Cálculo de magnitudes físicas mediante cronómetro de precisión variable

Este bundle documenta uno de los trabajos premiados con el Premio Rotary Club Valencia Centro al Fomento del Trabajo Experimental en Física de la Universitat de València. Fue realizado por Francisco Albiol junto con Jorge Agramunt Ros durante primer curso de la licenciatura.

El núcleo original del proyecto no era simplemente “medir tiempos”, sino construir el instrumento de medida y, a partir de ahí, estudiar cómo la resolución temporal condiciona las magnitudes físicas deducidas. En ese sentido, la parte más característica del trabajo fue el uso de un osciloscopio como referencia temporal y el desarrollo de un cronómetro digital cableado a mano, basado en lógica discreta, contadores decimales con acarreo, biestables de control y visualización numérica directa.

La idea física es muy potente: una medida de caída libre o de cualquier otro proceso rápido nunca depende solo del fenómeno, sino también de la arquitectura electrónica que decide cuándo empieza a contar, cuándo deja de hacerlo y con qué granularidad convierte un pulso en una cifra. Este proyecto convierte esa dependencia instrumental en el verdadero objeto de estudio.

Dentro de Haz tu ciencia, su interés es doble. Por un lado, muestra una forma de docencia experimental muy material, donde el aparato se entiende desde dentro. Por otro, anticipa un tipo de instrumentación que hoy resolveríamos con microcontrolador, pero que entonces exigía diseñar explícitamente toda la cadena lógica: disparo, enclavamiento, conteo, acarreo y presentación del resultado.

La práctica original se perdió con el paso del tiempo y con las limpiezas de laboratorio, pero sobrevive un testimonio material muy útil de aquella forma de trabajar: una placa de un ordenador construida en la misma época y por los mismos autores, con las mismas técnicas de estudiante de primero de carrera. Aunque no corresponde al cronómetro en sí, sí conserva el mismo lenguaje técnico y manual: placa perforada, zócalos, cableado punto a punto, buses distribuidos a mano y organización modular del sistema.

Ejemplo de construcción electrónica de la misma época y de los mismos autores: en esta placa se distinguen la zona de CPU, los bancos de ROM, los bloques de entrada y salida, zócalos de expansión para teclado y circuitería de generación de vídeo. Más que una pieza ajena, funciona como documento material del mismo modo de construir instrumentación y sistemas digitales a mano que se usó en esta práctica.

Arquitectura original del cronómetro

El montaje original responde a una arquitectura formada por varios bloques claramente separados:

• una entrada de evento capaz de generar un pulso limpio de inicio o de fin a partir de barreras ópticas
• una base de tiempos estable, visible y contrastable con el osciloscopio
• una etapa de start-stop realizada con biestables, encargada de abrir o cerrar la ventana de conteo
• una cadena de contadores decimales hasta 10 con acarreo
• una etapa de conversión de bits a dígitos para mostrar directamente el tiempo medido en displays numéricos

Esa división no es un detalle de implementación: es precisamente lo que convierte el aparato en una práctica de instrumentación. Cada bloque introduce límites propios, retardos, anchuras mínimas de pulso y posibles errores de sincronización.

Papel del osciloscopio

La parte más original del trabajo era el uso del osciloscopio no solo como ayuda de laboratorio, sino como parte del método. El osciloscopio permitía comprobar la forma real de las señales, la limpieza de los flancos, la anchura de los pulsos de disparo y la relación entre la base de tiempos generada por el circuito y el fenómeno medido.

Eso tenía varias consecuencias didácticas importantes:

• permitía verificar si el pulso de start y el de stop eran realmente digitales o si necesitaban conformado adicional
• hacía visible el posible rebote de contactos o la ambigüedad temporal de sensores lentos
• permitía comprobar si el biestable conmutaba donde debía o si existían retardos apreciables
• servía para calibrar la resolución efectiva del cronómetro frente a una referencia temporal independiente

En otras palabras, el osciloscopio no era un accesorio de lujo, sino la herramienta que hacía posible discutir con rigor qué significaba exactamente una “precisión variable”.

Barreras infrarrojas como sensores de inicio y fin

La solución más coherente con lo que describes es que los eventos de start y stop se generaran mediante diodos infrarrojos emisores y receptores enfrentados, formando dos barreras ópticas. Cuando el móvil del experimento atravesaba la primera, interrumpía el haz y disparaba el inicio del conteo; al atravesar la segunda, provocaba el fin de la medida.

Ese detalle es muy importante porque sitúa el proyecto en un terreno claramente instrumental. La medición del tiempo no depende ya de la reacción humana ni de un contacto mecánico, sino de una detección fotoeléctrica mucho más reproducible. Pero esa mejora introduce a su vez nuevos problemas físicos y electrónicos:

• alineación geométrica entre emisor y receptor
• anchura efectiva de la barrera
• tiempo de respuesta del receptor
• necesidad de umbral o histéresis para convertir una variación analógica en un flanco digital
• posible influencia de luz ambiente o de reflexiones espurias

Visto así, el cronómetro no era solo un contador: era un sistema completo de detección óptica + decisión lógica + medida temporal.

Lógica de start-stop con biestables

Según tu descripción, el diseño original empleaba biestables para gobernar el proceso de inicio y parada. Eso encaja muy bien con una solución clásica de laboratorio: un primer evento pone a 1 un biestable y habilita el paso de la base de tiempos hacia los contadores; un segundo evento lo resetea y bloquea inmediatamente el conteo.

Esa etapa cumple dos funciones esenciales:

• convierte dos sucesos físicos en una ventana temporal digital
• desacopla el sensor del resto de la lógica, evitando que los contadores respondan directamente a señales mal definidas

En ese esquema, cada barrera infrarroja no entrega todavía “un tiempo”, sino una transición eléctrica asociada al paso del objeto. El verdadero cronómetro nace cuando esos dos eventos ópticos quedan traducidos a un estado lógico estable: contar o no contar. Ahí es donde los biestables hacen de frontera entre el mundo analógico del sensor y el mundo digital del recuento.

En una implementación de época, ese bloque podía realizarse razonablemente con familias del tipo SN74LS74A, que integran dos biestables tipo D con preset y clear asíncronos, o con configuraciones equivalentes a partir de biestables RS. La ventaja del enfoque es clara: la lógica de control queda separada de la lógica de conteo, y eso hace mucho más fácil depurar el instrumento con el osciloscopio.

Contadores decimales y acarreo

El corazón cuantitativo del cronómetro era la cadena de contadores hasta 10 con acarreo. La idea es simple y muy elegante: cada tren de pulsos procedente de la base de tiempos incrementa el primer contador; al llegar a diez, ese contador vuelve a cero y envía un pulso de acarreo al siguiente dígito.

Con varias décadas encadenadas puede construirse una lectura directa en unidades, décimas, centésimas o el rango temporal que interese. En este tipo de instrumentación resultan especialmente verosímiles familias como:

• SN74LS390, contador dual de década con secciones divisoras y borrado directo
• familias afines tipo 7490/7490A, muy habituales en montajes didácticos de conteo decimal

La razón de usar décadas con acarreo y no un recuento binario puro es muy práctica: el resultado final se presenta de forma inmediata en decimal, sin necesidad de una etapa posterior de conversión numérica compleja.

De bits a dígitos: visualización numérica

Una vez que cada década entrega un código BCD, hace falta traducirlo a una lectura comprensible. Ahí entra la etapa que tú describes como elementos de conversión de bits a números digitales, es decir, decodificadores/controladores para displays de siete segmentos o equivalentes.

Entre las familias lógicas que encajan especialmente bien con este tipo de montaje se encuentran:

• SN7447A, decodificador/controlador BCD a siete segmentos para ciertos tipos de display
• CD4511B, latch/decoder/driver CMOS BCD a siete segmentos

Ese bloque es importante porque fija otra parte de la filosofía del aparato: no se trataba solo de contar internamente, sino de hacer legible la medida en tiempo real, con una salida digital directa y autónoma.

Qué se aprendía realmente con este diseño

La lección experimental del proyecto iba más allá de obtener un valor de g o de una magnitud derivada. El montaje obligaba a pensar en cuestiones que siguen siendo centrales en instrumentación:

• qué evento físico define exactamente el start
• qué evento define exactamente el stop
• qué anchura mínima debe tener un pulso para ser reconocido
• qué error introduce la cuantización temporal
• cómo se propaga ese error a la magnitud final calculada

En ese sentido, el cronómetro de precisión variable es casi una práctica de metrología encubierta: enseña que la física experimental empieza mucho antes del cálculo final, en el diseño del criterio electrónico con el que decidimos cuándo algo ha ocurrido.

Traducción moderna del montaje

Hoy la forma más natural de conservar el espíritu original no sería simplificarlo hasta hacerlo irreconocible, sino trasladar la misma lógica instrumental a una arquitectura contemporánea. La propuesta más fiel sería esta:

• mantener una señal visible en osciloscopio para seguir viendo los flancos y validar el disparo
• usar un comparador, acondicionador o entrada con trigger para convertir esa señal en un evento digital robusto
• delegar el conteo en un Arduino o microcontrolador equivalente
• usar interrupciones o captura temporizada para implementar la lógica de start-stop
• presentar el resultado por puerto serie, display o pantalla, pero conservando la idea de resolución seleccionable

Aquí el microcontrolador sustituye a la cadena física de contadores, pero no invalida el aprendizaje original. Al contrario: permite enseñar que, incluso cuando el conteo parece “software”, sigue existiendo la misma cadena conceptual de siempre:

• conformado de señal
• decisión de umbral
• generación de flanco
• captura del instante
• diferencia temporal
• presentación del resultado

Cómo sería una versión actual bien planteada

Si se quisiera rehacer hoy la práctica con rigor y sin perder su carácter histórico, la solución más coherente sería usar el osciloscopio como referencia visual y un Arduino como cronómetro configurable. La señal experimental podría entrar por una etapa de acondicionamiento externo y luego por una entrada digital con interrupción. El programa tendría dos estados, armed y running, y capturaría el instante inicial y final mediante temporización interna.

La clave es no vender esa modernización como una simplificación trivial, sino como una equivalencia funcional del diseño original. Lo que antes hacían biestables, décadas con acarreo y decodificadores BCD ahora lo harían un disparo por hardware, un temporizador interno y una rutina de visualización. El principio experimental, sin embargo, sería el mismo.

También aquí conviene conservar la idea de las barreras infrarrojas. Una versión actual bien planteada seguiría usando dos parejas emisor-receptor para definir start y stop, pero añadiría una etapa de acondicionamiento más robusta antes de entrar al microcontrolador. Esa etapa puede incluir comparador, histéresis o trigger Schmitt, de modo que Arduino no vea una señal ambigua sino un pulso digital limpio.

Cómo montarlo hoy

Si se quiere reproducir hoy el espíritu del montaje original, organiza el sistema en estos bloques:

• usa dos barreras con LED infrarrojo y receptor para definir start y stop
• acondiciona cada salida con un comparador o una entrada con histéresis, por ejemplo con LM311 o SN74HC14
• implementa la lógica de ventana temporal con biestables tipo SN74LS74A si se quiere conservar la solución cableada
• cuenta impulsos con décadas tipo SN74LS390 o familias equivalentes 7490 si se quiere mantener el cronómetro discreto
• convierte el BCD a visualización decimal con SN7447A o CD4511B

Si se prefiere una versión actual, mantén las barreras ópticas, conserva el osciloscopio como referencia de señal y sustituye la cadena de conteo por Arduino:

• lleva las dos barreras a entradas digitales limpias
• usa interrupciones para capturar el instante de inicio y de fin
• fija por software la resolución temporal que quieras comparar
• muestra el resultado en serie, display o pantalla

Hazlo así para que el proyecto siga enseñando lo mismo que enseñaba el diseño original: no solo cómo medir un tiempo, sino cómo construir la lógica instrumental que decide qué tiempo se está midiendo.

Año y créditos

Año académico: 1988-1989
Edición del premio: II Premio Rotary
Título original: Cálculo de magnitudes físicas: empleo de un cronómetro de precisión variable
Autores originales: Francisco Albiol Colomer y Jorge Agramunt Ros
Curso: 1º
Laboratorio: Física General
Tutor: Fernando Tena Sangüesa
Reconocimiento: Premio Rotary Club Valencia Centro al Fomento del Trabajo Experimental en Física — Universitat de València
Fuente de la documentación: libro conmemorativo XXV Aniversario Premio Rotary Club Valencia Centro al Fomento del Trabajo Experimental en Física, 1988-2013

Referencia

Pedro González Marhuenda. XXV Aniversario Premio Rotary Club Valencia Centro al Fomento del Trabajo Experimental en Física, 1988-2013. Valencia: Fire Drill Ediciones, 2014. ISBN 978-84-938028-0-6.

Esta entrada se incorpora como parte del archivo de proyectos premiados vinculados al origen experimental del sitio. En este caso, además, funciona como documento de transición entre dos épocas de la instrumentación docente: la de la lógica cableada a mano y la de la adquisición digital programable.