¡La sala de clases! Fuerza y movimiento en la Educación Básica

¡La sala de clases! Fuerza y movimiento en la Educación Básica
Prof. Bartolomé Yankovic Nola, 2012
Los contenidos sobre fuerza y movimiento se concentran en los cursos 4º, 7º y 8º,
en estos últimos cursos, con unidades específicas. En el documento bases curriculares se
especifica que en 4º año los alumnos sean capaces de:
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Demostrar, por medio de la investigación experimental, los efectos de la aplicación
de fuerzas sobre objetos, considerando cambios en la forma, la rapidez y la
dirección del movimiento entre otros.
Identificar, por medio de la investigación experimental, diferentes tipos de fuerzas
y sus efectos en situaciones concretas:
• Fuerza de roce (arrastrando objetos)
• Peso (fuerza de gravedad)
A partir de las orientaciones de los programas de estudio (bases curriculares,
contenidos, objetivos), el profesor puede planificar considerando, además, la realidad de
su grupo – curso. Para ello puede considerar los documentos presentados en este portal
sobre El movimiento.
Las actividades experimentales deben tener objetivos claros expresados en
términos de resultados de aprendizaje previamente conocidos por los alumnos. En este
documento se proporcionan ideas que el profesor debe seleccionar, modificar,
considerando, además, los programas de estudio. Obviamente, los contenidos más
complejos, como concepto de aceleración, movimientos sin fuerza, caída libre…
independiente de la masa, etc., son contenidos para los últimos cursos de la escuela
básica. Un detalle adicional, muy importante, es tomar en cuenta la experiencia personal
de los alumnos vinculada con el movimientos… y sus conocimientos (o preconceptos)
sobre el movimiento mismo; la tierra en el espacio, etc.
¿Actividades o experimentos?
Usualmente en la segunda etapa de la enseñanza básica se suelen proponer estas
actividades vinculadas al principio de la inercia:
Dos actividades clásicas
1 ¿Principio de inercia?
Se tapa la boca de un
vaso con una cartulina y
sobre ella de coloca una
moneda. Bruscamente, se
tira
o
empuja
la
cartulina… y la moneda
cae el fondo del vaso.
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2 ¿Principio de acción y reacción? Se
atraviesa una pajita con un trozo de pitilla
que mida cinco a seis metros de largo. A la
pajita se adosa un globo inflado que se
sujeta a la pajita con cinta adhesiva. Se
fija un extremo de la pitilla a una pared (o
la sostiene un compañero al otro extremo
de la sala de clases), y en el otro extremo
se sitúa otra persona con el globo inflado,
con la salida de aire mirando al
observador. Éste suelta en un momento la
salida de aire del globo… que sale
disparado.
El desarrollo de este tipo de actividades en la sala de clases debe formar parte de
un proceso de planificación. Recordemos que “hacer cosas para ver qué pasa” es un
activismo. Las actividades para obtener resultados de aprendizaje deben formar parte de
un contexto… con objetivos claros, evaluables.
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A menudo – a nivel escolar – se confunden las llamadas “actividades
experimentales” y las “demostraciones”, con la experimentación.
Las demostraciones constituyen una forma de “comprobar algo”, pero
no son experimentos. A nivel de la sala de clases, cuando esto ocurre, el
profesor opera en dirección contraria a cómo suceden las cosas en la
ciencia, que tiene un carácter fuertemente inductivo y no deductivo.
“Vamos a demostrar que”, no es lo que hace un científico en su
laboratorio… “Vamos a averiguar si”… es la estrategia del científico,
donde subyace una explicación provisoria, tentativa: una hipótesis. A
partir de ella surge un diseño experimental y después se pasa a la fase
propiamente operativa, que incluye uso de equipo adecuado a lo que se
va a investigar, observaciones y registros, interpretación de sus
resultados; contrastación de la hipótesis; modificación, aceptación o
rechazo de ella, y conclusiones.
Todo este proceso debe ser replicable, lo que supone que en cualquier
lugar del mundo, otros investigadores debieran alcanzar los mismos
resultados utilizando la metodología descrita en el trabajo de
investigación.
Históricamente, los programas de estudio de las ciencias naturales ponen el acento
en la experimentación y en el uso del método científico. Cuando un profesor enseña “las
fases o etapas del método científico”, no está, precisamente, enseñando ciencias. Para
comprender lo que es el método científico, los niños deben tener la oportunidad, a nivel
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escolar, de realizar investigaciones científicas adecuadas a su intereses, necesidades y
desarrollo cognitivo.
Un experimento, en síntesis, se define como la respuesta a una hipótesis y una
forma de investigar su validez; el experimento siempre se plantea con un propósito
definido y su diseño debe considerar hipótesis y predicciones.
La experimentación constituye el proceso culminante de las ciencias naturales
experimentales: el experimento representa el arte verdadero de los hombres de ciencia.
De hecho las ciencias naturales iniciaron su avance cuando Galileo Galilei, en el siglo XVII,
creó el método científico experimental.
Fuerza y movimiento a nivel escolar
Los conceptos a manejar con niños del primer nivel aluden al tipo de movimiento,
la rapidez, la trayectoria… con observaciones sobre el desplazamiento de los seres vivos y
la importancia del movimiento para buscar el alimento, defenderse de los enemigos, etc.
Las aclaraciones sobre la inexistencia de fuerza para producir un movimiento
corresponden al segundo nivel de la enseñanza básica.
Actividad 1 ¿Es necesaria una fuerza para que un cuerpo se mantenga en movimiento?
En una mesa horizontal, empuje una bolita haciéndola rodar por la superficie. Pida
a un compañero que, reloj en mano, vaya diciendo lapsos de tiempo iguales. Por ejemplo,
2 segundos, 4 segundos, 6 segundos, etc. Marque las posiciones por las que pasa la bolita
en esos instantes, haciendo marcas con tiza
•
•
•
¿Cómo son las distancias recorridas en relación a los tiempos empleados? ¿Iguales
o desiguales?
Repita varias veces la actividad hasta deducir una respuesta segura. El cuociente
entre la distancia recorrida y el tiempo empleado en recorrerla se llama “rapidez
media”.
¿Explicaciones?
Actividad 2 Los tiempos de caída
Deje caer, simultáneamente, una hoja de papel en sentido paralelo al suelo, y un
llavero u otro objeto pesado.
•
¿Es posible apreciar diferencias en el tiempo de llegada al suelo?
Haga una pelotilla con la hoja de papel y suéltela simultáneamente con el llavero.
•
Si compara los tiempos de caída con la actividad anterior, ¿hay diferencias? Note
que para la hoja de papel no varía el peso, aunque sí, la forma.
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Actividad 3 ¿Influye la forma en los tiempos de caída?
Deje caer al suelo, simultáneamente, dos hojas de papel. Una transformada en una
pelotilla compacta, y la otra, perfectamente lisa. Al caer debe estar paralela a la superficie
del suelo.
•
•
¿Llegan simultáneamente al suelo? ¿Si la hoja lisa se deja caer de canto, ¿qué
ocurre con el tiempo de caída?
Para Aristóteles los tiempos de caída dependían del peso del cuerpo… ¿está Ud. de
acuerdo con esta afirmación?
Actividad 4. El plano inclinado
Una tabla ancha y lisa puede servir de
plano inclinado. Para sujetarla en uno de sus
extremos puede colocar – como soporte e
inclinación – una caja, un montón de libros,
etc. ¿Qué inclinación? La pendiente no debe
ser muy pronunciada porque dificultaría la
lectura de datos (tiempo).
Un resbalín o tobogán; una tolva, son planos inclinados. En los accesos a los edificios
relativamente modernos se pueden ver rampas, que son planos inclinados, para favorecer
el desplazamiento de personas, objetos, etc.
¿Qué ocurre con la rapidez de una bolita que se
deja caer desde la parte alta del plano? Si lanzamos la
bolita hacia arriba, en el mismo plano, ¿Qué sucede con la
rapidez?
• ¿Qué ocurrirá, ahora, si en lugar de dejar caer la
bolita, ésta se mueve en el plano horizontal?
• La bolita se puso en movimiento con un impulso
inicial… Pero, cuando siguió rodando, ¿actuó sobre ella
alguna fuerza como “causa” del movimiento?
Actividad 5 Experimentos mentales
Una de las ideas revolucionarias de Galileo fue plantear, luego de realizar la
actividad del plano inclinado (Actividad 4) que “en ausencia de fuerzas todo cuerpo en
movimiento tiende a seguir en movimiento rectilíneo y uniforme, y todo cuerpo en reposo
tiende a continuar en reposo”. Con estos planteamientos procuró rebatir y desterrar la
idea de Aristóteles, muy aceptada aún en el siglo XVII que aseguraba que “para que un
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cuerpo se mantenga
ininterrumpidamente”.
en
movimiento
es
necesario
aplicarle
una
fuerza
La inercia, el hecho de que la materia tienda a continuar en su estado de
movimiento uniforme y rectilíneo, o bien en reposo (respecto de un determinado sistema
de referencia), es una propiedad de la materia.
Suponga un viaje en automóvil por un camino rectilíneo. Al comenzar el viaje, Ud.
tiende a quedarse en el lugar de la partida. ¿Qué le ocurrirá entonces cuando el
vehículo parte?
• Luego el auto se mueve, con Ud. adentro, con una rapidez constante, a 50 km/h…
el chofer al accionar el acelerador hace que el motor realice constantemente su
función de arrastrar el vehículo, con velocidad constante, rectilíneamente…
¡debido a la acción de arrastre del motor!
Esto coincide con lo que decía Aristóteles sobre el movimiento.
•
o ¿Cómo rebatiría la afirmación de Aristóteles?
o Si se saca el pie del acelerador y se pone el vehículo en neutro… ¿hay
alguna fuerza que lo mueva?
Las leyes de Newton; información, actividades
La profesora de Ciencias y Matemática, Silvia Sokolovsky tiene una página en
Internet donde comparte experiencias y conocimientos. Veamos sus ejercicios vinculados
con las leyes de Newton.
¿Cuál es la causa del movimiento? Este problema fue un tema central para la
denominada Filosofía Natural que sostenía la necesaria influencia externa (una fuerza)
para mantener un cuerpo en movimiento. Cuando esta fuerza se termina el cuerpo
vuelve a su ”estado natural” De esta suposición se desprendía que un cuerpo más pesado
(mayor fuerza interior) debía caer más rápido que un cuerpo liviano. Fue Galileo Galilei
(1564 - 1642) el primero en darse cuenta de la falsedad de esta hipótesis, realizando una
serie de trabajos experimentales.
(…) Galileo estudió las causas del movimiento pero fue Newton (1641 – 1727)
quién les dio forma y las compiló en tres principios que hoy llamamos leyes de Newton.
A
B
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Si para mantener un cuerpo en movimiento no hace falta una fuerza, entonces,
¿qué se necesita? La respuesta es: nada.
•
Si mueves el pie sobre el piso vas a sentir como "algo" se opone a ese
deslizamiento. Si el piso está encerado ese "algo" disminuye en intensidad, hasta
podríamos imaginar una superficie tan encerada que esa resistencia
desaparecería por completo. En esta situación, luego de impulsarnos, nada nos
detendría, seguiríamos a velocidad constante y en línea recta.
- Hagamos un pequeño experimento (¡ACTIVIDAD!)
(A) Toma un papel, un lápiz y colócalos como muestra la figura. Tira fuerte del
papel del extremo opuesto al lugar del lápiz. ¿Por qué no se mueve el lápiz del
lugar? Piensa que estás haciendo fuerza sobre el papel, al lápiz no lo tocas, ¿Por
qué debería moverse?
Si no aplicamos una fuerza exterior a un cuerpo este permanece quieto o
moviéndose a velocidad constante y en línea recta.
Acabamos de enunciar el primer principio de Newton que se llama principio de
inercia. Es a causa de este principio que al partir un bus sientas ese empujón hacia
atrás. Y, si vamos en un auto y éste frena bruscamente, nos vemos impulsados
hacia delante. ¡Por eso las recomendaciones sobre uso del cinturón de seguridad!
•
Sigamos analizando el sistema papel - lápiz.
Vuelve a armar el dispositivo (A). Si mueves el papel lentamente el lápiz también
se mueve. ¿A qué se debe este comportamiento? Si tiras fuerte del papel el lápiz
se queda en un mismo lugar, pero si tiras despacio el lápiz acompaña al
desplazamiento. La clave de lo que sucede está en la fuerza que realizamos para
sacar al papel.
(B) Tomemos un libro y coloquémoslo sobre el papel y repitamos la experiencia. Si
tiramos con fuerza del papel el libro no se mueve, si tiramos despacio se mueve
con él. Si colocamos varios libros sucesivamente sobre el papel llegará el
momento en que, tirando suavemente de él, no podamos mover el sistema. Existe
una interacción entre la superficie de contacto del papel y la de los libros, existe
una fuerza que se opone a este movimiento, esta fuerza se denomina fricción o
roce.
La fricción o roce es la responsable que un cuerpo que está en movimiento sobre
el suelo se detenga.
"Ya sea para arrancar, detener, acelerar o desacelerar una partícula siempre
debemos aplicar una fuerza exterior a ella".
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La fuerza y la aceleración son dos magnitudes vectoriales directamente
proporcionales, F ~ a.
Matemáticamente se necesita una magnitud constante para establecer una
igualdad, físicamente esa constante es la masa del cuerpo: F = m a
Por supuesto que no siempre que apliquemos una fuerza podremos
cuerpo: si procuramos mover una pared, ésta no se moverá.
mover un
Hagamos nuevamente un pequeño experimento.
• Saluda a la persona
que tengas al lado dándole la
mano; el sistema mano –
mano no se mueve en
dirección derecha o izquierda, por que en él intervienen dos fuerzas, una de cada
mano. Estas fuerzas tienen la misma dirección, la misma intensidad pero sus
sentidos son opuestos. También vemos este par de fuerzas (del mismo módulo,
igual dirección y sentidos opuestos) al aplaudir. Nuestras manos se mueven en
sentidos opuestos, chocan.
En el momento del choque, cada mano hace fuerza sobre la otra. La superficie de
la piel "reacciona" a esa fuerza con otra de igual intensidad, igual dirección y
sentido opuesto. A una de ellas se la denomina acción a la otra reacción.
Otro ejemplo, cuando estamos parados, a nuestro peso (acción) se opone la
fuerza del piso que nos sostiene (reacción), de otro modo se rompería y
caeríamos.
Resumiendo, siempre tenemos dos opciones: podemos o no aplicar una fuerza. Si
no la aplicamos una fuerza exterior estamos frente al principio de inercia. Si la
aplicamos una fuerza exterior, también tenemos dos posibilidades: el cuerpo
puede moverse o quedarse quieto. Si se mueve, estamos frente al segundo
principio de Newton, el principio de masa. En caso de que no se mueva estamos
frente al tercer principio de Newton, el principio de acción y reacción.
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