por el LDR y
escanea la tensión en un puerto especificado y envía el resultado a través del puerto serial.
En esta práctica tomaron una muestra de 3000 puntos, conectados por segmentos rectos, se
puede ver el registro consecutivo medido con una frecuencia de muestreo de 100 Hz. En el
segundo ejemplo transferencia radioactiva de calor donde se montó un circuito con dos
tensores de 4,7 kΩ y dos termistores NTC de 500 Ω. Los dos termistores se han fijado cada uno
en unas superficies metálicas cuyas caras se pintaron de blanco e impreso. Entre el termistor
y la superficie metálica se añadió a la superficie térmica. Donde se pudo evaluar en función del
tiempo oscilan los cambios de temperatura.
En el artículo, Rocha. F. & Marranghello. G. (2013), se evidencian las propiedades básicas de
un sensor electrónico de aceleración y algunas posibilidades de uso en prácticas de enseñanza
de física mecánica para un laboratorio didáctico de física experimental. Donde la
implementación de un acelerómetro se muestra prometedor para ser utilizado en diversas
prácticas en enseñanza de física, sea objetivando la innovación importante en el laboratorio
didáctico, por la posibilidad de utilizarlo en los laboratorios de física y mostrando los
resultados en tiempo real. Apoyando así a la formación inicial y formación continuada de los
profesores, ayudando a expresar los conceptos teóricos de la enseñanza de física y también
por una mayor utilización crítica y estratégica del ordenador y de las tecnologías de
información en el aula. Como afirma D’Ambrosio (página 61).
Cabe resaltar también el articulo Wing-Kwong Wong, Tsung-Kai Chao, Pin-Ren Chen, Yunn-
Wen Lien & Chao-Jung Wu. (2015), donde nos mencionan como Los laboratorios de física
tradicional en la escuela secundaria sufren una lenta adquisición de datos, por lo que podría
ocultarse a los estudiantes cierta conducta dinámica de las variables. Los dispositivos
electrónicos modernos, como Lego Mindstorms NXT, los teléfonos inteligentes y Arduino
pueden adquirir datos a una velocidad rápida y pueden usarse para medir variables dinámicas
con una precisión razonable en experimentos de física. Como se menciona en el artículo nos
dice:
Un ejemplo de ello es el ángulo cambiante de un experimento de péndulo. Con una herramienta
llamada InduLab, los estudiantes en tres grupos que usaron los dispositivos móviles
46 Laboratorio de bajo costo
mencionados anteriormente en experimentos de péndulo recolectaron datos y construyeron
sus modelos con los datos. Los resultados experimentales mostraron que el grupo Arduino
logró la mayor tasa de éxito en la construcción de modelos correctos, seguido de
Grupo de teléfonos inteligentes y luego el grupo NXT. Los resultados indican que los
dispositivos electrónicos modernos de bajo costo pueden utilizarse para mejorar los
laboratorios de física en la escuela secundaria.
Teniendo en cuenta la información recolectada y lo que Arduino nos facilita como el
tratamiento de la información y su implementación es mucho más barato que otros
instrumentos en el mercado. Y viendo como ha aumento el uso de este microcontrolador en
los laboratorios de instituciones académicas, se implementará y diseñará un prototipo
funcional para laboratorio de bajo costo, en estudio de caso campos electrostáticos estáticos y
perfiles equipotenciales.
2. Desarrollo del proyecto
Para el desarrollo de este proyecto, se realizó la etapa de investigación, sobre laboratorios de
bajo de costo en varios países y las diferentes aplicaciones que se le han dado a esta plataforma
(Arduino), cuyos objetivos son optimizar los costos de implementación y construir
conocimientos en cada institución educativa; esta investigación se enfocó en diferentes teorías
de la física, se evidencio que uno de los países que más se centra en estos laboratorios es Brasil,
entre las cuales se demostró teorías como el movimiento Armónico Amortiguado, entre otras
aplicaciones que se evidencian en los antecedentes referenciados..
Luego de la pesquisa, se inicia con el desarrollo del laboratorio de bajo costo con plataforma
Arduino, un estudio de caso: Perfiles equipotenciales y líneas de campo electrostático.
Posteriormente se continuo con la construcción de la estructura de coordenadas XY, con los
siguientes materiales, varillas metálicas de 40cm y 8mm y varillas lisa ,triples cortados de la
misma forma de una estructura de impresora 3D, un “carro” con varilla o metal conductor en
47
el eje X y otro en el eje Y, elemento con punta metálica conductora, motor nema 17 17hs4401,
driver a4988, Protoboard 830 puntos, un palo de balso, dos tornillos sin fin de 46 cm, dos
correas dentadas, jumper de conexión, recipiente de vidrio de 45x40 y 10cm de alto.
Con los materiales mencionados anteriormente, se monta la estructura de coordenadas XY,
esta estructura tiene forma rectangular cuyas medidas son 52cm de largo, 49.5cm de ancho y
18 cm de profundidad, en paralelo se elabora una base estructural con las mismas medidas de
ancho y de largo para darle mayor firmeza a la estructura. En la parte superior se instalan
cuatro varillas lisas de 46cm de lado; dos en el eje X y dos varillas más ubicadas en ambos lados
de la estructura para el eje Y. Luego, se añade un componente carro de color azul en el eje x, el
cual en su centro tiene un barrilla metálica y elemento con punta metálica conductora, también
se agregan dos carros en cada eje Y, conectados a motores paso a paso, como se evidencia en
la figura 21.
Figura 21(Triples, barras metálicas)
Posteriormente, se instaló el Arduino Mega en la Protoboard, también se conectaron tres
driver’s a4988 en los puertos 50 y 51 para el eje x, en para el eje Y se usaron los puertos 49,
48, los cuales establece los grados de giro y dirección que debe realizar el motor paso a paso.
El siguiente paso fue instalar en la protoboard el módulo Bluethooth HC-05, este va conectado
a los puertos digitales 23 y 22; este se usa para la comunicación entre el dispositivo móvil y el
Arduino. También en la protoboard se conectó una pantalla LDC 1602 +i2C, esta pantalla
48 Laboratorio de bajo costo
permitirá ver la información sobre las coordenadas que se encuentra ubicado el sensor voltaje
dentro de la estructura, como se observa en la figura 22.
Figura 22 (Conexiones Protoboard)
Se continuo con la instalación de una fuente de alimentación, la cual genera la suficiente
energía eléctrica para que los motores paso a paso y demás componentes funcionen
correctamente.
Figura 23(Fuente de alimentación)
Adicionalmente, se construyó una pecera, cuyas medidas de largo 46.5 cm, ancho 39.5 y de
profundidad 10 cm, en la cual se depositará una solución salina que permitirá ser un conductor
49
de energía, en conjunto con dos dipolos que serán dos barrillas metálicas conectadas mediante
cobre y unos tornillos, obteniendo como resultado el voltaje en el punto que se encuentra la
punta, utilizando una punta de un multímetro.
Figura 24(Pecera)
Para finalizar con la construcción de la estructura de coordenadas XY, se ensamblan cada una
de las partes mencionadas anteriormente, como se refleja en la figura 24.
Figura 25(Estructura de coordenadas XY)
50 Laboratorio de bajo costo
Una vez finalizada la construcción de la estructura de coordenadas XY, se procede con la
configuración en el módulo Arduino MEGA, mediante el IDE Arduino, donde se programan las
funciones necesarias para obtener y calcular el voltaje que se reciben de los pines digitales, se
almacena cada uno de los puntos con diferencia de 0.5 voltios.
Al mismo tiempo, se inició con la programación de la APP (interfaz gráfica) en Android Studio,
para dispositivos móviles con Android que cuenten con una versión mayor a 6.0. Esta interfaz
permitirá al estudiante y docente obtener muestreo (toma de datos) de campos electrostáticos,
ubicados en la estructura XY. La APP permitirá mover el sensor de voltaje con la opción manual
o automática, de acuerdo con la configuración seleccionada.
Figura 26(APP, coordenadas)
A su vez la app permitirá seleccionar una región especifica con medidas máximas de 300 mm
x 300 mm, una vez ubicados los puntos en las coordenadas X y Y, la punta conductora obtiene
51
el voltaje de este punto y región seleccionada en el modo automático. Esta información se envía
al Servicio Web creado en Java, este almacena la información enviada desde el
microcontrolador Arduino MEGA.
Para mostrar la información recolectada de una manera más amigable se desarrolló una página
web, la cual cuenta con Framework Boostrap, Framework jquery, Html 5, Framework
Highchart, Framework Plotly js, Programación c++. Ademas, esta página consume los servicios
del Mysql y Glassfish, dando como resultado lo expuesto en la figura 27.
Figura 27(Pagina web)
La Perfiles Equipotenciales Coordenadas 3D, plasma en un plano cartesiano modelando en
3D cada punto obtenido desde el APP. Figura 28.
Figura 28(Puntos de coordenadas)
52 Laboratorio de bajo costo
La grafica 3D de Perfiles Equipotenciales, pinta o representa las coordenadas X, Y y Z siendo
esta ultima el voltaje. En esta grafica se muestran picos altos reflejados en color rojo y bajos en
color azul de los puntos seleccionados anteriormente, a través de la APP, los cuales
representan los campos electrostáticos ubicados dentro de la estructura, así evidenciar los
perfiles equipotenciales y sus deformaciones en el espacio. Reflejada en la figura 29.
Figura 29(Gráfica 3D)
La grafica Perfiles Equipotenciales en 2D, se reflejan las mismas coordenadas que se evidencias
en las gráficas anteriores, con el diferencial que, en esta gráfica, solo se tienen en cuenta los
ejes X y Y, modelado en dos dimensiones como lo muestra la figura 30.
Figura 30(Gráfica 2D)
53
Por último, en la página web tiene como opción la descarga del muestreo obtenido por la
APP, estos datos se pueden almacenar en diferentes formatos Excel, CSV o copiar.
Figura 31 (Tabular información)
2.1 Metodología de desarrollo
La metodología SCRUM es usada para el desarrollo del proyecto, como marco para nuestras
necesidades y conocimiento técnico de cada uno de los integrantes, estableciendo una
duración sprint en periodos de 2 semanas, equivalentes a 60 horas de trabajo. Como se
muestra a continuación.
54 Laboratorio de bajo costo
55
3. Conclusiones y recomendaciones
3.1 Conclusiones
Como resultado del trabajo expuesto anteriormente, tenemos la construcción de la estructura
de coordenadas XY y la implementación de una mediación tecnológica por medio del
microcontrolador Arduino, una aplicación móvil y un servicio web. Por medio de estos, es
posible generar un laboratorio de física a bajo costo, demostrando el concepto de campos
electrostáticos y perfiles equipotenciales, donde este obtiene un muestreo de acuerdo con la
región seleccionada y así permitir ver cada voltaje generado. Posteriormente se generar una
gráfica en 2D, permitiendo que el estudiante visualice cada punto y como sugerencia realizar
el perfil equipotencial en hojas milimetradas. Este también grafica en 3D tanto en la app y en
la página web para así ver los máximos y mínimos de voltaje realizados en la prueba y así
mismo visualizar el perfil equipotencial, dando una variedad al docente para explicar el
concepto científico de forma didáctica al estudiante.
Cabe resaltar, que este proyecto, comparado con otros existentes en el mercado, tiene el plus
que puede ser usado para otros estudios de caso. Ya que al utilizar el microcontrolador
Arduino y tener variedad de parametrización en sus aplicaciones, este puede ser modificado
en otra versión para demostrar diferentes conceptos.
Del mismo modo, otra ventaja que tiene este trabajo de grado es la posibilidad de generar
inclusión en instituciones educativas como colegios privados y particulares entre grados
octavo y once, y esta misma en primeros semestres en educación superior, generara
alfabetización científica en Bogotá.
3.2 Recomendaciones
Gracias a las diferentes configuraciones que se le pueden realizar al microcontrolador Arduino
y a los diferentes sensores existentes en el mercado, este trabajo de estudios de caso se puede
expandir y realizar la interpretación de otros fenómenos físicos.
Sin embargo, el producto final obtenido de este trabajo de grado puede mejorarse
significativamente en la manera que se muestra la información, generando graficas más
amigables para el estudiante, como por ejemplo gráficas de densidad, graficas de curvas, entre
otro tipo de gráficas, que permitiría ayudar a interpretar el fenómeno físico estudiado en este
trabajo de una manera todavía más intuitiva, ya que con la implementación de otro tipo de
graficas se tendrían diferentes visualizaciones del mismo concepto físico.
56 Laboratorio de bajo costo
A. Anexo: Manual de usuario APPLINEQ
Ver documento ManualAppLinEq.pdf
B. Anexo Cotización de materiales
estructura XY
Ver documentos cotizacionmateriales.pdf
Bibliografía Anderson. R., Alexsander. C., Paixao., Diego D. Uzeda., Marco A. Dias., Duarte. S. & Helio S. de
Amorim. (2011). A placa Arduino: uma opcao de baixo custo para experiencias de
física assistidas pelo PC. Revista Brasileira de Ensino de Física. 33 (1)
Herrador, R. E. (2009). Guía de Usuario de Arduino. Universidad de Córdoba, 8. Obtenido de
http://electroship.com/documentos/Arduino_user_manual_es.pdf
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