Cuando las cosas no caen: la física no intuitiva del balance de fuerzas

¿Por qué enseñamos ciencia? ¿Es para darles a los estudiantes ideas nuevas o para quitarles las que ya tienen? En algunas áreas, como en la física de la caída libre, parece ser la segunda opción la tarea a realizar: mientras que las ideas descritas por la mecánica Newtoniana son relativamente simples, nuestras intuiciones nos dificultan que las aceptemos.

Cuando los estudiantes llegan a sus clases de física, éstos ya tienen ideas firmes acerca de muchas situaciones físicas. La investigación en la enseñanza de la educación ha mostrado que los estudiantes a menudo sostienen un conjunto de reglas intuitivas sobre los mecanismos que rigen los cambios físicos (Viennot, 2014). Algunas de estas intuiciones ampliamente sostenidas son:

• Mientras mas grande la causa, mayor el efecto.
• Varios agentes tienen un efecto mayor que el de un solo.
• Si hay una causa, debe de ser seguida por un efecto.

Además, de acuerdo a nuestras investigaciones (Tsakmaki & Koumaras, 2014; Tsakmaki, 2016), los estudiantes parecen seguir  lo que se conoce como la "regla de la clase" : la causa y el efecto son de la misma clase.

Usamos el término "clase" para significar cualquiera de lo siguiente:

• La orientación espacial de la causa y el efecto.
• El tipo de cambio (ya sea un incremento o decremento)
• La intensidad de la causa y el efecto.

En este artículo analizamos 3 experimentos sencillos que involucran la regla "de la clase". Estos experimentos pueden utilizarse para revelar la forma en como razonan los estudiantes y permitir así a los maestros presentar conceptos físicos de una forma mas accesible.

El primer experimento es una extensión de los problemas de libro de texto, que piden a los estudiantes dibujar las fuerzas que actúan sobre una moneda lanzada hacia arriba. Los estudiantes tienen dificultad para darse cuenta de que una vez que la moneda abandona la mano, si ignoramos las resistencia del aire, la única fuerza que actúa sobre ella es su peso. De hecho, ¡la moneda se encuentra en caída libre mientras sube! Reemplazando la moneda por agua demuestra este hecho mas allá de toda duda.

Los otros dos experimentos exploran la idea de balance: uno mediante el uso de poleas y el otro usando la flotación. Todos los experimentos son adecuados para estudiantes con edades de entre 14 y 16 años.

Experimento 1: agua sin peso

Este es un experimento brillante para demostrar la ingravidez sugerimos realizarlo como una demostración por parte del maestro mas que una actividad por parte del alumno. Se requieren 30 minutos para la realización y discusión del experimento mas 10 minutos de preparación.

Materiales

• Una botella de plástico de 500 o 750 ml.
• Agua de la llave
• Un lugar en donde no sea problema el derramar agua, por ejemplo, en exteriores.
• Teléfono inteligente con la capacidad de filmar en cámara lenta (opcional)

Procedimiento

1. Agujera la botella de plástico tanto en su base como  en su tapa.
2. Llena  la botella con agua. Coloca un dedo en el agujero de la tapa para mostrar que el agua deja de salir por el agujero de la base.
3. Ahora quita el dedo del orifico en la tapa para mostrar que el agua fluye por el agujero en la base (figura 1).
4. Pídele a los estudiantes que hagan una predicción sobre cómo se verá afectado el flujo de agua si la botella cae libremente. Por los general los estudiantes predicen de manera correcta que el agua dejará de fluir mientras la botella cae.
5. Vuelve a llenar la botella. Pon a prueba la predicción dejando caer la botella a la altura de tu hombro (figura 2). Si es posible, filma el experimento usando la opción de cámara lenta con un teléfono inteligente, para que los estudiantes puedan revisar lo sucedido de manera precisa.
6. Pregunta a los estudiantes qué pasa si ahora lanzas la botella hacia arriba. ¿El agua dejará de fluir o no?
7. Vuelve a llenar la botella y lánzala hacia arriba (figura 3) mientras los estudiantes observan, o filman, y posteriormente discutan lo sucedido.
    

Discusión

Cuando la botella se encuentra en reposo, el agua fluyen por el orificio en la base. Esto es consistente con la regla de clase: la causa (el peso del agua) se dirige hacia abajo y el efecto (el flujo del agua) apunta en la misma dirección. la mayoría de los estudiantes predicen de manera correcta que cuando la botella está en caída libre, el flujo de agua cesa porque durante la caída, tanto la botella como el agua se mueven de la misma forma hacia abajo.

¿Pero que pasa cuando la botella es lanzada hacia arriba? ¿Seguirá fluyendo el agua? La mayoría de los estudiantes (mas del 80% para nosotros) piensa que esto es así. Su razonamiento a menudo se basa en nuestra experiencia cuando nos encontramos en un elevador (Corona et al., 2006). Conforme éste se mueve hacia arriba nos sentimos mas pesados por lo que el agua debería de “sentirse” mas pesada también y fluir con mayor rapidez.

Esta predicción es errónea. Como lo demuestra el experimento, no fluye agua ya sea que la botella suba o caiga. tan pronto la botella abandona la mano, las única fuerza actuando sobre ella es su propio peso, puesto que está en caída libre. Incluso cuando la botella sube, debido a que se está des acelerando. Como los astronautas en órbita, el agua en la botella “no tiene peso” y esto significa que no hay flujo de agua.

El razonamiento erróneo de los estudiantes está en concordancia con la regla de clase: aquí, la causa imaginada es el supuesto incremento en el peso del agua debido a que lanza hacia arriba, así que el efecto debería de ser un incremento en el flujo de agua.

Experimento 2: balance asimétrico

En este experimento se balancean dos pesos pero a contrario a como sucede en una balanza, éstos no se encuentran al mismo nivel horizontal. Se requieren de 20 minutos para realizar el experimento y su discusión, mas 10 minutos de preparación.

Materiales

• Un bloque de madera de unos 10 cm x 10cm x 10 cm (o un volumen similar)
• Una cubeta pequeña con asa
• Arena seca (con una masa similar al bloque de madera)
• Una polea (sencilla y con cuerda)
• Una balanza o escala para pesar el bloque de madera, la cubeta y la arena

Procedimiento

Los pasos del 1 al 4 se refieren a la preparación, los pasos del 5 al 6 a la demostración.

1. Pesa el bloque de madera.
2. Agrega arena seca a la cubeta hasta que ésta pese lo mismo que el bloque de madera.
3. Coloca la cuerda en la polea de forma que a cada extremo quede la misma longitud de cuerda. Fija el bloque de madera a un extremo y la cubeta de arena al otro.
4. Asegúrate que que tanto el bloque como la cubeta con arena se encuentren balanceados. Ajusta la cantidad de arena si es necesario.
5. Muestra a los estudiantes esta disposición comenzando con el bloque y la cubeta con arena nivelados horizontalmente (figura 4). Posteriormente mueve el bloque hacia arriba, de manera que la cubeta se encuentre en un nivel inferior al bloque. Mientras sostienes el bloque de madera, pregunta a los estudiantes que pasaría si sueltas el bloque.
6. Suelta el bloque. ¿Que sucede? ¡Nada! Pregunta a los estudiantes porqué sucede esto.
    

Discusión

Casi el 50% de los estudiantes predice que el bloque regresará a su posición inicial cuando se realiza este experimento, a pesar del hecho de que si los dos cuerpos se encuentran en equilibrio estático, la fuerza neta que actúa sobre cada objeto es cero y el bloque no se moverá.

Cuando los estudiantes ven tanto al bloque como a la cubeta en distintos niveles horizontales, no parecen darse cuenta de que los dos objetos se encuentran balanceados y se enfocan en la característica observable mas notoria de la situación: las distintas alturas de los dos objetos. Esto parece representar un efecto y así, de acuerdo con la regla de la clase, debe de existir una causa del mismo tipo: fuerzas desiguales. Como resultado, muchos de los estudiantes concluyen que un objeto (el mas cercano al piso) debe de ser mas pesado que el otro.

Experimento 3: flotando en agua

Materiales

• Botella de plástico con tapa (por ejemplo, una botella de 500 ml)
• Un recipiente lleno con agua (de manera ideal, un recipiente alto con forma de columna)
• Arena
• Dinamómetro
• Algo de cuerda.

Procedimiento

Los pasos 1 y 2 se refieren a la preparación del experimento y los pasos del 3 al 6 a la demostración.

1. Llena la botella con agua.
2. Agrega una cantidad pequeña de arena a la botella y coloca la tapa a la misma. Ajusta la cantidad de arena hasta que la botella no se desplace hacia arriba o hacia abajo cuando se coloca en cualquier nivel dentro del tanque (Figura 5).
3. Coloca inicialmente la botella cerca del fondo del recipiente.
4. Ahora mueve la botella a un lugar cercano a la superficie de agua en el tanque. Pídele a los estudiantes que hagan una predicción sobre en cual de las dos posiciones la fuerza de flotación que actúa sobre la botella será mayor.
5. Usando la cuerda conecta un dinamómetro a la botella. Esto mide la fuerza neta sobre la botella: el peso de la botella menos la fuerza de flotación. (Cuando muevas la botella sumergida a un nivel superior, al mismo tiempo mueve suavemente él dinamómetro de forma que éste no jale a la botella.
6. Registra la lectura del dinamómetro: en ambos casos debe de mostrar una fuerza de cero.
7. Pídele a los estudiantes que expliquen esto.
    

Discusión

Mas del 40% de los nuestros estudiantes predicen que a menor profundidad de la botella, mayor es la fuerza de flotación que actúa sobre ella. De hecho, la botella se encuentra en equilibrio estático en ambas posiciones, por lo que la fuerza neta sobre ella es cero.

Cuando los estudiantes ven a la botella flotando en distintos niveles, algunos de ellos parecen ignorar el hecho de que las fuerzas están balanceadas. Como sucede en el experimento previo, se enfocan en lo que ven (niveles distintos) e infieren que debe de existir una causa de la misma clase: fuerzas desiguales. El peso de la botella es el mismo en todo momento, así que concluyen que cuando la botella está mas cerca de la superficie del agua, se debe a una mayor fuerza de flotación.

Comentarios finales

Pensamos que estas demostraciones anti intuitivas son mas que simple curiosidades: podemos usar estos discrepancias entre la intuición y el experimento para comprender las falsas concepciones de los estudiantes. Al integrar estos experimentos en la enseñanza de una forma estructurada, podemos brindar beneficios reales para el aprendizaje.