En la clase de Física, enseñamos que en caída libre una pluma y una esfera de metal llegan al piso al mismo tiempo..Se suele relatar esta idea diciendo que Galileo realizó el experimento en la Torre de Pisa. Sin embargo los alumnos, en su vida cotidiana, tienen vivencias que contradicen lo expresado cada vez que los cuerpos caen.
Los profesores caminan en terreno difícil cuando pretenden que los alumnos comprendan el conocimiento científico de caída libre. Algunas dificultades a vencer son las asociaciones entre la gravedad y el vacío. Han pasado varios siglos y ahora, gracias a la tecnología de la NASA, tenemos la oportunidad de contar con un video del experimento que ideara Galileo….y que en el 2014 podemos visualizar en el aula, y que se encuentra en el siguiente link: https://www.youtube.com/watch?v=E43-CfukEgs#t=7
Los profesores de Física encontrarán una espectacular experiencia, que dará la magnitud en qué contexto se puede hacer el experimento en condiciones ideales. De alguna manera, también sirve para dar dimensionar la Genialidad de Galileo para imaginar este experimento, en su momento mental. En el video se observa la EMOCIÓN y casi incredulidad que tienen los científicos que participan del experimento!! Cómo no dar esta oportunidad de llevar esta emoción al aula de Física! La imagen anterior ilustra una captura del video indicado.
Agradezco a mi hijo Facundo Cajén, por ponerme en conocimiento de este video a minutos que publicara youtube. Sin duda, los profesores podemos aprender de los jóvenes…aún de aquellos que en la escuela Secundaria parecían no gustar mucho de las asignaturas de ciencias…
Este video, es un recurso didáctico a apreciar por los que enseñamos Física. También es posible utilizar como recurso didáctico la divulgación científica que de este video se realizan en los distintos medios, como es el caso el artículo publicado en el diario Infobae, cuyo título es un exponente de las ideas alejadas de lo científico que sostiene el autor del artículo, en el siguiente link:
http://www.infobae.com/2014/11/04/1606363-video-que-pesa-mas-el-vacio-una-pluma-o-una-bola-boliche
La pregunta que plantea el título: ¿Qué pesa más en el vacío, una pluma o una bola de boliche? presenta potencialidad para ser utilizada como recurso didáctico y para abrir debates que esclarezcan la comprensión del experimento. Es así, que en los comentarios del artículo existen aportaciones de los lectores que también pueden ser útiles para incorporar como recurso didáctico. El análisis y debate sobre este artículo de divulgación aporta en mucho a la formación de espíritu crítico y criterio científico de la ciudadanía.
Simplemente, considero oportuno convertir estos materiales de acceso corriente en material de uso didáctico. Invito a los profesores en formación inicial y/o continua a visualizar y analizar el video extrayendo las ideas científicas en juego, luego analizar el texto del artículo de divulgación de Infobae de donde se distingan las dificultades que tiene el autor para comprender el fenómeno. Sería un buen intercambio, conocer la valoración que se hace del uso de este material y qué ideas se tiene de una posible manera de implementarlo con los alumnos.
Silvia García de Cajén, Admin. Hablarciencia.com
El video está hablado en inglés. Prometí subir una traducción, que es la siguiente:
Brian Cox visita la cámara de vacío más grande del mundo – Universo Humano: Episodio 4 Vista previa – BBC Dos
Esta es la instalación de energía espacial de la NASA, en Cleveland, Ohio (EE.UU), y es la cámara de vacío más grande del mundo. Se utiliza para probar naves espaciales en las condiciones de vacío del espacio. Esto se logra bombeando hacia afuera las treinta toneladas de aire en su interior, hasta que restan aproximadamente solo dos gramos.
Es algo así como una construcción excéntrica, dada su historia. Fue construida durante la década de 1960 como instalación de ensayo nuclear, para probar sistemas de propulsión nucleares. Esto significa, que la construyeron de aluminio, para tratar más fácilmente con la radiación. El aluminio no es lo mejor, el material más fuerte, para la construcción de una cámara de vacío en sí mismo. Por ello, agregaron una envoltura externa de concreto, que es el mejor blindaje contra la radiación y apto para alojar un recipiente a presión, de modo que puede soportar la presión proveniente del exterior cuando es bombeado hacia afuera el aire para emular las condiciones de vacío del espacio en el interior.
El experimento de Galileo era simple: tomaba un objeto pesado y otro ligero, y los liberaba al mismo tiempo, para observar cual caía más rápidamente (a continuación realiza la demostración en la cámara, estando ésta llena de aire). En este caso, las plumas caen al suelo a una menor velocidad que la bola de boliche, debido a la resistencia del aire. Entonces, para poder observar la verdadera naturaleza de la gravedad, tenemos que remover el aire. Toma tres horas bombear los 800.000 ft3 (22.653,47 m3) de aire fuera de la cámara, pero una vez que se completa, existe un vacío casi perfecto en su interior.
Los operarios controlan las condiciones en el interior de la cámara y le piden a los presentes que se reúnan en torno a las pantallas que muestran lo que sucede en vivo en el interior. Realizan una cuenta regresiva y liberan los objetos en el vacío. Se observa que ambos llegan al suelo exactamente en el mismo momento.
Isaac Newton diría que la pelota y las plumas caen, porque hay una fuerza que tira hacia abajo: la gravedad. Pero Einstein imaginó la escena de manera muy diferente. Lo que llamó “la idea más feliz de su vida” fue la siguiente: la razón por la que la bola y las plumas caen juntos es porque no están cayendo. Están quietas, no hay fuerza que actúe sobre ellos en absoluto. La explicación, es que si no se pudiera ver el entorno no habría forma de saber que la pelota y las plumas se han acelerado hacia la tierra, así que para que pueda aclararlo, no lo eran.
La modelización en física aplicada al aprendizaje del contenido caída libre:
El aprendizaje del concepto de caída libre requiere trabajar con modelos para facilitar su comprensión. Esto se debe a que no existe un vacío perfecto ni un valor de gravedad exactamente igual en todos los puntos de la Tierra, sino que se trabaja con modelos e idealizaciones. La gravedad es la responsable de que los cuerpos caigan y se representa con un vector hacia abajo.
Cuando se utilizan modelos de la superficie terrestre, se puede explicar que la Tierra no tiene forma esférica, sino que se trata de una esfera ligeramente achatada en los polos. Como consecuencia de esto, la gravedad que experimenta un cuerpo en los polos es mayor que en la línea del Ecuador, debido a que está más próximo al núcleo terrestre.
El concepto de caída libre supone que un cuerpo se deja caer con velocidad inicial nula y el mismo aumenta su velocidad a razón de 9,81 m/s a medida que transcurre el tiempo. Esto responde a que el vector velocidad va en la misma dirección y sentido que el vector aceleración de la gravedad. Lo mismo ocurre en el lanzamiento vertical hacia abajo, con la diferencia de que la velocidad inicial no es nula, sino que se aplica cierta velocidad al soltar el cuerpo.
Por otra parte, en el lanzamiento vertical hacia arriba, el cuerpo recibe cierta velocidad inicial y describe una trayectoria parabólica hacia arriba. En el punto más alto de dicha trayectoria, la velocidad del cuerpo es cero y comienza a caer. En este caso, el vector velocidad va en la misma dirección, pero en sentido opuesto con respecto al vector aceleración de la gravedad. Debido a esto, el cuerpo disminuye su velocidad a razón de 9,81 m/s en cada instante de tiempo.
Para facilitar el estudio de caída libre y lanzamiento vertical, se plantean ecuaciones cinemáticas que modelan la velocidad y la posición del cuerpo en cualquier instante de tiempo. En estas ecuaciones se toma como referencia el eje vertical o eje “y” y la aceleración se iguala a la aceleración de la gravedad.
Por último, para comprender mejor estos modelos, puede observarse un experimento que comprueba aquello que imaginamos hasta este momento. El experimento de Galileo consiste en dejar caer un objeto pesado (bola de bowling) y un objeto ligero (pluma). En un ambiente cotidiano, en presencia de aire, cae primero el objeto más pesado debido a la resistencia del aire, ya que está presente la aceleración de la gravedad. En una cámara de vacío se elimina el rozamiento de los cuerpos con el aire, provocando un estado de ingravidez, por lo que los dos cuerpos llegan al suelo exactamente al mismo tiempo.
En conclusión, si no existe aire, no actúa la fuerza de la gravedad y los cuerpos llegan al suelo al mismo tiempo. Este experimento continúa siendo un modelo, ya que no existe un vacío perfecto. Por eso es posible afirmar que este contenido representa una oportunidad para el docente de llevar a la práctica un ejemplo de modelización de la física, y para el alumno de comprender este tipo de fenómenos que ocurren en condiciones difíciles de recrear experimentalmente en un aula o laboratorio escolar.
El aprendizaje de la caída libre involucra multitud de conceptos físicos y matemáticos. El abordaje del estudio de esta problemática puede hacerse desde diferentes enfoques. En el apartado anterior (en el inciso anterior de esta actividad deduje los modelos para el estudio de la caída libre por medio dl cálculo) se realizó un abordaje experimental, donde se demostró la constancia de la aceleración a la cual se ven sometidos los cuerpos que caen. A su vez, la modelización se realizó utilizando el cálculo como herramienta. Es así que, con el diseño de un experimento, la definición de algunas cantidades físicas como posición, velocidad y aceleración y aplicando el cálculo puede obtenerse en su totalidad un modelo completo para el estudio de la problemática. Pero ¿cómo se aborda la problemática si no se dispone de conocimiento en cálculo? El hecho es que el estudio de la caída de los cuerpos es atribuido a Galileo Galilei, quien vivió años antes de la invención del cálculo, entonces la pregunta es, ¿cómo hizo Galileo para estudiar la caída de los cuerpos sin recurrir al cálculo? La respuesta es sencillamente que lo hizo utilizando la matemática que existía en la época, precisamente, la geometría. Los métodos empleados por Galileo hoy nos parecen rudimentarios e incluso difíciles de entender, de hecho, Galileo estudio la caída de los cuerpos no arrojándolos, sino haciéndolos deslizar por un plano inclinado, el cual le permitía más fácilmente realizar las mediciones a causa de la disminución en la velocidad vertical de los cuerpos que por él se deslizaban.
Para realizar el estudio de la caída libre por medio de la geometría debemos conocer de antemano la constancia de la aceleración de caída. Una vez conocida esta propiedad, podemos trazar en un gráfico v vs t la forma en que varía la velocidad con respecto al tiempo. Obtendremos así una recta cuya pendiente es justamente la aceleración debida a la gravedad. Debemos saber, por la definición de posición, que esta está relacionada con el área debajo de la curva v vs t. Si calculamos el área que encierra dicha curva, por métodos geométricos, precisamente hallaremos la ecuación de la posición en función del tiempo, es decir y vs t. Si graficamos esta función, obtendremos una parábola donde el coeficiente principal será la mitad de la aceleración debida a la gravedad.
Se vio que tanto por el camino del cálculo como por camino de la geometría se llegan a los mismos resultados, esto es muy importante para el estudiante pues demuestra que no existe una única forma de realizar los estudios. Tanto el método analítico como el método geométrico dan la posibilidad al estudiante de introducirse en el modelado matemático de los problemas de la física. El simple hecho de un cuerpo que cae trae al estudio la elección de un marco de referencia, la elección de determinadas variables, el estudio de las variables que cambian con el tiempo y las que no, la modelización matemática por el método que fuese, etc. Creo que la caída libre es un buen punto de partida para la modelización en física, pues, las demás problemáticas siguen mas o menos el mismo algoritmo de trabajo. Comprendiendo como se modeliza la caída de un cuerpo es posible comprender, por ejemplo, como modelizar la oscilación de un péndulo, aun cuando en este caso se utilicen herramientas matemáticas más complejas.