La Caja Negra

¿que será, será?

Disponemos de una caja cerrada, de la que queremos averiguar el contenido. La caja está atravesada por tres varillas, que podemos retirar, pero en ese caso estaremos cambiando la disposición del contenido.
Para averiguar su contenido se pueden realizar diversas acciones, como agitarlo para escuchar los sonidos y notar los movimientos internos. También se dispone de un pequeño imán para averiguar si alguno de los objetos interiores es metálico.

También se dispone de una segunda caja, con contenido idéntico, que sirve de control por si se retiran las varillas de la primera.

Observaciones:

• Hay objetos móviles que ruedan o se deslizan libremente por el interior. Los hay de diferentes tamaños. Por la forma de desplazarse, puede que haya canicas, de varios tamaños, y objetos cilíndricos, como tubos o clavos, ya que en algunas direcciones se deslizan en vez de rodar.
• También hay otros objetos que suenan en distintas posiciones, como si fueran golpeados por los móviles al pasar. Por el sonido parecen cascabeles.
• Inicialmente hay algunos objetos sujetos en las varillas. En la varilla metálica izquierda hay algo resistente, que cae con facilidad si se extrae esta varilla. en la varilla metálica derecha, por el contrario, hay algún material elástico que hace resistencia a la retirada de la varilla.

Conclusiones:
En la caja hay varios objetos móviles, como canicas, cuentas o rodamientos. También varillas o clavos.
Inicialmente hay varios objetos fijados a las varillas: cascabeles u objetos metálicos similares, como arandelas, anillos o cuentas, puede que también haya una cadena uniendo varias de las varillas. En una de las varillas hay un objeto grande plástico (una pelota, una goma elástica...)

Orientaciones para los alumnos:
Esta actividad podría estar dedicada a alumnos de 3º de ESO, cuando comienzan a investigar el comportamiento de la materia, como átomos, la estructura atómica, las reacciones químicas, etc. Todos estos fenómenos no pueden observarse "internamente", a nivel microscópico (lo que equivaldría a abrir la caja).
Únicamente podemos investigarlos a partir de los fenómenos macroscópicos que producen. Los fenómenos macróscopicos (tales como cambios de fase o de temperatura, reacciones químicas, precipitaciones, u otros) son producidos de forma controlada en forma de experimentos, de los que se extraen datos, a partir de los cuales se obtienen hipótesis sobre la estructura interna de la materia.
De la misma forma, realizando experimentos con la caja cerrada, se pueden observar fenómenos como ruidos, movimientos internos, de los cuales se pueden extraer conclusiones sobre el contenido.

Preguntas orientadoras:
Tenemos un misterio que tenemos que investigar, siguiendo una normas:

1. Antes de tocar la caja, ¿Qué características de los objetos que hay dentro sí que podemos obtener y con qué sentidos?
2. Desarrollad un guión o protocolo de pasos a seguir en la  investigación para estar seguros de que no nos dejamos ningún detalle por probar. ¿qué pasos seguiréis y qué cosas probaréis antes que quitar o mover las varillas? Tomad nota de todo lo que observáis (sin sacar conclusiones) mientras vayáis siguiendo los pasos.
3. ¿Que da más información sobre el contenido, un movimiento cuidadoso, o una agitación rápida? Sacando las varillas, cambias la situación interna y ya no podéis reconstruirla: se ha "destruido". ¿Es posible obtener información "destruyendo" de forma controlada el objeto que se investiga?
4. ¿Qué conclusiones podéis sacar sobre el contenido de la caja?. Las conclusiones no deben contradecir ninguna de las anotaciones que hayáis hecho en el punto 2.
5. El contenido de las cajas de los otros grupos es muy parecido, pero no completamento idéntico al vuestro. ¿pueden las conclusiones de los otros grupos servir para vuestra caja? ¿completamente, o hasta que punto?

La caja negra es un modelo cerrado, en este caso podría servir como analogía para el modelo atómico, pero también para otros sistemas físicos. De todas formas, a los alumnos les debe quedar clara la diferencia entre un modelo y un sistema físico. El sistema físico es real, pero de él únicamente conocemos los fenómenos y lo observado en los experimentos, mientras que el modelo físico es una aproximación teórica a la realidad. Como tal, nunca debe contradecir ninguno de los experimentos u observaciones. Los modelos, por lo tanto, se van refinando y mejorardo con el tiempo, de forma que se vayan ajustando mejor a las nuevas observaciones del sistema físico.

Si se consigue orientar a los alumnos según esta perspectiva, esta experiencia puede servir muy bien para que los alumnos reflexionen sobre el objetivo de la ciencia, la experimentación con ensayos destructivos y no destructivos, sus limitaciones y su progreso.

Foro 2: Características de un profesor de ciencias.

¿qué características debería tener un profesor de ciencias?

Remito a una entrada antigua, aspectos fundamentales que debe conocer el docente de Ciencias. En ella está bastante bien resumidas por categorías todo lo que debería conocer el docente, sobre la materia, los alumnos, la metodología, su contexto, etc...

Sin embargo, hay características, más personales, más relacionadas sobre la forma de ser del docente, que no estaban incluidas en esa entrada. Hay muchas caracteristicas que forman parte de las necesidades del docente, entre ellas:

• Facilidad de palabra, empatía, carisma, comprensión, sentido del humor.
• Dar mucha importancia a su labor educativa.
• Tener confianza en las capacidades de sus alumnos.
• Es una profesión que exige mucha dedicación y por lo tanto mucha fuerza de voluntad.
• Mucha paciencia, energía, comprensión, tolerancia, mano firme. Uso de la psicología.
• Evaluar de forma apropiada y justa, de acuerdo con las capacidades alcanzadas.
• Cooperar adecuadamente con sus compañeros.
• Saber rectificar, corregir sus propios  errores, o reconocer cuando no se sabe algo.Es decir, ser autocrítico.

Nube de etiquetas del foro 2: obtenido a partir de las respuestas disponibles el 3 de mayo de 2011.

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Referencias:

1. Aproximación al pensamiento del profesor de ciencias de enseñanza secundaria obligatoria. Maximiliano Rodrigo Vega. Revista Complutense de Educación, vol.5(2) - 271 —288. Edit. Complutense. Madrid - 1994
2. Características de un buen profesor.

Foro 1: Facilidades y dificultades

¿Dónde habéis encontrado las mayores facilidades a la hora de aprender física y química? ¿Y las dificultades?

Hay que diferenciar entre tres etapas importantes en mi aprendizaje: durante el bachillerato, durante la carrera, y durante el doctorado.

La mayor fuente de apoyo y ayuda ha sido siempre mi familia, principalemente por su apoyo, soporte en todo momento y aceptación en el camino que he elegido.

En cuanto a la labor de los profesores que tuve, recuerdo principalmente varios profesores de física y de matemáticas que tuve en el instituto. Fueron ellos los que me encaminaron por estas ramas del conocimiento, tanto por su labor como enseñantes como por la pasión por su materia y las curiosidades con las que incitaban nuestro interés. También supongo que influyó que ya desde pequeño me gustaban estos temas de ciencia, y cuando descubrí la ciencia-ficción, aún más. Historias y protagonistas como los de las obras de Isaac Asimov o Julio Verne, en las cuales son los conocimientos científicos y el racionalismo como actitud vital son los que salvan el día, en vez de la pura acción como en otros autores, me llamaron la atención sobre los temas científicos y tecnológicos.

A pesar del buen hacer de mis profesores de secundaria, la enseñanza de ciencias en el instituto estaba principalmente orientada a la resolución de problemas, a cumplir el temario, y en COU, a la preparación para la selectividad. Como en esas edades no tienes una visión global de la ciencia, te puede parecer que sabes mucho, cuando en realidad no tienes integrados tus conocimientos, y en lo que eres un experto es en el reconocimiento de problemas y en la búsqueda de su resolución, aunque seas muy bueno en ello, no es la mejor forma de aprender ciencia.

En segundo lugar está la universidad: En la carrera de ingeniería industrial, el estudio y conocimiento de las ciencias va ligado a su aplicación práctica y tecnológica, con pocas asignaturas dedicadas a lo que sería conocimiento de la ciencia en forma teórica y fundamental. Sin embargo, en estas pocas asignaturas, como pueden ser física general, campos y ondas o mecánica, y mecánica de fluidos, tuve excelentes profesores con mucha experiencia en la enseñanza, lo que no impidió que fuesen intrínsecamente difíciles. Los conocimientos adquiridos se pueden considerar como una continuación y ampliación, profundizando en temas concretos, de los conocimientos de secundaria.

Finalmente, está el periodo de doctorado. En este momento, ya se supone que sé todo lo que hay que saber de mi rama de la ciencia en concreto, pero en realidad durante la carrera apenas había leido artículos científicos en revistas de investigación, y aunque tenía todos los conocimientos necesarios, aún no sabía como funcionaba la ciencia en sí. Fue durante el doctorado,  e impartiendo clases particulares cuando se integran todos los conocimientos y conceptos de una forma clara. Desde luego, la experiencia de dar clases de laboratorio en la Universidad, fue uno de los puntos más importantes y que me marcaron en mi formación, ya que fue la primera vez que me encontré en el "otro lado".

No he necesitado demasiados apoyos en cuestión de apoyo al estudio de ciencias. O he tenido suerte o todo me ha parecido intuitivamente mas o menos sencillo de asimilar. Si que cuando he tenido algún problema, como no haber estudiado nada de dibujo técnico antes de la Universidad, recurrí a una academia. Pero en general, todo me lo he preparado, estudiado y resuelto por mi cuenta. Cuando he tenido malos profesores durante la carrera, he buscado alternativas, como estudiar por mi cuenta, o si es posible, asistir a las clases de otro profesor (en primeros cursos sobre todo).


Nube de etiquetas: obtenido a partir de las respuestas en el foro el día 3 de mayo de 2011

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Dificultades y facilidades son las palabras más repetidas lógicamente, pero a continuación apareceren otras más interesantes: física, química y matemáticas como materias más nombradas; como factores que más influyes, conceptos, aprendizaje, profesor y asignatura. La gran cantidad de veces que aparece "profesor" y sus variantes, significa que es uno de los factores más importantes, ya hayan contribuido o no en el aprendizaje, frente a familia, que aparece muchas menos veces.

Conceptos es uno de los términos que más me llama la atención: el aprendizaje correcto de los conceptos es uno de los puntos más importantes en la enseñanza de ciencias.

Visita al museo de la ciencia de Tarrasa

La visita fue realizada con los alumnos de 1º de bachillerato el día 6 de Abril.

El museo antiguamente fue una fábrica textil, y en la parte guiada se realiza el recorrido completo de todo el proceso que seguía la producción, desde la llegada del carbón y la materia prima (lana), la máquina de vapor que movía toda la maquinaria (telares principalmente) y las condiciones de trabajo y vida de los obreros.

Como complemento a la visita, antes del viaje se podría entregar a los alumnos un trabajo como el siguiente:

Trabajo de investigación previo a la visita.
La visita guiada por el museo nos lleva en un recorrido completo por una antigua fábrica textil del siglo XIX. Investigar usando diferentes fuentes alguno de los temas siguientes:

• Describe el proceso de fabricación textil, desde la llegada de la lana hasta la confección final de la tela.
• Fuentes de energía que se usaban durante el siglo XIX.
• El proceso de electrificación de las ciudades.
• ¿Cuáles eran las condiciones de vida y los derechos laborales de los trabajadores durante la Revolución Industrial del siglo XIX? 

Ejercicios para realizar durante /después de la visita.

• Tipos de carbon existentes. ¿que tipo de carbón se usaba en la fábrica?
• ¿Cuáles son los factores a considerar en el diseño de una chimenea industrial? 
• Describe la indumentaria de los trabajadores, tanto hombres como mujeres.
• Describe la máquina de vapor y sus partes. ¿que potencia máxima tenía? 
• Procesos previos a los que se somete la lana antes de la fabricación de hilo.
• Describe los dos métodos de fabricación de hilo a partir de la lana. ¿que diferencias de calidad conllevan?
• Durante la visita se muestran diferentes modelos de telares. ¿que elementos especiales y que ventajas tenían los modelos más avanzados?
• Haz una lista con los diferentes tipos de tejidos que se muestran al final de la visita y clasificalos según sean de origen natural o artificial.

¿en qué consistía una máquina de vapor en el siglo XIX?
Antes de la generalización de la electricidad, lá única forma de producir energía mecánica para mover maquinaria era, o la fuerza animal (mulas o bueyes que movían ruedas, que a su vez desplazaban molinos u otros tipos de maquinaria, como fuelles para forjas) o, una vez que James Watt inventó la máquina de vapor, usando una de estas máquinas.

Esta es la máquina de vapor que hay montada en exposición hoy en día en la fábrica. No es la original, pero debió ser muy parecida. Lo que se ve en la imagen es el enorme volante de inercia, que, mediante una correa, transmite su giro a otra rueda, en la parte superior, que a su vez, mediante ejes y más correas, transmite el movimiento de giro a todas las máquinas de la fábrica.

¿cómo funciona una máquina de vapor?
Es muy similar al movimiento que realiza el motor de un coche. Veamos la siguiente animación:

Máquina de vapor en acción. Fuente: Wikipedia

El horno de carbón produce vapor a presión en la caldera, y a través de tuberías, se transmite al cilindro:

El cilindro, con el pistón en el extremo izquierdo, y en la parte superior, las dos tuberías de entrada de vapor.

En este momento el pistón está en un extremo del cilindro, preparado para la admisión de vapor. La válvula de entrada está abierta, por lo que el vapor entra en el cilindro, empujando el pistón.

La valvula ha abierto el paso del vapor por la tubería de la izquierda, por lo que el vapor entra por la parte izquierda del pistón.

La presión del vapor que ha entrado en el cilindro provoca una fuerza sobre el pistón, que le hace desplazarse. Este movimiento, mediante un sistema biela-manivela, se transmite al volante de inercia. Como este volante es muy pesado (tiene mucha inercia) al principio costará mucho trabajo que empiece a girar, pero eso es bueno para evitar aceleraciones demasiado bruscas. El volante de inercia almacenar energía cinética de rotación:

Siendo I el momento de inercia, que para un cilindro vale:

De forma que si conseguimos radios interno y externo muy grandes y una gran masa, conseguimos una inercia muy grande, de forma que puede almacenar mucha energía. Cuando se conectan muchas máquinas al sistema, la rueda cede energía al sistema, sin que la velocidad de giro disminuya demasiado. Lo mismo ocurre cuando se desconectan al final de la jornada; el volante absorbe la energía extra para que las máquinas aún conectadas no sufran una aceleración repentina.

La presión del vapor empuja al pistón, biela, manivela y volante. El pistón ya está a mitad de recorrido. La válvula sigue abierta.

En esa imagen podemos ver que la admisión permanece abierta durante todo este tiempo, para permitir la entrada de más vapor. Hasta que llega al final del recorrido, en ese punto se cierra la admisión de vapor y se abre la expulsión (no representada).

La válvula en la parte superior cierra la entrada de vapor por la parte izquierda cuando el pistón llega al final de su recorrido.

Inmediatamente se abre la admisión en el otro lado de la valvula. Exacto, este cilindro permite introducir vapor por ambos lados del pistón, de forma que puede impulsar el volante de inercia hacia ambos sentidos.

Ahora la entrada del vapor se produce por la derecha del pistón.

El proceso sigue hasta que el pistón vuelve a la situación inicial, y el proceso se repite. La apertura de válvulas está controlada por otro sistema biela-manivela unido al sistema principal, de forma que el movimiento de vaiven de apertura-cierre está sincronizado con el movimiento del propio pistón.

Finalmente, merece la pena fijarse en un elemento más del sistema, el regulador de Watt o regulador centrífugo. Eso que parece simplemente unas bolas que giran encima del pistón, tiene una gran importancia para regular el sistema.

El mecanismo de Watt, unido mediante un cable a una válvula de regulación en la tubería de entrada principal.

Ya he explicado que el sistema acelera lentamente desde el reposo. Pero tienen que alcanzar una velocidad de giro de trabajo, específica de la máquina y de las máquinas que va a mover. La velocidad máxima que puede alcanzar el motor depende de la presión del vapor, a mayor presión, mayor velocidad. Además, depende también de la carga que deba arrastrar, es decir, el número de máquinas y la potencia que necesiten. Para que la velocidad se mantenga constante, además de la presencia del volante de inercia, hace falta que la potencia suministrada coincida con la potencia demandada.

Así que a primera vista no es nada facil regular el sistema, a menos que tengamos un operario contínuamente pendiente de la velocidad de giro y de la válvula de admisión de vapor. El regulador de Watt automatiza esto, mediante un sencillo feedback.

Regulador de Watt (licencia CC-BY-SA)

Al aumentar la velocidad de giro, la energía cinética de las esferas aumenta. Debido a su disposición, la fuerza centrífuga hace que se eleven, de forma que los enlaces inferiores tiran del mecanismo que cierra la válvula de admisión de vapor. Este ingenioso mecanismo no fue inventado por Watt, aunque él fue el primero en aplicarlo a una máquina de vapor. Ya se utilizaba desde el siglo XVII para regular la presión de las piedras en molinos de viento.