Ciencias del espacio (III): despegamos! construyendo un cohete

Este post, introduce más conceptos sobre las ciencias espaciales y su exploración, así como actividades donde se continuará aprendiendo sobre las leyes del movimiento de Newton. Se pondrá especial atención en la Tercera ley de Newton, demostrando como funciona con el lanzamiento de un cohete, y una actividad manual donde los estudiantes construirán su propio cohete. Para realizar la actividad se necesita de la construcción previa de un lanzador de cohetes.

Objetivos

• entender las leyes de la física que hay detrás del lanzamiento de un cohete
• describir la tercera ley de Newton

Actividades

• A1. Construir un lanzador de cohetes (material: 3m de tubo PVC de 12.7 mm; tubería PVC de colze de 12.7 mm; sierra manual; cinta métrica; cinta adhesiva; botella de 2l de plastico)
• A2. Construir un cohete (material: papel de construcción, tijeras, celo)

A1. Construir un lanzador de cohete

Pueden construirlo los alumnos perfectamente, no obstante si no se precisa de mucho tiempo quizá sea mejor que lo construya el profesor, previo a la clase.

La tercera ley de Newton dice que para cada acción hay una reacción igual y contraria. En la demostración de esta actividad, el aire entra dentro de una cámara pequeña, golpea el cohete de papel y al hacerlo, crea un impulso que hace que el cohete despegue.

Hay muchas versiones para la construcción de un lanzador de cohetes, el más básico incluye el material mencionado anteriormente: tuberías de PVC para hacer forma de L, la botella de plástico se conecta a un extremo y el cohete al otro extremo. Cuando se pisotea la botella de plástico lanza aire a presión a través de la tubería. Para instrucciones paso a paso siga el link.

Hay variaciones mucho mas elaboradas para hacer el lanzador de cohetes, incluido algunas que usan un bombeadores de aire comprimido. Dirigase al link para ver versiones mas elaboradas.

A2. Construyendo el cohete

Los estudiantes puede construir sus propios cohetes de papel para usarlos junto al lanzador de presión de aire anterior. Para hacer la construcción mas interesante puede pedir a los estudiantes que hagan variaciones del cohetes, haciendo cuerpos mas largos y otros con conos mas pequeños. También se pueden usar diferentes tipos de papel. Haga que los alumnos observen que pasa con sus cohetes, y como actúan cohetes de diferentes medidas y materiales.

Construcción:

1. Tome un papel de 22×28 cm y enróllelo dentro de un tubo que encaje sobre el tubo de lanzamiento. El tubo debe encajar cómodamente en el lanzador, pero no ser demasiado apretado.
2. Trace un círculo de 7.5 cm en el papel y recórtelo. Marque un punto en el centro del círculo. Doble el disco de papel para que forme un cono y pegelo todo junto. La base del cono debería ser sólo ligeramente más grande que el diámetro del tubo de papel.
3. Pege el cono al cuerpo del tubo
4. Cortar dos trapezoides con una base superior a  2.5cm y una base inferior a 7.5 cm. Doble los lados de la trapezoidal para crear triángulos.
5. Pege un trapecio cerca de la base del tubo. Para hacer esto, pegu la sección rectangular del trapezoide cerca de la parte inferior del tubo de papel. Los triángulos que salen del trapezoide servirán de “aletas” para el cohete.
6. Haga lo mismo con el otro trapezoide al otro lado del cohete.

El cohete final se deveria parecer a lo que aparecen en imagen1 o imagen2. Los cohetes de papel tiene muchas variaciones. Una plantilla con instrucciones se puede encontrar al link.

Como hemos mencionado antes se puede hacer que los estudiantes construían diferentes versiones de cohetes, por ejemplo, con o sin alas, con o sin cono. ¿Que pasa cuando se lanzan los cohetes con diferentes formas? Lanzar un tubo plano (sin cono) o un tubo sin alas, enseña el porque estos elementos son necesarios.

Esto lleva a la discusión del porque los cohetes tienen diferentes características. Por ejemplo ¿por qué terminan con punta? Haga que los estudiantes piensen sobre como se mueven sus manos a través del aire cuando se sacan de la ventana del coche. Cuando es plano, se siente resistencia y se mueven rápido arriba y abajo. Si apunta hacia el viento, las manos cortan el aire y se mantienen mas rectas. ¿Que hacen las alas? ¿Cual es el propósito del cuerpo del cohete? El cuerpo el cohete está allí para el carburante (en este caso aire presurizado. Soltar un globo después de inflarlo para mostrar que sucede cuando se libera la presión sin algo para guiar o controlarla.

Conclusión

Los lanzadores de cohete demuestran el uso de aire comprimido para lanzar el cohete. Cuando el aire se mueve de la botella de plástico hacia el tubo, las moléculas de aire se comprimen e incrementa la presión del aire. La presión del aire crea una fuerza que puede lanzar el cohete.

Pregunte a los estudiantes que observaciones han sacado de sus cohetes. ¿Que han aprendido de la actividad?, ¿Tiene los equipos con diferentes cohetes diferentes conclusiones?, ¿Se equivocó alguien al construir el cohete?

 

Ciencias del espacio (II): las fuerzas a nuestro alrededor

Este post es una introducción a algunas de las leyes básicas de la física descubiertas por Isaac Newton. Estas incluyen la primera ley del movimiento (inercia) y la tercera ley del movimiento (para cada acción hay una reacción igual y opuesta).  Estas leyes nos afectan a nosotros en la tierra y su comprensión nos puede enseñar como viajar por el espacio es posible. En el post se usan múltiples demostraciones para ayudar a los conceptos a manifestarse.

Objetivos

• entender la ley de la inercia y dar ejemplos relacionados con el día a día (un objeto en movimiento se puede describir por su posición, dirección del movimiento y velocidad).
• entender como la ley de movimiento de Newton afecta el viaje por el espacio

Actividades

• A1. Actividad del vagón para el concepto de inercia (material: pequeño vagón, dos pelotas de tenis)
• A2. Truco del mantel (material: mantel suave y sin dobladillo y platos, vasos, tazas pesados)
• A3. Giroscopio bicicleta (material: una rueda de bicicleta, cadena, soporte para el giroscopio)

Motivación

Si bien es verdad que el viaje por el espacio y las ciencias del espacio hacen referencia a objetos que están muy lejos, los investigadores necesitan primero entender como las fuerzas trabajan en la tierra. Esta es al fase de preparación. Del mismo modo que un doctor primero aprende como funciona la reanimación cardiopulmonar en un muñeco para entender como funciona, los científicos primero practican el entender las leyes de la física en la tierra como un método para construir la investigación en el espacio. Se puede empezar la jornada con una competición de vocabulario.

 A1. Actividad del vagón para el concepto de inercia

 La primera ley del movimiento de Newton dice: “ un objeto en movimiento continuará en movimiento a no ser que una fuerza exterior actúe sobre el. Un objeto parado continuará parado a no ser que una fuerza exterior actúe sobre él.” En otras palabras, algo que se está moviendo se continuará moviendo a no ser que algo lo pare. Algo que no se mueve no se moverá a no ser que algo lo mueva

En la tierra, la fuerza que normalmente para el movimiento es la fricción. La fricción ocurre cuando dos cosas frotan entre ellas, y eventualmente se relantiza el movimiento. La fricción ocurre porque raramente existen superficies perfectamente lisas en el mundo.

Para conectar la inercia con la vida real, pregunte a los alumnos sobre los siguientes escenarios:

• si alguien va en monopatín, ¿Cómo sigue moviendo el monopatín? ¿Cómo se propulsa el monopatín?¿Por que se para? ¿Por qué cuando ponemos el pie en el suelo y lo arrastramos el monopatín se frena?
• Si un coche para de repente, que pasa a tu cuerpo? Para tu cuerpo inmediatamente cuando el coche para? Cuál es el propósito de los frenos? Cómo trabaja la fricción con los frenos? Teniendo en cuenta el principio de inercia, por qué es importante usar el cinturón?

Para ver el concepto de inercia en acción:

1. Ponga dos pelotas de tenis en el vagón
2. Arrastre el carro y párelo de repente
3. Pregunte a los alumnos sobre lo que están observando

 A2. Truco del mantel

Con esta practica seguro que se gana el aplauso de sus alumnos, però ocupese de practicar primero en casa!

1. Coloque un mantel en una mesa con bordes rectos
2. Coloque un plato, una taza etc.. en el mantel. Como más pesado sea los objetos que coloca mejor. Además puede seleccionar objetos con fondos relativamente suaves y el mantel no debería tener dobladillos
3. Con ambas manos, tire del mantel en un rápido movimiento. El truco es tirar hacia abajo, no hacia fuera.
4. El mantel debe salir y los objetos quedar en su lugar.

Que está pasando: Con la inercia, los objetos permanecen en reposo hasta que se le aplica una fuerza externa. Cuando el mantel está siendo tirado, los objetos también son tirados y aceleran, pero no mucho porque el mantel es resbaladizo y la fuerza no es lo suficientemente fuerte para mover los platos y tazas. Cuando los objetos quedan libres del mantel, la fuerza desaparece y la tendencia es que los platos y tazas vuelvan al reposo y a caer en la mesa.

 A3. Giroscopio bicicleta

Esta actividad demuestra el efecto giroscopio, que es el fenómeno del que depende la dirección de una nava espacial. Se necesita una rueda de bicicleta (una rueda vieja con asas pegadas al centro de giro que permita mantener la rueda agarrada mientras esta gira). La manera mas fácil de pensar en esta aplicación es pensar en como se monta en bicicleta. Es mas fácil mantenerse en equilibrio cuando esta parado o cuando está en movimiento? Cuando una bicicleta está en movimiento tiene dos tipos de inercia – la inercia de avance y la inercia angular de las ruedas girando. Este momento angular es importante: las bicicleta no quiere ir de izquierda a derecha porque quiere mantener las ruedas girando en el mismo plano en el que están.

Actividad:

1. Conecte una pieza larga (cuerda, madera) en el eje de la bicicleta. La cadena necesita ser fuerte
2. Ate la cuerda de forma que permita a la rueda de la bici estar colgando, con suficiente espacio para que cuelga verticalmente.
3. Aguante la cuerda, y muestre como la rueda cae hacia un lado como resultado de la gravedad.
4. Aguante la ruede hacia arriba de forma vertical (como si estuviera en una bicicleta), y dale un empujón para que empiece a girar. Aguante por un o dos segundos y deje la bicicleta.
5. La rueda se giraré y se mantendrá arriba como desafiando la ley de la gravedad!

Que está pasando: un giroscopio es más estable que un objeto que no gira. Cuando la rueda esta solamente suspendida, la gravedad tira de ella hacia abajo. Cuando la rueda se levanta y se hace girar, se aplica una fuerza que la hace girar en su eje de giro. Cuando se aplica esta fuerza, la parte de arriba del giroscopio tiende a moverse hacia la izquierda y la parte de abajo hacia la derecha. Debido a la Primera ley de newton de la  inercia, el giroscopio sigue intentando ir a la izquierda pero el giro del giroscopio ejerce otra fuerza. Estas dos fuerzas continúan girando y la rueda queda suspendida en el aire.

Un buen ejemplo es el siguiente video que el departamento de Física del MIT Colgó en youtube:

Las naves espaciales navegan de la misma forma que lo hacen los aviones. El giroscopio se posiciona en la dirección del movimiento y se fija como un piloto automático. Los giroscopios giran a una velocidad constante. Si la nave se desplaza fuera de su ruta, la fuerza afecta a los giroscopios, lo que indica al piloto automático que debe volver a la ruta. El eje del giroscopio se quiere mantener constante,  por lo que mediante la monitorización de que el giroscopio continua apuntando en la misma dirección, ayuda a navegar.

Recapitulación

Para poner la actividad toda junta, explicar que para entender el viaje por el espacio es necesario entender la Ley de movimiento de Newton. Para que los astronautas puedan ir al espacio, tienen que superar la inercia para poder lanzar un cohete. Entonces para poder continuar hacia la dirección correcta, se ayudan de un giroscopio.

Para conectar las actividades con los estudiantes, anímelos a describir como las propiedades de la inercia se manifiestan en sus vidas. Esto puede incluir algo tan simple como andar (se precisa una fuerza para empezar el proceso, la fricción ayuda a deslizarnos por el lugar) a algo mas complejo e.g. cómo los coches son empujados por los motores y parados por los frenos.

Ciencias del espacio (I): ¿que son las ciencias del espacio?

Este post introduce las ciencias del espacio y en particular se focaliza en ayudar a los estudiantes a entender que la exploración del espacio involucra muchas dimensiones de la ciencia, incluyendo la física, la química, ingeniería, biología y psicología.  Se aprenderá la jerga de la exploración espacial, y se presentaran conceptos fundamentales como la gravedad y la escala astronómica a través de actividades manuales.

Objetivos

• Mejorar el conocimiento y vocabulario de las ciencias del espacio
• Describir las propiedades de la ley de la gravedad y como se puede observar
• Calcular el tiempo de reacción al coger un objeto (dada la constante de gravedad)

Actividades

• A1: Competición de vocabulario
• A2: Demostración de la ley de Galileo (Material: libreta, hoja de papel, uva, naranja)
• A3: Calcular el tiempo de reacción (Material: calculadora, cinta métrica)

Motivación

¿Quien no ha tenido nunca curiosidad sobre el espacio? O ¿en algún punto no ha querido ser astronauta? Solemos pensar en el espacio como un lugar muy lejano, pero el echo es que vivir en la Tierra es vivir en el sistema solar y como consecuencia en el espacio. Entender por qué las cosas suceden como lo hacen en la Tierra nos ayuda a entender o hacer conjeturas acerca de la forma en que las coas suceden en otras partes del sistema solar. Aprender sobre el espacio significa que también tenemos que aprender  como la  física, química, biología  funcionan en la Tierra.

A1. Competición de vocabulario

1. Dividir la clase en grupos de 4 y motivar a cada grupo a escoger un nombre de equipo
2. Para cada equipo distribuir 4 conjuntos de cartas índice. El primer conjunto tendrá solo palabras (vocabulario), el segundo solo definiciones y el  tercero dibujos o fotografías.  El cuarto conjunto estará en blanco para que los estudiantes puedan escribir. Cada grupo tiene el mismo conjunto de cartas
3. Cuando el profesor dice ya! Los equipos tienen que trabajar conjuntamente para enlazar correctamente cada palabra con su definición y dibujo. La carta en blanco se usará para construir una frase donde se utiliza la palabra correctamente.
4. Para el crono en 15 minutos y contar cuantos grupos correctos se han hecho para cada equipo.
5. Preguntar a cada equipo que lea la palabra, definición y sentencia construida que hayan echo de forma correcta. El profesor puede añadir explicaciones que considere oportunos. Si hay palabras que ningún equipo ha hecho de forma correcta, el profesor debe de explicar su definición.

El vocabulario lo puede elegir el profesor. Este tipo de actividad es buena para coger conciencia del trabajo en equipo y competición saludable. También se puede utilizar para saber como de familiarizados están los estudiantes con un tema determinado. Para 15 minutos se deben utilizar unas 12-15 palabras, siempre dependiendo del nivel de conocimientos de los estudiantes. Es importante asegurar de mezclar nuevos conceptos con conceptos ya conocidos para los estudiantes. Algunos ejemplos podrían ser: planeta, sol, luna, gravedad, vacío, asteroide, cometa, inercia, estación espacial, galaxia,  constelación, satélite, cenit.

A2. Demostración de la ley de Galileo

Preguntar a los estudiantes que saben sobre la teoría de la gravedad. Explicar que la gravedad afecta a todos, y dar los conceptos básicos sobre gravedad.

Para ilustrar los efectos de la gravedad, la siguiente actividad es una buena y rápida demostración para introducir a los estudiantes la ley de la caída libre de Galileo, que dice que los cuerpos caen a una aceleración constantes independientemente de su masa.

Enseñe a los estudiantes una uva y una naranja, y pregúnteles: Si las dos son tiradas desde la misma altura cual llegara primero al suelo?. Pregunte sobre sus predicciones y porque de ellas. Muchos estudiantes dirán que porque la naranja pesa mas, ésta caerá mas rápido. Otros quizá sepan sobre la ley de Galielo y le diran correctamente que las dos llegarían al suelo al mismo tiempo.

Para demostrar la ley de Galileo, deje caer la uva y la naranja desde la misma altura, y pregunte a los estudiantes por sus observaciones.

Para cocmplicar el concepto un poco más, contraste la demostración previa tirando dos trozos de papel, uno tal como viene y el otro aplastado en una bola. La bola llegará al suelo más rápido. Pregunte a los estudiantes porque esta pasando esto si supuestamente todos los objetos caen a la misma velocidad. Explique luego el concepto de resistencia y fricción del aire y que la ley de Galileo funciona perfectamente solo en el vacío. Explique que esta ley fue corraborada por los astronautas que hicieron un experimento de caída libre a la luna, donde no hay aire.

 A3. Calcular el tiempo de reacción

1. Con esta actividad los estudiantes van a calcular su tiempo de reacción usando la equación de la ley universal de la gravedad
2. ponga los estudiantes en grupos de 2
3. Un estudiante sujetara un rotulador, mientras que el otro pone sus manos 10 cm por los lados
4. Si previo aviso, el estudiantes que sujeta el rotulador lo deja caer de repente, y el otro estudiante lo debe de coger tan rápido como lo sea posible
5. Una vez lo ha cogido, los estudiantes miden la distancia que el rotulador ha caído.
6. El experimento debe de repetirse 3 veces para cada estudiante, y calcular la media  para cada uno. Se pueden dar las formulas a los estudiantes

Para evaluar este ejercicio se  pueden hacer las siguientes preguntas

• Que hizo que el rotulador cayera?
• Cual es la media de reacción de la clase?
• Por qué creen que hay cierta vacilación al coger el rotulador?
• Hay algo que se  pueda hacer para acelerar el tiempo de reacción?
• Si la aceleración de la gravedad fuera mas lenta, seria la distancia recorrida por el rotulador antes de ser cogido mayor o menor? (seria menor, porque el objeto caería mas despacio)

Para terminar unas fotos y biografias (siguiendo el link):

                      Isaac Newton                                                Galileo Galillei