PANELL SOLAR COM A SEGUIDOR D'OMBRA: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Una magnitud fonamental que s’utilitza en física i altres ciències per descriure el moviment mecànic és la velocitat. Mesurar-lo ha estat una activitat recurrent en classes experimentals. Normalment faig servir una càmera de vídeo i el programari TRACKER per estudiar el moviment de determinats objectes amb els meus estudiants. Una de les dificultats que hem experimentat és: els objectes que es mouen a velocitats relativament altes apareixen borrosos als fotogrames de vídeo, cosa que introdueix incerteses en les mesures realitzades amb el programari. Els mètodes i instruments més habituals per a l'estudi d'objectes a una velocitat relativament alta es basen en l'efecte DOPPLER i els sensors òptics juntament amb el cronògraf.

En el present INSTRUCTABLE abordo un mètode experimental alternatiu per mesurar la velocitat mitjana d’un objecte amb l’ús d’un panell solar i un oscil·loscopi. És aplicable a les lliçons de laboratori de l'assignatura Física (mecànica clàssica), en particular al tema: Cinemàtica del moviment mecànic de la traducció. El mètode proposat i la seva aplicació experimental són aplicables a altres tasques experimentals de la disciplina de física per a no graduats i graduats. Potser també s’utilitza en altres cursos de ciències on s’estudien aquests continguts.

Si voleu escurçar els fonaments teòrics i anar directament a la construcció d’aparells experimentals, com realitzar les mesures, els materials necessaris i les imatges del meu disseny, aneu directament al pas 6.

Pas 1: Alguna teoria:

La "velocitat" es coneix com la distància recorreguda per un objecte en un interval de temps determinat. La velocitat és la quantitat escalar, és a dir, la magnitud del vector velocitat que també requereix la direcció en què es produeixen els canvis de posició. Parlarem en aquest INSTRUCTABLE per mesurar la velocitat, però realment mesurarem la velocitat mitjana.

Pas 2: mesurar la velocitat amb un panell solar?

Els panells solars són dispositius que funcionen sota el principi de l’efecte fotoelèctric i que tenen com a funció principal circular un corrent elèctric pels circuits en què s’utilitzen. Per exemple, les plaques solars s’utilitzen per fer funcionar certs tipus de rellotges, carregar bateries de tot tipus, també en sistemes de generació de corrent altern per a la xarxa pública i a les llars. Les aplicacions són moltes, el seu preu al mercat és cada vegada més atractiu i contribueix al desenvolupament sostenible, que és fantàstic.

A causa del desenvolupament d'aquesta tecnologia, la trobem en molts dispositius, per exemple, el que us mostro va ser extret d'una llanterna barata que vaig guardar i que ara té un nou ús.

El principi és bàsic. Si es projecta una llum sobre un panell, causa una diferència en el potencial elèctric (tensió) en els seus terminals. Quan es connecta un voltímetre, es pot verificar fàcilment. Aquesta diferència de potencial és responsable de la circulació d’un corrent elèctric quan es connecta un dispositiu de consum, per exemple, una resistència elèctrica. Depenent de la "impedància" del circuit i de les característiques del panell, circularà més o menys corrent. En relació amb aquest corrent, es produirà una caiguda de tensió als terminals del panell solar un cop el consumidor s’hagi connectat, però si la impedància es manté constant, el voltatge també es mantindrà sempre que les característiques de la il·luminació també ho siguin. Els voltímetres solen tenir una impedància elevada, de manera que afectaran molt poc el voltatge que es mesura amb ells. Però, què passa si la il·luminació canvia ?, també canviarà la tensió i aquesta és la variable que farem servir.

Resumint:

• Un panell solar quan està il·luminat mostra una tensió als seus terminals que es pot mesurar amb un voltímetre.

• La tensió no canvia si la impedància del circuit i les característiques de la il·luminació es mantenen constants (ha d'estar en l'espectre sensible del panell perquè es produeixi l'efecte fotoelèctric).

• Qualsevol canvi en la il·luminació comportarà una variació del voltatge, una variable que s'utilitzarà més endavant per obtenir la velocitat dels objectes en els experiments.

A partir dels preceptes anteriors es podria formular la següent idea:

L'ombra projectada d'un objecte, que es mou sobre un panell solar, provocarà una disminució del voltatge terminal. El temps que triga la disminució es pot utilitzar per calcular la velocitat mitjana amb què es mou aquest objecte.

Pas 3: experiment inicial

Al vídeo anterior es mostren experimentalment els principis sobre els quals es basa la idea anterior.

La imatge mostra el temps que va durar la variació de tensió que va ser representada per un oscil·loscopi. Configurant correctament la funció d’activació es pot obtenir el gràfic al qual podem mesurar el temps transcorregut durant la variació. A la demostració, la variació va ser d'aproximadament 29,60 ms.

En realitat, l'esborrany de la pissarra de l'experiment no és un objecte puntual, té dimensions. L'extrem esquerre de la goma d'esborrar comença a projectar la seva ombra sobre el panell solar i, en conseqüència, comença a reduir la tensió fins a un valor mínim. Quan l’esborrador s’allunya i es comença a descobrir el tauler de nou, es veu un augment de la tensió. El temps total mesurat correspon al temps que va trigar la projecció de l’ombra a recórrer tot el panell. Si mesurem la longitud de l’objecte (que hauria de ser igual a la projecció de la seva ombra si prenem certes preocupacions), l’afegim amb la longitud de la zona activa del panell i el dividim entre el temps que va durar la variació de tensió, llavors obtindrem la velocitat mitjana d’aquest objecte. Quan la longitud de l'objecte per mesurar la seva velocitat és quantitativament superior a la zona activa del tauler, es pot considerar el tauler com un objecte puntual sense introduir un error notable en les mesures (significa no afegir la seva longitud a la longitud de l'objecte).

Fem alguns càlculs (veure foto)

Pas 4: per aplicar aquest mètode, cal tenir en compte algunes precaucions

• El panell solar ha d'estar il·luminat per la font de llum proporcionada en el disseny experimental, evitant en la mesura del possible altres fonts de llum que l'afectin.

• Els rajos de llum han de tocar perpendicularment a la superfície del panell solar.

• L'objecte ha de projectar una ombra ben definida.

• La superfície del panell i el pla que conté la direcció del moviment han de ser paral·lels.

Pas 5: un exercici típic

Determineu la velocitat d'una bola que cau des de 1 m d'alçada, considerant la velocitat inicial zero.

Si la pilota cau en caiguda lliure és molt senzill: vegeu la imatge

En condicions reals, el valor anterior pot ser inferior a causa de l'acció de fricció amb l'aire. Determinem-ho de manera experimental.

Pas 6: Disseny, construcció i execució de l'experiment:

• Enganxeu un tub de plàstic a la zona activa del panell solar. • Soldeu nous conductors als terminals del panell solar per evitar contactes falsos.

• Creeu un suport per al conjunt panell solar-tub perquè es pugui subjectar horitzontalment.

• Col·loqueu una llanterna o una altra font de llum sobre un altre suport de manera que la projecció de la llum emesa toqui el panell solar perpendicularment.

• Comproveu amb un multímetre que quan una llum colpeja al panell solar, es registra un valor de tensió constant superior a zero.

• Col·loqueu el conjunt panell solar-tub a la part frontal de la llanterna, deixant un joc més gran que l'objecte la velocitat del qual voleu mesurar. Intenteu mantenir el màxim possible la font de llum (llanterna) del panell solar. Si la llum del fanal és creada per un sol led, millor.

• Mesureu des del centre del panell solar i cap amunt una distància d’un metre i marqueu-lo amb una vareta, paret o similar.

• Connecteu la sonda de l’oscil·loscopi als terminals del panell solar, respectant la polaritat.

• Configureu l'opció TRIGGER correctament a l'oscil·loscopi, de manera que es pugui registrar tota la variació de tensió durant el pas de l'ombra al tauler. En el meu cas, les divisions de temps eren de 5 ms i les de tensió de l’escala eren de 500 mv. La línia de zero tensions s’havia d’ajustar cap avall per tal que s’ajustés tota la variació. El llindar del disparador es va col·locar just per sota de la tensió constant inicial.

• Mesureu la longitud de l'objecte i la de la zona activa del panell, afegiu-los i escriviu-lo per al càlcul de la velocitat.

• Deixeu caure el cos des de l’altura d’1 m de manera que la seva ombra interrompi el feix de llum projectat per la llanterna.

• Mesureu el temps de la variació de tensió amb els cursors de l’oscil·loscopi a l’escala de temps.

• Dividiu la suma de les longituds realitzades prèviament entre el temps mesurat a l’oscil·loscopi.

• Comparar el valor amb els càlculs teòrics i arribar a conclusions (tenir en compte els possibles factors que introdueixen errors en la mesura).

Resultats obtinguts: veure foto

Pas 7: algunes notes de l'experiment:

• Els resultats obtinguts semblen ser correctes en correspondència amb la teoria.

• L’objecte seleccionat per a aquest experiment no és l’ideal, penso repetir-lo amb d’altres que puguin projectar una ombra millor definida i que siguin simètriques per evitar possibles rotacions durant la tardor.

• Hauria estat ideal col·locar el panell-tub i la llanterna sobre taules separades, deixant un espai lliure cap avall.

• L’experiment s’ha de repetir diverses vegades, intentant controlar les possibles causes d’errors en les mesures i s’han d’utilitzar mètodes estadístics per obtenir resultats més fiables.

Suggeriments de materials i instruments per a aquest projecte: tot i que crec que qualsevol oscil·loscopi digital, font de llum i panell solar podria funcionar, aquí teniu els que faig servir.

OSCILLOSCOPI ATENC

PANELL SOLAR

TORXA

Tots els materials i eines utilitzats en els meus projectes es poden comprar a través d’Ebay. Si feu clic al següent enllaç i feu una compra, contribuirà a obtenir una petita comissió.

EBAY.com

Estaré esperant els vostres comentaris, preguntes i suggeriments.

Gràcies i estigueu al dia amb els meus propers projectes.