Aprender con Rosetta y Philae Teach article

Author(s): Maria Eleftheriou

Traducido por José L. Cebollada. O cómo un gran logro de la ESA, Agencia Europea el Espacio, puede motivar a los estudiantes.

El 12 de noviembre de 2014, después de 10 años viajando juntos, el pequeño robot Philae abandonó la nave Rosetta para aterrizar en el cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko (67P). Fue la primera ven en que una misión conseguía aterrizar sobre un cometa.

El ambicioso aterrizaje de Philae en el cometa 67P se puede estudiar mediante las leyes de Newton y los alumnos pueden utilizar datos reales para calcular la gravedad del cometa. Yo preparé este proyecto para estudiantes de 15 a 18 años que ya conocían la primera y la segunda leyes de Newton y entendían la caída libre. Necesitaremos tres clases: en la primera plantearemos el problema y pediremos que los estudiantes busquen información relevante en la web. En la segunda calcularán la aceleración de la gravedad en el cometa con las leyes que conocen. Y en la tercera utilizarán simulaciones para calcular la aceleración de la gravedad del cometa. Para terminar, compararán los dos métodos.

Recreación artística del aterrizaje de Philae en el cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko
Imagen cortesía de DLR German Aerospace Centre; fuente de la imagen: Flickr

Sesión 1: Introducción y recogida de datos

  1. Visionado de Ambition, un vídeo de la ESAw1, y posterior presentación de los últimos logros de Rosetta y Philae con vídeos e imágenes de la web de la ESAw2,w3. Después preguntamos por creen que la misión es importante y qué quiere conocer la ESA sobre los satélites.
  2. Presentar la simulación en vídeow4 que muestra el fallo de los arpones que debían anclar a Philae y los dos botes que dio cuando se posaba sobre el cometa 67P. Estos botes son muy importantes para calcular la gravedad del cometa.
  3. La clase se organiza en grupos que buscan información sobre la masa de Philae, la velocidad de descenso y la altura y duración de los dos botes. Deberían encontrar que Rosetta se separó de Philae a 22.5 km de la superficie de 67P con una velocidad de 1 m/s y realizó un bote de 1 hora y 50 minutos en el que ascendió a 1 km de altura con una velocidad de 0.38 m/s.

Sesión 2: Trabajar las leyes físicas

  1. Preguntar sobre el tipo de movimiento de descenso de Philae hacia el cometa. ¿Se puede dividir el movimiento en etapas diferentes? Por ejemplo: la caída libre hacia el asteroide, después el primer bote frenado por la gravedad y la caída libre posterior. Se puede proceder de la misma manera con el segundo bote.
  2. Pregunta cómo calcular la aceleración de la gravedad con los datos obtenidos en la primera sesión. Si los estudiantes utilizan v = v0 – gt y suponen deceleración constante g (campo gravitatorio homogéneo), la velocidad es v = 0, v0 = 0.38 m s-1 y t = 55 min (la mitad del tiempo del bote, 110/2), la aceleración de la gravedad será, aproximadamente 10-4 m s-2.
  3. Ahora tienen que realizar los mismos cálculos para el segundo bote de Philae. El resultado debe ser del mismo orden de magnitud pero no exactamente el mismo valor porque el cometa no tiene forma simétrica y su campo magnético no es homogéneo   (Sierks et al., 2015).
  4. Por último, pregunta qué hubiera sucedido si Philae hubiera caído en la Tierra en lugar de en el cometa, ¿cuánto habrían durado los botes?
Agilkia, el lugar de aterrizaje en el 67P / Churyumov-Gerasimenko
Imagen cortesía de la ESA

Sesión 3: Simulación de la caída

Para esta actividad necesitamos Interactive Physics, un software de simulación física que es gratis para uso didáctico en Grecia. Si no puedes descargar este software o no está está disponible en tu país, puedes usar Stepw5 , una alternativa gratuita. Suponemos que los alumnos conocen previamente el software que vas a utilizar. En caso contrario es recomendable dedicar una hora para que se familiaricen con el programa.

  1. Se utiliza el software para simular el aterrizaje de Philae. Se necesita un objeto pequeño que haga de Philae y uno mayor que represente al cometa. Pueden jugar con la forma, la dimensión y la masa de los dos objetos.
  2. Pueden comenzar con un modelo de un cometa esférico de radio 1 km (la dimensión mayor del cometa es de 4 km).
  3. Ahora tienen que simular el aterrizaje con un campo g = 9.81 m s-2 como el de la Tierra.
  4. Después repiten la animación disminuyendo el valor de g.
  5. Ahora tienen que ajustar otras variables. Pueden usar la masa real de Philae y 67P y las dimensiones reales de cometa.
  6. En la última fase, pueden desactivar la opción de campo gravitatorio homogéneo y la interacción entre los dos cuerpos será diferente. La aplicación da un valor de la fuerza sobre Philae de 0.066 N cuando está en la superficie y una aceleración en la superficie de 6.6 10-4 m s-2 porque la masa de Philae es de 100 kg. Este valor debería ser del mismo orden de magnitud que antes y bastante próximo al realw6.

Cuando trabajamos este tema los estudiantes están motivados con el proyecto al ver que dos métodos diferentes dan un valor bastante próximo al valor real de la aceleración de la gravedad. Ellos trabajaban como investigadores buscando información en webs fiables y probando los parámetros del problema para calcular la aceleración de la gravedad en el cometa 67P teóricamente y mediante simulaciones. La ciencia espacial resulta muy atractiva pero, por desgracia, no forma parte del currículo de física en los institutos griegos (entre 15 y 18 años). Este proyecto es una oportunidad para aprender sobre el logro más importante de la ESA a la vez que se sigue el currículo. Aplican la primera y la segunda leyes de Newton y las ecuaciones de caída libre antes de utilizar los datos de la expedición Rosseta, en concreto la trayectoria de Philae. Así se muestra una aplicación de las ecuaciones de movimiento a la vida real. También ponen a prueba sus habilidades con las tecnologías de la información y la comunicación. En general, un problema que supone un reto es una buena motivación a los alumnos.

Si no dispones de mucho tiempo puedes hacer esta actividad en dos horas dando directamente los datos a los estudiantes evitando la búsqueda en internet. También puedes adaptar el proyecto a estudiantes de 12-14 años dedicando más tiempo a la introducción y saltando la parte de las simulaciones.

Foto del cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko tomada cuando la nave Rosetta estaba a 329 km del centro
Imagen cortesía de la ESA

Agradecimiento

Parte de este artículo pertenece a una propuesta más extensa que envié al Discovery Space Contest en la edición de 2014-2015. Mi propuesta recibió el premio Europeow7.

References

Web References

Resources

  • Hay una versión de este artículo, que no es una traducción directa de este artículo, en griego en la revista Φυσικές Επιστήμες στην Εκπαίδευση (Enseñanza de las ciencias físicas). Para más información http://physcool.web.auth.gr/ o el enlace directo http://tinyurl.com/z8ljedw.

Institutions

Author(s)

Maria Eleftheriou enseña ciencias en el  Lyceum de Tzermiadon, Lassithi Plateau, Creta, Grecia. Es licenciada en física, master en física de la materia condensada y Doctora en Física Computacional; intenta llevar la investigación real al aula.

Review

La exploración especial es un tema muy amplio y este artículo permite varios enfoques diferentes. Por ejemplo los datos orbitales del 67P pueden usarse para estudiar la evolución del conocimiento humano sobre los objetos espaciales desde Kepler y Galileo hasta Newton y Halley.

El artículo puede servir para profundizar en el concepto de velocidad de escape y para abrir discusiones sobre las enormes distancias que hay en los viajes espaciales, la dificultad inherente asociada a los viajes tripulados y, por último, nuestra posición en el Universo, nuestra soledad en el espacio, un tema que va más allá de la ciencia.

Duarte Nuno Januário, Portugal

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