Carreras de coches en la clase de Física Teach article

Traducido por Alberto Peña. El profesor de Física Nicolas Poynter quería que sus alumnos no solo aprendieran, sino que pensaran por sí mismos. Su solución: un concurso para construir el coche más rápido.

Para motivar a mis alumnos y enseñarles temas como las máquinas simples, electricidad, variables experimentales, las leyes del movimiento y el método científico, desarrollé un proyecto de carreras de coches que cubría los temas de la primera parte del libro de texto de Física de 9˚ (15 años) en EE.UU. (Hsu, 2005). Los grupos deberían competir en la construcción del coche más rápido, usando los conocimientos adquiridos en clase.

Tenía la sensación de que las actividades del libro eran demasiado constreñidas: los alumnos seguían las instrucciónes como si esuvieran haciendo un pastel. Yo quería hacerles razonar y pensar. El proyecto fue un éxito total: los estudiantes no solo consiguieron una profunda comprensión de los temas, sino que su entusiasmo resultó intenso y contagioso.

La actividad

Temporalización: Cada sección descrita más abajo lleva aproximadamente 80 minutos: 20 minutos para la introducción, y una hora de trabajo práctico. Antes de empezar, los alumnos deberán tener conocimientos sobre medidas, conversión de unidades y el método científico.

Cada día de la semana di las clases alternando entre actividades de introducción al laboratorio y el proyecto del coche: a  modo de ejemplo, después de dos días de construcción de circuitos simples, empezaríamos desde cero la construcción de un nuevo circuito  para el proyecto.

Reglas: Además de una reductora, cada coche debería tener un chasis de madera, usar dos pilas de 1,5 voltios como fuente de energía, y tener un interruptor integrado en el diseño del circuito.

Componentes del coche

Cada grupo de estudiantes necesita:

• Un motor con reductora (idéntico para cada grupo). Usé un motor Tamiya^w1 de 3 voltios con una reductora de triple velocidad (referencia 70093), pero vale cualquier otro
• Un portapilas
• Un interruptor corriente
• Un tablero de pino, bambú  o roble (7,5 cm x 25 cm x 2 cm) para el chasis
• Un set de tres o cuatro ruedas (variadas, que permita elegir a los estudiantes).

Compré coches de control remoto antiguos, baratos, y extraje las ruedas, ejes, y motores para piezas. Sin embargo, cualquier cosa que ruede puede ser usada para extraer las ruedas; hay muchos objetos aceptables que pueden encontrarse en cualquier ferretería o en Internet.

Tornillos y otros materiales

• Tornillos 1,2 cm (para madera).
• Tornillos de 5 cm con tuerca y arandelas
• Alambre de 0,8 mm
• Hembrillas o escarpias y cáncamos
• Soldador
• Cinta aislante
• Pegamento para metal, madera y plástico, cuanto más fuerte mejor
• Pintura y pinceles
• Barra de aluminio de 3 mm de diámetro (para los ejes delanteros), aproximadamente 3 cm por coche. La reductora de Tamiya viene con un eje de repuesto que puede usarse para la parte delantera.
• Coarse sandpaper
• Pencils
• Grasa (del kit de la reductora)

Herramienas

• Un soldador
• Una caja de ingletes
• Alicates de corte
• Destornilladores pequeños
• Una escuadra pequeña de carpintero
• Un taladro con brocas pequeñas
• Dinamómetros

Otros materiales

• Dos coches modelo, uno con caja con reductora pequeña, alta velocidad;  otro con gran reducción, velocidad baja. Todo esto llevará una tarde para construirlo. Es imprescindible que los estudiantes tengan permanentemente un modelo que funcione como referencia, incluso aunque su propio diseño acabe diferenciándose completamente de él.
• Opcional: una bicicleta con cambio de marchas
• Opcional: un cañon de juguete NERF™ (un tipo de pistola de plástico para niños) con balas de corcho blanco, cinta adehesiva
• Dos barreras fotoeléctricas y 10 m de cable de teléfono (para cronometrar la carrera de coches)

Montaje de las reductoras: engranajes y resisistencia al deslizamiento

Los alumnos deberán aprender la función de los engranajes a medida que ensamblen la caja reductora para su coche, y comprender los paralelismos entre una caja de cambios de un coche de verdad y la de una bicicleta. Las leyes de Newton y los engranajes deberán haber sido tratados antes de empezar.

1. Muestre dos coches modelo. Demuestre que uno es más rápido que otro sobre una superficie lisa, pero incapaz de subir cuestas pronunciadas (>45˚) mientras el otro coche con una gran reducción, lento, las puede subir con facilidad (ver la imagen de abajo, a la izquierda).
2. Opcionalmente se puede subir una bicicleta a  la mesa para que los estudiantes vean que con la relación de cambio más pequeño, la rueda gira al máximo de su velocidad por cada vuelta de los pedales. Con la relación de cambio más grande, la rueda se mueve al mínimo de su velocidad, reduciendo la fuerza necesaria para pedalear (como cuando se sube una cuesta). Por eso cuando pedalear es más fácil la velocidad es más lenta. Esto ayuda verdaderamente a que los estudiantes comprendan el por qué de los cambios de marchas.
3. Entregue a cada grupo de dos a cuatro alumnos una de las reductoras.
4. Diga a los estudiantes que sus coches correran en una superficie plana.

Desde el primer momento del proyecto se les dice a los estudiantes la longitud exacta de la carrera y la trayectoria: 10 m en un suelo encerado. Es importante que conozcan la distancia a la que deben llegar: algunos coches pueden correr sin problemas 5 m y luego salirse del carril.

5. Pida a los estudiantes que seleccionen la relación de engranajes (16,6:1, 58,2:1 o 203:1) y los ensamblen en la caja correspondiente siguiendo las instrucciones del fabricante. Deberán escoger la combinación de alta velocidad (16,6:1). Si eligen incorrectamente, no se percatarán hasta que prueben el coche y entonces tendrán que volver a ensamblar los engranajes en la caja. Los dos prototipos sirven para decidir correctamente y minimizar el trabajo extra.
6. Aplique grasa a los engranajes para reducir la fricción, aumentando la velocidad. Los resultados son muy poco apreciables por lo que muchos grupos olvidan engrasar los engranajes más adelante. Lo importante es que comprendan que mayor rozamiento implica menor eficiencia. Es el momento para explicar que un coche normal (con motor de explosión interna) es un 25% menos eficiente debido a todas las partes móviles (toda la resistencia al deslizamiento).
7. Conecte los terminarles a la pila para comprobar que el motor funciona correctamente y que el eje gira.

Diseño del chasis: Segunda ley del movimiento de Newton y la resitencia del aire

Los estudiantes deberían entender la segunda ley del movimiento de Newton y la resistencia del aire (resistencia al avance), y transladar lo que han aprendido al diseño de los chasis de sus vehículos.

1. Inroducción a la segunda ley del movimiento y al concepro de resistencia del aire.

Empleé un simple cañón NERF^TMque dispara balas de juguete de goma, con la misma fuerza cada vez. Envolví algunas de las balas con cinta adhesiva para aumentar su masa y pedí a los estudiantes que las pesaran (por alguna razón es completamente diferente si las pesan ellos a si lo hace el profesor). Luego les pregunté hasta dónde llegaban las balas: si una bala tenía el doble de masa que otra, debería llegar a la mitad de la distancia. La ley es esencialmente simple, pero es vital para ganar la carrera.

2. Mostrar a los estudiantes los prototipos de los vehículos. El mío tenía un chasis hecho de madera de bambú de 7,5 cm x 25 cm x 2 cm.
3. Pedir a cada grupo que elija el material (un tablero cortado con medidas similares) para su chasis.

Les di a elegir entre roble, pino o bambú, siendo el pino el más liviano. La madera de balsa también podría emplearse, ya que es todavía más liviana. Elegí bambú, la más densa y menos eficiente para el prototipo, con el fin de recompensar a aquellos equipos que eligieran la madera más liviana en lugar de simplemente copiar el prototipo. En la clase siempre había dinamómetros disponibles. Guié a los estuiantes lo menos posible, pero respondí a todas las preguntas y me aseguré de que todos los grupos podían elegir entre madera pesada y liviana.

Cuando los coches acabados fueron pesados varias clases después, les expliqué porqué el pino era la mejor opción.

4. Pedir a los estudiantes que dibujen sus diseños en los tableros antes de cortarlos. El profesor debería hacer el corte con la ayuda de una caja de ingletes.
5. Dejar que los estudiantes lijen los chasis.
6. Pintar y numerar los vehiculos.

Los estudiantes deberían intentar aligerar sus vehículos eligiendo la madera adecuada, recortando las piezas y lijándolas para darles una forma más aerodinámica.

Conectando el chasis: circuitos eléctricos sencillos y motores.

Los estudiantes deberían aprender lo relacionado con circuitos eléctricos sencillos y motores. Deberían conocer lo relacionado con el voltaje, la intensidad, la resistencia, así como sobre circuitos simples.

1. Cada equipo ya dispone de una caja de engranajes (reductora) con eje y motor. Entregue a cada equipo un portapilas y un interruptor.
2. Asegurarse de tazar en el chasis una línea perpendicular perfecta para la reductora, usando una escuadra y montando la caja siguiendo esa línea para, posteriormente, ajustar  el eje y las ruedas en un ángulo recto con el chasis. De no hacerlo así el coche no seguirá una línea recta.
3. Asegurar el portapilas y la reductora usando tornillos de madera y colocar el interruptor usando tornillos, tuercas y arandelas. La mayoría de los equipos copiaron el prototipo aunque podían sujetar estos componentes donde quisieran.
4. Conectar los componentes en un circuito sencillo usando cable de 0,8 mm de espesor. Comprobar que no hay cables sueltos. Perforar un agujero en el centro de los tableros facilita las conexiones entre la parte de arriba y de abajo del tablero y es mejor que llevar los cables por los laterales.
5. Opcionalmente, los estudiantes pueden soldar las conexiones con un soldador bajo la supervisión del profesor. Este paso no es necesario, pero los estudiantes encuentran una gran satisfacción en estas tareas “reales”.
6. Abrir uno de los motores eléctricos y mostrar a los estudiantes los núcleos de cobre y los imanes para demostrar el electromagnetismo.

Escogiendo las ruedas: fricción

Se les recuerda a los estudiantes lo aprendido sobre la fricción. Aunque la resistencia del aire y la resistencia al movimiento son determinantes de la velocidad de sus vehículos, algo de resistencia a la rodadura es imprescindible para que los coches puedan moverse. El objetivo es que los estudiantes comprendan el equilibrio entre rozamiento beneficioso y perjudicial: una autopista asfaltada es mejor que una carretera de adoquines porque hay menos fricción, pero si el hielo cubre la carretera, los coches no serán capaces de funcionar sin usar cadenas para conseguir algún rozamiento.

Los estudiantes deberán elegir entre ruedas con un gran rozamiento o con muy poco. Por pura coincidencia, cada grupo de mis estudiantes elegió un tipo diferente de rueda. Desafortunadamente sus coches también se diferenciaban en muchas otras cosas, por lo que fue imposible precisar qué ruedas fueron las mejores. Idealmente, podría usarse una selección más reducida de ruedas y podrían ser testadas previamente en condiciones contraladas.

Para nosotros era obvio qué ruedas no funcionarían, pero no tan claro cuáles funcionarían mejor. Las cubiertas blandas se aplastan un poco mientras las que tienen una gran superficie de rodadura se agarran a la carretera en exceso. Los más anchos parecen los mejores, pero si son demasiado anchos su masa se convierte en un problema. Los coches con estas ruedas resultaron tremendamentes lentos, por lo que hubo que cambiarles las ruedas. Más aún, toda la clase aprendió algo al ver lo que sucedía, estos errores ayudan a todos a examinar la ciencia involucrada. Se permitió a los equipos cambiar las ruedas en cualquier momento.

1. Cortar una barilla de alumnio de 3cm, para el eje frontal, con la ayuda de unos alicates. Pueden montarse usando cáncamos (ver de imágene a la izquierda). Para un coche con 3 ruedas puede usarse un cáncamo abierto o una escarpia.
2. El eje de la reductora deberá colocarse en la parte trasera.
3. Dejar que los estudiantes escojan entre varias  ruedas. Dependiendo de dónde monten la reductora necesitarán ruedas de diferentes diámetros para alcanzar el suelo (puede que la monten en la parte de arriba del chasis, pero parace que va mejor si la montan por debajo).
4. Usar  un pegamento fuerte, soldador o cinta adhesiva para asegurar las ruedas a los ejes.

La carrera

1. Deje que los equipos prueben sus vehículos para que los evalúen y los modifiquen.

El problema más común fue el de los coches que se salían del recorrido y a los que era necesario realinear la reductora para que estuviera a escuadra con el chasis. Los coches más lentos con frecuencia necesitaban que se les apretaran los tornilos de la reductora.

Un pequeño tornillo prisionero sitúa el eje de la reductora en la posición correcta, dándole más velocidad. Se afloja con mucha facilidad por lo que es necesario apretarlo usando una llave Allen, incluida en el kit.

2. Una vez que todos los vehículos funcionan adecuadamente, llega el momento de los cronometrajes. Usé dos barrareas fotoeléctricas separadas 7,5 m y unidas por una cable de teléfono de 10 m para cronometrar. Debe haber dos estudiantes: uno para conectar el interruptor y el otro para coger el coche y apagar el motor.

Ahora es cuando los equipos pueden contrastar sus resultados con los de los otros. El coche más rápido consiguió una velocidad de 2,766 m/s con una masa de 298 g.

3. Dejar que los estudiantes hagan más modificaciones antes de la prueba final.

Teníamos portapilas para pilas de tipo AA y D. Dos equipos eligieron la pila más grande, incorrectamente, dando por hecho que tendría más potencia. Durante las pruebas su error se hizo patente (sus coches tenían el doble de masa y la mitad de la velocidad que los otros) y rápidamente cambiaron a las pilas AA, más ligeras.

4. Divida la clase en grupos de tres coches por carrera. La posición en la pista será muy importante durante la carrera por lo que debe haber alguna manera de determinar quién ocupa cada posición. Si tu coche corre en línea recta puede que prefieras la pista central. Si se desvía ligeramente hacia la izquierda seguro que prefieres la pista de la derecha.

Permití a los coches más rápidos durante las pruebas que eligieran la pista y coloque libros de texto alineados para que hicieran de barreras para que los coches no se salieran de la pista. Durante la carrera se permitía el contacto entre los coches, de hecho fue común que los coches chocarán.

5. Dejar que los ganadores de las carreras de tres se enfrenten para ver el ganador absoluto.

Los dos coche más rápidos en las carreras de tres no estaban en los puestos más altos durante las primeras pruebas. Esto resultó ser consecuencia de una variable oculta: la orientación del interruptor. La mayoría de los equipos copiaron el prototipo, que al accionar el interrupor hacia atrás para encender el motor daba al coche un momento hacia atrás que necesitaba ser recuperado. Los dos coches con el interruptor a la inversa tenían algo de ventaja en el inicio. Esto no fue detectado en las pruebas porque los tiempos se midieron no desde parada absoluta sino pasando por la primera barrera fotoeléctrica.

Este resultó ser un una oportunidad fantástica para enseñar a comprobar variables (masa del coche, aerodinámica de todo el cuerpo, fricción negativa, ruedas, ensambaje global) y variables controladas (material del chasis, reductora, interruptor, pilas). La orientación del interruptor resultó una sorpresa también para mí: tuvimos que analizar los datos para averiguar por qué los coches que ganaron en las pruebas de tiempo no ganaron las carreras. Lo descubrí pero no se lo dije a los estudiantes. Para mi alegría varios grupos por separado llegaron a la misma conclusión. Este era el motivo principal del proyecto: poner a los estudiantes a pensar.

Conclusión

A lo largo del proyecto mis alumnos no solo alcanzaron los objetivos académicos, sino que acabaron siendo mejores a la hora de solucionar problemas y aprendieron habilidades prácticas que permanecerán con ellos el resto de sus vidas. Aunque el proyecto necesita prototipos y directrices, sugiero que se mantengan tantas variables como sea posible. De hecho, animé a los estudiantes a diferir del prototipo tanto como a mantenerse dentro de las normas Aunque algunos de los diseños resultaron un desastre de funcionamiento, los estudiantes estuvieron profundamente implicados en los procesos científicos.

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