TAQUOMMETRE DE PANELL SOLAR: 5 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

A l’INSTRUCTABLE "Solar Panel as a Shadow Tracker", es va presentar un mètode experimental per determinar la velocitat d’un objecte a partir de la projecció de la seva ombra sobre un panell solar. És possible aplicar alguna variant d’aquest mètode per estudiar objectes en rotació? Sí, és possible. A continuació, es presentarà un aparell experimental senzill que permetrà mesurar el període i la freqüència de rotació d’un objecte. Aquest aparell experimental es pot utilitzar durant l'estudi de l'assignatura "Física: mecànica clàssica", en particular durant l'estudi del tema "Rotació d'objectes rígids". Potencialment, és útil amb estudiants de primer i segon cicle, durant demostracions experimentals o classes de laboratori.

Pas 1: algunes notes teòriques

Quan un objecte sòlid gira al voltant d’un eix, les seves parts descriuen circumferències concèntriques a aquest eix. El temps que triga una d’aquestes parts a completar la circumferència s’anomena període de rotació. El període i la freqüència són magnituds recíproques. Al Sistema Internacional d’Unitats el període es dóna en segons (s) i la freqüència en Hz (Hz). Alguns instruments per mesurar la freqüència de rotació donen els valors en revolucions per minut (rpm). Per convertir d’Hz a rpm, només heu de multiplicar el valor per 60 i obtindreu el rpm.

Pas 2: Materials i instruments

• Petit panell solar (100 mm * 28 mm)

• Llanterna LED

• Cinta adhesiva reflectant

• Cinta elèctrica negra

• Cable elèctric

• Lligams de cables

• Pistola de silicona calenta

• Soldador i estany

• Tres peces de fusta (45 mm * 20 mm * 10 mm)

• Oscil·loscopi digital amb la seva sonda

• Objecte giratori al qual voleu mesurar la freqüència de rotació

Pas 3: Principi de funcionament

Quan la llum colpeja un objecte, una part s’absorbeix i una altra es reflecteix. Segons les característiques de la superfície i el color de l’objecte, aquesta llum reflectida pot ser més o menys intensa. Si es canvien arbitràriament les característiques d’una part de la superfície, diguem-ne pintant-la o enganxant-la a una cinta adhesiva de color platejat o negre, podríem provocar intencionadament un canvi en la intensitat de la llum reflectida en aquesta zona. Aquí no faríem un "SEGUIMENT D'OMBRA", sinó que provocaríem un canvi en les característiques de la il·luminació reflectida. Si un objecte quan gira està il·luminat per una font de llum i es col·loca correctament un panell solar, de manera que hi cau una part de la llum reflectida, ha de aparèixer una tensió als seus terminals. Aquest voltatge té una relació directa amb la intensitat de llum que rep. Si canviem la superfície, la intensitat de la llum reflectida canvia i amb ella la tensió del panell. Aquest panell es podria connectar a un oscil·loscopi i identificar variacions de voltatge respecte al temps. Si podem identificar un canvi coherent i repetitiu de la corba, mesurant el temps que es necessita repetir-se, determinaríem el període de rotació i, amb ell, la freqüència de rotació indirectament si el calculem. Alguns oscil·loscopis són capaços de calcular automàticament aquests valors, però des del punt de vista de l’ensenyament, és productiu per als estudiants calcular-los. Per simplificar aquesta activitat experimental podríem utilitzar inicialment objectes que giren a rpm constants i preferiblement simètrics respecte al seu eix de rotació.

Resumint:

1. Un objecte que gira contínuament reflecteix la llum que hi cau.

2. La intensitat de la llum reflectida per l'objecte en rotació depèn del color i de les característiques de la seva superfície.

3. La tensió que apareix al panell solar depèn de la intensitat de la llum reflectida.

4. Si les característiques d'una part de la superfície es canvien intencionadament, també canviarà la intensitat lluminosa de la llum reflectida en aquesta part i, amb ella, la tensió del panell solar.

5. El període de l'objecte durant la rotació es pot determinar mesurant el temps transcorregut entre dos punts amb valors idèntics de tensió i comportament amb l'ajut d'un oscil·loscopi.

Pas 4: Disseny, construcció i execució de l'experiment

1. Soldeu dos conductors elèctrics al panell solar. 2. Cobriu els contactes elèctrics del quadre amb silicona calenta per evitar curtcircuits.

3. Construeix el suport de fusta unint amb silicona calenta o una altra cola les tres peces de fusta tal com es veu a la imatge.

4. Enganxeu el panell solar al suport de fusta amb silicona calenta com es mostra a la imatge.

5. Enganxeu la llanterna al suport de fusta tal com es mostra a la imatge i fixeu-la amb llaços de plàstic.

6. Fixeu els conductors elèctrics del quadre amb una altra brida al suport de fusta.

7. Enganxeu l'objecte que vulgueu estudiar una banda de cinta negra i després una banda platejada tal com es veu a la imatge.

8. Inicieu la rotació de l'objecte que voleu estudiar.

9. Connecteu la sonda de l’oscil·loscopi correctament als conductors del panell solar.

10. Configureu correctament l'oscil·loscopi. En el meu cas, les divisions de tensió eren de 500mv i les divisions de temps de 25ms (dependrà de la velocitat de rotació de l’objecte).

11. Col·loqueu l’aparell experimental que acabeu de muntar en una posició on els rajos de llum es reflecteixin a la superfície que gira i colpeja el panell solar (ajudeu-vos del que veieu a l’oscil·loscopi per obtenir una corba amb canvis més acusats).

12. Mantingueu l'aparell experimental fixat en la posició adequada durant uns segons per veure si els resultats de la corba es mantenen constants.

13. Atureu l’oscil·loscopi i analitzeu la corba per determinar quines posicions corresponen a la cinta negra i quines a la cinta de plata. En el meu cas, atès que el motor elèctric que vaig estudiar era daurat, els canvis causats per la cinta es van fer més notables.

14. Mitjançant els cursors de l’oscil·loscopi, mesureu el temps transcorregut entre els punts amb igualtat de fase, primer per a la cinta i després per a la cinta de plata i compareu-los (han de ser els mateixos).

15. Si el vostre oscil·loscopi no calcula automàticament la inversa del període (freqüència), feu-ho. Podeu multiplicar el valor anterior per 60 i obtenir així les rpm.

16. Si teniu el valor kv o revolucions per volt (en el cas que sigui un motor que ofereix aquestes característiques) multipliqueu el valor kv per la tensió d’entrada, compareu el resultat amb el que heu obtingut durant l’experiment i arribeu a conclusions.

Pas 5: algunes notes finals i recomanacions

• És convenient comprovar inicialment l’estat de calibratge del vostre oscil·loscopi per obtenir resultats fiables (utilitzeu el senyal de calibratge que ofereix l’oscil·loscopi, que normalment és d’1 kHz).
• Ajusteu correctament la sonda de l’oscil·loscopi. Hauríeu de veure els polsos rectangulars no deformats si utilitzeu el senyal generat pel propi oscil·loscopi (vegeu la imatge).
• Investigueu el temps de resposta elèctrica amb el fabricant del vostre panell solar (full de dades). En el meu cas, era molt inferior al període de rotació del motor elèctric que vaig estudiar, de manera que no vaig considerar la seva influència en les mesures que vaig fer.
• Compareu els resultats obtinguts per aquest mètode amb els obtinguts per un instrument comercial i tingueu en compte els avantatges i desavantatges d’ambdós.

Com sempre estaré atent als vostres suggeriments, comentaris i preguntes. Bona sort i estigueu al dia amb els meus propers projectes!

Accèssit al concurs de ciències de l’aula