Altímetro
Altímetro
Crear un altímetro con el sensor de presión atmosférica del smartphone.
Desde hace mucho tiempo, los científicos saben que el aire ejerce una presión sobre todo lo que nos rodea. Esta presión atmosférica se debe al peso del aire situado por encima de nosotros. Cuanto más se asciende en altitud, menos aire hay por encima y, por tanto, más disminuye la presión. Este principio se utiliza en numerosos instrumentos como los altímetros de los aviones o los relojes de montaña. Hoy en día, ciertos smartphones poseen un sensor de presión atmosférica llamado barómetro. Este sensor permite medir variaciones de presión muy pequeñas. Comparando los valores medidos a diferentes alturas, es posible estimar una diferencia de altitud. En esta actividad, el alumno explora la relación entre presión atmosférica y altitud realizando medidas a diferentes niveles de un edificio o en una colina. Este experimento permite comprender cómo las variaciones de presión permiten determinar la altitud e ilustra cómo un modelo matemático puede utilizarse para interpretar datos experimentales.
Learning objectives:
El alumno utiliza el sensor de presión atmosférica de FizziQ para realizar medidas a diferentes alturas, como los pisos de un edificio o una colina. Compara los valores obtenidos y construye un modelo que relaciona presión y altitud. Esta actividad permite comprender el funcionamiento de un altímetro barométrico y aplicar la aproximación barométrica simplificada.
FizziQ
Autor:
Duración:
20-30
Lo que harán los estudiantes:
- Medir la presión atmosférica a diferentes altitudes.
- Observar la variación de presión con la altura.
- Construir un modelo que relacione presión y altitud.
- Estimar una diferencia de altitud a partir de medidas experimentales.
- Comprender el funcionamiento de un altímetro barométrico.
Conceptos científicos:
Presión atmosférica
Altitud
Atmósfera terrestre
Variación de presión con la altitud
Modelización matemática
Relación presión-altitud
Compresión de los gases
Barómetro
Sensores:
- Barómetro
What is required:
- Smartphone o tableta con FizziQ
- Acceso a un edificio con varias plantas o una colina
- Cinta métrica
- Cuaderno de experiencias
Procedimiento experimental:
1. Abrir la aplicación FizziQ y seleccionar el instrumento Presión atmosférica (barómetro).
2. Verificar que el smartphone dispone de un sensor de presión atmosférica. Si no es el caso, utilizar un módulo externo compatible.
3. Situarse en la planta baja del edificio o en el punto más bajo del recorrido. Esperar unos 10 segundos a que la medida se estabilice y registrar el valor de presión de referencia P₀.
4. Subir al primer piso (o avanzar unos 10 metros de desnivel). Esperar a que la medida se estabilice y registrar el nuevo valor de presión.
5. Repetir la operación para cada piso o nivel accesible, anotando cada vez la altura estimada y la presión medida.
6. Si es posible, medir la altura real entre cada nivel con una cinta métrica.
7. Registrar todas las medidas en el cuaderno de experiencias de FizziQ.
8. Representar gráficamente la presión en función de la altura.
9. Calcular la variación de presión por metro de desnivel y compararla con el valor teórico de aproximadamente 0,12 hPa/m.
10. Utilizar la fórmula simplificada Δh ≈ (P₀ - P) × 8,5 para estimar la altura del edificio a partir de las medidas de presión.
11. Comparar la altura estimada con la altura real medida y analizar las fuentes de error.
12. Documentar los resultados, gráficos y conclusiones en el cuaderno de experiencias FizziQ.
Resultados esperados:
Las medidas muestran que la presión atmosférica disminuye progresivamente cuando aumenta la altitud. La diferencia de presión entre dos niveles próximos es generalmente pequeña pero medible. Para variaciones de altitud de unos pocos metros, la presión disminuye aproximadamente 1 hPa cada 8 a 10 metros. El gráfico obtenido presenta una disminución regular de la presión con la altura. Las medidas pueden presentar ligeras fluctuaciones debidas a las variaciones de temperatura o a las corrientes de aire. La precisión depende de la estabilidad del sensor y del tiempo dejado para la estabilización de las medidas. Los resultados permiten estimar una diferencia de altitud con una precisión del orden del metro en condiciones favorables.
Preguntas científicas:
- ¿Por qué la presión disminuye cuando aumenta la altitud?
- ¿Por qué la variación de presión no es perfectamente lineal?
- ¿Cómo influye la temperatura en las medidas de presión?
- ¿Por qué hay que esperar a que la medida se estabilice antes de registrarla?
- ¿Cómo mejorar la precisión de las medidas realizadas?
- ¿Por qué los altímetros deben calibrarse regularmente?
Explicaciones científicas:
La presión atmosférica disminuye con la altitud según una relación aproximadamente exponencial. A nivel del mar, la presión estándar es de aproximadamente 1013,25 hPa, pero decrece alrededor de 1 hPa cada 8,5 metros en baja altitud. Esta relación no es perfectamente lineal a gran escala porque el aire es compresible y su densidad disminuye también con la altitud.
Para variaciones pequeñas de altitud (unos cientos de metros), se puede utilizar la aproximación barométrica simplificada: Δh ≈ (P₀ - P) × 8,5, donde Δh es la diferencia de altitud en metros, P₀ la presión en el punto de referencia y P la presión en el punto de medida, ambas en hPa.
Para cálculos más precisos sobre grandes amplitudes, la fórmula barométrica completa tiene en cuenta la temperatura: h = (T / 0,0065) × [1 - (P/P₀)^(1/5,255)], donde T es la temperatura en Kelvin. Esta fórmula deriva de la ecuación hidrostática dP = -ρ × g × dh combinada con la ley de los gases perfectos.
Los smartphones modernos integran barómetros de precisión (±0,1 hPa, equivalente a aproximadamente ±1 metro de altitud) para mejorar el posicionamiento GPS y otras funciones. Esta precisión permite detectar el cambio de un piso a otro en un edificio.
Es importante señalar que la presión atmosférica también varía con las condiciones meteorológicas: un anticiclón puede aumentar la presión en más de 20 hPa respecto a una depresión, lo que equivaldría a un error de más de 170 metros en la estimación de altitud. Por eso los altímetros barométricos deben calibrarse regularmente.
Actividades de ampliación:
- Realizar medidas subiendo progresivamente una escalera para obtener más puntos de medida.
- Comparar las medidas realizadas en diferentes momentos del día.
- Estudiar las variaciones de presión durante un desplazamiento en ascensor.
- Comparar las medidas obtenidas en diferentes edificios.
- Utilizar las medidas para estimar la altura total de un edificio.
Preguntas frecuentes:
Q: ¿Qué es la presión atmosférica?
R: La presión atmosférica es la fuerza ejercida por el peso de la columna de aire situada por encima de un punto dado. A nivel del mar, su valor estándar es de aproximadamente 1013,25 hPa. Disminuye con la altitud según una relación aproximadamente exponencial.
Q: ¿Cómo puede el smartphone medir la presión atmosférica?
R: El barómetro integrado en el smartphone mide la presión atmosférica en hectopascales con gran precisión. FizziQ registra estas variaciones en tiempo real, permitiendo detectar cambios de altitud de unos pocos metros.
Q: ¿Cuáles son las principales fuentes de error de este experimento?
R: Las principales fuentes de error son las variaciones meteorológicas de presión (anticiclones y depresiones), las corrientes de aire, la temperatura ambiente y el tiempo insuficiente de estabilización del sensor. Se recomienda realizar las medidas rápidamente para minimizar el efecto de los cambios meteorológicos.