ESO
1r, 2n, 3r
Descripció de l’activitat
Càlcul aproximat de l’acceleració de la gravetat a partir de la mesura del temps que triga una bola a baixar rodolant per un pla amb inclinació variable. Les mesures es fan amb un telèfon mòbil o una tauleta que controla mitjançant Bluetooth una placa ESP32 STEAMakers equipada amb un servomotor (que allibera la bola) i un sensor d’infraroigs (que detecta quan la bola ha arribat a la base del pla).
Material necessari
- Placa ESP32 STEAMakers
- Microservo
- Sensor d’infrarrojos
- Bola
- Material per construir la rampa
- Tauleta o telèfon mòbil
Orientacions pedagògiques
Inicialment, el docent hauria d’explicar l’activitat i mostrar les fórmules utilitzades. Concretament, la proporcionalitat entre el quadrat del temps i l’invers de l’altura: t²=2 l²(1+k)/(g h), on k és un factor que depèn de la forma rodant (en el cas d’una esfera, k=2/5).
Cada alumne, individualment, ha de fer els programes necessaris amb App Inventor i ArduinoBlocks.
Les proves amb les plaques i els sensors es fan en grup (en funció del nombre de plaques, servomotors i sensors d’infraroigs disponibles).
Abans de fer les mesures “definitives”, cada grup ha de comprovar que tot funciona correctament segons el procediment descrit en el “Pas a pas” (simulant l’arribada de la bola a la base acostant la mà al sensor). La prova es pot considerar exitosa quan s’han afegit, almenys, dos punts al diagrama.
El primer grup que completi exitosament la prova fixa el servomotor i el sensor d’infraroigs al llistó i duu a terme les mesures necessàries. A continuació ho fan la resta de grups, substituint la placa per la seva però aprofitant la resta del muntatge.
Elements de programació
Eix | Àrea | Matèria
SEC – Física i Química | Matemàtiques
Competències específiques
FQ CE04 – Utilitzar de forma crítica i eficient plataformes tecnològiques i recursos variats, tant per al treball individual com en equip, per a la cerca d’informació, la creació de materials i la comunicació fonamentada en coneixements de la física i la química, entorn de fenòmens i qüestions ecosocialment rellevants || MA CE06 – Vincular i contextualitzar les matemàtiques amb altres àrees de coneixement, interrelacionant conceptes i procediments, per resoldre problemes i desenvolupar la capacitat crítica, creativa i innovadora en situacions diverses.
Sabers
Utilització de metodologies pròpies de la investigació científica per a la identificació i la formulació de qüestions, l’elaboració d’hipòtesis i el seu contrast experimental.
1. Creeu un programa nou amb ArduinoBlocks del tipus ESP32 STEAMakers i programeu el funcionament de la placa. La seva funció és alliberar la bola quan rebi l’ordre des de l’app, detectar l’arribada de la bola al final de la rampa i informar-ho a l’app:
1.1. En la inicialització, definiu una variable (detectant) per establir l’estat de la placa i inicieu la funcionalitat Bluetooth.
1.2. En el bucle principal, comproveu si s’han rebut dades per Bluetooth. Això es produirà en el llançament de la bola i l’eix del microservo bascularà per alliberar la bola. La placa passarà a l’estat de detecció.
1.3. També en el bucle, en l’estat de detecció, envieu un “0” a l’app i desactiveu la detecció si el sensor detecta que la bola ha arribat al final de la rampa.
1.4. Transferiu el programa a la placa.
2. En l’entorn de programació d’App Iventor, dissenyeu l’app de control de la placa i de visualització de les dades mesurades. Situeu-hi els següents components:
– 2 botons, un per connectar i un per desconnectar via Bluetooth amb la placa. Situeu-los en un contenidor horitzontal.
– Dues caselles de text (una per escriure la llargada de la rampa i una per a l’altura del llançament) i les etiquetes corresponents en un contenidor horitzontal.
– Un botó per fer el llançament de la bola.
– Una gràfica amb una línia de tendència.
– Una etiqueta per mostrar el temps mesurat.
– Els components no-visibles: un client Bluetooth, un rellotge (que fa de cronòmetre) i un notificador.
3. A la secció de blocs, programeu la connexió i la comunicació amb la placa mitjançant Bluetooth. Afegiu blocs per a:
– Definir variables: una per establir l’estat de detecció i una que permetrà establir el temps que ha trigat la bola en aribar al final de la rampa (multiplicant el nombre d’intervals de rellotge per la durada de cada interval).
– Demanar permís a l’usuari per fer servir la funcionalitat Bluetooth del mòbil.
– Mostrar els dispositius Bluetooth propers quan es prem el botó de connexió i permetre seleccionar la placa.
– Connectar amb la placa i habilitar el rellotge.
4. Programeu el botó per alliberar la bola. Quan es prem el botó de llançament, s’envia un byte (1) a la placa.
5. Programeu el temporitzador (el que passa quan ha transcorregut l’interval de temps del rellotge):
– Incrementeu en 1 el nombre d’intervals.
– Comproveu si s’ha rebut informació de la detecció de la bola per part de la placa. En aquest cas:
* Definiu la variable local “segons” per emmagatzemar els segons transcorreguts des del llançament de la bola.
* Definiu la variable local “constant” per emmagatzemar el valor de la constant que caldrà utilitzar en la determinació de l’acceleració de la gravetat.
* Feu servir el notificador per mostrar els segons que ha trigat la bola en arribar al final de la rampa.
* Afegiu un punt a la gràfica on es representen les mesures efectuades.
* Si hi ha més d’un punt a la gràfica, mostreu en l’etiqueta corresponent el valor aproximat de “g” (es determina a partir de la inclinació de la línia de tendència).
6. Situeu i fixeu el microservo que alliberarà la bola a l’extrem superior del pla inclinat i el sensor d’infraroigs que detectarà l’arribada de la bola a la base del pla.
7. Connecteu el microservo (micro servo 9G) i el sensor d’infraroigs (seguidor de línia KS0050) a la placa ESP32 STEAMakers en els pins 14(D7) i 27(D6) respectivament:
8. Emparelleu (vinculeu) la placa amb el mòbil, per tal que després aparegui com a disponible en l’escaneig de dispositius Bluetooth.
9. Instal·leu en el mòbil o la tauleta l’app Companion i connecteu-la amb l’entorn d’App Inventor.
10. Construïu un únic “pla inclinat” amb un llistó o regle prou llarg (aproximadament d’un metre de longitud) de metall o de plàstic, de forma que la bola pugui baixar pel llistó rodant sense lliscament i sense fregament addicional. El llistó ha de tenir una ranura longitudinal o bé límits laterals per impedir que la bola caigui pels costats. L’angle amb l’horitzontal ha de ser petit per impedir lliscaments (inferior a 30° aproximadament).
11. Mesureu la llargada del pla inclinat i escriviu el seu valor en mm en l’app.
12. Preneu diverses mesures, variant l’altura de l’extrem superior del pla. En cada mesura:
12.1. Mesureu l’altura en mm i escriviu-la en l’app.
12.2. Situeu la bola a la part superior del pla inclinat.
12.3. Toqueu el botó “LLENÇA!”. L’eix del servomotor bascularà per alliberar la bola i, al cap d’uns segons, la bola serà detectada pel sensor d’infraroigs en la base del pla.
13. Els valors mesurats són recollits per l’app i mostrats en el diagrama. A partir de la segona mesura es mostra la recta de màxim ajust, el pendent de la qual serveix per determinar el valor de l’acceleració de la gravetat.
14. Si el valor d’acceleració obtingut no és l’esperat (aproximadament 9,8 m/s²), feu les correccions necessàries en el programa d’App Inventor per considerar els retards originats en l’alliberament de la bola i en la comunicació entre mòbil i placa.