Octavo Básico: Educación Tecnológica

 

Anexo 3: Ejemplos de funcionamiento de algunos objetos tecnológicos

En esta sección se señala de manera sencilla y breve el funcionamiento de algunos objetos tecnológicos.

Para obtener mayor información diríjase al siguiente sitio web: www.howthingswork.com o www.howstuffworks.com

1. Tostador de pan

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Este es un modelo básico de tostador para dos rebanadas de pan.

El modelo que se presenta a continuación posee un selector para el nivel de tostado del pan y un modo de descongelación:

La idea básica del funcionamiento de un tostador es simple. El tostador usa la radiación infrarroja para calentar una pieza de pan. Cuando se introduce una rebanada de pan se puede ver un alambre enrollado que brilla y se torna de color rojo. Este alambre enrollado es el que produce la radiación infrarroja.

La forma más común de producir radiación infrarroja es usando un alambre de nicrom envuelto alrededor de una lámina de mica.

El alambre de nicrom es una aleación de níquel y cromo, la que tiene dos características que lo hacen un buen disipador de calor:

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El elemento que calienta del tostador es un alambre de nicrom enrollado sobre una lámina de mica.

• El alambre de nicrom tiene una resistencia bastante alta comparada con el alambre de cobre; aun cuando sea un trozo corto, tiene la suficiente resistencia para producir bastante calor.

• El nicrom es una mezcla que no se oxida cuando se calienta. Un alambre de fierro podría oxidarse rápidamente a las temperaturas que alcanza un tostador.

Un tostador simple puede tener dos láminas de mica con alambre de nicrom enrollado, y separadas de manera de dejar una ranura de unos 2,5 cm de ancho. Los alambres de nicrom pueden ir conectados directamente a un enchufe. Para tostar el pan en este caso:

• Usted debería insertar una pieza de pan en la ranura.

• Enchufar el tostador y mirar el pan.

• Cuando el pan esté tostado, debería desenchufar el tostador.

• Entonces, ¡usted debería voltear el tostador para sacar su tostada!

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Visión superior de la ranura.

La mayoría de las personas no tienen tanta paciencia, por lo cual un tostador normalmente incluye otras dos características:

1. Un resorte comprimido conectado a una bandeja hace saltar la tostada hacia fuera, lo que evita tener que dar vuelta el tostador al revés.

2. Un temporizador que desconecta automáticamente el tostador y al mismo tiempo libera la bandeja haciendo saltar la tostada.

En la imagen de la derecha se muestra la ranura de un tostador típico: dos láminas de mica/nicrom a cada lado de la ranura; un soporte de metal que sube y baja en el fondo de la ranura para levantar o hundir el pan.

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La imagen muestra el mecanismo de la manija.

Muchos tostadores incluyen un par de rejillas a cada lado de la rendija. Las rejillas presionan el pan y lo centran. Dos resortes de metal empujan la bandeja cuando se acerca al fondo de la ranura o rendija, tirando las rejillas hacia el interior.

Las bandejas en cada ranura están conectadas a la manija que usted presiona para bajar el pan en el tostador, como se muestra en la figura de la izquierda:

Cuando usted empuja la manija hacia abajo, tienen que suceder tres hechos:

1. Se necesita una cierta clase de mecanismo para sujetar la manija debajo, de manera de mantener la tostada dentro del tostador por un período del tiempo determinado.

2. Se necesitan los alambres de nicrom conectados a la energía eléctrica.

3. Una cierta clase de temporizador que libere la bandeja en el tiempo apropiado, haciendo que la tostada salte hacia arriba.

En este tostador particular, el mecanismo del asentamiento y el interruptor son parte de la manija:

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Placa plástica asociada a la tostada que baja la palanca.
Cuando se baja la barra, la lengüeta de metal entra en contacto con el electroimán.

En la imagen anterior se puede ver una barra plástica y un pedazo de metal asociado a la manija. La barra plástica presiona un par de contactos en la tarjeta de circuito para aplicar la diferencia de potencial a los alambres del nicrom, y el pedazo de metal consigue, atraído por un electroimán, sujetar la tostada abajo.

Se puede ver los contactos (tiras de cobre a la derecha) y el electroimán (bloque a la izquierda) en la siguiente imagen:

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Circuito del tostador.

Las siguientes dos imágenes muestran cómo la barra plástica aplica la diferencia de potencial al tostador. En la figura subsiguiente la barra plástica está simulada por un lápiz, y se puede observar cómo empuja apartando los contactos:

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Tarjeta de circuito del tostador mostrando los contactos eléctricos.
Tarjeta de circuito del tostador con los contactos

En este tostador, el mecanismo completo trabaja de la siguiente manera:

• Cuando usted empuja la manija hacia abajo, la barra plástica presiona contra los contactos y plica la diferencia de potencial a la tarjeta de circuito.

• La diferencia de potencial de 120 volts se ejecuta directamente a través de los contactos a los alambres de nicrom para comenzar a tostar el pan.

• Un circuito simple compuesto de transistores, resistencias y condensadores gira y provee energía al electroimán.

• El electroimán atrae el pedazo de metal en la manija, manteniendo el pan en el tostador.

• El circuito simple actúa como un temporizador. Un condensador se carga a través de una resistencia y, cuando alcanza cierto voltaje, corta la energía al electroimán. El resorte tira inmediatamente las dos rebanadas del pan hacia arriba.

• En el proceso, la barra plástica se levanta y corta la energía al tostador.

En este tostador el control del grado de tostado es simplemente una resistencia variable. Al cambiar la resistencia, cambia la cantidad en la cual el condensador carga, y éste controla cuánto tiempo el temporizador espera antes de que se libere el electroimán.

Algunos tostadores sofisticados utilizan una tira bimetálica para desconectar el electroimán.

Mientras que la tira se calienta (debido al aumento de temperatura dentro del tostador), se dobla y conecta un interruptor que suprime la energía al electroimán. El acercamiento de la tira bimetálica tiene dos problemas:

• Si la cocina es fría, el primer pedazo de tostada será más oscuro que el resto.

• Si intenta hacer un segundo tratamiento a la tostada, será demasiado breve porque el tostador ya está caliente.

El circuito electrónico en el tostador que se ha estudiado proporciona una tostada mucho más constante.

2. Lector de CDs

Los CDs y DVDs se encuentran actualmente en todas partes. Se usan para almacenar música, datos o software, se han convertido en el medio estándar para distribuir cantidades grandes de información en un dispositivo confiable. Los discos compactos son fáciles y baratos de producir. Y si se tiene un computador y los CD-R, se puede crear un CD propio, incluyendo cualquier información que se desee.

En un CD se puede grabar hasta 74 minutos de música, de esta forma, la cantidad total de los datos digitales que se deben guardar en un disco compacto son:

44.100 samples/canal/segundo * 2 bytes/samples * 2 canales * 74 minutos * 60 segundos/minuto = 783.216.000 bytes.

Para grabar estos más de 783 megabytes sobre un disco de solamente 12 centímetros de diámetro se requiere que los bytes individuales sean muy pequeños. Al examinar la construcción física de un CD se puede comenzar a entender cuán pequeños son.

Un disco compacto es una pieza bastante simple de plástico, de cerca de 1,2 milímetros de espesor.

La mayoría de los discos compactos consisten en una pieza de plástico claro (policarbonato) moldeada por inyección. Durante la fabricación, este plástico es impreso con “montículos” o levantamientos microscópicos dispuestos como una sola pista espiral, continua, y extremadamente larga de datos. Volveremos a los levantamientos en un momento. Una vez que la pieza de policarbonato se forma, se esparce sobre el disco una capa de aluminio fina reflexiva, cubriendo los levantamientos.

Luego una capa de acrílico fina se rocía sobre el aluminio para protegerlo. La escritura de la etiqueta se imprime sobre el acrílico. Una sección transversal de un disco compacto completo (no está a escala) aparece como sigue:

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Sección transversal de un disco compacto.

Un CD tiene una sola pista espiral de datos, circulando del interior del disco al exterior. El hecho de que la pista espiral comience en la mitad del radio hace que el CD pueda ser más pequeño que los 12 centímetros deseados.

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La imagen de la izquierda aún no comienza a impresionar sobre cómo es increíblemente pequeña la pista de datos: tiene aproximadamente 0,5 micrones de ancho, con 1,6 micrones de separación entre una pista y la siguiente. (Un micrón es una millonésima de metro.)

Y los levantamientos alargados que levantan la pista tienen cada uno 0,5 micrones de ancho, un mínimo de 0,83 micrones de largo y 125 nanómetros de alto. (Un nanómetro es una billonésima de metro).

Mirando la capa de policarbonato los levantamientos se pueden ver como la imagen siguiente:

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Seguramente ha leído a menudo sobre “huecos” en un CD en vez de levantamientos. Aparecen como huecos sobre la cara de aluminio, pero en la cara que lee el láser son levantamientos.

Pese a las dimensiones increíblemente pequeñas, los levantamientos hacen que la pista espiral en un CD sea extremadamente larga. Si se pudiese levantar la pista de datos de un CD y estirarla en línea recta, tendría 0,5 micrones de ancho y más de 56 kilómetros de largo.

Para poder leer algo en este pequeño camino se necesita un mecanismo de lectura del disco increíblemente preciso.

¿Cómo funciona el lector de discos compactos?

El lector de discos compactos tiene el trabajo de encontrar y de leer los datos grabados como levantamientos en el CD. Considerando lo pequeño que son los levantamientos, el lector de CD es una pieza excepcionalmente precisa del equipo.

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Interior de un lector de discos  compactos.

El mecanismo lector consiste en tres componentes fundamentales:

• Un motor impulsor para hacer girar el disco. Este motor impulsor se controla de manera exacta para girar entre 200 y 500 r.p.m. dependiendo de las pistas que esté leyendo.

• Un láser y un sistema de lentes para enfocar los levantamientos y leerlos.

• Un mecanismo que puede mover el ensamblaje del láser (sistema de tracking) de modo que el rayo pueda seguir la pista espiral. Este sistema tiene que poder mover el láser en desplazamientos del orden del micrón.

 

Dentro del lector de CDs, hay un buen grado de tecnología computacional involucrada en la formación de los datos en bloques de datos comprensibles y en el envío de éstos al DAC (en el caso de un audio CD) o al computador (en el caso de un CD-ROM).

El trabajo fundamental del lector de CD es enfocar el láser en la pista de levantamientos. El rayo láser pasa a través de la capa del policarbonato, se refleja en la capa de aluminio y golpea un dispositivo optoelectrónico que detecta cambios en la luz. Los levantamientos reflejan la luz de forma diferente que “los planos” (el resto de la capa de aluminio), y el sensor optoelectrónico detecta estos cambios en la luz reflejada. Los elementos electrónicos interpretan los cambios en la reflexión para leer los bits que van constituyendo los bytes.

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El láser se mantiene centrado en la pista de datos. Éste es el trabajo que realiza el sistema de tracking que hace, además, que el láser siga el camino espiral de la información en el disco. Por lo tanto, el sistema de tracking tiene que mover continuamente el láser hacia fuera. Mientras que el láser se mueve hacia afuera desde el centro del disco, los levantamientos pasan por el láser más rápidamente (esto sucede porque la velocidad lineal, o tangencial, de los levantamientos es igual al radio por la velocidad a la cual el disco está girando (r.p.m.)). Por lo tanto, como el láser se mueve hacia fuera, el motor que hace girar el disco debe retardar la velocidad del CD. De esta manera, los levantamientos pasan por el láser a una velocidad constante, y los datos salen del disco también de forma constante.

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3. Termo

La mayoría de la gente tiene o está familiarizada con el termo. Un termo puede mantener la temperatura de los alimentos que contiene, sean fríos o calientes.

En este apartado se aprenderá cómo trabaja un termo.

La transferencia térmica

Digamos que se toma un vaso con hielo y un tazón de sopa caliente y se dejan en la mesa de la cocina. Ya se sabe qué sucederá. El tazón de sopa se enfriará hasta alcanzar la temperatura ambiente, y el vaso con cubos de hielo se calentará a la temperatura ambiente. Éste es un hecho termodinámico de la vida: si se tiene cualesquiera dos objetos con diversas temperaturas juntos en un sistema cerrado, alcanzarán la misma temperatura por transferencia térmica. De esta forma, la habitación de la cocina y la sopa alcanzarán la misma temperatura por el proceso del transferencia de calor: el cuarto consigue estar levemente más caliente y el tazón de sopa se enfría mucho.

Si se desea mantener el tazón de sopa tan caliente como sea posible –es decir, si se desea retrasar el proceso natural del transferencia térmica al máximo– entonces, se deben retrasar los tres procesos que causan la transferencia de calor. Estos procesos son los siguientes:

Conducción: El calor está asociado al movimiento atómico. En el cero absoluto de temperatura no hay movimiento atómico. Pero apenas los átomos consiguen calentarse se mueven. Se transfiere el calor cuando un átomo interactúa con otro. Cuando sucede esto, es como las bolas del billar que chocan: el segundo átomo recoge algo del movimiento del primer átomo. El calor es transferido mediante estas colisiones. El mejor ejemplo de este fenómeno sería tomar una barra del metal y calentar un extremo de ella. El otro extremo conseguirá calentarse mediante el fenómeno de conducción. Cuando usted pone una cacerola del metal en la cocina, el interior de la cacerola consigue calentarse por la conducción del calor a través del metal en el fondo de la cacerola. Algunos materiales (como los metales) son mejores conductores del calor que otros (por ejemplo, plásticos).

Radiación: Otro efecto secundario del movimiento atómico es la vibración, y la vibración conduce al fenómeno inesperado de la radiación infrarroja. Según la Enciclopedia Británica, la “radiación infrarroja es absorbida y emitida mediante las rotaciones y las vibraciones de los átomos o grupos de átomos y así por muchas clases de materiales”. La radiación infrarroja es una forma de luz. Nuestros ojos no pueden ver el infrarrojo, pero nuestra piel puede sentirlo. Alrededor de la mitad de toda la energía del sol que nos alcanza viene en forma de radiación infrarroja invisible.

El infrarrojo, como la luz visible, es reflejado por los espejos y absorbido mejor por los objetos negros. Cuando se absorbe el infrarrojo da lugar al movimiento atómico y, por lo tanto, a una elevación de la temperatura. Algunos ejemplos comunes del infrarrojo: el calor que se siente de un calentador eléctrico o un pedazo candente de metal, la sensación de calor que se siente de los ladrillos en una chimenea incluso si se ha apagado el fuego, la sensación de calor que se siente de una pared de concreto después de que se ha escondido el sol.

Convección: La convección es una característica de líquidos y gases. Ocurre porque, cuando un líquido o un gas consigue calentarse, tiende a levantarse sobre el resto del líquido o del gas que está más frío. Así pues, si se tiene un tazón de sopa caliente, se calienta la capa de aire que rodea el tazón. Esa capa entonces, se eleva porque está más caliente que el aire circundante. El aire frío completa el espacio que deja libre el aire caliente que se ha levantado. Este aire frío nuevo se calienta y sube, y entonces, se comienza a repetir el ciclo. Es posible acelerar la convección soplando en la sopa caliente para enfriarla. Si el fenómeno de convección no existiera, la sopa permanecería mucho más tiempo caliente, porque el aire es bastante mal conductor del calor.

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Los tres procesos ocurren simultáneamente cuando se realiza una fogata.

Se necesita probablemente estar parados por lo menos a unos 6 metros de una hoguera grande como ésta. Lo que nos mantiene lejos de la fogata es el calor que irradia del fuego en forma de radiación infrarroja. Las llamas y el humo suben por la convección: el aire que está alrededor del fuego se calienta y se levanta. La tierra, hasta 1 metro debajo del fuego, está caliente, y esto se debe a la conducción.

Para construir buenos termos es necesario reducir estos tres fenómenos de traspaso térmico tanto como sea posible.

Una forma de construir un termo sería tomando un tarro y envolverlo, por ejemplo, con espuma aislante. El aislante trabaja gracias a dos principios. Primero, el plástico de la espuma no es un buen conductor del calor. En segundo lugar, el aire atrapado en la espuma es un conductor del calor incluso peor. De esta forma la conducción se reduce bastante. Debido a que el aire está separado en burbujas minúsculas, otra cosa que se elimina en gran parte dentro de la espuma es la convección.

La transferencia de calor a través de la espuma es por lo tanto bastante pequeña.

Sin embargo, hay un aislante mejor que la espuma: el vacío. En el vacío hay carencia de átomos. Un “vacío perfecto” no contiene ningún átomo. Es casi imposible crear un vacío perfecto, pero se puede conseguir algo cercano. Sin los átomos se elimina la conducción y convección totalmente. Lo que se encuentra en un termo es un vaso de vidrio de paredes dobles entre las cuales hay vacío. En la figura se puede observar el vacío en el vaso de vidrio.

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El vaso de vidrio es frágil, así que se encaja en un soporte de plástico o de metal. En muchos termos se puede destornillar y quitar completamente este vaso de vidrio.

El vidrio se platea para reducir la radiación infrarroja. La combinación del vacío y el baño de plata reducen en gran medida la transferencia de calor por convección, conducción y radiación.

¿Por qué las cosas calientes en los termos igual se enfrían?

En la figura se pueden observar dos caminos para la transferencia de calor. El mayor es la tapa. El otro, es el hecho de que el vidrio proporciona un camino para la conducción, en la tapa del frasco donde las paredes internas y externas se juntan. Aunque la transferencia de calor a través de estos caminos es pequeña, no es nula.

¿Los termos saben si el líquido que tienen dentro está caliente o frío?

No. Todos los termos hacen una transferencia térmica a través de sus paredes desde o hacia el líquido. Eso mantiene el fluido a una temperatura casi constante por un período largo de tiempo (ya sea caliente o frío).