Alejandro del Mazo, licenciado en Química por la Universidad de Salamanca y profesor emérito de Física y Química en Secundaria, nos ha sorprendido con una serie de experimentos que pueden utilizarse en los institutos para ilustrar ciertos conceptos físicos.
Lo primero que me ha sorprendido es la capacidad de organización y de planificación de este profesor a la hora de plantearse la clase de experimentos. De hecho, cuando hemos llegado al laboratorio en el que han tenido lugar las dos sesiones de unas tres horas de duración, ya estaba todo montado y planificado: en cada una de las mesas había un experimento con todo el instrumental necesario para llevarlo a cabo y en un orden determinado que a él le facilitaría la explicación posterior.
Todo esto me ha hecho reflexionar acerca del grado de implicación de un docente que utiliza la experimentación como recurso habitual en sus clases, el cual es mayor al del profesor que solamente se dedica a dar clases magistrales. Es cierto que todo esto puede verse como una desventaja en cuanto a incluir la experimentación en las clases, ya que el ritmo de vida tan acelerado, exigente y cambiante de la sociedad líquida en la que vivimos no nos permite dedicar tanto tiempo a la preparación de las clases. No obstante, incluir algunos experimentos para ilustrar los fenómenos físicos más visuales y relevantes me parece imprescindible y creo firmemente que merece la pena dedicarle unas cuantas horas a su elaboración.
Una de las prácticas que me ha parecido más ilustrativa estaba dedicada a la electrostática de 3º de ESO; en concreto, a la electrización por frotación y por inducción. Para explicar estos conceptos, Alejandro ha frotado un tubo de PVC con piel, por lo que el tubo de PVC se ha cargado negativamente, tal y como indicaban los chasquidos que se oían de vez en cuando debido al fenómeno de la electrización por frotación. Después, ha acercado el tubo a una esfera metálica que estaba colgando de un soporte mediante un hilo aislante y hemos podido observar que la esfera se ha acercado al tubo, pero sin mucho entusiasmo. Esto se debe a que se ha producido el fenómeno de la electrización por inducción en la esfera, es decir, los electrones se han movido a lo largo de la misma para que la parte de la esfera más cercana al tubo quedara cargada positivamente, mientras que la parte más lejana al tubo ha quedado cargada negativamente, a pesar de que la esfera siguiera siendo neutra. Después, ha realizado dicho experimento de nuevo, pero después de acercar el tubo a la esfera, ha tocado la esfera metálica con la mano y hemos podido observar que se veía atraída con mucha más fuerza al tubo de PVC, debido a que la carga negativa que había en la parte más lejana al tubo se ha descargado a través de su mano, haciendo que la esfera quedara con carga positiva.
Por otro lado, Alejandro se ha centrado en explicar la primera ley de Newton con el fin de quitarnos de la cabeza algunas ideas erróneas que están muy extendidas. Por ejemplo, muchos estudiantes aprenden de memoria el enunciado de dicha ley (“Todo cuerpo continúa en su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme en ausencia de fuerzas”) para completar el examen con lo que el profesor les ha explicado, pero no creen que sea cierta, puesto que comprueban en su día a día que si consiguen que un objeto viaje a velocidad constante (por ejemplo, un coche de juguete), este no se mantiene indefinidamente en ese estado, sino que pronto acaba parándose. Como bien sabemos, este fenómeno se debe a que en ese caso no se cumple la condición necesaria para que sea cierta la primera ley de Newton, ya que está presente la fuerza de rozamiento y, por lo tanto, en esa situación la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre el móvil no es nula. No obstante, para visualizar esto Alejandro nos ha propuesto construir un aerodeslizador utilizando un CD, dos tubos de PVC (de manera que uno pueda encajarse dentro del otro y sean más anchos que el agujero del centro del CD), un rollo de cinta aislante y un globo. De este modo, una vez pegados el tubo de PVC más grande en el centro del CD, el rollo de cinta aislante en la periferia del CD y el tubo más pequeño al globo, ha hinchado el globo y ha encajado el tubo de PVC pequeño dentro del grande. Ha dejado que el globo empezara a deshincharse y le ha propiciado un golpe al aerodeslizador. De este modo, hemos podido comprobar que el aerodeslizador continua moviéndose con velocidad constante por mucho tiempo, cumpliéndose la primera ley de Newton. Esto se debe a que al deshincharse el globo, se ha creado una cámara de aire bajo el CD, la cual ha disminuido el rozamiento entre el suelo y el CD. Personalmente, me gustaría utilizar esta práctica cuando tenga la oportunidad de explicar las leyes de Newton en el instituto. En la imagen siguiente se puede ver un aerodeslizador casero semejante al que hemos explicado, utilizando media botella de plástico en lugar del tubo de PVC para la colocación del globo:
Otra de las prácticas sencillas con las que nos ha sorprendido consistía en desmentir el hecho de que los cuerpos caen con mayor aceleración si su masa es mayor. Para ello, ha utilizado dos piedras (una de ellas pesaba el triple que la otra) y una papelera. Ha pesado las piedras y ha escrito lo siguiente en la pizarra: “La piedra 1 tiene una masa de 10 g y ha tardado 0,45 s en caer al suelo. La piedra 2 tiene una masa de 30 g y tardará t s en caer al suelo. Calcúlese t”. Este enunciado tiene trampa, puesto que muchos alumnos, al pensar que cuanta más masa tiene un objeto más rápido cae, realizarán una regla de tres inversa para calcular la t, es decir, escribirán t=(0,001 kg.0,45 s)/0,003 kg. Como bien sabemos, la respuesta correcta es t=0,45 s. Después, se ha dispuesto a dejar caer ambas piedras simultáneamente a la papelera y se ha escuchado que las dos tocaban el fondo de la papelera a la vez, por lo que ha quedado demostrado que la aceleración de un cuerpo en caída libre no depende de su masa. No obstante, ha dejado claro que los objetos caen más lentamente si la superficie perpendicular a la dirección de caída es mayor, debido al rozamiento. Para ilustrar este fenómeno, se ha dispuesto a dejar caer una de las piedras y un folio de cara, pudiendo observar que este último ha tardado mucho más en llegar al fondo de la papelera. Después, ha hecho lo mismo dejando caer dos folios: uno de cara y el otro de canto. Así, hemos podido observar que el folio que estaba de canto ha caído mucho antes. Por último, ha hecho una especie de bola semejante a la piedra utilizando el folio y ha dejado caer tanto la piedra como el folio, de manera que hemos podido observar que ambos han caído a la vez.
Asimismo, en relación con la segunda ley de Newton, ha traído dos cajas de cartón, cuyo contenido desconocíamos. Primero, ha golpeado una de ellas con la mano y ha salido disparada con una gran aceleración. Después, ha golpeado la segunda con la misma fuerza y apenas ha avanzado. Tras revelar el contenido de dichas cajas, hemos comprobado que la masa de la primera era muy inferior a la de la segunda. De este modo, ha dejado claro que la masa, la cual percibimos como algo muy intuitivo y directo, no es una magnitud tan sencilla: la masa es una magnitud que expresa la medida de la resistencia que ofrece un cuerpo al cambio de su velocidad cuando aplicamos una fuerza sobre el mismo.
Otra de las ideas erróneas que los alumnos suelen tener es que el aire es más bien un ente espiritual que algo material. No obstante, el aire es un gas, el cual es un estado de agregación de la materia. Para comprobar que el aire pesa, puede utilizarse una botella de plástico pequeña y se puede perforar su tapón para incrustarle una válvula. De este modo, se puede pesar la botella con aire en una balanza. Después, podemos conectar la boquilla de un hinchador con la válvula de la botella e inflarla hasta que quede endurecida. Por último, tras cerrar la válvula, si volvemos a pesar la botella, comprobamos que su masa es superior a la que tenía cuando no la habíamos hinchado.
Por otro lado, Alejandro ha traído una regla de cartón un poco particular. En dicha regla tenía marcadas las líneas habituales de los centímetros y los milímetros (de abajo a arriba), pero además de eso, había hecho unas marcas donde tenía escritas décimas de segundo de dos en dos al lado de su respectiva línea de posición utilizando la distancia que avanza un cuerpo en caída libre, valiéndose de la expresión: x=(1/2).a.t^2 . Así, Alejandro sujetaba la regla por la parte superior y pedía a un alumno que pusiera su mano rodeando el centímetro cero de la regla pero sin llegar a tocarla. Entonces, pedía al alumno que cuando Alejandro soltara la regla él la agarrara. Así, cuando el alumno agarraba la regla Alejandro miraba la distancia en la que quedaba su dedo y tomaba nota del tiempo de reacción que correspondía a dicha distancia, lo cual resulta ilustrativo para poner en práctica lo estudiado acerca del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado que tiene lugar en la caída libre.
Además, se ha dispuesto a explicar de forma visual las unidades Newton (N), Joule (J) y Wattio (W), tomando en cuenta que el trabajo es el producto escalar entre la fuerza y el vector desplazamiento y que la potencia es trabajo por unidad de tiempo. Para ello, ha llenado un vaso con 100 mL = 0,1 L de agua. Entonces, ha escrito la densidad del agua en la pizarra (1 kg/L), y ha calculado la masa del vaso de agua que ha utilizado: 0,1 kg. Por lo tanto, tomando como g=10 m/s^2, la fuerza que se debe aplicar sobre el vaso para sostenerlo en el aire es igual a su peso: 0,1 kg . 10 m/s^2= 1 N. El trabajo mínimo que hay que hacer para subir ese vaso 1 m de distancia es de 1 N.m= 1 J. Si nos mantenemos realizando ese trabajo durante un intervalo de tiempo de 1 s, la potencia es de 1 J/s = 1 W.
Para trabajar el tema de ondas de manera experimental, Alejandro ha traído una cuerda que un alumno ha sujetado por un extremo y él ha agitado por el otro extremo. De este modo, hemos podido visualizar de una forma sencilla la longitud de onda, los nodos y los vientres de una onda estacionaria. Además, ha conseguido una onda estacionaria utilizando un taladro con el que perturbaba una cuerda con el otro extremo fijo, como puede apreciarse en la siguiente imagen:
Asimismo, hemos podido ver que utilizando un transductor y un receptor, se generan ondas estacionarias entre los dos y pueden levitar unas pequeñas esferas de poliester en esa región.
Por último, me gustaría poner en práctica con los alumnos una práctica que se basaba en colocar en un tarro de cristal con agua una esfera de vidrio junto con unas bolas de gel de sílice, ya que me ha parecido muy visual, significativa y fácil de llevar a cabo. Al preguntar a los alumnos cuántas bolas ven dentro del agua, solo aprecian la bola de vidrio. No obstante, en ese instante en el cual están seguros de que solo hay una bola, el profesor sigue sacando bolas de gel de sílice. Este fenómeno ilustra la ley de Snell, ya que el vidrio tiene un índice de refracción distinto al del agua, por lo que se da la refracción y la reflexión de los haces de luz. Los haces reflejados llegan a nuestros ojos y vemos la diferencia entre el medio acuoso y el vítreo. No obstante, en el caso de las bolas de gel de sílice, un porcentaje muy elevado de su composición es agua (el profesor las ha introducido en un bote de agua previamente, dejándolas durante unas horas en ese medio para que se llenaran de agua y aumentaran de tamaño), por lo que no hay una diferencia de índice de refracción entre el agua y las bolas de gel de sílice. Por lo tanto, no se produce refracción ni reflexión de los haces de luz y nuestros ojos no son capaces de captar que hay bolas de gel de sílice en el interior del agua.
En mi opinión, la experiencia que me hizo pensar más es la de la levitación acústica de cuatro partículas de poliester utilizando un transductor, la cual se basa en las ondas acústicas y en las ondas de presión estacionarias. Esta práctica me ha hecho concluir que las ondas de presión están en contrafase con las ondas acústicas correspondientes, que se da la levitación de las esferas en las zonas donde la fuerza resultante que ejerce la presión de la onda es igual al peso de la partícula y que las partículas se sitúan a media longitud de onda unas de otras.
Bibliografía
Sasa Hrka. Acoustic levitation. University of Ljubljana, Faculty of Mathematics and Physics, June 2015.
https://fq-experimentos.blogspot.com/
https://www.google.es/search?q=levitacion+acustica+particulas&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjjlJ7dv-7gAhUizIUKHci-BYcQ_AUIDigB&biw=1366&bih=657#imgrc=WXLS3_NbOrFDRM:
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