REVISTA

JUVENTUD Y CIENCIA SOLIDARIA:

En el camino de la investigación

Módulo de caída libre

Ricardo Rafael Loja Otavalo, Amy Domenica Erraez Coronel, Paulina Michelle Robalino Quezada

Ricardo Rafael Loja Otavalo, tengo 17 años y curso el tercer año de Bachillerato Paulina Michelle Robalino Quezada,

General Unificado (BGU) en la Unidad tengo 17 años y curso el tercer año de

Educativa Daniel Córdova Toral. Me Bachillerato General Unificado (BGU) en

apasionan los deportes, los videojuegos y la Unidad Educativa Daniel Córdova Toral.

la electrónica. En el futuro, deseo estudiar Me gusta practicar danza, hacer deporte

Ingeniería en Telecomunicaciones en la y dedicarme a la repostería. En el futuro,

universidad, ya que me interesa comprender deseo estudiar Ingeniería Electrónica en la

cómo funcionan las redes de comunicación y universidad. contribuir al desarrollo tecnológico del país.

Amy Domenica Erraez Coronel, tengo 17 años y curso el tercer año de Bachillerato General Unificado (BGU) en la Unidad Educativa Daniel Córdova Toral. Me apasiona bailar, cantar y realizar

manualidades. En el futuro deseo estudiar

Medicina Veterinaria en la universidad.

Resumen

El presente proyecto consiste en la implementación de tecnología como recurso pedagógico busca despertar un módulo de caída libre [1] destinado a la enseñanza el interés por la ciencia a través de la experimentación de la física. Su objetivo principal es facilitar la com-directa. Para el desarrollo del módulo se utilizaron prensión de conceptos fundamentales mediante una diversos componentes electrónicos y materiales, entre

experiencia práctica, visual e interactiva. El uso de la ellos: una placa Arduino UNO [2,3], sensores mecánicos

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tipo fin de carrera [4] y una pantalla LCD [5]. Estos dis- gravedad, sin intervención de otras fuerzas externas positivos permiten la captura de datos del experimento como la resistencia del aire. En estas condiciones, to-en tiempo real. Además, se incorporaron resistencias dos los cuerpos experimentan la misma aceleración, de 220 Ω, diodos LED amarillos, madera de 12 mm, denominada aceleración gravitatoria [7].

vidrio esmerilado y tiras de PVC, que conformaron

la estructura y la parte estética del sistema. Durante 2 g ≈ 9 .8 m/s en la Tierra la etapa de construcción se llevaron a cabo múltiples

pruebas de conexión, simulaciones y ajustes técnicos. Este fenómeno es de gran importancia en la física A pesar de las dificultades iniciales, se superaron los porque constituye la base para comprender las leyes del desafíos y se logró poner en funcionamiento el sistema. movimiento y la gravitación universal [8,9]. Además, El mecanismo consiste en dejar caer una esfera de el estudio de la caída libre permite explicar fenómenos hierro desde una altura fija que atraviesa dos sensores, naturales, validar teorías y aplicar principios físicos en activando un cronómetro que mide con precisión el áreas como la ingeniería, la educación científica y la tiempo de caída [6]. Con estos datos, el sistema calcula investigación experimental [8,9].

automáticamente la altura, el tiempo y la velocidad En el ámbito educativo, la caída libre facilita la en-final, mostrando los resultados en la pantalla LCD [5]. señanza de conceptos fundamentales de la cinemática En conclusión, la aplicación de modelos tecnológicos y la dinámica [9], incentivando el razonamiento lógico en el aula contribuye a mejorar el aprendizaje de los y la experimentación práctica en los estudiantes [9].

estudiantes, ya que favorece su atención, comprensión Para la realización de este proyecto, partimos de y motivación, generando un proceso educativo más una idea principal: construir un módulo de caída libre eficiente y didáctico. (Flores, 2020) con múltiples alturas, con fines didácti-

cos y tecnológicos. Este módulo tiene como objetivo

Palabras clave: caída libre, física, tecnología educa-facilitar la enseñanza de los principios físicos relaciona-tiva, sensores, Arduino dos con la caída libre, permitiendo a los estudiantes visualizar y medir variables como el tiempo de caída, la

Explicación del tema velocidad final y la altura, con el apoyo de componentes electrónicos y programación básica [10]. Esta inicia-La caída libre es un movimiento rectilíneo uniforme-tiva buscó no solo reforzar el aprendizaje teórico, sino mente acelerado [7] (MRUA) que ocurre cuando un también fomentar el pensamiento crítico, la resolución cuerpo se desplaza únicamente bajo la acción de la de problemas y la experimentación directa.

Figura 1. Pantallas LED que permiten la captura de datos del experimento Fuente: Autores 76 Juventud y Ciencia Solidaria.

Tomando como referencia las recomendaciones im-cradas. Sin embargo, se cometió un error importante: partidas por las autoridades académicas, se optó por no se realizaron simulaciones previas del programa ni diseñar una estructura con forma de edificio de un del circuito completo. Este descuido generó diversos metro de altura [11]. Este diseño no solo cumple una inconvenientes, como la falla en la detección de al-función práctica dentro del experimento, sino que tam-gunos sensores, la falta de respuesta de los botones bién sirve como elemento estético y simbólico, repre-de activación del motor, problemas en el suministro

sentando un entorno urbano donde ocurren fenómenos de voltaje e, incluso, la quema de uno de los sensores físicos de manera cotidiana. Para la construcción del debido a una conexión inadecuada.

módulo, se emplearon una serie de componentes fun- Para enfrentar estas dificultades, decidimos dividir cionales, decorativos y estructurales. Entre los princi-el proceso de solución en diferentes etapas:

pales elementos electrónicos se utilizaron: una pantalla

1. Primera etapa: Se realizaron pruebas individua-

duino UNO [2, 3] como cerebro del sistema, sensores les de todos los componentes, con el objetivo LCD [5] para la visualización de datos, una placa Ar-de verificar su funcionamiento básico y asegurar

motor AC biaxial [12] para simular mecanismos au- que estuvieran correctamente conectados. Esta PIR HC-SR501 para la detección del movimiento, un revisión permitió identificar elementos defectuo-

puente H, para controlar el motor. En cuanto a los sos o mal configurados desde el inicio. tomáticos y un módulo L298N, también conocido como materiales estructurales y decorativos, se utilizaron 2. Segunda etapa: Al notar fallas en los sensores resistencias de 220W, diodos LED amarillos, vidrio PIR, se realizaron varias investigaciones y prue-esmerilado, tiras de PVC y cuatro tapas de madera bas [14, 15] para calibrarlos correctamente. Fi-de 12 mm de espesor. Las tapas fueron cortadas con nalmente, se logró que funcionaran, aunque su dimensiones específicas: dos de 1 metro por 40 cm para desempeño no fue completamente confiable para las partes frontal y trasera, y otras dos de 1 metro los fines del proyecto.

por 20 cm para los laterales. Estos elementos fueron

diseñados y ensamblados cuidadosamente para formar 3. Tercera etapa: Se hicieron pruebas con el motor un edificio sólido, funcional y visualmente atractivo. y el puente H, logrando que funcionaran al utilizar un cargador externo adicional. Sin embargo, Una vez recolectados todos los materiales, se pro- esto introdujo ruido electrónico en el sistema, lo cedió a realizar cortes en las láminas de madera para la que generó señales erróneas, especialmente en colocación de los vidrios, los cuales, junto con las tiras la pantalla LCD [5], afectando gravemente la de PVC, simularon ventanas. Además, se aplicó un estabilidad del módulo. diseño con bloques visuales para mejorar la estética del edificio. Para hacerlo aún más realista, se instalaron 4. Cuarta etapa: Se identificó un problema con el cables soldados a diodos LED, acompañados por sus voltaje insuficiente que se suministraba a los com-respectivas resistencias de 220W, para evitar su deteri- ponentes. Como solución, se adaptó una fuente oro al ser energizados. Posteriormente, se unieron las de alimentación de computadora [16], que logró piezas laterales y se cerró la estructura con la tapa entregar el voltaje necesario sin caídas de tensión, frontal. En la parte superior, se colocó una pequeña tira estabilizando temporalmente el sistema.

de madera recubierta con choba, simulando el techo

del edificio. Esta etapa fue esencial para dejar lista la safíos. Uno de los principales fue la incompatibilidad A pesar de estas soluciones, surgieron nuevos de-estructura y permitir una instalación organizada de

los componentes electrónicos internos. debido a su funcionamiento por detección térmica, que de los sensores PIR con este tipo de experimentos, Una vez finalizada la estructura física, se procedió no es el más adecuado para medir el paso de un objeto a la programación del sistema, utilizando el lenguaje en caída libre. Por ello, se decidió reemplazarlos por Basic [13] en la aplicación de Arduino. Se consideraron sensores infrarrojos KY-005, lo que implicó también todas las variables, componentes y funciones involu-rediseñar la estructura del edificio para que los nuevos En el camino de la investigación 77

sensores pudieran colocarse correctamente, así como del proyecto, se decidió realizar un nuevo cambio de reprogramar completamente el sistema para adaptarlo sensores.

a sus características. En esta ocasión, se optó por sensores mecánicos

Sin embargo, tras el cambio de sensores, el sistema tipo fin de carrera [4], similares a pulsadores. Estos aún no funcionaba correctamente. Se detectó un ex-sensores ofrecían mayor estabilidad y facilidad de im-

ceso de ruido electrónico, generado por la fuente de plementación. Se realizó una nueva investigación sobre computadora y el motor, lo que seguía afectando el su funcionamiento, identificando que contaban con funcionamiento general. En consecuencia, se tomó la tres terminales: uno de alimentación negativa, uno decisión de eliminar el motor del diseño, así como susti- normalmente abierto (NO) y otro normalmente cer-tuir la fuente de poder por dos cargadores: uno de 12V rado (NC). Se soldaron los terminales adecuados y se para alimentar el Arduino, la pantalla LCD [5] y los ajustó la programación para adaptarse a este nuevo sensores, y otro de 5V para energizar los LEDs de la componente.

maqueta. Esta decisión permitió reducir considerable- Durante las primeras pruebas, se detectaron re-mente el ruido y estabilizar la alimentación. botes eléctricos que generaban falsos contactos. Para A pesar de estas mejoras, el sistema seguía presen-solucionar esto, se soldó un capacitor cerámico 104, tando fallos. Con ayuda del licenciado Max Zambrano, lo cual redujo significativamente el ruido electrónico.

se revisó completamente el código de programación y Finalmente, el sistema funcionó correctamente: los se realizó una simulación en Proteus para identificar el sensores detectaban el paso de la esfera de hierro, ac-error. Se exploraron varias opciones, como cambiar los tivaban el cronómetro y los datos se visualizaban en pines de conexión, incluso probar otro Arduino, pero la pantalla LCD [5] sin errores.

los errores persistían. Como etapa final, se realizaron ajustes estéticos y

Finalmente, se llegó a la conclusión de que el pro-de presentación. Se colocó la tapa trasera con un sis-blema seguía siendo generado por los sensores infrar-tema que permite abrirla y cerrarla fácilmente. Se corrojos, los cuales requieren condiciones específicas para rigieron imperfecciones en la pintura, se acomodaron funcionar correctamente: oscuridad total y alineación los cables de forma más ordenada y se limpiaron los perfecta entre el emisor y el receptor. Al no poder vidrios y tiras de PVC para darle un acabado limpio y garantizar estas condiciones dentro de la estructura profesional a la maqueta.

Figura 2. Proceso de construcción del módulo Fuente: Autores

Gracias a este proceso se logró conseguir los resul-ve el sistema ya funcionando.

tados que se envidencian en la figura 3, en donde se

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Figura 3. Proyecto terminado Fuente: Autores

Conclusiones fundamentales para lograr la culminación exitosa de este trabajo.

El presente proyecto permite concluir que la incor- Amy Erraez : Quiero expresar mi más sincero poración de tecnologías en el proceso educativo hace agradecimiento al licenciado Max Zambrano por su posible enseñar la física de manera innovadora, lo-guía y apoyo incondicional durante todo el proyecto,

grando que las clases sean más interactivas, dinámicas su experiencia y conocimientos fueron fundamentales y atractivas. Esta metodología contribuye a fortale-para lograr nuestro éxito. También agradezco a mi

cer el aprendizaje en áreas técnicas, fomentando en familia por su apoyo emocional y financiero, y por los estudiantes la creatividad, la experimentación y último agradezco a mis compañeros de trabajo por el el desarrollo de proyectos prácticos que enriquecen su compromiso que tuvieron con el proyecto.

formación académica y profesional. Paulina Robalino : Principalmente, agradezco a Asimismo, la propuesta constituye un aporte rele-mis padres por todo el apoyo que me brindaron du-vante al área de Física, particularmente en la ilus-rante este proceso. También expreso mi gratitud al tración de conceptos de cinemática, facilitando la com-licenciado Max Zambrano, ya que gracias a su guía

prensión de fenómenos como la caída libre mediante y acompañamiento logramos concluir este proyecto representaciones visuales y experimentales. Al analizar de manera exitosa, adquiriendo valiosos aprendizajes los resultados, se observa una ligera variación entre los sobre temas que hasta entonces nos eran desconoci-datos obtenidos manualmente y aquellos calculados me-dos. Finalmente, agradezco a mi grupo de trabajo, diante computadora, lo que evidencia que los cálculos porque a pesar de los altibajos que enfrentamos, supi-computacionales pueden presentar pequeñas desvia-mos mantenernos unidos y no rendirnos, alcanzando ciones y no ser totalmente exactos; sin embargo, los juntos nuestros objetivos.

resultados obtenidos mantienen una alta congruencia

y representan de manera confiable el comportamiento

del fenómeno estudiado. Referencia

[1] D. J. Lorduy Flórez, C. P. Naranjo Zuluaga,

Agradecimientos D. J. Lorduy Flórez, and C. P. Naranjo Zuluaga, “Tecnologías de la información y la comunicación

Ricardo Loja: Mi agradecimiento se dirige especial- aplicadas a la educación en ciencias,” vol. 11, mente al licenciado Max Zambrano, quien estuvo siem- no. 27, publisher: Universidad Pedagógica y pre pendiente de nuestros avances durante el desarrollo Tecnológica de Colombia (UPTC). [Online]. Avail-del proyecto, brindándonos su apoyo y aclarando cada able: http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=

una de nuestras dudas. Asimismo, expreso mi gratitud sci_abstract&pid=S2216-01592020000300203&

a mi familia, cuyo respaldo, ayuda y motivación fueron lng=en&nrm=iso&tlng=es

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[2] ArduinoDocs. Arduino integrated development [10] L. Llamas. Qué son los parámetros de una función.

environment (IDE) v1 | arduino documentation. [Online]. Available: http://bit.ly/3L7qrUE

[Online]. Available: http://bit.ly/4oAPnCx

[11] Wikipedia, “Sistema,” page Version ID:

[3] Y. Fernández. Qué es arduino, cómo funciona y 169958634. [Online]. Available: http://bit.ly/

qué puedes hacer con uno. Section: basics. [On- 4ouKCKz

que-arduino-como-funciona-que-puedes-hacer-uno [12] M.-T. Potteiger. What is the difference between line]. Available: https://www.xataka.com/basics/

a module and a unit in a hardware system?

[4] G. Smith. ¿qué es un sensor y qué hace? [Online]. Available: http://bit.ly/3KX5OL3

[Online]. Available: https://dewesoft.com/blog/

que-es-un-sensor [13] A. Robledano. Qué es c++ y su importancia en la programación moderna | OpenWebinars.

[5] Phidgets. LCD character display guide. [Online]. [Online]. Available: http://bit.ly/3Lpnf6R

Available: http://bit.ly/4oCiCEZ

[14] A. A. Team. Su guía completa sobre el

[6] A. Raeburn. Exactitud vs. precisión: ¿cuál procesamiento de datos. Running Time: 58

es la diferencia? [2025]. [Online]. Available: Section: Knowledge Center. [Online]. Available: http://bit.ly/3WQvKKH https://www.astera.com/es/knowledge-center/

[7] D. C. Giancoli, what-is-data-processing-definition-and-stages/ Física , 6th ed. Pearson Educación, OCLC: 893583011. [15] PowerData. Integración de datos: Concepto e [8] P. A. Tipler and G. Mosca, Física para la cien- importancia en la empresa actual. [Online].

cia y la tecnología. I. Reverte, google-Books-ID: Available: http://bit.ly/42PufjC

9MFLer5mAtMC.

[16] Wikipedia, “Fuente de alimentación,” page

[9] Física universitaria: con física moderna, Primera Version ID: 169801592. [Online]. Available: edición ed. Pearson, OCLC: 1059572616. http://bit.ly/4792K7e