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TRABAJO DE GRADO

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO VIRTUAL PARA LAS

PRÁCTICAS QUE MANEJA EL LABORATORIO PHYSILAB

CESAR AUGUSTO MELO RIVERA

JOHN ZAPATA PACHÓN

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE PEREIRA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y TELECOMUNICACIONES

PEREIRA, 2013.

TRABAJO DE GRADO

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO VIRTUAL PARA LAS

PRÁCTICAS QUE MANEJA EL LABORATORIO PHYSLAB

CESAR AUGUSTO MELO RIVERA

JOHN ZAPATA PACHÓN

Presentado Asesor: ING. JAMES ANDRÉS BARRERA MONCADA

Programa: Ingeniería de sistemas y telecomunicaciones

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE PEREIRA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y TELECOMUNICACIONES

PEREIRA, 2013.

TABLA DE CONTENIDO.

1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 1

2. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 3

3. SITUACIÓN PROBLEMA ............................................................................. 5

4. OBJETIVOS .................................................................................................. 6

4.1. Objetivo General ........................................................................................ 6

4.2. Objetivos Específicos ................................................................................. 6

5. MARCO TEÓRICO ........................................................................................ 7

5.1. Presentación de la física como disciplina del conocimiento. ...................... 7

5.2. Sobre los modelos Idealizados .................................................................. 8

5.3. Criterio fundamentales del laboratorio virtual – PHYSILAB. ....................... 8

5.4. El Modelo de Prototipo. ............................................................................ 12

5.5. FLASH CS5 .............................................................................................. 18

6. MOVIMIENTO RECTILINEO - UNIFORME Y UNIFORMEMENTE

ACELERADO (MRU Y MRUA) ............................................................................. 20

6.1. Definiciones fundamentales. .................................................................... 20

7. MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME. .................................................. 22

7.1. Principios fundamentales. ........................................................................ 22

7.2. Requerimientos del software .................................................................... 24

7.3. Restricciones. ............................................................................................. 26

7.4. Análisis de información ............................................................................ 27

7.5. Etapa diseño técnico ................................................................................ 27

7.6. Diagrama de casos de uso MRU. ............................................................ 28

7.7. Diagrama de actividades MRU. ................................................................ 29

7.8. Diagrama de despliegue con el SOFTWARE. .......................................... 30

7.9. DISEÑO FINAL MODELO UCP. - MRU .................................................... 31

8. MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORMEMENTE ACELERADO. .............. 33

8.1. Principios fundamentales. ........................................................................ 33

8.2. Requerimientos de Software .................................................................... 34

8.3. Restricciones ............................................................................................ 36

8.4. Etapa de Diseño Técnico. ........................................................................ 37

8.5. DIAGRAMA DE CASOS DE USO MRUA. ................................................ 38

8.6. DIAGRAMA DE ACTIVIDADES MRUA. ................................................... 39

8.7. DIAGRAMA DE DESPLIEGUE CON EL SOFTWARE. ............................ 40

8.8. DISEÑO FINAL MRUA ............................................................................. 41

9. SEGUNDA LEY DEL MOVIMIENTO ........................................................... 43

9.1. Definiciones fundamentales. .................................................................... 43

9.2. Requerimientos de Software .................................................................... 44

9.3. Etapa de Diseño Técnico ......................................................................... 46

9.4. DIAGRAMA DE CASOS DE USO CAIDA DE LOS CUERPOS LEY

MOVIMIENTO. ................................................................................................... 47

9.5. DIAGRAMA DE ACTIVIDADES “CAIDA DE LOS CUERPOS LEY

MOVIMIENTO” .................................................................................................. 48

9.6. DIAGRAMA DE DESPLIEGUE CON EL SOFTWARE. ............................ 49

9.7. DISEÑO FINAL CAÍDA LIBRE. ................................................................ 50

10. MESA DE FUERZAS CONCURRENTES. .................................................. 52

10.1. Principios fundamentales. ..................................................................... 52

10.2. Requerimientos Software. ..................................................................... 53

10.3. RESTRICCIONES. ............................................................................... 56

10.4. Etapa de Diseño Técnico. ..................................................................... 56

10.5. DIAGRAMA DE CASOS DE USO MESA DE FUERZAS

CONCURRENTES. ........................................................................................... 57

10.6. DIAGRAMA DE ACTIVIDADES MESA DE FUERZAS

CONCURRENTES. ........................................................................................... 58

10.7. DIAGRAMA DE DESPLIEGUE CON EL SOFTWARE. ......................... 59

10.8. DISEÑO FINAL MESA DE FUERZAS CONCURRENTES ................... 60

11. COMPLEMENTOS. ..................................................................................... 61

11.1. METODOLOGÍA. .................................................................................. 61

BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………….65

INDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1 Tópicos generativos proceso Physilab ................................................ 9

Ilustración 2 Arquitectura del sistema .................................................................. 10

Ilustración 3 Etapas del modelo prototipo ............................................................. 14

Ilustración 4 Ciclo del modelo prototipo ................................................................. 15

Ilustración 5 Prototipo operacional ........................................................................ 17

Ilustración 6 Modelo Inicial MRU ........................................................................... 27

Ilustración 7 Diseño final MRU. ............................................................................. 31

Ilustración 8 MRUA. .............................................................................................. 33

Ilustración 9 Diseño inicial modelo MRUA. ........................................................... 37

Ilustración 10 Diagrama de casos de uso MRUA .................................................. 38

Ilustración 11 Diagrama de actividad MRUA ......................................................... 39

Ilustración 12 Diagrama de despliegue MRUA ...................................................... 40

Ilustración 13 Diseño Final MRUA. ........................................................................ 41

Ilustración 14 Gráfico tercer ley del movimiento .................................................... 46

Ilustración 15 Caso de uso Caída de los cuerpos ................................................. 47

Ilustración 16 Diagrama de actividad Caída de los cuerpos .................................. 48

Ilustración 17 Diagrama de despliegue ................................................................. 49

Ilustración 18 Diseño final caída libre .................................................................... 50

Ilustración 19 Diseño inicial de fuerzas concurrentes. ........................................... 56

Ilustración 20 Casos de uso Mesa de fuerzas concurrentes ................................. 57

Ilustración 21 Diagrama de actividades Mesa de fuerzas concurrentes. ............... 58

Ilustración 22 Grafico final, mesa de fuerzas concurrentes. .................................. 60

INDICE DE TABLAS.

Tabla 1. Requerimientos funcionales MRU. .......................................................... 24

Tabla 2. Requerimientos de testing MRU .............................................................. 25

Tabla 3. Requerimientos funcionales VS requerimientos de testing MRU ............. 25

Tabla 4. Requerimientos funcionales MRUA ......................................................... 34

Tabla 5. Requerimientos de testing - MRUA.......................................................... 35

Tabla 6. Matriz de requerimientos Vs. Matriz de requerimientos de test ............... 35

Tabla 7. Requerimientos funcionales Caída de los cuerpos .................................. 44

Tabla 8. Requerimientos de testing Caída de los cuerpos .................................... 45

Tabla 9. Matriz de requerimientos Vs. Matriz de requerimientos de test ............... 45

Tabla 10. Requerimientos funcionales mesa de fuerzas concurrentes. ................. 53

Tabla 11. Requerimiento de testing, mesa de fuerzas concurrentes. .................... 54

Tabla 12. Matriz requerimientos Vs. Matriz requerimientos test, mesa de fuerzas concurrentes. ......................................................................................................... 54

RESUMEN:

El desarrollo de las Tecnologías de la Información y Comunicación ha permitido la implementación de instrumentos pedagógicos que han aportado de manera significativa al proceso de enseñanza – aprendizaje; en este escenario La Universidad Católica de Pereira adelanta en la actualidad la implementación del laboratorio remoto virtual para la enseñanza de la Física, “PHYSILAB”. Este proyecto está encaminado a apoyar los procesos de enseñanza – aprendizaje de los estudiantes de las diferentes ingenierías que ofrece la Universidad, en el presente documento se plantea la metodología utilizada para el desarrollo de cuatro de las prácticas que forman parte del laboratorio virtual de la Institución.

Palabras claves:

Laboratorio virtual, tecnologías de la información y la comunicación, movimiento rectilíneo, velocidad, aceleración, fuerza, leyes de Newton, vectores fuerzas concurrentes.

SUMMARY:

The development of information technology and communication have enabled the implementation of educational tools that have contributed significantly to the teaching - learning in this scenario The Catholic University of Pereira currently anticipates implementing the virtual remote laboratory for teaching of physics, known as "PHYSILAB". This project aims to support the teaching - learning of students of different engineering offered by the University, in this paper considers the methodology used for the development of four of the movements that are part of the virtual laboratory of the institution.

Keywords:

Virtual laboratory, information technology and communication, rectilinear motion,

velocity, acceleration, force, Newton's laws, vectors concurrent forces.

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1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo de nuevas tecnologías y el avance en las comunicaciones mediante la implementación de las TIC, han permitido que se desarrollen instrumentos que aportan a la formación de los nuevos profesionales. La creación de capacitaciones online, e-cursos y tutoriales virtuales forman parte de la gama de opciones que se encuentra hoy en día dispuesta para que los estudiantes puedan acceder a la oferta de formación disponible. La formación presencial debe observar, como alternativa de apoyo, las herramientas que los sistemas de comunicación y la tecnología hacen viables y -de cierta manera- necesarios.

Para la educación superior en Colombia existen diferentes retos que van desde la deserción escolar hasta la optimización de los recursos físicos y humanos que la componen. Es ahí donde las TIC juegan un papel preponderante al ofrecer alternativas mediante la implementación de sistemas de apoyo al aprendizaje; en particular en los programas de formación técnica como las ingenierías, en los que existen prácticas con equipos de laboratorios de Física, para desarrollar ejercicios de formación que debido a la demanda que este ejercicio requiere en términos de disposición de plantas físicas e implementos, hace que las instituciones deban realizar inversiones de alto costo que no siempre son posibles por aspectos presupuestales.

La exploración de nuevas estrategias que permitan encontrar el conocimiento es una de las fortalezas que tiene el desarrollo de instrumentos tecnológicos para la formación de profesionales en la actualidad.

La Universidad Católica de Pereira adelanta en la actualidad la implementación del laboratorio remoto virtual para la enseñanza de la Física, “PHYSILAB”. Este proyecto está encaminado a apoyar los procesos de enseñanza – aprendizaje de los estudiantes de las diferentes Ingenierías que ofrece la Universidad.

En el marco de desarrollo de estas actividades se considera viable realizar estudios y análisis que permitan adelantar acciones para la virtualización de procesos de laboratorio en el campo de la Física, específicamente en los movimientos rectilíneo uniforme, movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, caída de los cuerpos y segunda ley del movimiento.

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La investigación propuesta está divida en tres fases que permitirán cumplir a cabalidad con los objetivos planteados. La primera etapa tiene que ver con el levantamiento de requerimientos, conocer el comportamiento y los modelos de los procesos que permitan establecer los datos reales para su validación. Una vez adquirida esta información se procederá con la virtualización de los procesos y, de manera posterior, se integrarán finalmente en una interfaz virtual que permitan desarrollar, de manera remota, los ejercicios de laboratorio de Física en los fenómenos relacionados.

Las conclusiones estarán basadas en el resultado obtenido del desarrollo de la investigación y el registro de las actividades realizadas durante el proceso.

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2. JUSTIFICACIÓN

El desarrollo de las Tecnologías de la Información y Comunicación han permitido la implementación de instrumentos pedagógicos que han aportado de manera significativa al proceso de enseñanza – aprendizaje. Los laboratorios virtuales son uno de esos instrumentos de formación disponibles, como lo plantean Lorandi Medina, Hermida Sab, Hernández Silva, & Ladrón de Guevara Durán, “afortunadamente las nuevas tecnologías basadas en internet, la virtualización y la mejora tecnológica en servidores pueden ser utilizadas para suplir la carencia de laboratorios y además enriquecer el desarrollo de prácticas en espacios y entornos virtuales con características innovadoras” (Revista Internacional de Educación en

Ingeniería, 2011).

En lo que se refiere al diseño e implementación de laboratorios virtuales en algunas áreas de la Ingeniería, se destaca que los mismos surgieron a partir de la experimentación y medición en tiempo real de las características de dispositivos electrónicos básicos. Según Marchisio, Lerro, & Von Pamel, 2010:

“El primer desarrollo del mismo (Lerro y Protano – 2007) fue realizado en el marco de proyecto final de la carrera de ingeniería electrónica. La prioridad pasó entonces por el logro de un desarrollo de hardware y software de bajo costo que permitiera a un usuario conectado a internet desde cualquier PC con flexibilidad de modelos y con niveles de actualización no exigentes, la experimentación y medición, a distancia, de parámetros y el análisis, mediante curvas, de dispositivos reales”. 1

La implementación de los laboratorios virtuales ha sido objeto de análisis y pruebas que permiten establecer de manera clara características favorables estas características a las que se hace referencia a continuación son el pilar que fundamentan y motivan el desarrollo del presente trabajo.

Permite a un número mayor de estudiantes experimentar con un laboratorio de manera asíncrona que no coincidan en espacio.

1 Revista medios y educación; Empleo de un laboratorio remoto para promover aprendizajes

significativos en la enseñanza de los dispositivos electrónicos. Susana Marchisio, Federico

Lerro, Oscar Von Pamel.

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Acercar al estudiante al laboratorio mediante el uso de un navegador pudiendo experimentar sin riesgo y, además, permitiendo un horario completamente flexible para hacer sus prácticas.

Reduce los costos en instalación y mantenimiento de equipos en laboratorios tradicionales.

Promueve el autoaprendizaje mediante la posibilidad de acceso en cualquier tiempo y lugar, siempre y cuando tenga acceso a un navegador.

Por su puesto la implementación de los laboratorios virtuales tiene una serie de inconvenientes subsanables pero que consideramos vale la pena anotar:

Existen algunos procedimientos que sólo pueden ser realizados en un laboratorio tradicional.

Las redes de acceso permiten acceder a diferente información haciendo que el estudiante pueda distraerse o dedicarse exclusivamente a las actividades propuestas en el ejercicio del laboratorio virtual.

Pueden provocar una pérdida parcial en la visión de la realidad que se estudia.

El desarrollo e implementación de los laboratorios virtuales en diferentes áreas ha permitido de manera cierta, aportar en el mejoramiento de los procesos pedagógicos; el avance vertiginoso de la tecnología permite escenarios en los cuales se puede avanzar cada vez más en estos procesos, el presente proyecto se ha adelantado con el animo de utilizar las nuevas herramientas de la tecnología y la información para mejorar con ello los instrumentos disponibles en el proceso enseñanza – formación.

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3. SITUACIÓN PROBLEMA

Existe en la Universidad Católica de Pereira una alta demanda por parte de los estudiantes de los programas de formación académica que requieren el acceso a laboratorios tradicionales de Física, esta alta demanda en ocasiones no puede ser atendida completamente debido a los siguientes aspectos:

Espacios reducidos que impiden el trabajo simultáneo a diferentes grupos de estudiantes.

Pérdida y/o daños en implementos que son utilizados para el desarrollo de ejercicios en las diferentes asignaturas.

Falta de alternativas de formación que permitan el acceso a un mayor número de estudiantes a la capacitación en laboratorios

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4. OBJETIVOS

4.1. Objetivo General

Desarrollar un laboratorio virtual que permita recrear y simular las prácticas de los fenómenos físicos de movimiento rectilíneo uniforme, movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, caída de los cuerpos y segunda ley del movimiento del laboratorio Physilab.

4.2. Objetivos Específicos

Identificar los requerimientos del software que permitan la virtualización de cada experimento de acuerdo con las necesidades de las prácticas.

Analizar los diferentes aspectos que permitan diseñar una solución software que lleve al cumplimiento de los requerimientos.

Diseñar un sistema de software que permita recrear ambientes reales de trabajo en cada una de las prácticas.

Implementar plataformas y programas requeridos para el funcionamiento adecuado de los fenómenos físicos.

Probar y verificar el desarrollo de los procesos y el funcionamiento correcto de las fases para el desarrollo de las prácticas.

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5. MARCO TEÓRICO

5.1. Presentación de la física como disciplina del conocimiento.

La Física es una ciencia dedicada a la comprensión de los fenómenos naturales que ocurren en el universo; el objetivo principal es establecer modelos analíticos basados en leyes fundamentales que predigan el comportamiento de la materia y la energía. Las mismas buscan precisamente describir los resultados de observaciones experimentales y de mediciones cuantitativas de los procesos reales. La relación entre la Física y la Ingeniería es más directa que la que existe entre la Física y cualquier otra ciencia; de hecho, la gran mayoría de las Ingenierías –sino la totalidad de ellas–, son hijas directas de los descubrimientos físicos y de ahí la importancia de articular en la formación de profesionales, conceptos, categorías y teorías físicas. Aunque existen diversas metodologías para recrear el conocimiento científico, la Física que se usa tiene tres formas características. La primera forma es el análisis de un sistema físico que se realiza con base en las propiedades de sistemas más sencillos; estos sistemas están relacionados de algún modo importante con el sistema original, pero poseen un número menor de factores en su comportamiento. Siendo estos más sencillos se pueden investigar hasta entender bien sus propiedades; una vez que se obtenga el conocimiento de cada sistema se puede hacer una reconstrucción hasta lograr entender las propiedades del sistema original. La segunda forma, parte del principio de que la Física se fundamenta necesariamente en la experimentación y es este elemento trascendental para PHYSILAB y, en particular, para este proyecto de investigación, pues es a través de esta estrategia que se constatan los principios y las teorías formuladas en la Física. La tercera se refiere al uso frecuente de las matemáticas. La Física estudia las interacciones entre objetos. Los objetos interaccionan de acuerdo con ciertas leyes, sean estas conocidas o no. Como las leyes físicas son casi siempre cuantitativas, es esencial poder establecer relaciones lógicas cuantitativas al estudiar los sistemas físicos. Las reglas que gobiernan todas estas relaciones son objeto de las matemáticas. Por eso se dice que la matemática es el lenguaje de la Física.

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5.2. Sobre los modelos Idealizados.

De forma generalizada, se usa la palabra "modelo" para referirse a una réplica en menor escala y que igualmente es posible aplicarlo para la Física. Un modelo es una versión simplificada de un sistema –físico, químico, estadístico– y cuyo nivel de detalle determina su complejidad. Al usar un modelo para predecir el comportamiento de un sistema, la validez de las predicciones está limitada por la validez del modelo. La predicción de Galileo respecto a la caída de los cuerpos, corresponde a un modelo idealizado que no incluye la resistencia del aire; el modelo funciona bien para una bala de cañón, pero no para una pluma. El concepto de modelos idealizados es muy importante en Física y en tecnología; al aplicar principios físicos a sistemas complejos siempre se usan modelos idealizados, y es fundamental tener presentes las suposiciones pre-establecidas. De hecho, los principios mismos para Physilab se expresan en términos de modelos idealizados –masas puntuales, cuerpos rígidos, aislantes ideales.

5.3. Criterio fundamentales del laboratorio virtual – PHYSILAB.

De acuerdo con (Barrera Moncada, 2010), PHYSILAB es un proyecto de investigación que busca apoyar el desarrollo de laboratorios de Física bajo el esquema de laboratorios remotos distribuidos. Su finalidad es que los estudiantes y docentes que se encuentren conectados a la Red Académica de Alta Velocidad (RENATA), puedan usarlo para mejorar las estrategias de enseñanza y aprendizaje en los cursos de Física a nivel básico e intermedio.

Objetivos del proyecto Physilab.

Evaluar las prácticas de laboratorio a desarrollar para la enseñanza de la Física, de tal forma que permita monitorear o seguir la evolución de los procesos cognitivos y los cognoscitivos en ambientes de enseñanza remotos y virtuales.

Desarrollar el control y manejo remoto de los instrumentos del laboratorio de Física.

Diseñar el modelo matemático y las simulaciones de cada una de las

prácticas implementadas.

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Diseñar una plataforma que permita la administración del Laboratorio y la enseñanza de la Física a través de la experimentación.

5.3.1. Tópicos generativos proceso PHISYLAB

Ilustración 1 Tópicos generativos proceso Physilab (Barrera Moncada, 2010)

Para el desarrollo de los ejercicios en los laboratorios virtuales de física, se cumplen tópicos generativos de proceso como se muestra en el grafico, para cada uno de los fenómenos, siendo estos muy importantes a la hora de aplicar y dar a conocer por medio de los ejercicios de física su principio ya sea la cinemática, dinámica, estática y energía/movimiento representados en los laboratorios virtuales.

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5.3.2. Arquitectura del Sistema.

Ilustración 2 Arquitectura del sistema (Barrera Moncada, 2010

La arquitectura mostrada en el gráfico, muestra de una manera sencilla a modo representativo de como se establece la estructura del modelo de funcionamiento tanto de red, servidor y las diferentes estaciones de trabajo en las cuales los estudiantes accedan a la plataforma para tener le experiencia de interactuar con los laboratorios remotos y virtuales propuestos por Physilab.

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5.3.3. Desempeños esperados en el proyecto Physilab (Barrera Moncada, 2010)

Estos son los elementos que se busca evaluar en los estudiantes que hagan uso del laboratorio Physilab:

Desempeño 01: Establece relaciones claras entre las causas que originan un movimiento y las características particulares con que se describe en cualquier instante de tiempo.

Desempeño 02: Determina de forma precisa, las magnitudes y direcciones de las fuerzas presentes en sistemas físicos bajo condiciones de equilibrio o bajo condiciones de no equilibrio.

Desempeño 03: Usa elementos del análisis matemático para determinar la posición, velocidad y aceleración de sistemas físicos bajo condiciones de equilibrio o bajo condiciones de aceleración.

Desempeño 04: Escoge acertadamente las variables físicas necesarias

para establecer o predecir las condiciones particulares de un sistema mecánico.

Desempeño 05: Modela de forma precisa algunos sistemas físicos, haciendo uso de consideraciones cinemáticas, cinéticas o energéticas.

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5.4. El Modelo de Prototipo.2

Los modelos evolutivos son iterativos; los caracteriza la forma en que permite que los ingenieros de software desarrollen versiones cada vez más completas del software.

El objetivo de la ingeniería de software es optimizar la calidad de los productos de software para ampliar la productividad y facilitar el trabajo de los ingenieros de software, proporcionándoles las bases necesarias para construir software de alta calidad en forma eficiente. Existen diversas etapas y procedimientos a los que se les denomina ciclo de vida en el cual se definen parámetros como el tiempo y las características necesarias para que el software sea considerado confiable y completo. Existen también diversos modelos para construir un producto de software perfeccionando el resultado del mismo. Sin embargo, se tomará como referencia el modelo de prototipo. El modelo de prototipo permite que todo el sistema, o algunas de sus partes, se construyan rápidamente para comprender con facilidad y aclarar ciertos aspectos en los que se aseguren que el desarrollador, el usuario y el cliente estén de acuerdo en lo que se necesita, así como también la solución que se compone para dicha necesidad y de esta forma minimizar el riesgo y la incertidumbre en el desarrollo. Este modelo se encarga del desarrollo de diseños para que esos sean analizados y prescindir de ellos a medida que adhieran nuevas especificaciones; es ideal para medir el alcance del producto, pero no se asegura su uso real. Este modelo principalmente se aplica cuando un cliente define un conjunto de objetivos generales para el software a desarrollar sin delimitar detalladamente los requisitos de entrega, procesamiento y salida, es decir, cuando el responsable no está seguro de la eficacia de un algoritmo de la adaptabilidad del sistema o de la forma en que interactúa el hombre y la máquina. Este modelo se encarga principalmente de ayudar al Ingeniero de Sistemas y al cliente a entender, de la mejor manera, cuál será el resultado de la construcción cuando los requisitos estén satisfechos.

2 Yanes Cabrera Silvia Patricia, modelos de prototipo - Administración de proyectos, UNEMI 2010.

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5.4.1. Etapas para la elaboración del modelo de prototipo

5.4.1.1. Modelo a escala completa.

Se utiliza como referencia para distintas versiones que de él se hagan. Para el caso particular del presente proyecto fue aplicado en cada uno de los ejercicios de laboratorio cumpliendo con las etapas requeridas del modelo; este mismo se lo aplica al emplazar un sistema en varias instalaciones. Se pueden nombrar en cuatro pasos:

Identificar los requerimientos básicos del usuario Desarrollar prototipo inicial Usar el prototipo Revisión y mejora del prototipo

5.4.1.2. Ventajas del modelo de prototipo.

Este modelo es útil cuando el cliente conoce los objetivos generales para el software, pero no identifica los requisitos detallados de entrada, procesamiento o salida.

Ofrece un mejor enfoque cuando el responsable del desarrollo del software esta inseguro de la eficiencia del algoritmo, de la adaptabilidad de un sistema operativo o de la forma en que debería tomar la interacción humano-máquina.

Es de gran ayuda para el proceso dentro de este modelo el que se pueda tener contacto con el cliente y el ciclo de vida sea encaminado a ir de la mano Ingeniero - Cliente para obtener los mejores resultados de desarrollo.

Los prototipos son entregados de forma periódica y son evaluados de manera que se puedan mejorar una a una las entregas en medio del ciclo de vida del software.

5.4.1.3. Desventajas del modelo de prototipo.

El desarrollador puede ampliar el prototipo para construir el sistema final sin tener en cuenta los compromisos de calidad y de mantenimiento que tiene con el cliente.

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5.4.2. Etapas para el desarrollo del modelo prototipo.

Ilustración 3 Etapas del modelo prototipo (Yanes Cabrera Silvia UNEMI - 2010)

Las etapas aplicadas en el proyecto son derivadas del modelo de prototipo (Gráfico) con este sistema de información damos una función técnica para la recopilación veraz de información específica acerca de los requerimientos del usuario, se tiene como finalidad probar varias de las interfaces formuladas por el analista y el usuario, esto permite desarrollar un proceso rápido y una evaluación efectiva a través de un proceso iterativo.

La finalidad de los prototipos es contener características y tener completo la totalidad de las funciones del sistema final, lo que permite cumplir con los elementos suficientes para permitir que los usuarios puedan interactuar con el sistema y determinar si les gusta o si tienen alguna apreciación para ser tenida en cuenta y mejorar el desarrollo.

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5.4.3. Ciclo del prototipo.

Ilustración 4 Ciclo del modelo prototipo (Yanes Cabrera Silvia UNEMI - 2010)

El ciclo del modelo del prototipo se lleva de forma ordenada la identificación de los requerimientos, construcción de un modelo funcional, el uso del prototipo, la revisión del mismo y la repetición del proceso las veces que se requiera.

Comunicación: A partir de esta etapa del modelo se tienen identificados los requerimientos se ha captado toda la información por parte del analista para tener la mejor claridad de ideas entre las partes y tener el prototipo correcto para hacer la primera entrega.

Plan rápido: Los bosquejos que se realizan son una muestra fiel del desarrollo y en términos visuales para el usuario son explícitos dándole una idea detallada de lo que será el desarrollo y que sobra o hace falta agregar.

Modelado de diseño rápido: La aplicación debe tener rapidez al momento de crearla y de hacerle las mejoras por este motivo se hacen entregas de los prototipos eficientemente y dentro del flujo para observar su estado.

Construcción del prototipo: La construcción encierra todos los elementos que hacen parte del desarrollo, como la ambientación gráfica el

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cumplimiento de los requerimientos hechos por el usuario, la adecuación de las diferentes leyes de los fenómenos físicos la evolución positiva del desarrollo satisfaciendo altamente las peticiones del usuario.

Desarrollo de entrega retroalimentación: El proceso será repetido varias veces con el fin de que el usuario y el analista estén de acuerdo en que ha evolucionado efectivamente y sean incluidas todas las características de este hasta conseguir el producto final.

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5.4.4. Prototipo Operacional.

EL prototipo operacional permite en el proceso de desarrollo ver paso a paso los procesos por los cuales debe de pasar este y el clico de vida del proyecto, analizar las mejoras, la evolución de este y se repite las veces que sea necesario hasta que el usuario y el analista estén de acuerdo en la evolución del sistema y el resultado del producto final.

Prototipo Operacional – ilustración.

Ilustración 5 Prototipo operacional (Yanes Cabrera Silvia UNEMI - 2010)

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5.5. FLASH CS5

Adobe Flash Professional es el nombre o marca comercial-oficial que recibe uno de los programas más reconocidos de la casa Adobe, junto con otros programas como Adobe Illustrator y Adobe Photoshop. Se trata de una aplicación de creación y manipulación de gráficos vectoriales con posibilidades de manejo de código mediante un lenguaje de scripting llamado ActionScript. Flash es un estudio de animación que trabaja sobre "fotogramas" y está destinado a la producción y entrega de contenido interactivo para diferentes audiencias de todo el mundo sin importar la plataforma. Adobe Flash utiliza gráficos vectoriales y gráficos rasterizados, sonido, código de programa, flujo de vídeo y audio bidireccional (el flujo de subida sólo está disponible si se usa conjuntamente con Macromedia Flash Communication Server). En sentido estricto, Flash es el entorno de desarrollo y Flash Player es el reproductor utilizado para visualizar los archivos generados con Flash. En otras palabras, Adobe Flash crea y edita las animaciones o archivos multimedia y Adobe Flash Player las reproduce. Los archivos reproducibles de Adobe Flash, que tienen generalmente la extensión de archivo SWF, pueden aparecer en una página web para ser vistos en un navegador web, o pueden ser reproducidos independientemente por un reproductor Flash. Los archivos de Flash aparecen muy a menudo como animaciones en sitios web multimedia, y más recientemente en Aplicaciones de Internet Ricas. Son también ampliamente utilizados como anuncios en la web. El trabajo se realizó en esta plataforma Flash CS5, dado las siguientes características:

Maneja una interfaz gráfica de calidad para el resultado obtenido.

Se puede obtener un mayor realismo en las simulaciones para tener la atención de los estudiantes.

Para esto, se requirió no solo la interfaz gráfica de Flash 3.0, sino también su lenguaje nativo de programación ActionScript 3.0. El ActionScript es el lenguaje de programación que ha utilizado Flash desde sus comienzos, y que por supuesto, emplea Flash CS5 utilizado en el desarrollo. A grandes rasgos, podemos decir que el ActionScript nos permitirá realizar con Flash CS5 todo lo que nos proponemos, ya que nos da control absoluto de lo que rodea a una película Flash, en este caso el control de cada fenómeno realizado en el laboratorio.

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ActionScript es, como su nombre indica, un lenguaje de script, esto quiere decir que no hará falta crear un programa completo para conseguir resultados, normalmente la aplicación de fragmentos de código ActionScript a los objetos existentes en nuestras películas nos permiten alcanzar los objetivos propuetos. Es importante resaltar que ActionScript 3 es un lenguaje de programación orientado a objetos. Tiene similitudes con lenguajes tales como los usados en el Microsoft Visual Basic, en el Borland Delphi etc. y aunque, evidentemente, no tiene la potencia de estos lenguajes, cada versión se acerca más. Así, la versión 3.0 utilizada en Flash CS5 es mucho más potente y mucho más "orientada a objetos" que su anterior versión 2.0. La sintaxis ActionScript presenta muchas similitudes con el Javascript o PHP; al estar familiarizados con estos lenguajes, la sintaxis y el estilo de ActionScript nos resultarán muy cercanos y de fácil utilización. Las diferencias entre JavaScript y ActionScript las podemos encontrar en la ayuda que acompaña al Flash CS5.

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6. MOVIMIENTO RECTILINEO - UNIFORME Y UNIFORMEMENTE ACELERADO (MRU Y MRUA)

6.1. Definiciones fundamentales.

6.1.1. Concepto de Movimiento.

El movimiento es un fenómeno físico que se define como todo cambio de posición que experimentan los cuerpos en el espacio, con respecto al tiempo dado un punto de referencia, variando la distancia de dicho cuerpo con respecto a ese punto, describiendo así una trayectoria. Para producir movimiento es necesaria una intensidad de interacción o intercambio de energía que sobre pase un determinado umbral. La parte de la física que se encarga del estudio del movimiento es la cinemática.

6.1.2. Clasificación del Movimiento

Según se mueva un punto o un sólido pueden distinguirse distintos tipos de movimiento:

6.1.3. Según la trayectoria del punto: Rectilíneo y curvilíneo

Movimiento rectilíneo: La trayectoria que describe el punto es una línea recta. Movimiento curvilíneo: El punto describe una curva cambiando su dirección a medida que se desplaza. Casos particulares del movimiento curvilíneo son la rotación describiendo un círculo en torno a un punto fijo, y las trayectorias elípticas y parabólicas.

6.1.4. Según la velocidad: Uniforme y uniformemente variado. Movimiento uniforme: La velocidad de movimiento es constante Movimiento uniformemente variado: La aceleración es constante, como es el caso de los cuerpos en caída libre sometidos a la aceleración de la gravedad.

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En todos los movimientos, hay características que sirven para representarlo adecuadamente, estas son la posición, la velocidad, la rapidez, la aceleración y el tiempo.

6.1.5. Rapidez.

La rapidez (que en el lenguaje común se denomina simplemente velocidad) se define como el cociente entre la distancia recorrida y el tiempo transcurrido. La distancia recorrida a lo largo de una trayectoria es una magnitud escalar, independiente de la dirección. Como el tiempo también es un escalar, la rapidez es también un escalar.

𝑣 =∆𝑥

∆𝑡

La unidad en el sistema para la velocidad es (m/s).

6.1.6. Velocidad.

La velocidad –vector velocidad–, como cantidad vectorial, debe incluir dirección y sentido.

�⃗� =∆�⃗�

∆𝑡

6.1.7. Aceleración.

De forma simplificada, la aceleración se refiere sólo a incrementos o decrementos del módulo de la velocidad (rapidez) con respecto al tiempo. En Física se dice que un cuerpo está siendo acelerado no sólo cuando aumenta su velocidad sino también cuando disminuye o cambia de dirección. Se llama aceleración al cambio de la velocidad (vector velocidad) en el tiempo.

�⃗� =∆�⃗�

∆𝑡

La unidad de medida para la aceleración es m/s².

22

7. MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME.

7.1. Principios fundamentales.

Es uno de los movimientos más simples que hay, pero también uno de los más frecuentes en la naturaleza. Para que un movimiento sea rectilíneo uniforme su característica principal es que la velocidad sea constante, es decir, que la aceleración sea siempre igual a cero; las siguientes representaciones ilustran estas características.

Característica gráfica de la velocidad contra el tiempo para un movimiento rectilíneo uniforme

Característica gráfica de la posición contra el tiempo para un movimiento rectilíneo uniforme

23

En cinemática se usa la siguiente expresión para representar la posición de cuerpo en función del tiempo, y ésta es precisamente la que se usa para modelar en el programa JAVA la posición del carril de aire.

𝒙 = 𝒗 · 𝒕 (1) Donde x es el espacio recorrido, v la velocidad y t el tiempo. Aquí se aprecia un equipo de laboratorio denominado Carril de Aire, este

dispositivo es utilizado en muchos laboratorios de física para realizar prácticas de

velocidad y aceleración constante entre otras, y es el dispositivo a simular para

desarrollar la práctica de Movimiento Rectilíneo Uniforme y uniformemente

Acelerado.

Se compone de un generador de aire cuya función es proporcionar al interior del

carril, un flujo de aire que hace que el carro que está encima, se eleve uno

cuantos milímetros (Efecto de levitación), y así se obtiene una superficie con

rozamiento casi nulo, un riel por el cual se desplazará el carro, un sistema de

disparo que permite generar una velocidad inicial al movimiento y tres sensores –

foto-compuertas – que permiten medir el instante de tiempo en el cual el carro

cruza por ellos, teniendo como tiempo inicial, el lanzamiento del vehículo. Estos

sensores se pueden mover a lo largo de todo el carril, permitiendo realizar

medidas en diferentes distancias.

24

De esta forma conociendo la distancia entre las foto-compuertas y el tiempo

trascurrido en pasar de cada una de ellas es posible calcular la velocidad en

dicho tramo.

�⃗� =𝑥𝑓−𝑥𝑖

𝑡𝑓−𝑡𝑖=

∆�⃗�

∆𝑡 (2)

7.2. Requerimientos del software

Requerimientos funcionales: en el presente cuadro se relacionan los principales requerimientos funcionales con los que debe cumplir el software para el desarrollo esperado.

Tabla 1. Requerimientos funcionales MRU.

FSR1 Modelo que represente verazmente el comportamiento de los sistemas relacionados con la cinética y cinemática.

FSR2 El desarrollo virtual debe representar las características físicas de los equipos del laboratorio:

FSR3 Carril del aire 0 cm – 200cm

FSR4 Sistema inicial de impulso

FSR5 Sensores de tiempo mínimo “2”

FSR6 Que el objeto se desplace a una velocidad constante

FSR7 Exista una relación lineal entre X y T y se cumpla “ X = V,T”

FSR8 Que se tenga una completa claridad de cómo se manejan los diferentes recursos dentro de la simulación.

25

Requerimientos de testing. Estos requerimientos son planteamientos que orientan la forma de en la cual se puede llegar a cumplir los requerimientos funcionales establecidos para el desarrollo del software.

Tabla 2. Requerimientos de testing MRU

ST1 Verificar que la interfaz gráfica sea semejante al entorno del laboratorio.

ST2 Probar que el deslizador se desplace fácilmente en el riel y se desplace desde 0 cm a 200 cm de modo virtual.

ST3 Probar que el sistema de impulso cumpla su función a medida que se varía la intensidad.

ST4 Probar que los sensores muestren la medida en el momento que el deslizador pase por cada uno de ellos y el riel.

ST5 Probar que la simulación cumple con la aplicación de las fórmulas y los resultados sean los correctos.

ST6 Probar que la aplicación funcione en diferentes exploradores (Internet explorer, Mozilla, Chrome, etc.).

Matriz de requerimientos funcionales Vs. Matriz de requerimientos de test. En la presente tabla se establece mediante cual requerimiento de testing se logra comprobar y atender uno o varios requerimientos funcionales para el desarrollo del software.

Tabla 3. Requerimientos funcionales VS requerimientos de testing MRU

Funcional / test ST1 ST2 ST3 ST4 ST5 ST6

FSR1 X

FSR2 X

FSR3 X

FSR4 X

FSR5 X

FSR6 X

FSR7

FSR8

26

Requerimientos de calidad.

Se necesita que la calidad de las animaciones y movimientos sea alta.

Se necesita que la animación cumpla con las leyes y teorías establecidas por la práctica.

Que el diseño, traficación, ambientación y decoración del laboratorio virtual sean altos.

Desarrollo de Software. Se requiere que el desarrollo sea hecho sobre la plataforma “Flash CS3 y CS5” y el lenguaje de programación ActionScript 3.0 la cual se adecúa a las exigencias y permite el desarrollo de modificaciones solicitadas de ser necesarias. Requerimientos de ambiente de testing. Software de Testing. Son requerimientos específicos para que el desarrollo del MRU, pueda ser ejecutado por los usuarios, los siguientes: El navegador a utilizar debe tener instalado el Plug-in de “Flash Player” en cualquier versión. Si el computador tiene una pantalla de 640x480 la aplicación puede correr pero el navegador tendrá que manejarse con las barras auxiliares de la pantalla. El equipo terminal “PC” -computador- debe tener mouse y teclado ya que la interacción con la aplicación debe de ser con estos elementos de hardware.

7.3. Restricciones.

Restricciones de software.

Si el computador con el que se vaya a realizar cada uno de los fenómenos, no tiene instalado la versión Flash Player 11.2.202.310 o, en su defecto, la versión de Flash Player, última o actual, la aplicación no podrá funcionar.

Es necesario para el ejercicio que el usuario de la aplicación tenga acceso a la nube.

27

7.4. Análisis de información

La relación de los requerimientos expresados para el desarrollo del ejercicio del Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU) formulado, atiende a los requerimientos del cliente y están planteados en términos de desarrollo del software solamente dado como producto final; sólo en ese componente se realizará entrega de productos, en ningún caso habrá entrega de productos en relación con la interfaz o el hardware.

7.5. Etapa diseño técnico

Etapas iniciales donde se dan a conocer los primeros bosquejos de los laboratorios virtuales ya una vez conocido el ambiente real y los elementos que hacen parte de él. Diseño etapa inicial, MRU.

Ilustración 6 Modelo Inicial MRU

28

7.6. Diagrama de casos de uso MRU.

El MRU actúa dentro del desarrollo aplicando sus propiedades físicas tomando datos de entrada e intensidad y las demás actuantes dentro del laboratorio virtual como desplazamientos de los sensores inicio y recet.

Casos de uso MRU, modelo propio

29

7.7. Diagrama de actividades MRU.

La forma en como la interfaz cumple su actividad dentro del laboratorio y muestra

sus procesos para arrojar los resultados sus datos de entrada y salida.

Diagrama de actividades MRU, modelo propio.

30

7.8. Diagrama de despliegue con el SOFTWARE.

Etapa diseño técnico

Etapas iniciales donde se dan a conocer los primeros bosquejos de los laboratorios virtuales ya una vez conocido el ambiente real y los elementos que hacen parte de él.

Diagrama etapas de diseño

31

7.9. DISEÑO FINAL MODELO UCP. - MRU

Ilustración 7 Diseño final MRU.

El laboratorio plano, se realizó con este diseño apropiado para el usuario, puesto que comprende toda la parte física del laboratorio, y es muy agradable visualmente.

El objetivo de esta práctica, es ver como el sistema de disparo arroja el deslizador de un lado a otro por medio de la intensidad que se le dé en el panel interactivo. Este panel está compuesto por una casilla de intensidad, la cual es variable según la capacidad dada desde el momento de la investigación. Cuando se define la intensidad del disparo, se ve como el deslizador se va del punto 0 al punto 200 pasando por cada uno de los sensores allí puestos en el riel que es el módulo principal del desarrollo.

A medida que el deslizador se desplaza y pasa por cada sensor, estos arrojan un resultado en segundos hasta llegar al final del riel.

El sistema es un diseño sencillo y entendible, ya que solo consta de:

Fuente de Aire: Encargada de suministrar aire al carril con el fin de eliminar el rozamiento entre el riel y el deslizador.

32

Sistema de Disparo: Su función es impulsar el deslizador con una velocidad inicial la cual puede ser seleccionada por el usuario, al ser modificada la elongación del resorte.

Deslizador: Dispositivo al cual se medirá la velocidad media durante su recorrido.

Foto Compuerta: Se encarga de medir el tiempo transcurrido desde que es impulsado, con el fin de poder usar estos intervalos de tiempo en el cálculo de la velocidad media entre una foto compuerta y otra.

Riel Principal: Es el riel por el cual viajará el deslizador, haciendo su recorrido desde el punto inicial hasta el punto final.

Panel Interactivo: Es donde el usuario selecciona la intensidad con la que quiere que el deslizador se transporte de un lado a otro, para así, obtener los resultados requeridos. Al final, este panel tiene una casilla de velocidad, la cual entrega la velocidad total que demora en deslizador en llegar de un extremo a otro.

También, tiene dos botones de con funciones, el cual inician y reinician el sistema y los valores.

33

8. MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORMEMENTE ACELERADO.


Este es el segundo grupo de movimientos, en los cuales aparece otra característica importante y es que su aceleración es constante, lo que conlleva a establecer que su velocidad varía linealmente con el tiempo, –la velocidad crece o decrece a razón constante–. Muchos otros movimientos en la naturaleza tienen esta característica, la caída libre es el ejemplo más inmediato de esto.

Ilustración 8 MRUA.

Representación gráfica de la velocidad contra el tiempo para un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado. Las ecuaciones que representan el movimiento son:

𝑣 = 𝑣𝑜 + 𝑎𝑡 (1)

𝑥 = 𝑣𝑜 · 𝑡 +𝑎𝑡²

2 (2)

34

𝑣² = 𝑣02 + 2𝑎𝑥 (3)

Aquí 𝑣 es la velocidad para un tiempo t, 𝑣0 es la velocidad inicial, a es la

aceleración y 𝑥 es el espacio total recorrido. Las demostraciones analíticas de estas expresiones no son importantes para los objetivos del presente trabajo de grado y se dejan al lector como tema de profundización.

8.2. Requerimientos de Software

Requerimientos funcionales – MRUA

Requerimientos funcionales: en el presente cuadro se relacionan los principales requerimientos funcionales con los que debe cumplir el software para el desarrollo esperado.

Tabla 4. Requerimientos funcionales MRUA

FSR1 Modelo que represente verazmente el comportamiento de los sistemas relacionados

con la cinética y cinemática.

FSR2 Que el desarrollo virtual represente las características físicas de los equipos del

laboratorio.

FSR3 Carril del aire 180cm – 200cm

FSR4 Sistema inicial de impulso

FSR5 Sensores - Foto compuertas- de tiempo mínimo dos.

FSR6 Que el objeto se desplace a una velocidad constante en cada inclinación.

FSR7 Que se tenga una completa claridad de cómo se manejan los diferentes recursos

dentro de la simulación

35

Requerimientos de testing - MRUA

Requerimientos de testing: estos requerimientos son planteamientos que orientan la forma de en la cual se puede llegar a cumplir los requerimientos funcionales establecidos para el desarrollo del software.

Tabla 5. Requerimientos de testing - MRUA

ST1 Verificar que la interfaz gráfica sea semejante al entorno del laboratorio

ST2 Probar que el deslizador se desplace fácilmente en el riel y lo haga desde 0 cm a 200 cm.

ST3 Probar que el sistema de impulso cumpla su función a medida que se varía la intensidad.

ST4 Probar que los sensores muestren la medida en el momento que el deslizador pase por el

riel.

ST5 Probar que la simulación cumple con la aplicación de las fórmulas y los resultados sean

los correctos

ST6 Probar que la aplicación funcione en diferentes exploradores (Internet explorer, Mozilla,

Chrome, etc.).

ST7 Que la inclinación del riel este entre 0° < 0 < 20°

Matriz de requerimientos funcionales Vs. Matriz de requerimientos de test

En la presente tabla se establece mediante cual requerimiento de testing se logra comprobar y atender uno o varios requerimientos funcionales para el desarrollo del software.

Tabla 6. Matriz de requerimientos funcionales Vs. Matriz de requerimientos de test

Funcional/test ST1 ST2 ST3 ST4 ST5 ST6

FSR1 x

FSR2 X X

FSR3

FSR4 X

FSR5 X

FSR6 X

FSR7 X

FSR8 x X

36

Requerimientos de calidad

Se necesita que la calidad de las animaciones y movimientos sea alta.

Que el diseño, traficación, ambientación y decoración del laboratorio virtual sean altos.

Desarrollo de Software

Para este desarrollo se utilizará el lenguaje de programación ActionScript 3.0 con el cual se integrará la parte de programación a la simulación de los ejercicios físicos en los laboratorios virtuales, cumpliendo con las variables dispuestas por el Asesor.

Requerimientos de ambiente de desarrollo

Se requiere que el desarrollo sea hecho sobre la plataforma “Flash CS3 y CS5” y el lenguaje de programación ActionScript 3.0 la cual se adecúa a las exigencias y modificaciones solicitadas.

Requerimientos de ambiente de testing

Es necesario que el navegador a utilizar tenga instalado el Plug- in “Flash Player” en cualquier versión.

Es requerimiento de del sistema que dentro de las características del PC, tenga una pantalla de 640x480 dado que la aplicación puede correr pero el navegador tendrá que manejarse con las barras auxiliares de la pantalla.

Es requerimiento del sistema que el equipo terminal “PC” tenga componentes de hardware tales como mouse y teclado ya que la interacción debe de ser con estos.

8.3. Restricciones

Restricciones de software

Si el computador con el que se vaya a realizar cada uno de los fenómenos, no tiene instalado la versión Flash Player actual, la aplicación no podrá funcionar.

Es necesario para el ejercicio que la persona que vaya a utilizar la aplicación tenga acceso a internet.

37

8.4. Etapa de Diseño Técnico.

Ilustración 9 Diseño inicial modelo MRUA.

38

8.5. DIAGRAMA DE CASOS DE USO MRUA.

El MRUA actúa dentro del desarrollo aplicando sus propiedades físicas tomando datos de entrada e intensidad, más las demás actuares dentro del laboratorio virtual como desplazamientos de los sensores al calcular la aceleración más el inicio y recet de la interfaz.

Ilustración 10 Diagrama de casos de uso MRUA

39

8.6. DIAGRAMA DE ACTIVIDADES MRUA.

La forma en como la interfaz cumple su actividad dentro del laboratorio y muestra sus procesos para arrojar los resultados sus datos de entrada y salida.

Ilustración 11 Diagrama de actividad MRUA

40

8.7. DIAGRAMA DE DESPLIEGUE CON EL SOFTWARE.

Muestra un modelado para el hardware Utilizado en las implementaciones del sistema y las relaciones entre sus componentes.

Ilustración 12 Diagrama de despliegue MRUA

41

8.8. DISEÑO FINAL MRUA

Ilustración 13 Diseño Final MRUA.

El laboratorio plano, se realizó con este diseño apropiado para el usuario, puesto que comprende toda la parte física del laboratorio, y es muy agradable visualmente.

El objetivo de esta práctica, es ver como el sistema de disparo arroja el deslizador de un lado a otro por medio de la intensidad que se le dé en el panel interactivo, y dependiendo de un ángulo dado el cual va desde 0 grados hasta 20 grados que es el límite. Este panel está compuesto por una casilla de selección de ángulo, la cual es variable según la capacidad dada desde el momento de la investigación. Cuando se define la inclinación del disparo, se ve como el deslizador se va del punto 0 al punto 200 pasando por cada uno de los sensores allí puestos en el riel que es el módulo principal del desarrollo.

A medida que el deslizador se desplaza y pasa por cada sensor, estos arrojan un resultado en segundos hasta llegar al final del riel.


Fuente de Aire: Encargada de suministrar aire al carril con el fin de eliminar el rozamiento entre el riel y el deslizador.

42

Sistema de Disparo: Su función es impulsar el deslizador con una velocidad inicial la cual puede ser seleccionada por el usuario, al ser modificada la elongación del resorte.

Deslizador: Dispositivo al cual se medirá la velocidad media durante su recorrido.



Panel Interactivo: Es donde el usuario selecciona el ángulo con el que se quiere que el deslizador se transporte de un lado a otro, para así, obtener los resultados requeridos. Al final, este panel tiene una casilla de aceleración, la cual entrega la aceleración total que obtiene el deslizador en llegar de un extremo a otro según la inclinación.


43

9. SEGUNDA LEY DEL MOVIMIENTO

“La fuerza neta que obra sobre un cuerpo es el producto de la masa de dicho cuerpo por la aceleración que le produce.”

- Isaac Newton Ayscough, definición segunda ley. –

9.1. Definiciones fundamentales.

Un cuerpo se mantendrá en su estado de movimiento con velocidad constante a menos que una fuerza se oponga a ello. Esto quiere decir que las fuerzas son capaces de cambiar el estado de movimiento de los cuerpos y que por lo tanto deben producir: aceleración.

El fenómeno de caída libre, tiene una perspectiva en la cual se muestra el brazo principal en donde este da un giro de 180° como lo hace el prototipo físico haciendo que la esfera llegue de nuevo a su punto inicial sin importar su masa.

Masa fija:

Nos dice que la fuerza neta aplicada a un objeto es directamente proporcional a la aceleración que sufre ese objeto. Esa aceleración apunta en la misma dirección que apunta la fuerza neta. Además, la constante de proporción es la masa del objeto.

�⃗� = 𝑚 �⃗� (1) Fuerza Constante: Si en la Segunda Ley de Newton mantenemos la fuerza constante, podemos ver que a mayor masa menor es la aceleración que produce la fuerza sobre el objeto. En otras palabras, mientras más masivo es un objeto más difícil es cambiar su estado de movimiento. En este sentido la masa corresponde muy bien a la propiedad de inercia. Si dividimos por la masa, la Segunda Ley tiene la forma:

𝑎 = 𝐹 (1

𝑚) (2)

44

Estándares


9.2. Requerimientos de Software

Requerimientos funcionales. Requerimientos funcionales: en el presente cuadro se relacionan los principales requerimientos funcionales con los que debe cumplir el software para el desarrollo esperado.

Tabla 7. Requerimientos funcionales Caída de los cuerpos


FSR2 Que el desarrollo virtual represente las características físicas de los equipos del laboratorio.

FSR3 El tubo de aire debe de tener mínimo 2 mts.

FSR4 Sistema controlador de caída del elemento

FSR5 Sensores de tiempo mínimo “2”

FSR6 Que el objeto se desplace a una velocidad constante

FSR7 Mínimo se deben de tener 3 circunferencias de diferentes materiales simulados.

Requerimientos de testing.

Requerimientos de testing: estos requerimientos son planteamientos que orientan la forma de en la cual se puede llegar a cumplir los requerimientos funcionales establecidos para el desarrollo del software.

45

Tabla 8. Requerimientos de testing Caída de los cuerpos

ST1 Probar que la interfaz gráfica sea semejante al entorno del laboratorio.

ST2 Probar que dentro del tubo se desplace fácilmente el elemento y se desplace desde 0 cm a 200 cm.

ST3 Probar que los sensores muestren la medida en el momento que las circunferencias pasen por los sensores

ST4 Probar que la simulación cumple con la aplicación de las fórmulas y los resultados sean los correctos.

Matriz de requerimientos funcionales Vs. Matriz de requerimientos de test.


Tabla 9. Matriz de requerimientos funcionales Vs. Matriz de requerimientos de test

Funcional/test ST1 ST2 ST3 ST4

FSR1 X X

FSR2 X

FSR3

FSR4 X

FSR5 X

FSR6 X

FSR7 X

Requerimientos de ambiente de desarrollo.

Se requiere que el desarrollo sea hecho sobre la plataforma “Flash CS3 y CS5” y el lenguaje de programación ActionScript 3.0 la cual se adecúa a las exigencias y modificaciones solicitadas.

Requerimientos de ambiente de testing

Es necesario que el navegador a utilizar tenga instalado el Plug- in “Flash Player” en cualquier versión.

46

Es requerimiento de del sistema que dentro de las características del PC, tenga una pantalla de 640x480 dado que la aplicación puede correr pero el navegador tendrá que manejarse con las barras auxiliares de la pantalla.

Es requerimiento del sistema que el equipo terminal “PC” tenga componentes de hardware tales como mouse y teclado ya que la interacción debe de ser con estos.

9.3. Etapa de Diseño Técnico

Ilustración 14 Gráfico tercer ley del movimiento

47

9.4. DIAGRAMA DE CASOS DE USO CAIDA DE LOS CUERPOS LEY MOVIMIENTO.

Caída libre ley del movimientos actúa dentro del desarrollo aplicando sus propiedades físicas tomando datos de entrada pesos, más las demás actuares dentro del laboratorio virtual como la fuerza neta que obra dentro de un cuerpo es el producto de la masa de dicho cuerpo por la aceleración

Ilustración 15 Caso de uso Caída de los cuerpos

48

9.5. DIAGRAMA DE ACTIVIDADES “CAIDA DE LOS CUERPOS LEY MOVIMIENTO”


Ilustración 16 Diagrama de actividad Caída de los cuerpos

49



Ilustración 17 Diagrama de despliegue

.

50

9.7. DISEÑO FINAL CAÍDA LIBRE.

Ilustración 18 Diseño final caída libre

El laboratorio de Caída Libre, se realizó con este diseño apropiado para el usuario, puesto que comprende toda la parte física del laboratorio, y es muy agradable visualmente.

El objetivo de esta práctica, es ver como el sistema de caída de un cuerpo en el vacío se desplaza de un extremo a otro en una ubicación vertical del soporte principal del desarrollo. Cuenta con un panel interactivo para el usuario, muy sencillo para su fácil entendimiento.

Este panel está compuesto por una casilla de selección de material, el cual es variable según el material seleccionado al momento de iniciar la funcionalidad del fenómeno. Cuando se selecciona el material, este se desplaza desde un punto 0

51

hasta un punto 200 pasando por cada uno de los sensores allí puestos en el riel que es el módulo principal del desarrollo.

A medida que el material seleccionado se desplaza y pasa por cada sensor, estos arrojan un resultado en segundos hasta llegar al final del riel.


Material: Este material se define en colores, y se encuentra en el extremo derecho para el usuario en el panel interactivo.



Panel Interactivo: Es donde el usuario selecciona el material y donde puede iniciar y luego de terminar un recorrido reiniciar el sistema para volver a realizar la prueba.


52

10. MESA DE FUERZAS CONCURRENTES.


Existen diferentes magnitudes físicas como las fuerzas, que son cantidades vectoriales porque tienen magnitud, dirección y sentido. Debido a su carácter vectorial, las fuerzas se pueden tratar de acuerdo con el álgebra vectorial; es decir, pueden sumarse, restarse, realizarse producto entre ellas y otras operaciones más. Descomposición de vectores . Los vectores pueden descomponerse en coordenadas rectangulares, esféricas y otras. Uno de los procedimientos más usuales y simples para la descomposición de vectores es utilizar el sistema de coordenadas rectangulares. La dirección se calcula utilizando las relaciones trigonométricas. El ejercicio de la mesa de fuerzas. La mesa de fuerzas es un dispositivo que permite comprobar experimentalmente las propiedades de la adición de vectores y la ley de equilibrio traslacional de los cuerpos, el aparato tiene un disco graduado, varios soportes con polea, un anillo central al cual se atan cuerdas que transmiten las fuerzas aplicadas mediante pesas, tornillos y burbuja de aire para nivelar.

53

Ecuación:

�⃗� = 𝐹𝑥⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ + 𝐹𝑦⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (1)

|�⃗�| = √|𝐹𝑥⃗⃗ ⃗⃗ ⃗|2

+ |𝐹𝑦⃗⃗⃗⃗⃗⃗ |2 (2)

Si un cuerpo está sometido a la acción de n fuerzas concurrentes y la fuerza resultante es igual a cero, el cuerpo no tiene aceleración de traslación, entonces se cumple lo visto en las ecuaciones.

10.2. Requerimientos Software.

Requerimientos funcionales.

En el presente cuadro se relacionan los principales requerimientos funcionales con los que debe cumplir el software para el desarrollo esperado.

Tabla 10. Requerimientos funcionales mesa de fuerzas concurrentes.


FSR2 El desarrollo virtual debe representar las características físicas de los equipos del laboratorio:

FSR3 Circunferencia con delimitaciones de ángulos 0, 90, 180 y 360°

FSR4 Sistema de masas de diferentes pesos

FSR5 Tres tensiones dentro del aro

54

FSR6 Se necesita que se vea el movimiento al momento de cambiar el ángulo y las masas.

FSR7 Aro que se posicione dentro de la circunferencia de pendiendo.

Requerimientos de Testing.

Estos requerimientos son planteamientos que orientan la forma de en la cual se puede llegar a cumplir los requerimientos funcionales establecidos para el desarrollo del software.

Tabla 11. Requerimiento de testing, mesa de fuerzas concurrentes.

REQUERIMIENTOS DE TESTING MESA DE FUERZAS

ST1 Verificar que la interfaz grafica sea semejante al entorno del laboratorio.

ST2 Probar que el desplazamiento de las masas y el aro central sean los correctos

ST3 Probar que el sistema de masas sea el correcto al momento de poner las pesas.

ST4 Probar que la simulación cumple con la aplicación de las formulas y los resultados sean los correctos.

Matriz de requerimientos funcionales Vs. Matriz de requerimientos de test.


Tabla 12. Matriz de requerimientos funcionales Vs. Matriz de requerimientos de test, mesa de fuerzas concurrentes.

Funcional/test ST1 ST2 ST3 ST4

FSR1 X X

FSR2 X

FSR3

55

FSR4 X

FSR5 X

FSR6 X

FSR7 X

Requerimientos de Calidad

- Se necesita que la calidad de las animaciones y movimientos sea alta.

- Que el diseño, graficación, ambientación y decoración del laboratorio virtual sea el adecuado.

Requerimientos de Ambiente

Desarrollo de Software

Se requiere que el desarrollo sea echo sobre la plataforma “Flash CS3 y CS5” y el lenguaje de programación ActionScript 3.0 la cual se adecua a las exigencias y modificaciones solicitadas.

Requerimientos de Ambiente de Testing

Software de Testing

Son requerimientos específicos para que el desarrollo del MRU, pueda ser ejecutado por los usuarios los siguientes:

Que el navegador a utilizar tenga instalado el Plug-in de “Flash Player” en cualquier versión.

Que el sistema que dentro de las características del ordenador pueda tener una pantalla de 640x480 la aplicación puede correr pero el navegador tendrá que manejarse con las barras auxiliares de la pantalla.

Qué sistema del equipo terminal “PC” – ordenador, tenga mouse y teclado ya que la interacción debe de ser con estos elementos del hardware.

56

10.3. RESTRICCIONES.

Restricciones Software

- Si el computador con el que se vaya a realizar cada uno de los fenómenos, no tiene instalado la versión Flash player actual la aplicación no podrá funcionar.

- Es necesario para el ejercicio que la persona que valla a utilizar la aplicación tenga acceso a internet

10.4. Etapa de Diseño Técnico.

Ilustración 19 Diseño inicial de fuerzas concurrentes.

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10.5. DIAGRAMA DE CASOS DE USO MESA DE FUERZAS CONCURRENTES.

Mesa de fuerzas actúa dentro del desarrollo aplicando sus propiedades físicas tomando datos de entrada ángulo y peso , más las demás actuares dentro del laboratorio posición de pesos y ángulos dentro de la mesa de fuerzas.

Ilustración 20 Casos de uso Mesa de fuerzas concurrentes

58

10.6. DIAGRAMA DE ACTIVIDADES MESA DE FUERZAS CONCURRENTES.


Ilustración 21 Diagrama de actividades Mesa de fuerzas concurrentes.

59



60

10.8. DISEÑO FINAL MESA DE FUERZAS CONCURRENTES.

Ilustración 22 Grafico final, mesa de fuerzas concurrentes.

El laboratorio de Mesa de Fuerzas, se realizó con este diseño apropiado para el usuario, puesto que comprende toda la parte física del laboratorio, y es muy agradable visualmente.

El objetivo de esta práctica, es ver como el sistema de fuerzas varía dependiendo de un ángulo y un peso dado por el usuario.

Cuenta con un panel interactivo para el usuario, muy sencillo para su fácil entendimiento, en el que se define un ángulo y un peso. En este caso, cada sistema está limitado por una división realizada en la circunferencia, pues cada uno tiene una limitante de 120 grados para poder hallar los valores pedidos por el docente.

Cada sistema tiene un panel interactivo, el cual consta de un ángulo y un peso, los cuales, modificaran la posición del aro que va en el centro de la circunferencia, y a partir de allí, llegar a un objetivo específico.

El usuario debe recibir 2 datos de 2 de los 3 sistemas mostrados, para definir con el tercer sistema que valores debe ingresar para que el aro quede en todo el centro de la circunferencia.

61

11. COMPLEMENTOS.

11.1. METODOLOGÍA.

Para el desarrollo del proyecto se estableció como estrategia para el logro del objetivo se desarrolló investigación de orden hermenéutico y el desarrollo de actividades de campo como la toma de registro fotográficos y la utilización de mitologías de desarrollo de software, desarrollo de prototipo, arquitectura de software y diseño de software.

Los inicios de este proyecto son dados desde bases sólidas en el sentido de que es claro el querer emplear nuevas formas de adquirir conocimientos y maneras más evolutivas de aprendizaje, ya teniendo claro las necesidades y objetivos principales como lo son el crear un laboratorio virtual que permita recrear y simular las prácticas de los fenómenos físicos planteados por el docente, se estudia cómo dar solución al problema, es allí tras de varias sesiones donde se exponen los requerimiento por parte del docente encargado del proyecto de Physilab, y una vez establecidos los objetivos del proyecto se da inicio a la construcción de los modelos de los ejercicios de laboratorios virtuales.

Una vez conocido a fondo lo requerido se empleara una herramienta que cumpla con las características de diseño y que a su vez sea ágil, de manera que podamos recrear los escenarios solicitados y con un alto porcentaje de realidad, calidad y agradable al usuario; como método adecuado se trabajó en la plataforma Flash que combinada con ActiónScript logramos conseguir el desarrollo de los ejercicios de laboratorios virtuales y obtener los resultados esperados, se logra asemejar las simulaciones de los distintos fenómenos casi a una realidad inmediata mediante prototipos creados a semejanza de los laboratorios reales recreando de la mejor manera los diferentes equipos y elementos que conforman el laboratorio de física, los bosquejos hechos durante las primeras etapas se podrán ver en la etapa de diseño de software donde durante entregas echas de cada uno de los ejercicios de física se construyeron laboratorios virtuales para el movimiento rectilíneo uniforme, movimiento rectilíneo uniforme acelerado, mesa de fuerzas y caída libre.

Cada prototipo desarrollado fue revisado con acompañamiento por parte del asesor por medio de un ciclo de vida y modelo escogido para la etapa de desarrollo de software al emplear el método de prototipo se logra tener un excelente enfoque dentro de lo requerido, ya que a medida que se hacen control seguimiento y evaluación se ve el proceso evolutivo de las simulaciones, esta metodología nos permite mejorar continuamente y ser integrales en el momento de hacer los desarrollos ya que se mejora y se cumplen las necesidades y requerimientos.

La versatilidad de la herramienta de trabajo en Flash y el modo de aplicar las formulas por medio del ActionScript 3.0, permiten lograr la semejanza de los

62

movimientos y resultados esperados aplicando las formulas y variables que dentro de una etapa de pruebas se refleja la similitud con la realidad y la claridad de los resultados.

RESULTADOS

Investigación preliminar

En esta etapa se ha indagado sobre los problemas que se tiene por parte de la Universidad Católica de Pereira y que han sido reflejados por parte de los estudiantes haciendo manifiestas las necesidades de tener laboratorios tradicionales de Física, con los cuales podrían asimilar las diferentes leyes y fenómenos de una mejor manera. Debido a esta problemática de falta de espacios y formas seguras de hacer prácticas de laboratorios de Física, se ideó el modo de mitigar esas necesidades de manera económica y novedosa aplicando las TIC, procediéndose a tomar los requerimientos para darle forma y solución al tema de disponibilidad de los laboratorios virtuales.

Estándares


63

PRUEBA.

Los desarrollos realizados han sido entregados para valoración y revisión por parte del cuerpo interdisciplinario de docentes, quienes adelantan los estudios pertinentes para establecer la funcionalidad y pertinencia de los modelos virtuales.

Podremos decir que las pruebas realizadas son las ejecutadas en la etapa de los requerimientos del software, donde para cada una de los ejercicios previamente se cumplió con los requerimientos establecidos y que se cumplieron durante las pruebas de testing.

Modelo formato de prueba realizada a los clientes (estudiantes- usuario).

CALIFICATIVO PARA PRUEBAS DE LOS LABORATORIOS VIRTUALES PHYSILAB

Modo de calificar: Este calificativo aplica para cada uno de los laboratorios virtuales (MRU, MRUA, Caída libre, Mesa de fuerzas).

Es necesario calificar en una escala de 1-5 (siendo 1 la más baja valoración y 5 la más alta), califique los siguientes conceptos:

No CONCEPTO VALORACION

1 Fácil uso y manipulación de los diferentes laboratorios simulados

1 2 3 4 5

2 El desarrollo cumple con un ambiente agradable de diseño, grafico, y decoración del laboratorio virtual

1 2 3 4 5

3 La calidad de las animaciones y movimientos de los equipos de laboratorio

1 2 3 4 5

4 Recrea virtualmente el escenario del laboratorio virtual.

1 2 3 4 5

5 Permite entender el ejercicio del laboratorio virtual.

1 2 3 4 5

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CONCLUSIONES.

Logramos con este proyecto un aporte significativo en el modo de integrar plataformas de laboratorios virtuales asociados a la física, generar experiencia en el diseño de este tipo de plataformas que se basa en una línea pedagógica la cual es adaptada a los requerimientos puestos, sumado la flexibilidad de la herramienta la cual puede ser adaptada para otros campos de ser necesario esto es de gran ventaja ya que permite ser utilizada en otras líneas y no se limita solo a un campo especifico, si no que hablamos de ser una interfaz integral a las demandas.

Uno de los grandes aportes que se logra en este proyecto es generar entornos gráficos agradables que de alguna manera recrean el escenario real visto desde la realidad de un laboratorio, es importante la objetividad que se le dio a este requerimiento de generar atreves de una herramienta tecnológica recrear la ambientación locativa de un laboratorio real de física, se logró realismo dentro del desarrollo cumpliendo con las expectativas de calidad del ambiente gráfico y los diferentes entornos aplicados para cada uno de los fenómenos solicitados.

Se tuvieron contratiempos como en todo proyecto pero esto fue mitigado gracias a la permanente comunicación entre el analista y el usuario que finalmente tras de una técnica aplicada de prototipos se logró el mejor resultado teniendo en cuenta variables de desempeño que por obvias razones en la realidad son diferentes, de cierto modo con lo alcanzado hasta el momento con la herramienta de laboratorio virtual, no sin subestimar lo alcanzado dado que uno de los propósitos de la creación de estos desarrollos es mejorar la accesibilidad a estas herramientas su fácil uso, ahorros de recursos físicos y de infraestructura, tiempos son algunas de los aportes logrados por medio de una herramienta como esta y el aporte logrado a Physilab es bien importante gracias a que sus requerimientos son objetivos y claros logramos aunar las partes y tener un buen resultado pese a las dificultades.

La experiencia adquirida durante todo este proceso es un grano de arena que suma a muchos otros trabajos más que existen de este tipo unos más complejos que otros, pero que de algún modo van enfocados a el mejoramiento de técnicas tecnológicas que ayudaran a las instituciones o programas encargados de la enseñanza y mejoras pedagogías de dar a entender diferentes disciplinas, esto generara la integración de un modelo pedagógico es que primero y utilizamos un medio como lo es la

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herramientas tecnológicas (TICS) el cual día a día debe de ser explotado de una manera integral sacando su mejor resultado al integrar estas dos.

Los bajos costos con los que una herramienta como esta puede ser creada bajo la estricta supervisión de los entes encargados dando cumplimento a las leyes y normas que rijan los fenómenos en este caso los físicos, no sin olvidar que este tipo de laboratorios podrían ser creados para diversas ramas se conseguiría pedagógicamente un excelente producto, el proceso de estos es evidente que podríamos sacar puntos de fallo y mejora para logar resultados de laboratorios virtuales de calidad e integrales, enriqueciendo la cultura tecnológica y de aprendizaje del grupo universitario de la UCP y cumplir con los requerimientos educativos.

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