El siguiente trabajo de investigación tiene como objetivo demostrar las leyes de la Física en un carrito con Arduino controlado por un aplicación de Android, aplicando métodos didácticos para su enseñanza en las clases de Física.
En la parte final de esta página se encuentra el enlace de descarga del proyecto, tambien la aplicación Android en .apk y los códigos de Arduino, esperando así poder contribuir a la sociedad y a su difusión del mismo.
Gracias.
Atte. Sistemas de Ingenio
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE SISTEMAS
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
“Leyes de la Física con Arduino”
Autores:
Gambini Valverde, Paolo Kevin
Montañez Maldonado, Giancarlos Sebastián
Orrillo Oré, Guillermo Gonzalo
Pisco Flores, Carlos Jagger
Tello Cartagena, Sthefany Sayhek
Asignatura:
Física Aplicada
Docente:
Aldo Vega Gonzales
LIMA – PERÚ
2018

ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS
RESUMEN EJECUTIVO
  1. DATOS INFORMATIVOS
1.1. Nombre del proyecto:
1.2. Nombre de los integrantes del equipo de trabajo:
1.3. Asignatura:
1.4. Profesor:
  1. PLAN DE INVESTIGACIÓN
1.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
1.3 OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN
III. MARCO TEÓRICO
  1. MÉTODOS Y MATERIALES
4.1. MÉTODOS:
4.2. MATERIALES:
4.3. PROCEDIMIENTO:
  1. ASPECTOS ADMINSTRATIVOS
5.1. Gastos económicos:
5.2. Cronograma:
  1. RESULTADOS
VII. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS
7.1. Conclusión:
7.2. Sugerencias:
VIII. REFERENCIAS
  1. ANEXOS

AGRADRECIMIENTOS

Se agradece a todos los participantes del equipo por
aportar con sus conocimientos en la elaboración de este
proyecto de investigación en la asignatura “Física Aplicada”
instruida por el profesor Aldo Vega Gonzales de la
facultad de Ingeniería y Arquitectura de la
Carrera Profesional de Ingeniería de Sistemas
en la Universidad Autónoma del Perú.

RESUMEN EJECUTIVO

La presente investigación tiene como objetivo principal buscar soluciones a la falta de comprensión por parte de los estudiantes universitarios en la asignatura de Física, es por ello, que el equipo de trabajo se encargará de construir un carrito con Arduino controlado por una aplicación de Android, para facilitar la comprensión en las aulas de clase de la universidad. Según Serway y Jewett (2008) mencionan:
Como todas las otras ciencias, la física se sustenta en observaciones experimentales y mediciones cuantitativas. Los objetivos principales de la física son identificar un número limitado de leyes fundamentales que rigen los fenómenos naturales y usarlas para desarrollar teorías capaces de anticipar los resultados experimentales. Las leyes fundamentales que se usan para elaborar teorías se expresan en el lenguaje de las matemáticas, la herramienta que proporciona un puente entre teoría y experimento. (p. 2)
Dicho de otra manera, la Física se ocupa de todos los principios esenciales del universo y, por ende, tiene como base principal a las matemáticas cuyos métodos de aplicación son poco comprensibles por los estudiantes universitarios, ya que, la mayoría de ellos no tiene una base sólida de aprendizaje para poder comprender la asignatura.
Este trabajo de investigación, recopilará los temas principales de la Física estudiados en el aula clase, ya que, se demostrará y aplicará estos temas en el prototipo experimental. Llegando así, a una mejor comprensión del tema expuesto.
Asimismo, se explicará todas las herramientas que se necesitó a lo largo de la elaboración del prototipo experimental, los métodos utilizados y el procedimiento del mismo.
Por otra parte, daremos a conocer cuánto se necesitó, en términos monetarios, para la elaboración del prototipo experimental, ya que creemos que es necesario conocer cuánto se invertirá en el proyecto. Al mismo tiempo, se planteará un cronograma de las fechas en donde se realizó el trabajo de investigación, para conocer cuánto tiempo se empleó en su elaboración.
Al término de este trabajo de investigación, estarán incluidos las conclusiones y sugerencias, como también, las referencias y los anexos.

I. DATOS INFORMATIVOS

1.1. Nombre del proyecto:

  • “Leyes de la Física con Arduino”

1.2. Nombre de los integrantes del equipo de trabajo:

  • Gambini Valverde, Kevin Paolo
  • Montañez Maldonado, Sebastián Giancarlos
  • Orrillo Oré, Guillermo Gonzalo
  • Pisco Flores, Carlos Jagger
  • Tello Cartagena, Sthefany Sayhek

1.3. Asignatura:

  • Física Aplicada

1.4. Profesor:

  • Aldo Vega Gonzales

II. PLAN DE INVESTIGACIÓN

1.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA

En la actualidad los estudiantes universitarios presentan dificultades para comprender con facilidad la asignatura de Física. Por ello, se realiza un prototipo de carrito con Arduino controlado por una aplicación para Android, que nos permitirá explicar las leyes básicas de la Física, de tal manera que las clases sean más entretenidas y que cuenten con un sistema eficaz de enseñanza. Es decir, causar la satisfacción de los estudiantes para una mejor comprensión. Que no te engañen, la física es fácil (2011) menciona:
La física es una ciencia básica. Su objetivo es entender la estructura de la materia, de las interacciones, de la constitución más íntima de nuestro universo. Por lo tanto, se puede considerar como la más fundamental de las ciencias. […] Todo sistema está regido por dichas leyes y nada se escapa a su control. (párr.1)
Es decir, la física es indispensable, sin la física no podría haber ingeniería. Los conocimientos que ha generado, tanto de la mecánica; la termodinámica; la acústica; el electromagnetismo; el estudio de la física es la base para el desarrollo de cualquier ingeniería, ya sea civil, mecánica, de telecomunicaciones o de sistemas, etc. No se podría construir absolutamente nada.

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Desde este concepto previo nos hacemos las siguientes preguntas ¿Por qué los estudiantes muestran muy poco interés en el curso?, ¿Por qué se les hace muy difícil comprenderlas?, ¿Por qué los estudiantes no comprenden los temas de físicas?, ¿Cómo mediante el uso del carrito con Arduino controlado por una aplicación de Android se puede comprender las leyes Físicas?
Por ello en el presente proyecto se presentará la solución al problema que se viene suscitando desde ya hace años con el curso de física, se da por: la falta de interés, horas reducidas de clase, metodología inapropiada, poco conocimiento básico, etc. Nuestro objetivo es captar la atención de los estudiantes, así hacer mucho más fácil y entretenida la comprensión de física.
Desde nuestro punto de vista, la mayoría de los docentes no tienen métodos de enseñanza muy didácticos o prácticos para enseñar el curso ya que el curso no se basa solamente en formulas, teoría y ejercicios, sino también y hacerlo más dinámico y practico, es decir es un complemento de todo. Sin embargo, algunos docentes muestran un tipo de Metodología que ayuda al estudiante a comprenderlas mejor y desenvolverse mejor en la materia.

1.3 OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN

Castellanos y Martínez (2003) mencionan, si se considera el aprendizaje como un proceso activo de construcción de conocimientos, partiendo del significado que a ello se le atribuye, entonces se puede decir que la enseñanza tendrá como objetivo orientar el proceso de construcción del aprendizaje. (párr. 2)
En tal sentido, este presente trabajo tiene como objetivo sensibilizar a los lectores, que las leyes físicas son muy importantes en nuestras vidas, que hay muchas maneras para comprenderlos. Por otra parte, queremos demostrar mediante un prototipo de carrito con Arduino conducido por una aplicación para Android que la mecánica, oscilaciones mecánicas, electricidad y electromagnetismo, etc. Son fáciles de comprender.
Con ello pretendemos que el prototipo de carrito con Arduino controlado por una aplicación móvil ayude a los docentes para que puedan implementar este proyecto en sus sesiones y puedan facilitar el entendimiento de las leyes básicas de la física para los estudiantes de las diferentes carreras, ya que la física es muy importante en todo ámbito.

III. MARCO TEÓRICO

(Para poder visualizar el marco teórico completo, el cual es una recopilación de todos los temas que fueron necesarios para poder elaborar el carrito con Arduino. Se tendrá que descargar el archivo en pdf que estará al final de este trabajo.)


IV. MÉTODOS Y MATERIALES4.1. MÉTODOS:

Crearemos un carrito movible con el hardware libre “Arduino” controlado mediante bluetooth en una aplicación Android para nuestro proyecto que nos permitirá realizar y comprobar las leyes que se aplica en el transcurso de la asignatura de Física.
Con esto podremos observar cómo se aplica la Física en nuestras vidas diarias y como la Física nos ayuda a resolver estos problemas de la vida diaria.

4.2. MATERIALES:

ARDUINO:
Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinarios.
Es hardware que tiene todos los elementos necesarios para conectar periféricos a las entradas y salidas de un microcontrolador y que sirve para desarrollar elementos autónomos, conectándose a dispositivos e interactúan tanto con el hardware como el software.
Por otro lado, Arduino nos proporciona un software consistente en un entorno de desarrollo (IDE) que implementa el lenguaje de programación de Arduino y el bootloader ejecutado en la placa. La principal característica del software de programación y del lenguaje de programación es su sencillez y facilidad de uso
¿Para qué sirve Arduino?
Arduino se puede utilizar para desarrollar elementos autónomos, conectándose a dispositivos e interactuar tanto con el hardware como con el software. Nos sirve tanto para controlar un elemento, pongamos por ejemplo un motor que nos suba o baje una persiana basada en la luz existente es una habitación, gracias a un sensor de luz conectado al Arduino, o bien para leer la información de una fuente, como puede ser un teclado, y convertir la información en una acción como puede ser encender una luz y pasar por un display lo tecleado.
Tipos de Arduino:
  • Arduino UNO
  • Arduino Leonardo
  • Arduino Nano
  • Arduino Pro
  • Arduino Mega

PROTOBOARD:

Es una placa de pruebas con orificios en las cuales se puede insertar componentes electrónicos y cables para armar circuitos. Se distinguen por tener filas y columnas con lo que se puede saber en qué ubicación posicionar cada pieza, también cuentan con 2 rieles a los lados, los cuales se usaran como las líneas Positivas y Negativas de nuestro circuito.
La línea azul siempre Sera negativo, también llamada tierra. Por otro lado, la línea roja siempre será positivo, también llamado corriente (por algunos).

PUENTE H L293D:

Es un circuito que facilita el control de motores con Arduino. Permite controlar la dirección de giro y la velocidad de cada motor de forma independiente.
Un motor de continua determina su dirección de giro en función de la tensión entre sus terminales, es decir si conectamos el terminal 1 del motor al Positivo de la pila y el terminal 2 del motor al Negativo de la pila, obtendremos un sentido de giro determinado, si lo conectamos en forma opuesta obtendremos el sentido de giro contrario.

CABLES DE CONEXIÓN JUMPER:

Son cables que tienen en sus terminales los jumpers que contienen stock o pines. Los jumpers son generalmente empleados para configurar o ajustar circuitos impresos.
En electrónica y especialmente en computación, un jumper es un elemento conductor usado para interconectar dos terminales de manera temporal sin tener que efectuar una operación que requiera una herramienta adicional. Dicha unión de terminales cierra el circuito eléctrico. Los jumpers son generalmente empleados para configurar o ajustar circuitos impresos.

REGULADOR 7805:

Es un dispositivo electrónico que tiene la capacidad de regular voltaje positivo de 5V a 1A de corriente, en la mayoría de los desarrollos con Arduino estamos obligados a garantizar una fuente de tensión constante, eso disminuye la posibilidad de dañar nuestro circuito debido a oscilaciones en los niveles de tensión, la forma más práctica y simple de lograr esto es mediante el regulador de voltaje 7805, básicamente es un dispositivo que cuenta con 3 pines.
1 – Tensión de entrada
2 – Masa
3 – Tensión de salida

MÓDULO BLUETOOTH HC06:

Este módulo permite la conexión de bluetooth para transferir datos entre dos microcontroladores o dispositivos. El módulo HC-06 acepta un set muy básico de comandos, este módulo permite la conexión de bluetooth para transferir datos entre dos micro controladores o dispositivos.
Pueden ajustarse los parámetros del módulo mediante comandos de control emitidos a través de comandos AT. Este dispone de dos conexiones de salida para indicar el estado: no conectado y conectado, así mismo se puede conectar a diodos LED o a un pin de entrada de un microcontrolador y analizar su estado.

SENSOR ULTRASONIDO:

Es un sensor de distancia por ultrasonido capaz de detectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango de 2 a 400 centímetros.
El cabezal emite una onda ultrasónica y recibe la onda reflejada que retorna desde el objeto. Los sensores ultrasonidos miden la distancia al objeto contando el tiempo entre la emisión

MOTO REDUCTORES:

Precisan reducir de forma segura su velocidad.

BATERIA 9V:

Las baterías son aparatos electroquímicos que convierten la energía química en energía eléctrica. Están compuestas por un conjunto de células electrolíticas utilizadas para suministrar una provisión de corriente eléctrica continua o directa. Hay células primarias y células secundarias.

RUEDA LOCA:

Es una rueda sin tracción, simple o doble, que puede girar libremente y que generalmente está situada en la parte inferior de una estructura. Este tipo de ruedas es de gran utilidad para estabilizar el movimiento en sistemas mecánicos o robots que sean controlados mediante Arduino o microcontroladores

LED:

La estructura del chip de los diodos LED, al contrario de lo que ocurre con los diodos comunes, no emplea cristales de silicio (Si) como elemento semiconductor, sino una combinación de otros tipos de materiales, igualmente semiconductores, pero que poseen la propiedad de emitir fotones de luz de diferentes colores cuando lo recorre una corriente eléctrica.
RESISTENCIAS:
La resistencia es un componente que se encarga de limitar la cantidad de corriente que puede pasar a través de un circuito, convirtiendo el exceso en calor.
OTROS:
– BAJALENGUAS
– CINTA
– BASE DE BATERIA
– PISTOLA DE CAUTIN
– ESTAÑO Y PASTA DE SOLDAR
– LIGAS

4.3. PROCEDIMIENTO:

En cuanto a la elaboración del experimento, el equipo de trabajo realizó una búsqueda basada en la problemática “Dificultad para comprender las leyes básicas de Física en los estudiantes universitarios”. De modo que, se hallasen diversos métodos de soluciones para el problema central.
Es así que, cada integrante tuvo la obligación de recolectar información sobre posibles soluciones a la problemática planteada. Al completar la búsqueda de soluciones, cada integrante expuso sus ideas y se inició un debate para que el experimento con mejor razonamiento represente al problema central.
La decisión fue tomada por la mayoría de votos, dando como ganador a la creación de un carrito con Arduino controlado por una aplicación de Android. Fue un video de YouTube el cual nos inspiró a elaborar este experimento, del cual optamos por desarrollarlo. Dado que se requería un cierto nivel de conocimientos básicos en programación, electrónica, leyes básicas de física, etc. Fue un reto que se propuso el grupo, así ampliaríamos nuestros conocimientos y creatividad al desarrollar este proyecto.
Llegando a este punto, cada integrante dispuso una cuota de cincuenta nuevos soles peruanos para la adquisición de los materiales. Un costo no tan elevado puesto que, nuestro grupo contaba con cinco integrantes y se reduciría el monto.
Cabe resaltar que, se obtuvo una asesoría por parte de un familiar de un integrante del grupo, el cual tenía conocimientos sobre Arduino y otros hardware similares. También, fue él quien nos sugirió el lugar de compra de los materiales y así fue como se obtuvo lo necesario para la elaboración del experimento.
Después de un par de semanas de haber comprados los materiales, se realizó la creación del prototipo. Cada semana se dedicaba de cuatro a seis horas a la elaboración del carrito, cada integrante se dedicó a la investigación de cada uno de los materiales usados. Con los conocimientos de cada uno de los integrantes y las aportaciones del video se iba realizando el prototipo.
Al mismo tiempo en que se desarrollaba el prototipo, el trabajo de investigación también se iba completando con la finalidad de llegar a culminar los dos trabajos.
Para la elaboración del carrito con Arduino controlado por una aplicación de Android, primero se creó la aplicación en Android usando como herramienta online “MIT App Inventor” (http://appinventor.mit.edu) la cual es muy interactiva para la realización de estas aplicaciones. Se diseñó cada botón que se utiliza en la aplicación de Android, así como la funciones que realiza. Se necesitó conocimientos básicos en programas de diseño gráfico para la realización de las imágenes. (botones, logos, fondos, etc.)
Luego de la creación del aplicativo y con los materiales necesarios se dispuso al armado del carrito con Arduino, primero se observó en el video la realización del prototipo, luego se plasmó en una hoja el plano como se debe arman el prototipo.
Para la programación del código de Arduino, se descargó el software de la página principal del mencionado hardware (https://www.arduino.cc/en/Main/Software), es así que, como ingenieros de sistemas nuestra carrera nos permite aplicar nuestros conocimientos obtenidos en programación, lo cual nos favoreció en el desarrollo del código de Arduino.
Se usó los conocimientos obtenidos en los laboratorios del curso de Física Aplicada para la conexión ente los “jumpers” y el “protoboard”, así como, la conexión en serie y paralelo de las luces led, usando las resistencias para regular el voltaje.
Luego se procedió a la conexión del “puente H” el cual otra conexión retornaba al Arduino, se colocó el sensor de sonido en la parte delantera del carrito, ya que este aparato permite enviar ondas sonoras las cuales son percibidas por el carrito, y en caso de que hubiese un obstáculo, gracias a la programación, el carrito dará media vuelta y seguirá otro recorrido. En pocas palabras, el prototipo experimental esquiva los obstáculos y toma otra dirección.
Se hizo el cableado del “módulo de bluetooth” al protoboard, la cual nos va a permitir la conexión entre el Arduino y la aplicación de Android. Cabe resaltar que si no existe alguna conexión entre el Arduino y el bluetooth no se podrá mandar acciones que se ejecuten.
Para el armado de los “motorreductores” se necesitó “una pistola de cautil, estaño y pasta para soldar” de modo que, tuviese una conexión con los cables jumpers, los motorreductores y el protoboard.
Y por último se conectó los motorreductores a las “baterías de 9V”, para finalmente hacer una conexión al protoboard, la cual dará funcionamiento al carrito.
Es así como se realizó la elaboración del prototipo y el avance del proyecto de investigación.

V. ASPECTOS ADMINSTRATIVOS

5.1. Gastos económicos:

DESCRIPCIONPRECIO
Módulo bluetoothS/ 20
ArduinoS/35
Módulo ultrasonidoS/ 10
Leds y resistenciasS/5
ReguladorS/5
Puente HS/10
Base de bateríaS/3
3 batería 9vS/9
ProtoboardS/15
Cable jumperS/4.5
2 motor reductorS/8
4 ruedas legiblesS/16
BajalenguasS/1.50

5.2. Cronograma:

  • 11/05/2018: Inicio del proyecto de investigación
  • 16/05/2018: Compras de Materiales
  • 14 y 15/05/2018: Armado del prototipo
  • 16, 17 y 18/06/2018: Avance del informe
  • 22/06/2018: Avance del proyecto de investigación un 90%
  • 02/07/2018: Exposición final
  • 11/07/2018: Coordinación para la exposición ante el jurado
  • 13/07/2018: Exposición ante el jurado

VI. RESULTADOS

Como resultado de nuestro proyecto de investigación, podemos afirmar que el carrito con Arduino controlado por una aplicación de Android, puede realizar las operaciones básicas de Física y, por ende, es probable que pueda realizar las clases de manera didáctica y que los alumnos muestren interés en la asignatura.
Por ello, se debe crear una metodología de estudio en las aulas de clases para que el estudiante de forma didáctica comprenda las leyes básicas de Física. Puesto que, esto expandirá su creatividad y comprenderá las cosas que lo rodean.
Sin embargo, los estudiantes deben tener conocimientos básicos en matemáticas para poder comprender las leyes de Física, de lo contrario, es posible que no puedan comprender lo suficiente para sentir interés por el curso.

VII. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

7.1. Conclusión:

En síntesis, una clase de Física con herramientas de enseñanzas didácticas como el carrito con Arduino controlado por una aplicación Android, es un método de enseñanza eficaz que ayuda a mejorar la comprensión de los estudiantes universitarios en los ciclos básicos. Por ello, las posibles alternativas de solución frente a los problemas señalados es la implementación de métodos de enseñanza que ayuden a la creatividad del estudiante universitario, más horas en los cursos de números para tener una base, laboratorios donde se pone en práctica la teoría aprendida.
Por lo tanto, reafirmamos nuestra postura, de que se debe aplicar métodos de enseñanza didácticos para una mejor comprensión de los temas llevados en clases. No necesita un conocimiento elevado en matemáticas, pero si una base sólida para poder comprender las leyes básicas de la Física. Solo basta, las ganas de aprender y determinación para realizar los objetivos que uno se plantea.
Llegando a final de este trabajo de investigación dejamos una pregunta de reflexión para el lector ¿Debería de dejar de enseñarse las clases de Física en las carreras de ingeniería?

7.2. Sugerencias:

  • Al término del trabajo de investigación se recomienda profundizar sobre los temas que se va a exponer, ya que, se necesita un método de explicación para realizarlo.
  • Adquirir con anticipación los materiales para la elaboración del prototipo experimental, ya que, podría faltar alguna pieza para culminar el trabajo.
  • Crear un plano para el armado del Arduino, para poder simplificar las cosas. Así como para el sensor ultrasonido y el puente H.
  • Usar antecedentes sobre los trabajos de investigación que se encuentra en la red.
  • Hacer una búsqueda de información individual con la finalidad de comprender lo que se va a realizar en el proyecto.

VIII. REFERENCIAS

IX. ANEXOS

► Proceso de la elaboración del árbol de problemas para encontrar la problemática que nuestro grupo pretende solucionar.
  • Falta de compresión en las aulas de la universidad.
  • La falta de compresión de los estudios de Física.
  • Dificultad para comprender las leyes básicas de Física.
  • Dificultad en los estudiantes para comprender las leyes básicas de Física.
  • Falta de comprensión de las leyes básicas de Física en los estudiantes universitarios.
  • Dificultad para comprender las leyes básicas de Física en los estudiantes de ingeniería.
  • Dificultad en los estudiantes universitarios para comprender las leyes básicas de Física.
Causas:
– ¿Qué origina el problema?
– Falta de interés
– Bajo conocimientos básicos
– Falta de materiales para desarrollar los problemas
– Bajos niveles educativos
-Falta de interés en los talleres de Física
– Falta de motivación
Efectos:
– ¿Cómo afecta el problema?
-Deserción del curso
– Bajas notas en el curso
– Desmotivación para comprender la materia
– Poca capacidad para la creatividad de proyectos o problemas
– Desaprobado en el curso
– Frustración y estrés en el curso
Descargas:
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Para poder visualizar el proyecto de investigación completo, puede descargar el archivo pdf en siguiente enlace:
Para poder obtener la aplicación Android en .apk e instalarlo en el smartphone, puede descargarlo desde el siguiente enlace:
Para poder visualizar los códigos que se usaron en la elaboración del prototipo, puede descargarlo desde el siguiente enlace: