Conceptos básicos
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Física -
Fuerzas -
Peso -
Flotabilidad -
Gravedad -
Centro de gravedad
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Introducción
¡Es hora de zarpar! No importa si no vives cerca de algún lago o del mar, en esta actividad de ciencias podrás navegar mientras construyes tu propio velero de juguete. ¡Pero primero tienes que asegurarte de que tu barco no se vuelque! ¿Todo listo para afrontar el reto?
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Antecedentes
¿Recuerdas haber jugado con barcos de juguete en la bañera o has estado alguna vez en un barco de verdad? Los barcos pueden flotar gracias a la flotabilidad. Al mismo tiempo que la fuerza de su propio peso (por la gravedad) los empuja hacia abajo, la fuerza de flotación, que es igual al peso del volumen del agua que desplazan, los empuja hacia arriba. (Puedes encontrar una explicación más detallada sobre la fuerza de flotación en la sección "Más para explorar"). Algunos barcos están hechos de materiales que son menos densos que el agua, lo que significa que tienen menos masa por unidad de volumen. Estos materiales van a flotar siempre. Otros barcos, sin embargo, están hechos de metales como el acero, que son mucho más densos que el agua. Entonces, ¿cómo es que flotan? Pueden flotar porque están huecos, por lo que hay mucho espacio de aire vacío dentro del casco del barco. La densidad media del barco (si incluimos tanto el metal como el aire) es menor que la densidad del agua.
Los barcos no solo tienen que flotar, también tienen que mantenerse erguidos y evitar volcarse o darse la vuelta. Para ello, necesitan tener un centro de gravedad bajo, esto es, necesitan que su peso se concentre hacia la parte inferior del barco y no hacia la parte superior. Eso podría parecer toda una odisea en el caso de los veleros, que tienen velas muy altas que se elevan en el aire. ¿Cómo se mantienen en equilibrio con tanta masa concentrada en lo alto? Lo hacen gracias a otro elemento llamado quilla, que está en la parte inferior del barco. (Si solo has visto veleros sobre el agua, ¡es posible que ni siquiera supieras que existía la quilla!) La quilla es una gran pieza debajo del barco, con forma de aleta, que tiene dos propósitos. Primero sirve de lastre, o peso pesado, que ayuda a bajar el centro de masa del barco. Y segundo, también ayuda a evitar que el viento lleve la embarcación hacia los lados. En este proyecto, verás cómo una quilla puede ayudar a que un velero vaya recto y a evitar que se vuelque.
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- Un ayudante adulto
- Tres tapones de corcho
- Dos gomas elásticas
- Palillo de dientes
- Varios tornillos o clavos
- Material impermeable como goma EVA, papel encerado o un trozo de cartón de leche para hacer una vela
- Papel de aluminio
- Fregadero, bañera o un recipiente grande que puedas llenar de agua (el recipiente debe ser más profundo que la longitud de los clavos o tornillos que tengas)
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Preparación
- Llena el recipiente con agua. Asegúrate de llenarlo lo suficiente como para poder sumergir verticalmente los clavos o tornillos más largos que vayas a usar.
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Procedimiento
- Alinea tres corchos (por el lateral, no por los extremos).
- Utiliza dos gomas elásticas para sujetar los corchos juntos y formar una "balsa".
- Pincha un palillo de dientes en el centro del corcho de manera que salga hacia arriba. Este es el mástil de tu barco (la parte que sostiene la vela).
- Corta un cuadrado del material impermeable y fino que hayas escogido para hacer una vela. Debería tener unos seis centímetros cuadrados.
- Pincha el palillo por los extremos opuestos de la vela (cerca de los bordes) para mantenerla en su lugar.
- ¡Acabas de hacer tu primer velero! Ponlo en el agua. ¿Qué ocurre?
- Sopla la vela desde atrás. ¿Qué ocurre?
- Ahora vamos a hacer un barco más fino quitando las gomas elásticas y los dos corchos exteriores. Mantén la vela en su lugar. Dependiendo de cómo hayas colocado la vela en un primer momento, es posible que tengas que girarla 90 grados.
- Vuelve a poner tu nuevo velero sobre el agua. ¿Qué ocurre?
- ¡Oh, oh! ¡Lo más probable es que tu velero haya volcado! Mal asunto. Para solucionarlo, intenta añadir una quilla. Con cuidado, pincha un clavo o tornillo en la parte de abajo del barco, directamente en el lado opuesto de la vela.
- Intenta volver a poner el barco sobre el agua. ¿Se mantiene en posición vertical esta vez?
- Si el barco no se mantiene erguido, sigue añadiendo clavos o tornillos (en línea recta con el primero) hasta que pueda flotar sin volcarse.
- Ahora intenta volver a soplar la vela. ¿Qué ocurre? ¿Se mueve el barco en línea recta?
- En este momento, la quilla se compone de uno o más clavos o tornillos, pero estos no están conectados entre sí. Corta una pieza rectangular de papel de aluminio y envuelve con ella firmemente los clavos/tornillos hasta crear una forma de aleta.
- Vuelve a poner el barco sobre el agua y prueba otra vez a soplar la vela. ¿Qué pasa esta vez? ¿Va recto?
- Extra: Intenta hacer una vela más grande; usa, por ejemplo, parte de un palillo de brocheta para el mástil en lugar de un palillo de dientes. ¿Qué peso debe tener el lastre para equilibrar el barco con una vela más grande? Sugerencia: Prueba a colocar un clavo/tornillo en horizontal en la parte inferior de la quilla para que actúe como lastre. De esa manera, no tendrás que seguir clavando más clavos o tornillos en el corcho.
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Observaciones y resultados
Tu primer velero probablemente fue bastante estable porque era muy ancho (estaba formado por tres corchos). Sin embargo, cuando quitaste dos corchos para hacerlo más fino, el velero probablemente se volvió inestable y se volcó. Es algo similar a cuando estás de pie con los pies muy juntos en lugar de tener los pies ligeramente separados; es más difícil mantener el equilibrio. Al añadir clavos/tornillos a la parte inferior del velero, bajaste su centro de gravedad y lo hiciste más estable. Sin embargo, los clavos verticales individuales no cumplen bien la función de empujar contra el agua, ya que el agua fluye directamente alrededor de ellos. En consecuencia, la quilla no consigue que el barco vaya recto. Si soplaste la vela, es posible que el barco se haya desviado hacia un lado o haya girado en círculos. Cuando envolviste los clavos con papel de aluminio, hiciste que la quilla se pareciera más a una aleta. Puede atravesar el agua muy fácilmente en una dirección, a la vez que proporciona mucha resistencia contra el agua en la otra dirección. Eso facilita mucho que el barco avance hacia adelante y dificulta el que se mueva hacia los lados. Esta es la razón por la que los veleros reales pueden ser largos, delgados y tener velas altas: ¡la quilla evita que vuelquen y les ayuda a ir en línea recta!
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Supervisión de un adulto y la seguridad es lo primero
- Sigue cuidadosamente las instrucciones del experimento.
- Conviene que un adulto responsable ayude con cada experimento.
- Si bien los experimentos científicos en casa son formas muy interesantes de aprender sobre ciencia de manera práctica, ten en cuenta que algunos pueden requerir que los participantes tomen precauciones de seguridad adicionales y/o que no lo dejen todo perdido.
- Conviene que sean los adultos los que manipulen o ayuden con materiales u objetos afilados o potencialmente dañinos.
- Los adultos deben revisar cada experimento y determinar cuál es la edad apropiada para la participación del estudiante en cada actividad antes de realizar cualquier experimento.
