Investigaciones infrarrojas

Materiales de Construcción (para cada equipo)

Materiales Requeridos

• Un conjunto de materiales para cada equipo de estudiantes:
  • Papel negro
  • White paper
  • Láminas de papel de aluminio (lisas)
  • Varios pequeños espejos
  • CD o DVD
  • Cinta aislante o cinta adhesiva negra
  • Linterna
  • Envoltura de plástico
  • Vaso de plástico transparente
  • Agua
  • Colorante alimenticio
  • Leche u otro líquido no transparente

Materiales de Prueba

• Televisor y mando a distancia

Materiales

• Televisor y mando a distancia

Proceso

Los equipos prueban sus predicciones sobre interferencia o extensión de infrarrojos haciendo rebotar el infrarrojo del control remoto en algunos o todos los siguientes materiales para ver si todavía controla el televisor:

• White paper
• Papel negro
• Lámina plana
• Lámina arrugada
• Envoltura de plástico
• Una mano
• CD
• Vaso de agua
• Vaso de leche
• Vaso de agua coloreada
• Cinta eléctrica negra

A continuación, los estudiantes usarán espejos para redirigir el infrarrojo a la vuelta de la esquina o hacia otra habitación.

Luego, los estudiantes pueden probar el efecto de usar una linterna en un ángulo de 90 grados y en paralelo con el rayo infrarrojo del televisor. Los estudiantes deben anotar sus resultados en la hoja de trabajo del estudiante.

Reto de Diseño

Ustedes son un equipo de ingenieros que se han enfrentado al desafío de diseñar un plan para operar un televisor desde un control remoto por infrarrojos que está a la vuelta de una esquina o en otra habitación.

Criterios

• Utilice un rayo infrarrojo de control remoto para probar el reflejo del rayo en los objetos.
• Utilice un espejo para dirigir el rayo infrarrojo hacia la esquina o hacia otra habitación.

Limitaciones

• Utilizar solo los materiales proporcionados.

1. Divida la clase en equipos de 2-3.
2. Reparta la hoja de trabajo Investigaciones infrarrojas.
3. Discutan los temas de la sección Conceptos Básicos.
4. Revise el Proceso de Diseño de Ingeniería, el Desafío de Diseño, los Criterios, las Limitaciones y los Materiales.
5. Proporcione a cada equipo sus materiales.
6. Explique que los estudiantes van a probar las limitaciones de la tecnología infrarroja en un control remoto usando varios materiales para reflejar el rayo infrarrojo fuera del material y de regreso a un televisor. Luego, usarán un espejo para dirigir el rayo infrarrojo hacia la esquina o hacia otra habitación para operar el televisor.
7. Anuncie la cantidad de tiempo que tienen para diseñar y construir (se recomienda 1 hora).
8. Utilice un temporizador o un cronómetro en línea (función de cuenta atrás) para asegurarse de mantener el tiempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dé a los estudiantes “avisos de tiempo” regulares para que se mantengan concentrados. Si tienen dificultades, hágales preguntas que los llevarán a una solución más rápido.
9. Los estudiantes se reúnen y desarrollan un plan para usar los materiales para reflejar el rayo infrarrojo. Hacen predicciones sobre los resultados y los documentan.
10. Los equipos prueban sus predicciones sobre interferencia o extensión de infrarrojos haciendo rebotar el infrarrojo del control remoto en algunos o todos los siguientes materiales para ver si todavía controla el televisor:
    • White paper
    • Papel negro
    • Lámina plana
    • Lámina arrugada
    • Envoltura de plástico
    • Una mano
    • CD
    • Vaso de agua
    • Vaso de leche
    • Vaso de agua coloreada
    • Cinta eléctrica negra

    A continuación, los estudiantes usarán espejos para redirigir el infrarrojo a la vuelta de la esquina o hacia otra habitación.

    Luego, los estudiantes pueden probar el efecto de usar una linterna en un ángulo de 90 grados y en paralelo con el rayo infrarrojo del televisor. Los estudiantes deben anotar sus resultados en la hoja de trabajo del estudiante.

11. Los equipos deben documentar los resultados frente a sus predicciones.
12. Como clase, discuta las preguntas de reflexión de los estudiantes.
13. Para obtener más contenido sobre el tema, consulte la sección "Explora Más."

Reflexión Estudiantil (cuaderno de ingeniería)

1. ¿Qué resultado sorprendió más a su equipo? ¿Por qué?
2. Según su investigación, si su equipo de ingeniería estuviera considerando usar infrarrojos para controlar un sistema submarino, ¿aceptaría incorporar infrarrojos? ¿Por qué? ¿Por qué no?
3. ¿Y en el espacio? ¿Por qué? ¿Por qué no?
4. ¿Por qué cree que los ingenieros necesitan probar los componentes que están considerando incorporar en un nuevo producto o sistema?
5. ¿Puede pensar en otras aplicaciones para las que su equipo de ingeniería crea que los controladores de infrarrojos podrían ser útiles?

La lección se puede realizar en tan solo 1 período de clase para estudiantes mayores. Sin embargo, para ayudar a los estudiantes a no sentirse apresurados y asegurar el éxito de los estudiantes (especialmente para los estudiantes más jóvenes), divida la lección en dos períodos para que los estudiantes tengan más tiempo para intercambiar ideas, probar ideas y finalizar su diseño. Realice las pruebas y el informe en el próximo período de clases.

Infrarrojos y sus aplicaciones

¿Qué es el infrarrojo?

La radiación infrarroja (IR) es una radiación electromagnética de una longitud de onda más larga que la de la luz visible, pero más corta que la de las ondas de radio. El nombre significa "debajo del rojo" (del latín infra, "abajo"), siendo el rojo el color de la luz visible de mayor longitud de onda. La radiación infrarroja abarca tres órdenes de magnitud y tiene longitudes de onda entre aproximadamente 750 nm y 1 mm.

La porción infrarroja del espectro tiene una serie de usos tecnológicos, incluida la adquisición de objetivos y el seguimiento por parte de los militares; detección de temperatura remota; comunicación inalámbrica de corto alcance; espectroscopía y pronóstico del tiempo. Los telescopios equipados con sensores infrarrojos se utilizan en astronomía infrarroja para penetrar regiones polvorientas del espacio, como las nubes moleculares; detectar objetos de baja temperatura, como planetas que orbitan estrellas distantes, y ver objetos muy desplazados al rojo de la historia temprana del universo.

A nivel atómico, la energía infrarroja provoca modos vibratorios en una molécula a través de un cambio en el momento dipolar, lo que la convierte en un rango de frecuencia útil para el estudio de estos estados de energía. La espectroscopia infrarroja es el examen de la absorción y transmisión de fotones en el rango de energía infrarroja, en función de su frecuencia e intensidad.

Aplicaciones infrarrojas en ingeniería

Los ingenieros incorporan tecnología infrarroja en una variedad de equipos y sistemas utilizados en muchas industrias. Los siguientes son solo algunos ejemplos.

Night Vision

Los infrarrojos se utilizan en equipos de visión nocturna cuando no hay suficiente luz visible para ver un objeto. La radiación se detecta y se convierte en una imagen en una pantalla, los objetos más calientes se muestran en diferentes tonos que los objetos más fríos, lo que permite a la policía y al ejército adquirir objetivos cálidos, como seres humanos y automóviles.

Espectroscopia

La espectroscopia de radiación infrarroja es el estudio de la composición de (generalmente) compuestos orgánicos, descubriendo la estructura y composición de un compuesto basándose en el porcentaje de transmitancia de radiación IR a través de una muestra.

Satélites meteorológicos

Los satélites meteorológicos equipados con radiómetros de exploración producen imágenes térmicas o infrarrojas que luego pueden permitir a un analista capacitado determinar la altura y los tipos de nubes, calcular las temperaturas de la tierra y del agua superficial y localizar las características de la superficie del océano.

Aplicaciones espaciales

Los astrónomos observan objetos en la porción infrarroja del espectro electromagnético utilizando componentes ópticos, incluidos espejos, lentes y detectores digitales de estado sólido.

Aplicaciones de calefacción

La radiación infrarroja se utiliza en saunas de infrarrojos para calentar a los ocupantes y para eliminar el hielo de las alas de los aviones (deshielo). También está ganando popularidad como método para calentar pavimentos de asfalto en su lugar durante una nueva construcción o en la reparación de asfalto dañado. El infrarrojo se puede utilizar para cocinar y calentar alimentos, ya que solo calienta objetos opacos y absorbentes y no el aire que los rodea, si no hay partículas en él.

Equipo de termografía

La termografía infrarroja es un método de prueba no destructivo y sin contacto que utiliza una cámara termográfica para detectar, mostrar y registrar patrones térmicos y temperaturas en la superficie de un objeto. La termografía se usa ampliamente en la aplicación de la ley, la extinción de incendios, la búsqueda y rescate y las ciencias médicas y veterinarias.

Dispositivos de comunicaciones

La transmisión de datos por infrarrojos también se emplea en comunicaciones de corto alcance entre periféricos de computadora y asistentes digitales personales. Los controles remotos y los dispositivos IrDA utilizan diodos emisores de luz infrarroja (LED) para emitir radiación infrarroja que se enfoca mediante una lente de plástico en un haz estrecho. El control remoto funciona mediante el uso de un haz de luz de baja frecuencia, tan bajo que el ojo humano no puede verlo. El haz se modula, es decir, se enciende y se apaga, para codificar los datos. Los infrarrojos no penetran en las paredes y, por lo tanto, no interfieren con otros dispositivos en las habitaciones contiguas. El infrarrojo es la forma más común de que los controles remotos controlen los aparatos.

Avances de ingeniería en control remoto

Muchos métodos de control remoto  

El primer control remoto destinado a controlar un televisor fue desarrollado por Zenith Radio Corporation a principios de la década de 1950. El "control remoto" se llamaba extraoficialmente "Lazy Bones" y en realidad estaba conectado al televisor mediante un cable largo. Para mejorar la engorrosa configuración, en 1955 se desarrolló un control remoto inalámbrico llamado "Flashmatic" que funcionaba iluminando un haz de luz sobre una celda fotoeléctrica. Desafortunadamente, las celdas no distinguían entre la luz del control remoto y la luz de otras fuentes y el Flashmatic también requería que el control remoto apuntara con mucha precisión al receptor.

En 1956 se desarrolló el “Zenith Space Command”. Era mecánico y usaba ultrasonido para cambiar el canal y el volumen. Cuando el usuario presionó un botón en el control remoto, hizo clic y golpeó una barra. Esto explica por qué algunas personas solían llamar a los controles remotos el "clicker". Cada barra emitía una frecuencia diferente y los circuitos de la televisión detectaban este ruido. La invención del transistor hizo posible controles remotos electrónicos más baratos que contenían un cristal piezoeléctrico alimentado por una corriente eléctrica oscilante a una frecuencia cercana o superior al umbral superior de audición humana, aunque aún audible para los perros. El receptor contenía un micrófono conectado a un circuito que estaba sintonizado en la misma frecuencia. Algunos problemas con este método fueron que el receptor podría activarse accidentalmente por ruidos naturales, y algunas personas, especialmente mujeres jóvenes, podían escuchar las penetrantes señales ultrasónicas. Incluso hubo un incidente en el que un xilófono de juguete cambió los canales en este tipo de televisores, ya que algunos de los matices del xilófono coincidían con la frecuencia ultrasónica del control remoto.

A fines de la década de 1970, la mayoría de los controles remotos comerciales tenían un número limitado de funciones, a veces solo cuatro: estación siguiente, estación anterior, aumentar o disminuir el volumen. En ese momento, los ingenieros de la BBC comenzaron las conversaciones con uno o dos fabricantes de televisores, lo que condujo a los primeros prototipos alrededor de 1977-78 que podían controlar un número mucho mayor de funciones. ITT fue una de las empresas involucradas, y más tarde dio su nombre al protocolo ITT de comunicación por infrarrojos.

A principios de la década de 2000, la cantidad de dispositivos electrónicos de consumo en la mayoría de los hogares aumentó considerablemente. Según la Consumer Electronics Association, una casa estadounidense promedio tiene cuatro controles remotos. Para operar un sistema de cine en casa, se pueden requerir hasta cinco o seis controles remotos, incluido uno para el receptor de cable o satélite, VCR o grabadora de video digital, reproductor de DVD, TV y amplificador de audio.

Enlaces a Internet

• Nuestra galería de fotos del mundo infrarrojo
• Herschel y su descubrimiento de infrarrojos

Lectura Recomendada

• Ingeniería del mañana: los expertos en tecnología de hoy visualizan el próximo siglo (ISBN: 0780353625)
• Ciencias de la ingeniería (ISBN: 0750652594)
• Ciencias e ingeniería visuales (ISBN: 0824791851)

 Actividad de Escritura

Escriba un ensayo o un párrafo sobre cómo las técnicas de imágenes de calor que utilizan tecnología infrarroja han ayudado a las operaciones de rescate humano.

Alineación con los marcos curriculares

Nota: Los planes de lecciones de esta serie están alineados con uno o más de los siguientes conjuntos de estándares:

• S. Estándares de educación científica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Estándares de ciencias de la próxima generación (http://www.nextgenscience.org/)
• Estándares de Alfabetización Tecnológica de la Asociación Internacional de Educación Tecnológica (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Principios y estándares para las matemáticas escolares del Consejo Nacional de Maestros de Matemáticas (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Estándares Estatales Básicos Comunes para Matemáticas (http://www.corestandards.org/Math)
• Estándares de Informática de la Asociación de Maestros de Ciencias de la Computación K-12 (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Estándares Nacionales de Educación Científica Grados K-4 (de 4 a 9 años)

ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
• Comprensión de la investigación científica

ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de

• Propiedades de objetos y materiales
• Posición y movimiento de objetos
• Luz, calor, electricidad y magnetismo.

ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades de diseño tecnológico
• Comprensión de ciencia y tecnología.

ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de

• Ciencia y tecnología en desafíos locales

Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 5-8 (edades 10-14)

ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
• Comprensión de la investigación científica

ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas

Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de

• Transferencia de energía

ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología

Como resultado de las actividades en los grados 5-8, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades de diseño tecnológico
• Comprensión de ciencia y tecnología.

Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 9-12 (14-18 años)

ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
• Comprensión de la investigación científica

ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas

Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de

• Estructura y propiedades de la materia.
• Interacciones de energía y materia.

ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades de diseño tecnológico
• Comprensión de ciencia y tecnología.

ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de

• Ciencia y tecnología en desafíos locales, nacionales y globales

Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 2-5 (Edades 7-11)

Materia y sus interacciones

• 2-PS1-2. Analice los datos obtenidos al probar diferentes materiales para determinar qué materiales tienen las propiedades que se adaptan mejor al propósito previsto.

Diseño de ingeniería

Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:

• 3-5-ETS1-1. Defina un problema de diseño simple que refleje una necesidad o un deseo que incluya criterios específicos para el éxito y limitaciones de materiales, tiempo o costo.
• 3-5-ETS1-2. Genere y compare múltiples soluciones posibles a un problema basándose en qué tan bien es probable que cada una cumpla con los criterios y limitaciones del problema.
• 3-5-ETS1-3.Planificar y realizar pruebas justas en las que se controlen variables y se consideren puntos de falla para identificar aspectos de un modelo o prototipo susceptibles de mejora.

Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 6-8 (Edades 11-14)

Ondas y sus aplicaciones en tecnologías para la transferencia de información

Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:

• MS-PS4-2. Desarrolle y use un modelo para describir que las ondas se reflejan, absorben o transmiten a través de varios materiales.

Diseño de ingeniería

Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:

• MS-ETS1-1 Definir los criterios y limitaciones de un problema de diseño con suficiente precisión para asegurar una solución exitosa, teniendo en cuenta los principios científicos relevantes y los impactos potenciales en las personas y el medio ambiente natural que pueden limitar las posibles soluciones.
• MS-ETS1-2 Evaluar las soluciones de diseño de la competencia mediante un proceso sistemático para determinar qué tan bien cumplen con los criterios y limitaciones del problema.

Estándares de alfabetización tecnológica: todas las edades

La naturaleza de la tecnología

• Estándar 1: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las características y el alcance de la tecnología.
• Estándar 3: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las relaciones entre las tecnologías y las conexiones entre la tecnología y otros campos de estudio.

Tecnología y Sociedad

• Estándar 7: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de la influencia de la tecnología en la historia.

Diseño

• Estándar 9: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del diseño de ingeniería.
• Estándar 10: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la resolución de problemas, la investigación y el desarrollo, la invención y la innovación y la experimentación en la resolución de problemas.

Habilidades para un mundo tecnológico

• Estándar 11: Los estudiantes desarrollarán habilidades para aplicar el proceso de diseño.
• Estándar 13: Los estudiantes desarrollarán habilidades para evaluar el impacto de productos y sistemas.

El mundo diseñado

Estándar 17: Los estudiantes desarrollarán una comprensión y serán capaces de seleccionar y utilizar tecnologías de la información y la comunicación.

Usted es un equipo de ingenieros que se ha enfrentado al desafío de probar la tecnología infrarroja para comprender sus limitaciones y diseñar un plan para operar un televisor desde una esquina o en otra habitación.

Fase de investigación y predicción

1. Revise las diversas hojas de referencia para estudiantes para obtener más información sobre los infrarrojos y sus aplicaciones.
2. Trabajando como un equipo de “ingenieros”, discuta y haga predicciones sobre cómo los diferentes materiales afectarán el infrarrojo. ¿Qué pasaría si intentara hacer rebotar el infrarrojo en papel, papel de aluminio u otros materiales para ver si todavía controla el televisor?

Fase de prueba

1. Pruebe las predicciones de sus equipos sobre interferencia o extensión de infrarrojos haciendo rebotar el infrarrojo en papel, papel de aluminio u otros materiales para ver si todavía controla el televisor. También pruebe el efecto de usar una linterna en un ángulo de 90 grados y en paralelo con el rayo de la televisión. Anote sus resultados a continuación:

Notas:

Utilice esta hoja de trabajo para evaluar los resultados de su equipo:

1. ¿Qué resultado sorprendió más a su equipo? ¿Por qué?

2. Según su investigación, si su equipo de ingeniería estuviera considerando usar infrarrojos para controlar un sistema submarino, ¿aceptaría incorporar infrarrojos? ¿Por qué? ¿Por qué no?

¿Y en el espacio? ¿Por qué? ¿Por qué no?

3. ¿Por qué cree que los ingenieros necesitan probar los componentes que están considerando incorporar en un nuevo producto o sistema?

4. ¿Puede pensar en otras aplicaciones para las que su equipo de ingeniería crea que los controladores de infrarrojos podrían ser útiles?

Ustedes son un equipo de ingenieros a los que se les ha planteado el desafío de diseñar un plan para operar un televisor desde un control remoto por infrarrojos que está a la vuelta de una esquina o en otra habitación.

Planificación de equipo

1. Considere los resultados de su investigación y, en el cuadro a continuación, elabore un plan que crea que resolverá el desafío de la ingeniería. Asegúrese de hacer una lista de todos los materiales que necesitará.

Fase de prueba

1. Reúna el equipo que predijo que necesitaría y pruebe el plan de sus equipos.

Evaluar y reflexionar

1. ¿Funcionó tu plan? ¿Si no, porque no?

2. ¿Descubrió que necesitaba realizar cambios en su plan en la fase de prueba? (¿ya sea cambiando la ubicación de los artículos o agregando o quitando materiales?) Si es así, ¿cómo necesita cambiar su plan para lograr su objetivo?

3. ¿Qué sistemas que desarrollaron otros equipos le parecieron particularmente inteligentes? ¿Por qué?

4. ¿Puede pensar en una aplicación en la que un controlador deba estar en una habitación diferente a la del equipo que controla?

5. Reúnase en equipo y considere lo que le gustaría que pudiera hacer la próxima generación de controles remotos. ¿Qué mejoras de ingeniería serían necesarias para hacer realidad sus ideas?