Acelerómetro, giroscopio, magnetómetro, micrófono, cámara, GPS, barómetro, LiDAR: un smartphone moderno contiene hasta una veintena de sensores físicos, a partir de los cuales el teléfono deriva más de cincuenta instrumentos de medición distintos. Esta guía explica, sensor por sensor, cómo funcionan, qué miden realmente, qué exactitud tienen y cómo convertirlos en instrumentos científicos para el aula o para la casa.
En resumen: los sensores del smartphone son componentes de calidad industrial (tecnología MEMS y microelectrónica) capaces de realizar mediciones científicas serias. El acelerómetro mide g con un error inferior al 1 %, el micrófono muestrea a 44 100 Hz y el magnetómetro detecta décimas de microtesla. Cada sensor físico alimenta varios instrumentos de software: el acelerómetro proporciona además un inclinómetro y un podómetro, mientras que la cámara ofrece un colorímetro, el análisis de movimiento en video y un monitor de frecuencia cardíaca. Sus límites (temperatura, electricidad, pH) se superan con sensores externos Bluetooth.
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En esta guía
- Un sensor, varios instrumentos: cómo leer su teléfono
- La tabla de sensores y mediciones
- MEMS y microelectrónica: la tecnología
- El acelerómetro · El giroscopio · El magnetómetro
- El micrófono · El altavoz (el sensor inverso)
- La cámara · El sensor de luz ambiental
- El GPS · El barómetro
- Sensores cotidianos: LiDAR, pantalla táctil, proximidad, huella dactilar
- Datos brutos, datos procesados: lo que su teléfono le oculta
- Lo que los sensores internos no pueden medir
- Preguntas frecuentes
Un sensor, varios instrumentos: cómo leer su teléfono
Dos nociones se confunden con frecuencia. El sensor es el componente físico: un chip de unos milímetros que convierte un fenómeno (fuerza, presión sonora, luz, campo magnético) en una señal eléctrica. El instrumento es la capa de software que transforma esa señal en una medición utilizable. El mismo magnetómetro proporciona un teslámetro, una brújula y un detector de metales; el mismo acelerómetro proporciona un acelerómetro de tres ejes, un inclinómetro, un podómetro y un sismógrafo.
Esta multiplicación por software explica cómo, con una veintena de sensores físicos, una aplicación como FizziQ ofrece más de 50 instrumentos de medición. Comprender la cadena que va del sensor a la señal, de la señal al instrumento y del instrumento a la magnitud física es en sí mismo un objetivo de la mayoría de los programas de física.
La tabla de sensores y mediciones
| Sensor físico | Instrumentos derivados | Magnitudes medidas | Unidad | Exactitud típica | Frecuencia |
|---|---|---|---|---|---|
| Acelerómetro | acelerómetro de 3 ejes, inclinómetro, podómetro | aceleración lineal y aceleración absoluta, ángulos, pasos | m/s², °, pasos | < 0,01 m/s²; 0,1°; ~1 paso de cada 100 | ≥ 100 Hz |
| Giroscopio | girómetro de 3 ejes | velocidad angular, rotación | rad/s, rpm | ~0,01 rad/s | ≥ 100 Hz |
| Magnetómetro | teslámetro, brújula, teodolito (acimut) | campo magnético, orientación | µT, ° | < 0,2 µT; 0,1° (brújula) | ≥ 50 Hz |
| Micrófono | sonómetro, frecuencímetro, vista de osciloscopio, espectro, espectrograma, cronómetro acústico | nivel sonoro, frecuencias, duraciones | dB, Hz, s | frecuencia al hercio; duraciones al milisegundo | muestreo a 44 100 Hz |
| Cámara | análisis de movimiento en video, cronofotografía, colorímetro, medidor de luminancia, monitor de frecuencia cardíaca | posición, velocidad, color RGB, absorbancia, luminancia, pulso | m, m/s, %, lpm | resolución temporal: 4 ms a 240 fps | 30 a 240 fps |
| Sensor de luz ambiental | luxómetro | iluminancia | lux | según el modelo | ~10 Hz |
| GPS (GNSS) | posición, altímetro, velocímetro, indicador de exactitud | latitud/longitud, altitud, velocidad | °, m, m/s | ~10 m (posición); < 1 m/s (velocidad) | 1 Hz |
| Barómetro | barómetro, altímetro barométrico | presión atmosférica | hPa | detecta ~1 m de desnivel | ~10 Hz |
| Sensores externos (Bluetooth) | temperatura, pH, CO₂, tensión, partículas y más | según el sensor | °C, pH, ppm | según el sensor | según el sensor |
Órdenes de magnitud observados en smartphones recientes; los valores exactos varían de un modelo a otro, y esa variabilidad es en sí misma un excelente tema de laboratorio sobre la incertidumbre de medida.
MEMS y microelectrónica: la tecnología detrás de los sensores
Los sensores del smartphone pertenecen a dos familias. Los MEMS (sistemas microelectromecánicos) contienen una auténtica microestructura mecánica móvil grabada en silicio a escala micrométrica: una masa suspendida de resortes para el acelerómetro, una masa vibrante que aprovecha la fuerza de Coriolis para el giroscopio, una membrana deformable para el barómetro y el micrófono. La segunda familia es la microelectrónica sin partes móviles: una matriz de fotodiodos CMOS para la cámara, el efecto Hall para el magnetómetro, un chip de radiofrecuencia para el GPS.
Estos componentes no son juguetes. Las mismas tecnologías activan los airbags, estabilizan los drones y vuelan en los aviones. Fabricados por miles de millones, su precio se ha desplomado: es la economía de escala del smartphone, tanto como la tecnología en sí, lo que pone un laboratorio en cada bolsillo.
El acelerómetro: el rey de la mecánica
Cómo funciona. Una masa microscópica suspendida de resortes de silicio se desplaza bajo el efecto de las fuerzas de inercia; la variación de capacidad eléctrica resultante se convierte en aceleración según los tres ejes X, Y, Z del teléfono. Explicación completa: ¿Cómo funciona el acelerómetro de mi smartphone?
Qué mide, y la sutileza que hay que dominar. El teléfono proporciona dos magnitudes distintas. La aceleración absoluta es la salida bruta del sensor: incluye la reacción a la gravedad, de modo que un teléfono apoyado sobre una mesa indica 9,81 m/s². La aceleración lineal resta g por cálculo: el mismo teléfono indica cero. En caída libre los papeles se invierten: la aceleración absoluta cae a cero (ingravidez) mientras que la aceleración lineal indica g. Esta distinción, rica en debates sobre los sistemas de referencia, se desarrolla en ¿Cuál es la diferencia entre aceleración lineal y aceleración absoluta?
Instrumentos derivados. Un acelerómetro de 3 ejes, pero también un inclinómetro (ángulo respecto a la vertical o a la horizontal, con 0,1° de resolución, una plomada y un nivel de burbuja en uno) y un podómetro, que reconoce la firma regular de la marcha en la señal de aceleración (podómetro).
Exactitud. Resolución mejor que 0,01 m/s², frecuencia de muestreo superior a 100 Hz: suficiente para medir g con un error inferior al 1 %.
En el aula. Oscilaciones de un péndulo simple, física del ascensor, movimiento circular en un centrifugador de ensalada, choques y rebotes, y siete experimentos sobre la gravedad.
El giroscopio: la rotación en tiempo real
Cómo funciona. Una masa vibrante experimenta la fuerza de Coriolis cuando el teléfono gira, el mismo principio que los órganos de equilibrio de los insectos. El sensor deduce la velocidad angular alrededor de los tres ejes, en rad/s o en revoluciones por minuto.
En el aula. Periodo de un plato giratorio, conservación del momento angular en una silla de oficina, y la comprobación estrella de la mecánica de bachillerato: combinar giroscopio y acelerómetro en un centrifugador de ensalada para verificar a = ω²r. El giroscopio es el sensor olvidado de los libros de texto, y sin embargo es uno de los chips más precisos del teléfono.
El magnetómetro: hacer visibles los campos magnéticos
Cómo funciona. Casi siempre mediante el efecto Hall: el campo magnético desvía los portadores de carga en un semiconductor, creando una tensión medible según tres ejes. Algunos modelos utilizan en cambio el efecto magnetorresistivo: la resistencia de una aleación de hierro y níquel cambia con el campo. Sensibilidad típica: mejor que 0,2 µT, a comparar con el campo magnético terrestre, de unos 47 µT en Europa.
Instrumentos derivados. Un teslámetro, una brújula (ángulo respecto al norte magnético, con 0,1° de resolución) y el acimut de un teodolito para mediciones por triangulación.
La paradoja pedagógica. Acerque un imán: la lectura del campo se dispara, pero la brújula sigue apuntando al norte. La respuesta, una recalibración permanente por software, ilustra perfectamente la diferencia entre datos brutos y datos procesados: ¿Por qué la brújula de un smartphone no se ve afectada por los imanes?
En el aula. El campo terrestre y su inclinación, la ley en 1/d³ de un dipolo (gráfica log-log), el efecto Oersted alrededor de un hilo recorrido por una corriente, búsquedas del tesoro magnéticas y la detección de estructuras metálicas dentro de una pared.
El micrófono: seis instrumentos en una membrana
Cómo funciona. Heredero del micrófono electret (un condensador polarizado de forma permanente que casi no consume), el micrófono del smartphone es hoy en día un MEMS: una membrana miniatura vibra bajo las variaciones de presión de la onda sonora, y la señal se digitaliza a 44 100 Hz con una resolución de 16 bits (una precisión en amplitud del 0,003 %), lo que, según el teorema de Nyquist, cubre todo el espectro audible.
Instrumentos derivados. Es el sensor más prolífico del teléfono: el sonómetro mide el nivel sonoro en decibelios (una escala logarítmica: conversación ~60 dB, licuadora ~90 dB, dolor por encima de 140 dB); la vista de osciloscopio muestra la forma de la onda, la respuesta a la pregunta ¿se puede ver un sonido?; el frecuencímetro extrae las frecuencias dominante y fundamental mediante una transformada de Fourier; el espectro descompone el sonido en sus armónicos; el espectrograma sigue el espectro a lo largo del tiempo; y el cronómetro acústico, activado por un umbral sonoro, mide duraciones al milisegundo, la clave para medir la velocidad del sonido.
Un límite que conviene conocer. El sonómetro de un teléfono no está calibrado como un aparato de clase 1: excelente para comparaciones y diferencias, aproximado en términos absolutos. Un reto de pensamiento crítico construido sobre esta base: ¿sumar dos sonidos aumenta realmente el nivel en 3 decibelios?
El altavoz: el sensor inverso
Siempre olvidado en los inventarios de sensores: el teléfono no es solo un receptor, también es un emisor. Su sintetizador genera tonos de frecuencia digital definida con exactitud, aunque la salida acústica del diminuto altavoz no sea ni plana ni calibrada. Basta para crear batidos entre dos tonos cercanos, estudiar las interferencias entre dos altavoces, producir la onda fuente de un experimento Doppler o investigar la respuesta en frecuencia de un altavoz o de un sistema resonante: seis experimentos con el generador de tonos. Emparejado con el micrófono de un segundo teléfono, forma una cadena completa de emisión y recepción: un banco de acústica hecho con dos dispositivos.
La cámara: el sensor más rico de todos
Cómo funciona. Una matriz de fotodiodos CMOS cubierta por un filtro de Bayer, una rejilla de microfiltros rojos (~640 nm), verdes (~550 nm) y azules (~460 nm) que reproduce la lógica tricromática de nuestra retina, descrita por primera vez por Thomas Young. Los modos de cámara lenta alcanzan 240 imágenes por segundo, es decir, una resolución temporal de 4 ms.
Tres familias de instrumentos. Cinemática: mediante el análisis de movimiento en video (el seguimiento imagen por imagen proporciona posición, velocidad, aceleración y energía) o mediante la cronofotografía, que hace visible el movimiento antes de hacerlo calculable. Véase también la videoteca gratuita para el análisis de movimiento. Colorimetría: intensidades RGB, tono y absorbancia, suficiente para realizar una valoración basada en la ley de Beer-Lambert. Cuidado con los ajustes automáticos de exposición: bloquéelos antes de comparar colores. Fisiología: con el dedo sobre el objetivo y la linterna encendida, la cámara se convierte en un monitor de frecuencia cardíaca mediante fotopletismografía, un principio demostrado ya en 1937 por Hertzman y Spealman, para el cual la luz verde es la que mejor funciona.
El sensor de luz ambiental: un luxómetro de bolsillo
Un fotodiodo situado en la cara frontal mide la iluminancia en lux mediante el efecto fotoeléctrico: luna llena ~1 lux, un aula ~400 lux, sol directo por encima de 30 000 lux. No debe confundirse con la luminancia, calculada por la cámara, que caracteriza lo que una superficie emite o refleja. La distinción se explica en ¿Brillo o luminancia? Un experimento clásico: verificar la disminución de la iluminancia en 1/d² con la distancia.
El GPS: posición, velocidad y un toque de relatividad
El receptor GNSS (GPS, Galileo, GLONASS) triangula las señales de al menos cuatro satélites: posición con ~10 m de exactitud, altitud, velocidad con un error inferior a 1 m/s, actualizadas cada segundo. Un indicador de exactitud específico muestra el margen de error en tiempo real, toda una lección de metrología por sí solo. La señal atraviesa mal las paredes y el follaje: es un sensor de exterior. En el aula: velocidad de un corredor o de un ciclista, cartografía de mediciones geolocalizadas (ruido, campo magnético) y una puerta natural hacia la relatividad, ya que los relojes de los satélites deben corregirse por efectos relativistas para que su posición sea correcta.
El barómetro: un metro de desnivel
El barómetro MEMS (presente solo en una parte de los modelos, entre ellos todos los iPhone recientes) mide la presión atmosférica mediante la deformación de una membrana, con sensibilidad suficiente para detectar un metro de desnivel: medir la altura de un edificio subiendo por las escaleras, altimetría barométrica y seguimiento meteorológico.
Sensores cotidianos: la física oculta de su teléfono
Una veintena de sensores viven realmente en un smartphone, e incluso los que no se utilizan para la medición científica ilustran hermosos principios físicos, todos dignos de un debate en clase.
El LiDAR (en los modelos recientes de gama alta) emite pulsos láser y mide su tiempo de vuelo para cartografiar el espacio en 3D, el principio del telémetro, utilizado desde la arqueología hasta el reconocimiento facial. El sensor de proximidad combina un emisor y un receptor de infrarrojos: si la oreja se acerca a menos de 5 cm, la luz reflejada se detecta y la pantalla se apaga. La pantalla táctil capacitiva es un sensor por derecho propio: el dedo modifica localmente el campo eléctrico de una capa conductora, de modo que cada toque es una medición de capacidad. El lector de huellas dactilares existe en tres tecnologías (óptica, capacitiva y ultrasónica, la más segura). Los termómetros internos vigilan la batería y el procesador, no el aire ambiente, y el higrómetro hizo una breve aparición (Galaxy S4 y S5, medición capacitiva del vapor de agua) antes de ser abandonado: dos ilustraciones de que un sensor integrado mide primero el teléfono y rara vez el mundo. Para las magnitudes ambientales, el sensor externo sigue siendo la respuesta adecuada.
Hasta los botones, sensores binarios probados con 100 000 pulsaciones en fábrica: el sensor más humilde puede ser el más indispensable.
Datos brutos, datos procesados: lo que su teléfono le oculta
El smartphone casi nunca entrega la señal física desnuda. El magnetómetro se recalibra permanentemente (el secreto de la brújula inmune a los imanes), la aceleración lineal es una magnitud calculada por fusión de sensores (el sistema combina permanentemente acelerómetro, giroscopio y magnetómetro en un sensor virtual de orientación), la cámara ajusta automáticamente la exposición y el balance de blancos, el micrófono aplica a veces una reducción de ruido, y el sonómetro por software trabaja en términos relativos a falta de una calibración absoluta. Comprender lo que separa la señal del sensor del valor mostrado (calibración, fusión, filtrado, ruido de medida) es una de las lecciones más valiosas que ofrecen estos instrumentos: una medición nunca es una verdad, es una señal procesada.
Lo que los sensores internos no pueden medir
Un inventario honesto tiene columnas vacías. La temperatura del aire o de un líquido (las sondas internas vigilan el teléfono, no el mundo), la tensión y la corriente, el pH y la química de las soluciones más allá de la colorimetría indirecta, la radiactividad (a pesar de lo que afirman algunas aplicaciones) y cualquier medición de precisión con certificación metrológica. Para estas magnitudes, la respuesta es un sensor externo Bluetooth, que es exactamente el papel de FizziQ Connect (temperatura, pH, CO₂, tensión, partículas), o un microcontrolador (micro:bit, Arduino, ESP32) construido por los propios estudiantes.
En resumen
Veinte sensores físicos, cincuenta instrumentos de software, la mayor parte del programa de secundaria cubierto: el smartphone es un multímetro para el mundo real. Su lección más profunda va más allá de cualquier medición concreta: entre el fenómeno y el número mostrado hay un sensor, una conversión, un procesamiento y una incertidumbre. Eso es exactamente lo que un científico debe aprender a cuestionar.
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Preguntas frecuentes (FAQ)
¿Cuántos sensores hay en un smartphone? Hasta una veintena. Prácticamente todos los modelos incluyen acelerómetro, giroscopio, magnetómetro, micrófono, cámara, sensor de luz ambiental, sensor de proximidad, pantalla táctil y GPS; el barómetro, el LiDAR y el lector de huellas dactilares solo se encuentran en algunos dispositivos.
¿Cuál es la diferencia entre un sensor y un instrumento de medición? El sensor es el componente físico que convierte un fenómeno en una señal eléctrica; el instrumento es el software que transforma esa señal en una medición. Un único acelerómetro alimenta así un acelerómetro de 3 ejes, un inclinómetro y un podómetro.
¿Son exactos los sensores del smartphone? Sí, para la mayoría de los usos escolares y mucho más allá: aceleración a 0,01 m/s², frecuencias sonoras al hercio, campo magnético a 0,2 µT. Publicaciones académicas han validado estos sensores para trabajos prácticos de nivel universitario.
¿Por qué el acelerómetro indica 9,81 m/s² en reposo? Porque mide la aceleración absoluta, que incluye la reacción a la gravedad: su masa interna es sostenida por sus resortes frente a la atracción de la Tierra. La aceleración lineal, calculada por el teléfono, resta esta componente e indica cero en reposo.
¿Puede un smartphone medir la temperatura? No: las sondas internas miden la temperatura de la batería y del procesador, no la del aire. Se necesita un sensor externo Bluetooth, por ejemplo a través de FizziQ Connect.
¿Cómo sabe el teléfono dónde está el norte a pesar de sus propios imanes? El sistema recalibra permanentemente el magnetómetro para restar los campos fijos del teléfono y de su entorno inmediato; la brújula solo utiliza la componente terrestre.
¿Por qué mis mediciones difieren de las de otro teléfono? Cada modelo lleva sensores de fabricantes y generaciones distintos, con sus propias calibraciones. Comparar mediciones entre dispositivos es un excelente ejercicio de laboratorio sobre dispersión e incertidumbre.
¿Necesitan los sensores una conexión a internet? No, todos funcionan en modo avión. Solo el GPS necesita recibir los satélites, pero ninguna red móvil.
Para seguir leyendo: este artículo forma parte de nuestra guía completa para medir y analizar el sonido con un smartphone o un ordenador.