Proyectos

La piezo electricidad presenta unas propiedades muy interesantes desde un punto de vista experimental. Este ejemplo presenta una forma de construir un altavoz a partir de un imán y de una bobina de hilo de cobre. Los materiales se podrían conseguir de reciclar un motor de cualquier dispositivo electrónico o juguete.
Objetivo
El objetivo de este ejercicio es aprender sobre la física de los imanes, el concepto de piezo-electricidad y la producción de sonido. En ésta sesión veremos como construir un pequeño altavoz con una taza de papel o plástico controlado por un imán y una pequeña bobina de hilo de cobre.
Materiales necesarios
Para la realización de éste ejercicio harán falta:

• una taza de papel o plástico (1)
• un imán de pequeño tamaño (2)
• hilo de cobre con cubierta (3)
• cinta adesiva
• pegamento de papel
• placa Arduino y cable USB

(Video o fotos demostración)
El experimento requiere conocimientos básicos previos sobre el funcionamiento de la electricidad y el magnetismo. En cualquier caso, se puede usar cómo introducción al campo.
Duración
Contemplamos dos posibilidades de aplicación del caso en el aula. Cada una tendrá una duración ligeramente diferente.

• Caso 1: La física del sonido. Imaginamos una clase en la que los alumnos aprenderían sobre la física del sonido y dónde los experimentos se centrarían en la aplicación de diferentes programas. Toda la sesión -de unos 45 minutos de duración- discurriría en la experimentación con los distintos ejemplos.
• Caso 2: Juego. En modo de juego, un grupo de alumnos prepararía un escondite dónde los participantes habrían de buscar los sonidos escondidos por los otros. Podrían estar en cajas, tras libros de texto, en una bolsa de deporte, etc. La primera mitad de la clase consistiría en la creación de los pequeños instrumentos musicales y, durante la segunda, cada grupo buscaría los instrumentos escondidos por los otros.

Piezo-electricidad y Electro-imanes
La piezo-electricidad es la habilidad de algunos materiales para la generación de potencial electrico (voltaje) como respuesta a algún tipo de estrés mecánico. El voltaje o potencial es la energía por unidad de carga que se puede asociar a un campo electro-magnético estático.
Un material que pueda alterar un campo de ese tipo, como un imán, tendrá la capacidad de generar movimiento mecánico en respuesta a la variación del campo. Para la creación del campo magnético construiremos una bobina de hilo de cobre, al permitir el flujo de corriente eléctrica a través del material. El campo desaparece cuando la corriente cesa.
Para incrementar el campo magnético, arrollamos el hilo de cobre en torno a un nucleo. Se podría usar una bobina de hilo de coser o un cilindro hueco de cualquier material plástico, cartón o papel. El hilo de cobre deberá tener cubierta, para forzar el paso por todos los bucles de la bobina.
El imán lo pegaremos a la base del vaso de papel o plástico. De este modo, al ser repelido o atraido por el campo magnético de la bobina, toda la taza vibrará mecánicamente, transformándose en sonido. Un tono musical creado por un altavoz, no es más que la repetición de una vibración de amplitud constante sobre una superficie de papel o plástico. En el fondo, cualquier material con la capacidad de vibrar y volver a una situación de reposo, podrá ser un altavoz.
Realización
La preparación del altavoz resulta la parte más sencilla. Tan solo hay que fijar el imán con pegamento a la base de la taza. Una vez se haya secado, enrolla un trozo de papel en forma de cilindro pequeño con un diámetro que pueda rodear físicamente al imán.
Emplearemos el cilindro para crear la bobina alrededor de la que enrollar el hilo de cobre. Harán falta unas 50 vueltas de hilo de cobre. Cubre el cable con un poco de cinta adesiva para que no se deslice y recuerda dejar hilo suelto a ambos extremos (unos 5cm) para poder conectarlo a Arduino. Tendrás que pelar las terminaciones del cable en ambos extremos para poder conectar la bobina a Arduino directamente.
Programas para el experimento
La creación de vibraciones rápidas que enviará electricidad a lo largo del hilo de cobre requiere un programa sencillo. Lo que haremos será encender (HIGH) y apagar (LOW) a mucha velocidad. Los retardos entre pulsos tienen que ser muy pequeños, en el orden de microsegundos. Por ejemplo, para reproducir el tono LA, habrá que endender y apagar el solenoide una vez cada 2272 microsegundos!!

int altavoz = 11;

void setup(){
pinMode(altavoz, OUTPUT); // declara el pin del altavoz como salida
}

void loop(){
digitalWrite(altavoz, HIGH);
delaMicroseconds(1136);
digitalWrite(altavoz, LOW);
delaMicroseconds(1136);
}

Al conectar el solenoide entre los pines 11 y tierra (GND) y probar el código, oiremos como el altavoz hecho con nuestra taza de papel (o plástico) resuena a la frecuencia de LA. El funcionamiento es el explicado con anterioridad: el encendido y apagado del pin, dejará pasar la corriente por el solenoide generando un campo magnético variable suficiente para mover el imán en la base de nuestra taza.
Siguiente paso
Estudiar la generación otros tonos, cómo tocar melodías o hacer instrumentos interactivos. Pero eso es objeto de otros ejercicios.