Una vuelta de tuerca al misterio de las velas Teach article

Author(s): Steven Ka Kit Yu
Translator(s): Rafael Martínez-Oña

Se encienden tres velas de diferentes alturas en un espacio cerrado. Sorprendentemente, la vela más larga se apaga primero. ¿Puedes resolver el misterio?

Una vela encendida sobre una mesa.
Imagen: Rajat Verma/Unsplash

En una demostración clásica del misterio de las velas, se cubren tres velas encendidas de diferentes alturas con una campana de vidrio hermética en su base (ver la figura 1) y la vela más alta se apaga primero. Esto sucede porque el dióxido de carbono producido por la combustión tiene una temperatura más alta, por lo que sube y se acumula en la parte superior de la campana. Después, el dióxido de carbono gas se enfría, cae y apaga primero la vela más alta. Este artículo se basa en la demostración clásica del misterio de la vela y lo hace de tres maneras. En primer lugar, se utiliza el modelo didáctico 5E[1] para desarrollar actividades de aprendizaje que obliguen a los alumnos a construir, revisar y aplicar explicaciones científicas en contextos impredecibles. En segundo lugar, estas actividades pretenden ayudar a los alumnos a poner a prueba sus hipótesis utilizando y coordinando múltiples pruebas. En tercer lugar, estas actividades incluyen experimentos y tareas de debate para retar a los alumnos a predecir y explicar los resultados. Al añadir variables al misterio de las velas, se promueve la implicación de los alumnos y se fomenta el pensamiento crítico y la comprensión científica.

Figura 1: El experimento clásico de la vela
Imagen cortesía del autor

Los experimentos pueden realizarse como demostraciones o como trabajos prácticos para pequeños grupos de alumnos. Son rápidos y sencillos. Las actividades pueden realizarse con alumnos de 11 a 16 años.

Notas sobre seguridad

  • Respeta todas las normas de seguridad contra incendios y tenga a mano material extintor.
  • Utiliza gafas de seguridad durante los experimentos. Si los alumnos realizan alguna tarea por sí mismos, deben hacer lo mismo y se les debe advertir que tengan cuidado con las llamas.
  • La campana de cristal puede calentarse mucho durante e inmediatamente después de apagarse las velas. Se debe advertir a los alumnos que no la toquen con las manos sin proteger y que tengan cuidado (por ejemplo, que lleven guantes resistentes al calor cuando levanten la campana de cristal caliente y/o que la levanten cuando se haya enfriado a temperatura ambiente).
  • Asegúrate de que todas las velas estén apagadas después de cada experimento.
  • Asegúrate de que haya suficiente ventilación, por ejemplo, abriendo las ventanas.

Actividad 1: Captar y analizar las ideas de los alumnos sobre el misterio de la vela

El objetivo de esta actividad es plantear un escenario para que los alumnos indaguen. Cuando se encienden tres velas de diferentes alturas y se cubren con una campana de vidrio hermética para gas, se pide a los alumnos que predigan y expliquen qué vela creen que se apagará primero. Deje 40 minutos para el debate sobre la predicción, los experimentos y la colaboración.

Materiales

  • Campana de vidrio para experimentos de laboratorio con gas (de tamaño suficiente para cubrir tres velas)
  • Tres velas de diferentes alturas
  • Encendedor
  • Alfombrilla resistente al calor
  • Cuchilla
  • Pistola de aire caliente, 240 V, 2000 W (opcional: se utiliza para calentar la cuchilla para cortar las velas a diferentes alturas)
  • Ficha 1

Preparación

Antes de la clase, el profesor o el ayudante deben preparar los materiales del experimento.

  1. Corta tres velas de diferentes longitudes con una cuchilla caliente precalentada con una pistola de aire caliente (ver la figura 2).
Una persona utiliza unos alicates para cortar una vela roja.
Figura 2: Corta la vela con cuidado
Imagen cortesía del autor
  1. Alinea las tres velas sobre una esterilla resistente al calor, lo suficientemente próximas como para que puedan cubrirse con la campana de vidrio.
  2. Cubre las tres velas con la campana de vidrio (sin encenderlas, figura 3).

Consejos prácticos:

  • Para garantizar una prueba bien realizada y alcanzar los resultados esperados, asegúrate de que las mechas tienen la misma longitud y de que las alturas de las velas difieren significativamente.
  • Realiza una prueba antes de la clase para comprobar que el montaje funciona y hacerte una idea del tiempo que tarda en apagarse la primera vela.

Procedimiento

  1. Muestra el montaje a los alumnos y anímales a pensar qué pasaría si encendiéramos las velas (y nuevamente colocásemos la campana de vidrio). Pregúntales qué vela esperan que se apague primero.
  2. Pídeles que escriban primero sus propias ideas (y anótalas en la ficha 1) y, opcionalmente, pídeles que lo discutan en grupos y después con la clase. Pregúntales qué vela esperan que se apague primero.
  3. Retira la campana, enciende las velas y observa lo que ocurre. Dependiendo de la configuración (p. ej., longitud de la vela, tamaño de la campana), las velas deberían apagarse en unos minutos. A los alumnos les suele parecer alucinante el resultado (la vela más alta se apaga primero)
Una campana de cristal con tres velas en su interior.
Figura 3: Montaje para demostrar el misterio clásico de la vela
Imagen cortesía del autor
  1. Opcional: hacer que los alumnos repitan el experimento (o vean una grabación) y registren los tiempos necesarios para que se apague cada vela. Combina los resultados y dibuja un gráfico.
  2. Discute los resultados y anima a los alumnos a reflexionar sobre sus predicciones iniciales. ¿Les han sorprendido los resultados? ¿Coinciden los resultados con sus predicciones? ¿Les hace pensar de forma diferente sobre su explicación?
  3. A continuación, en la Actividad 2, se desarrolla un debate más profundo sobre por qué la vela más alta se apaga primero. Si no se utiliza la Actividad 2, se puede realizar aquí la parte 1 (¿Por qué se apaga primero la vela más alta?) de la Actividad 2.

Ver una demostración de la Actividad 1.

Discusión

Puedes adoptar el enfoque de “pensar por grupos y compartir” para abordar lo realizado por los alumnos en el paso 1. En este enfoque, se pide a los alumnos que predigan y expliquen individualmente qué vela se apagará primero. A continuación, que compartan sus predicciones y explicaciones en grupos de tres o cuatro, seguido de un debate con toda la clase. Puedes captar las ideas y razonamientos iniciales de los alumnos y estimular su pensamiento mediante las siguientes preguntas:

  • ¿Por qué crees que la vela más alta o más baja se apaga primero, o por qué crees que las velas se apagan en tiempos parecidos?
  • Después de escuchar las ideas de tus compañeros, ¿cambiarías tu predicción? – ¿Cómo convencerías a los demás de que tu predicción es correcta?
  • ¿Cómo convencerías a los demás de que tu predicción es correcta?

Actividad 2: Explicar el misterio de la vela

En lugar de explicar a los alumnos que el dióxido de carbono caliente sube a la parte superior de la campana de vidrio y apaga primero la vela más alta, un debate para ayudarles a que lo piensen por sí mismos conducirá a una mejor comprensión. Es importante dedicar tiempo y ayuda a los alumnos para que reflexionen detenidamente. Pueden comprobar la explicación observando los cambios en la concentración de dióxido de carbono[2] y la temperatura dentro de la campana de vidrio. La actividad dura unos 40 minutos.

Materiales

  • Campana de vidrio grande (lo suficiente para cubrir tres velas)
  • Tres velas de diferentes alturas
  • Encendedor
  • Alfombrilla resistente al calor
  • Tres tapones de botella de plástico
  • Masilla adhesiva como Blu Tack o cinta adhesiva
  • Disolución indicadora de bicarbonato (10 ml)
  • Tres sensores de temperatura (por ejemplo, el sensor químico PASPORT)
  • Tarjetas de evidencias
  • Ficha 2
  • Cronómetro (opcional)

Procedimiento

Primera parte: ¿Por qué se apaga primero la vela más alta?

  1. Pregunta a los alumnos por qué creen que la vela más alta se apaga primero. Si mencionan el CO2, puedes indicarles que piensen en cómo comprobar sus hipótesis.
  2. Si no tienen ninguna idea, puede hacerles las siguientes preguntas sobre el experimento:
    • ¿Por qué se apagaron las velas antes de consumirse?
    • ¿Cómo cambia el aire de la campana a medida que se quema la vela?
    • ¿Qué proceso químico da lugar a las llamas? ¿Cuáles son los resultados de la combustión?
    • ¿Qué ocurre a los gases cuando se calientan?

También puedes relacionarlo con la situación real de cómo escapar de un incendio planteando preguntas como las siguientes:

  • ¿Cuáles son las acciones esenciales a seguir en caso de incendio en el interior de un edificio?
  • ¿Por qué debemos permanecer agachados para arrastrarnos por habitaciones o pasillos llenos de humo?
  1. Puedes utilizar las tarjetas de evidencias (figura 4) para orientar el debate.
Figura 4: Fichas de evidencias sobre el quemado de las velas
Imagen cortesía del autor
  1. Una vez que tengan algunas ideas sobre la acumulación de CO2 y las diferencias de temperatura, pregúntales cómo pondrían a prueba sus hipótesis. Anímales a que piensen qué variables tendrían que mantenerse iguales para garantizar la realización del ensayo de forma correcta.
  2. Los experimentos de las partes 2 y 3 pueden servir para investigar algunas de estas variables, o puedes idear los tuyos propios.

Parte 2: Controlar la concentración de dióxido de carbono

Nota de seguridad

Debe mantenerse una distancia segura entre la llama y el Blu Tack/cinta para evitar que se derrita.

Campana de vidrio con velas en su interior.
Figura 5: Control de la concentración de CO2 en la campana de vidrio
Imagen cortesía del autor
  1. Prepara el experimento como en la Actividad 1. Puedes utilizar las mismas velas pero asegúrate de que las mechas tienen la misma longitud.
  2. Llena tres tapones de botellas de plástico con indicador de bicarbonato y utiliza Blu Tack o cinta adhesiva para pegarlos a diferentes niveles dentro de la campana de vidrio (figura 5).
  3. Repite el procedimiento detallado en la Actividad 1 y observa los cambios de color de los indicadores de bicarbonato al final del experimento (figura 6).

Consejo práctico

para que la prueba se haga correctamente, las cantidades de indicador de bicarbonato añadidas a los tapones de las botellas deben ser las mismas.

Ver la demostración de la Actividad 2a.

Figura 6: Resultados esperados de la concentración de CO2 a diferentes alturas (i.e., A: alta; B: media, C: baja). El CO2 liberado por las velas encendidas se difunde en la solución indicadora de bicarbonato y cambia el color de rojo a amarillo. Cuanto más amarillo se vuelve el indicador, más CO2 hay presente.
Imagen cortesía del autor

Parte 3: Controlar el cambio de temperatura

Sobre una mesa, hay un recipiente que contiene la campana de cristal con las velas, conenctadas a los sensores de temperatura mediante cables.
Figura 7: Control del cambio de temperatura
Imagen cortesía del autor
  1. Calibra los sensores de temperatura si es necesario.
  2. Prepara el experimento como en la Actividad 1. Puedes utilizar las mismas velas pero asegúrate de que las mechas tienen la misma longitud y cambie la campana de vidrio para que el experimento comience a temperatura ambiente.
  3. Conecta tres sensores de temperatura y utiliza Blu Tack o cinta adhesiva para pegar los sensores a diferentes niveles dentro de la campana de vidrio (figura 7).
  4. Repite el procedimiento detallado en la Actividad 1 y recoge los datos de los cambios de temperatura a diferentes niveles dentro de la campana de vidrio (figura 8).
Pantalla de ordenador que muestra un gráfico con una línea trazada sobre él.
Figura 8: Resultados esperados de cambios de temperaturas a diferentes alturas
Imagen cortesía del autor

Discusión

TLos resultados deben mostrar que los niveles de dióxido de carbono y la temperatura aumentan más hacia la parte superior de la campana. Argumenta con los alumnos si estos resultados apoyan sus explicaciones. ¿Existen explicaciones alternativas coherentes con los resultados?

Actividad 3: Elaborar y evaluar el aprendizaje de los alumnos sobre el misterio de la vela

Para evaluar la comprensión, con todos los detalles, de los alumnos y su capacidad para aplicar sus explicaciones, puedes introducir variaciones del experimento de las velas en diferentes contextos. Pide a tus alumnos que piensen en lo que podría ocurrir si colocamos las velas en campanas diferentes[3] y que analicen los resultados si introducimos un ventilador eléctrico en el montaje. Esto puede combinarse con otra actividad de reflexión grupal para fomentar el debate y evaluar su comprensión de los conceptos. Dedica 40 minutos a los experimentos y a la discusión.

Materiales

  • Campana de cristal grande (lo suficiente para cubrir tres velas)
  • Tres velas de diferentes alturas
  • Mechero
  • Alfombrilla resistente al calor
  • Ventilador portátil
  • Cronómetro
  • Ficha 3
  • Explicación de la actividad 3

Procedimiento

Parte 1: Encender velas en vasos individuales

Un reloj digital sobre la mesa y dos velas encendidas encerradas en campanas de cristal detrás.
Figura 9: Encender velas en vasos individuales
Imagen cortesía del autor
  1. Pregunta a los alumnos qué creen que ocurriría si las velas se encendieran en recipientes individuales. Esto puede hacerse utilizando el enfoque de “pensar por grupos y compartir”.
  2. Fija tres velas de diferentes alturas a un soporte (esto también funciona con dos velas).
  3. Enciende las velas y cubre cada una de ellas con una campana individual (figura 9).
  4. Registra el tiempo necesario para que se apague cada vela.
  5. Repite el experimento para obtener datos más fiables.

Consejo práctico

para hacer la prueba correctamente, el volumen del recipiente debe ser el mismo durante todo el experimento. Si es necesario cortar una vela, los trozos cortados deben colocarse dentro del recipiente.

Ver la demostración de la Actividad 3a.

Parte 2: Quemar velas cerca de un pequeño ventilador

Un esquema del experiment de la vela con un ventilador eléctrico encendido y apagado
Figura 10: Velas encendidas cerca de un pequeño ventilador
Imagen cortesía del autor
  1. Pregunta a los alumnos qué creen que ocurriría si se colocara un ventilador en la campana de vidrio. Coloca un ventilador portátil cerca de las tres velas utilizadas en las Actividades 1 y 2, y enciende el ventilador.
  2. Repite el procedimiento detallado en la Actividad 1, y anota el tiempo en que se apaga la vela.
  3. Repite el experimento con el ventilador apagado.
  4. Compara el tiempo que tarda la vela en apagarse con el ventilador encendido y apagado.

Consejo práctico

  • para que la prueba sea correcta, el volumen del recipiente debe ser el mismo durante todo el experimento. El ventilador eléctrico debe colocarse dentro del recipiente, tanto si está encendido como apagado.
  • Para repetir el experimento, puedes ventilar la campana para restablecer la temperatura ambiente y evitar la acumulación de CO2, o puedes utilizar una nueva.

Ver la demostración de la Actividad 3b.

Discusión

Las velas se apagan a tiempos similares en los montajes experimentales con campanas de vidrio separadas o con un ventilador eléctrico adicional. Los resultados contrastan los resultados experimentales de las Actividades 1 y 2. Para garantizar la fiabilidad de los resultados, se anima a los alumnos a repetir sus experimentos, que pueden realizarse en solo 5 minutos. Anima a los alumnos a dar explicaciones de sus observaciones. Se pide a los alumnos que expliquen cómo y por qué suceden las cosas en el montaje utilizando sus explicaciones planteadas en la Actividad 2. Puedes entregar a los grupos la respuesta modelo (explicación actividad 3) al final para que la comparen con sus descripciones.

Conclusión

Las actividades basadas en modificaciones sencillas del experimento clásico de la vela pueden servir para mejorar la capacidad de los alumnos para desarrollar, revisar y aplicar explicaciones científicas, así como para explorar habilidades científicas como el control de variables, la comprobación de hipótesis y la coordinación de múltiples pruebas. Como actividad de ampliación, podrías animar a los alumnos a manejar datos cuantitativos en una discusión más profunda y demostrar lo aprendido mediante la redacción de informes y la presentación en grupo. El proceso de predecir y explicar diferentes contextos desconocidos puede ayudar a generar momentos de aprendizaje muy interesantes que motiven a los alumnos a aprender.

References

[1] Bybee RW (2015) The BSCS 5E Instructional Model: Creating Teachable Moments. National Science Teachers Association Press. ISBN-10: 194131600X

[2] Cheng MW (2006) Learning from students’ performance in chemistry-related questions. In Yung BHW (ed.) Learning from TIMSS: Implications for Teaching and Learning Science at the Junior Secondary Level pp 51–74. Education and Manpower Bureau.

[3] Detalles sobre cómo investigar el quemado de velas: https://edu.rsc.org/resources/candle-burning-investigation-planning-an-experiment/619.article

Resources

Author(s)

Steven Ka Kit Yu ha trabajado en el sector educativo desempeñando funciones docentes, de investigación y administrativas. Fue profesor de ciencias de secundaria y conferenciante a tiempo parcial en la Facultad de Educación de la Universidad de Hong Kong.

License

CC-BY

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