La física tras el acelerómetro

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Los teléfonos móviles actuales, los conocidos smartphones, han sufrido una gran evolución y hace tiempo que ya no son únicamente dispositivos para hablar a distancia. Con el paso del tiempo se van ampliando sus funciones y capacidades, convirtiéndolos en potentes dispositivos que permiten hacer cosas muy diferentes de las que inicialmente se habían diseñado para ellos.

Pero para realizar estas nuevas funciones se requieren de determinadas características nuevas, que afectan a su construcción y sus componentes físicos internos. Este es el caso de los sensores que, con el paso del tiempo, han ido incrementando su número y variedad dentro de nuestros terminales.

Un sensor es un dispositivo que es capaz de medir magnitudes físicas (o químicas) y transformarlas en señales eléctricas. Existen infinidad de sensores, capaces de medir una gran variedad de magnitudes, como pueden ser la temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, presión, etc. Conocer el valor de estas magnitudes es de gran utilidad para muchísimos usos y áreas de aplicación y, por supuesto, al extender su utilidad, también en el ámbito de los smartphones.

Uno de los sensores que primero se incorporó a los teléfonos móviles y que ya, prácticamente, se nos antoja imprescindible es el acelerómetro. Pero ¿Qué es un acelerómetro y para qué sirve? Y es más ¿Cómo funciona?

El acelerómetro

Como su propio nombre indica, un acelerómetro es un dispositivo capaz de medir aceleraciones, es decir, la variación en la velocidad por unidad de tiempo. Existen diferentes tipos de acelerómetros en función del tipo de tecnología que utilicen para medir esa magnitud: mecánicos, piezoeléctricos, de condensador, etc.

Como no podemos medir las aceleraciones por observación directa, se deben calcular a partir de otras variables que sí se pueden medir y el conocimiento de las leyes que rigen sus efectos. Para comprenderlo más claramente vamos a ver el caso del acelerómetro mecánico. En él obtenemos la aceleración del sistema a partir de la masa y la observación de su desplazamiento.

Acelerómetro

Acelerómetro

En un acelerómetro mecánico se sitúa una masa (denominada masa sísmica) dentro de un armazón. Esta masa se encuentra suspendida mediante un mecanismo elástico, por ejemplo un muelle, de manera que aún pueda desplazarse desde su posición de equilibrio. Aquí entran en juego la Ley de la Elasticidad de Hooke y la Segunda Ley de Newton.

Ley de Hooke: El alargamiento unitario que experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Esto es F = k·x. (donde F es la fuerza aplicada, k la constante de elasticidad del muelle y x el desplazamiento de la masa sísmica).

Segunda ley de Newton: El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime. Esta es representada mediante la famosa ecuación F = m·a. (F: fuerza; m: masa, a: aceleración).

Lo que ocurre al aplicar una fuerza para desplazar el armazón, es que la masa sísmica, conectada a él mediante un material elástico (el muelle), se desplaza una distancia proporcional a la fuerza aplicada (ley de Hooke), que, a su vez, es proporcional a la aceleración aplicada al armazón (Segunda ley de Newton).

Como sabemos que el sistema debe obedecer las dos leyes y la fuerza en ambos casos es la misma, a partir de las ecuaciones podemos establecer que: m·a = k·x, con lo que, finalmente, a = (k/m)·x. Por lo tanto, se puede obtener el valor de la aceleración, ya que k es la constante de elasticidad del muelle (y que conocemos, ya que lo hemos puesto nosotros), m es la masa desplazada (la masa sísmica) y x la distancia desplazada, que podemos medir. Observa, además, que se cumple que la aceleración es proporcional al desplazamiento, siéndolo en un factor k/m.

Es importante destacar que este dispositivo tan sólo mide la aceleración en su eje longitudinal, es decir, en el que puede comprimirse y expandirse el muelle. Dado que vivimos en un mundo tridimensional, necesitaremos replicar este sistema en tres ejes ortogonales, es decir, perpendiculares entre sí (x, y, z). Con el valor esas tres componentes se puede calcular el valor de la aceleración en cualquier dirección espacial.

Acelerómetro con 3 ejes

Acelerómetro con 3 ejes

Los acelerómetros son ampliamente utilizados en ingeniería. Se utilizan generalmente para detectar las vibraciones en los sistemas y para aplicaciones de orientación.

Seguro que has pensado que parece muy difícil poder hacer este sistema mecánico tan pequeño que forme parte de nuestros modernos y miniaturizados teléfonos. Existen diferentes tipos de acelerómetros, que utilizan la misma idea pero diferentes fenómenos físicos, que hacen que cada uno de ellos resulte más idóneo para determinados usos.

El acelerómetro piezoeléctrico hace uso del efecto con el mismo nombre. Este efecto ocurre en determinados materiales, que, al ser sometidos a una presión y ser deformados (en una dirección) muestran una diferencia de potencial (o voltaje) en su superficie. De esta forma se obtiene una señal eléctrica proporcional a la presión aplicada.

En el caso de los acelerómetros capacitivos se crean “pequeños condensadores basculantes”. Un condensador es un componente electrónico que permite almacenar energía eléctrica entre dos placas conductoras separadas por un elemento no conductor (dieléctrico). La Capacitancia de un condensador viene dada, entre otros, por la distancia que separa las placas. Los acelerómetros capacitivos se construyen de manera que una de las dos placas de los condensadores pueda moverse de forma proporcional a la fuerza externa. De esta forma se obtienen variaciones en la señal eléctrica proporcionales a la fuerza aplicada y, por lo tanto, a la aceleración.

Esquema acelerometro capacitivo

Esquema acelerometro capacitivo

Los acelerómetros capacitivos, al ser electrónicos, pueden ser extremadamente pequeños y se pueden fabricar integrados en chips para soldar en placas de silicio, por ejemplo en tu Smartphone. Adicionalmente es necesario disponer de un software que sea capaz de interpretar las señales generadas por el acelerómetro. De esto se encarga Android, por ejemplo.

Como la fuerza de la gravedad actúa en todo momento y conocemos su valor (9,8 m/s2), es fácil utilizar los valores de cada eje del acelerómetro para determinar el ángulo de inclinación y, por tanto, la posición del dispositivo. De esta forma se puede mostrar el contenido con la orientación correcta y rotarla cuando ésta cambie. De la misma forma, las variaciones en sus valores pueden ser utilizadas como señal de entrada para aplicaciones, por ejemplo para simular un volante en los juegos de conducción.

Te dejo el siguiente vídeo en el que se muestra, de manera gráfica, todo de lo que te he hablado.

Hay multitud de aplicaciones en la Play Store que te permiten comprobar el funcionamiento de tu acelerómetro. Si quieres jugar con alguna de ellas y visualizar los valores proporcionados para cada eje, te puedo recomendar Sensor kinetics. Si pones el móvil en una superficie plana puedes comprobar como los ejes x e y se mantienen con valores muy próximos al 0, mientras que los valores del eje z rondan los 10 m/s2 de la gravedad.

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2 Responses to La física tras el acelerómetro

  1. Encantado de teneros de vuelta chicos 🙂

  2. Muchas gracias Roberto! 😛
    Un saludo.

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