PhysicsSensor –Mobile Edition- - Ludifisica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MEDELLÍN
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA DE FÍSICA
SOFTWARE
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PhysicsSensor –Mobile EditionMódulo # 5: Ambientómetro
M. Sc. Diego Luis Aristizábal Ramírez
2015
Medellín, Colombia
Ambientómetro
E
ste módulo trata sobre el uso de la aplicación AMBIENTÓMETRO de PhysicsSensor en su
versión para dispositivos móviles ANDROID. Teniendo en cuenta que el objetivo principal de
esta plataforma es ser usada en los laboratorios de enseñanza de las ciencias exactas y
naturales, se analiza además de su manejo los principios físicos de su funcionamiento. Para esto se
divide el módulo en los siguientes temas:
 Principios físicos del funcionamiento
 Sobre los sensores de variables ambientales del dispositivo móvil
 Manejo del AMBIENTÓMETRO
 Algunos experimentos
1. Principios físicos de funcionamiento
1.1. ¿Qué es temperatura?
Cuando dos objetos se colocan juntos (en lenguaje científico se dice, se contactan térmicamente), el
objeto “caliente” se enfría mientras que el más frío se “calienta” hasta un punto en el cual no
ocurren más cambios, y para nuestros sentidos, ambos tienen el mismo “grado de calor”. Cuando el
cambio térmico ha cesado, se dice que los dos objetos, los dos sistemas, están en equilibrio térmico.
Entonces se puede definir la temperatura de un sistema diciendo que la ésta es aquella cantidad que
es igual para ambos sistemas cuando ellos están en equilibrio térmico. Con base en esto se enuncia la
denominada ley cero de la termodinámica:
Si tres o más sistemas están en contacto térmico entre si y todos en equilibrio al mismo
tiempo, entonces cualquier par que se tome separadamente están en equilibrio entre sí.
Ahora, uno de los tres sistemas puede ser calibrado como un instrumento para medir temperatura,
definiendo así un termómetro. Cuando un termómetro debidamente calibrado, se pone en contacto
con un sistema hasta que alcanza el equilibrio térmico, se logra obtener una medida cuantitativa de
la temperatura del sistema.
La temperatura medida en Kelvin (K) se denomina temperatura absoluta o temperatura
termodinámica. Esta es una de las siete (7) magnitudes físicas fundamentales tomadas
convencionalmente por el sistema internacional de magnitudes (longitud, masa, tiempo, intensidad de
corriente eléctrica, intensidad luminosa, temperatura termodinámica y cantidad de sustancia).
1
Otra unidad empleada para medir temperatura son los denominados grados Celsius ( oC).
temperatura medida en grados K y en grados oC se relacionan mediante la expresión:
T(K) = t( o C) + 273,15
La
Ecuación 1
Ahora, temperatura ambiente es la temperatura que se puede medir con un termómetro, Figura
1, y que se toma del ambiente actual, por lo que, si se toma de varios puntos en un área a un mismo
tiempo puede variar.
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Figura 1: Termómetro
Es interesante traer a colación el concepto denominado sensación térmica a la reacción del cuerpo
humano ante el conjunto de condiciones del ambiente que determinan el clima desde el punto de vista
térmico. Es costumbre decir que hace calor o frío, en función de lo que dice un termómetro
corriente, pero no solo la temperatura determina la sensación que siente el cuerpo humano, sino otra
serie de parámetros que pueden mejorar o empeorar la sensación: humedad del aire, velocidad del
aire, metabolismo corporal, la indumentaria (ropa, calzado, …).
Para recordar:








Mínima temperatura posible: 0 K (se denomina CERO ABSOLUTO).
Temperatura de fusión del agua: 0 oC.
Temperatura de ebullición del agua al nivel del mar: 100 oC.
Temperatura de ebullición del agua en Medellín (Antioquia): 96 oC.
Temperatura más baja registrada en la Tierra (Base Vostok, la Antártida): -89,2 oC.
Temperatura corporal humana normal: 37 oC.
Temperatura en la superficie del Sol: 5 778 K.
Temperatura núcleo solar: se estima en unos 15 000 000 K.
1.2. Humedad relativa
La humedad del aire se debe al vapor de agua que se encuentra presente en la atmósfera, el cual es
obtenido de la evaporación océanos, ríos, lagos, plantas y otros seres vivos. Sin embargo para unas
condiciones de temperatura y presión dadas el aire sólo es capaz de contener una cantidad máxima
de este vapor. Cuando este límite se sobrepasa el vapor de agua se condensa, formando agua líquida:
en ésta condición se dice que el aire está saturado: esto explica las gotas de agua en las paredes de
un vaso con agua fría, el empañamiento de las ventanas de una pieza cuando en ésta se baja la
temperatura hasta el punto de saturación.
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La cantidad de vapor de agua que puede absorber el aire depende de su temperatura: el aire
caliente admite más vapor de agua que el aire frío.
La humedad absoluta es la masa total de vapor de agua (medida en gramos) existente en el aire por
unidad de volumen (medida en m3 de aire) y su valor fluctúa considerablemente espacial y
temporalmente.
La humedad relativa (H.R.) de una masa de aire es la relación entre la cantidad de vapor de agua que
contiene y la que tendría si estuviera completamente saturada; así cuanto más se aproxima el valor
de la humedad relativa al 100% más húmedo está. Cuando se llega al punto de saturación el vapor de
agua se condensa, es decir, cuando la humedad relativa alcanza el valor 100% se producen
fenómenos de condensación. Un ejemplo de ello es el rocío, que se debe a que, cuando la humedad
relativa del aire ha alcanzado el 100%, el aire no admite más agua, por lo que el sobrante, condensa
en forma líquida en superficies de los objetos, hojas, flores, etc.
Ejemplo: si un cierto volumen de aire contiene 4 gr de vapor de agua y en similares
condiciones de presión y temperatura el aire se saturaría con un contenido de vapor de agua
de 16 gr, entonces la humedad relativa, 4/16= 0,25 o 25 %
El cuerpo humano reacciona a la cantidad de humedad en el ambiente de formas muy particulares, en
un ambiente de 0 % de humedad relativa el ser humano se sentirá “acalorado”, la sequedad del medio
ambiente hace que la transpiración del cuerpo humano sea evidente y hasta peligrosa, el cuerpo
humano aportará humedad al ambiente. En un ambiente de 100 % de humedad relativa el ser humano
se sentirá “sofocado”, la altísima humedad del medioambiente dificulta la transpiración del cuerpo
humano, el cuerpo humano reaccionará con una excesiva incomodidad al ambiente
El higrómetro es el instrumento utilizado para medir la humedad relativa. En la Figura 2 se ilustra un
higrómetro análogo.
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Figura 2: Higrómetro
1.3. Presión atmosférica
Es la fuerza que ejerce el aire (la columna de atmósfera) sobre una superficie que contienen el
punto donde se está midiendo (la orientación de esta superficie es indiferente). Al nivel del mar la
presión atmosférica es igual a 1 atm (760 mm de Hg); en la ciudad de Medellín que se encuentra a
1 538 m sobre el nivel del mar es igual a 640 mm de Hg (0,84 atm).
Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica (Patm). La atmósfera ejerce presión
sobre los cuerpos debido a su peso. El barómetro más conocido es el de mercurio de Torricelli, el
cual se puede construir de la siguiente forma: se llena de mercurio un tubo delgado de vidrio cerrado
en un extremo de unos 80 cm de longitud; se tapa el otro extremo y se sumerge en una cubeta que
contenga también mercurio; si entonces se destapa se verá que el mercurio del tubo desciende unos
centímetros dejando en la parte superior un espacio vacío (cámara barométrica o vacío de
Torricelli), Figura 3.
Figura 3: El barómetro de mercurio
La altura de la columna de mercurio en el tubo, medida desde la superficie del mercurio de la cubeta,
es de 760 mm de Hg al nivel del mar y en la ciudad de Medellín es de 640 mm de Hg.
Un análisis del funcionamiento del barómetro se puede hacer empleando el principio fundamental de
la hidrostática: el punto 1 (que se puede imaginar un poco por debajo de la superficie del mercurio) y
el punto 2 están a la misma presión debido que están al mismo nivel dentro del mercurio y por lo
tanto,
p1 = p2
Pero, p1=patm y p2=gh siendo  la densidad del mercurio, por lo tanto,
patm = ρgh
Ecuación 2
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Con base en este resultado, el valor de h se convierte en una medida de la presión atmosférica, de
esta forma la expresión, “… la presión atmosférica en el lugar X es igual a h cm de Hg”, significa que
si se hace el experimento con el barómetro de mercurio, la altura de la columna de mercurio
desciende hasta un valor de h.
Los barómetros son instrumentos fundamentales para saber el estado de la atmósfera y realizar
predicciones meteorológicas. Las altas presiones se corresponden con regiones sin precipitaciones,
mientras que las bajas presiones son indicadores de regiones de tormentas y borrascas.
1.4. Altitud
La altitud es la distancia vertical de un punto de la Tierra respecto al nivel del mar. Se mide con un
instrumento denominado altímetro. Un altímetro es esencialmente un barómetro, que calcula la
altura con base en la diferencia de presión, ecuación 2, conocida una presión de referencia.
Los altímetros más comunes son los altímetros barométricos. Su principio de funcionamiento es muy
sencillo: la medida de presión de la toma de estática entra en un modelo de atmósfera (la Atmósfera
Estándar Internacional) que relaciona la presión con la altitud; de ahí se extrae la altitud de vuelo.
Este sistema tiene cierta imprecisión porque la atmósfera nunca se comporta como el modelo, pero
es a todos los efectos lo bastante bueno y robusto.
La Atmósfera Estándar Internacional (conocida por sus siglas en inglés, ISA, de International
Standard Atmosphere) es un modelo matemático sencillo que sirve para estimar las propiedades
atmosféricas en función de la altitud.
El modelo supone que la atmósfera es un gas ideal que se encuentra en equilibrio hidrostático en
presencia de un campo gravitatorio uniforme de valor absoluto g. La referencia de altitud h = 0 es el
nivel del mar. Las tres propiedades más significativas de la atmósfera (la presión p, la densidad  y
temperatura absoluta T) están ligadas con la altitud h por un sistema de tres ecuaciones. La primera
de estas ecuaciones es la de estado del gas ideal:
P=ρRT
Ecuación 3
En donde R = 287,05 J. kg-1.K -1 es la constante de gas para el aire atmosférico.
La segunda ecuación, es la ecuación diferencial del equilibrio hidrostático. Esta es la ecuación escrita
en forma diferencial,
 dP  = - ρg  dh 
Ecuación 4
nn donde dP y dh son los respectivos diferenciales de presión y altura.
La tercera ecuación liga la temperatura con la altitud. La atmósfera está dividida en varias capas. En
cada capa, la temperatura puede ser constante o puede variar linealmente con la altitud. Como
ejemplo, se supondrá una región de la atmósfera en donde la temperatura se mantiene constante. En
este caso la ecuación 3 lleva a la ecuación siguiente,
P
ρ
=
Po
ρo
Ecuación 5
en donde Po y o corresponden a la presión atmosférica y la densidad del aire sobre la superficie de
la Tierra. Reemplazando lq ecaución 5 en la ecuación 4 se obtiene,
 dP  = -
P 
 ρo  g  dh 
 Po 
ρ
dP
= - o g  dh 
P
Po
P
h
ρ
dP
P P = - Poo g 0 dh
o
P
ρ
Ln   = - o gh
Po
 Po 
 ρ

P = Po exp  - o gh 
 Po 
Ecuación 6
Como puede deducirse de la ecuación 6, midiendo la presión atmosférica P con un barómetro,
se puede estimar la altura h sobre el nivel del mar.
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2. Sobre los sensores ambientales del dispositivo móvil
La plataforma Android ofrece cuatro sensores que le permiten supervisar diversas propiedades
ambientales tales como: la humedad relativa del ambiente, la iluminación, la presión ambiente
(presión atmosférica) y la temperatura ambiente cerca de un dispositivo con Android. Los cuatro
sensores de entorno son basados en hardware y sólo están disponibles si un fabricante de
dispositivos los ha integrado en un dispositivo. Con la excepción del sensor de luz, que la mayoría de
los fabricantes de dispositivos utilizan para controlar el brillo de la pantalla, sensores de entorno no
siempre están disponibles en los dispositivos.
El sentido de incluir un barómetro en un dispositivo móvil es el de ayudar a calcular con mayor
rapidez el posicionamiento a través del GPS. El barómetro puede proporcionar la altura del lugar en
el que se está posicionado, aunque no muy exacta y precisa, sin embargo, con este dato adicional, el
GPS lo puede tomar como un valor inicial y agilizar de esta manera su cálculo de posicionamiento.
Los valores de las variables ambientales también son de gran utilidad en aplicaciones para los
deportes y la salud.
3. El ambientómetro de PhysicsSensor
PhysicsSensor posee software para ANDROID para los sensores de variables ambientales:
termómetro (mide temperatura ambiente), higrómetro (mide la humedad relativa), barómetro (mide
la presión atmosférica) y altímetro (mide la altura sobre el nivel del mar).
Para acceder a la aplicación se siguen los siguientes pasos:
 Se hace clic en el icono para ejecutar PhysicsSensor en el dispositivo móvil. Se despliega la
ventana de la Figura 4 izquierda.
 Se hace clic en el botón Aceptar y se despliega la ventana de la Figura 4 centro.
 Se hace clic en el botón AMBIENTOMETRO y se despliega la ventana Figura 4 derecha.
 Se hace clic en el TAB correspondiente a la variable ambienta a medir.
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Figura 4: GUI de PhysicsSensor
4. Algunos experimentos
4.1. Medida de variables ambientales en un lugar
Objetivo general:
 Estimar el valor de variables ambientales en diferentes ambientes empleando PhysicsSensor y
un teléfono celular.
Objetivos específicos:
 Medir el valor de variables ambientales en diferentes ambientes.
Fundamento teórico:
 Conceptos básicos sobre temperatura, presión y humedad.
Procedimiento:
 Acceder a la aplicación AMBIENTÓMETRO de PhysicsSensor. Para esto hacer clic en el botón
AMBIENTOMETRO de la pantalla principal de PhysicsSensor, Figura 4 centro.
 Ubicar el teléfono celular en diferentes ambientes y observar lo que marca el tacómetro para
cada una de las variables ambientales: temperatura ambiente, humedad relativa, presión
atmosférica y altitud.