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VOLUMEN 35, NÚMERO 2 | JULIO-DICIEMBRE 2023 | PP. 201-209
ISSN: 2250-6101
DOI: https://doi.org/10.55767/2451.6007.v35.n2.43728
Experiencia de construcción para el
laboratorio de física: la energía
potencial elástica en la motorización de
un móvil
Construction experience for the physics laboratory:
Elastic potential energy in the motorization of a
mobile
Ernesto Cyrulies
1 *, Horacio Salomone
2
1
Instituto del Desarrollo Humano. Universidad Nacional de General Sarmiento.
Instituto de Industria. Universidad Nacional de General Sarmiento.
*E-mail: ecyrulie@campus.ungs.edu.ar
Recibido el 12 de septiembre de 2023 | Aceptado el 12 de diciembre de 2023
Resumen
Se presenta un trabajo de diseño y construcción de un prototipo para la enseñanza de la física utilizado en una práctica de laboratorio
en formación docente en la Universidad Nacional de General Sarmiento dentro de una asignatura que promueve el armado de dispo-
sitivos para la experimentación. Se detallan aspectos constructivos que pueden facilitar replicarlo bajo ciertas consideraciones. El pro-
totipo fue armado con elementos accesibles y a través de operaciones básicas de taller. Se muestran los resultados de su
implementación con un análisis técnico didáctico y de su puesta a prueba en una práctica real abordando contenidos de la física.
Palabras clave: Laboratorio de Física; Construcción de material didáctico; Energía potencial elástica.
Abstract
A work of design and construction of a prototype for the teaching of physics used in a lab work in teacher training at the National
University of General Sarmiento within a subject that promotes the assembly of devices for experimentation is presented. Constructive
aspects are detailed that can facilitate replicating it under certain considerations. The prototype was assembled with accessible ele-
ments and through basic workshop operations. The results of its implementation are shown with a didactic technical analysis and its
testing in a real practice addressing physics content.
Keywords: Physics Laboratory; Construction of didactic material; Elastic potential energy.
2
I. INTRODUCCIÓN
La enseñanza de la física en la actual escuela secundaria plantea grandes desafíos, particularmente cuando se espera
una educación acorde a una alfabetización científica que incluya un panorama de la física actual, sus aplicaciones en
diversos campos y vinculaciones con la tecnología de uso cotidiano. En este marco, desarrollar un trabajo en el aula o
laboratorio que atienda a las prescripciones curriculares y las demandas educativas actuales requiere mayores com-
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petencias en los docentes. No sólo deben estar entrenados en estrategias didácticas apropiadas, sino también lo sufi-
cientemente informados de situaciones de actualidad que puedan conformar un escenario para el aprendizaje de la
física en contexto. A esto se le suma la conveniencia de poder ubicar la enseñanza con relación a un marco tecnológico.
Y con relación a esto, los ejemplos concretos que tomen desarrollos propios de la tecnología, otorgan mayores posi-
bilidades para que los alumnos le vean sentido a lo que aprenden de física en la escuela. Dentro de esta descripción,
las prácticas experimentales otorgan mayor significatividad al contenido enseñado (Leite y Esteves, 2005; Jaime y
Escudero, 2011). Sobre todo, cuando las tareas que se desarrollen están diseñadas como problemas auténticos, par-
ticularmente por ser cercanas a la experiencia de los estudiantes y promueven prácticas científicas (Chinn y Malhotra,
2002). Cuando dichas prácticas se realizan con material específico de laboratorio probablemente despierten interés
en el alumnado. Las actividades grupales con material concreto situadas en prácticas científicas favorecen un apren-
dizaje más significativo y permiten explotar mucho más sus potencialidades con la propia actividad de los estudiantes
(García Rodríguez y Cañal de León 1995, Fuentes Gallego y García Borrás 2010, Crujeiras Pérez y Jiménez Aleixandre
2015). Cuando, además, son llevadas a cabo con equipos no comerciales o con elementos familiares pueden colaborar
en la construcción de una visión contextualizada de la física en la vida cotidiana. Casos particulares son aquellos dis-
positivos que no fueron concebidos para la enseñanza (un electrodoméstico, por ejemplo) pero se utilizan problema-
tizándola estratégicamente; eso les puede otorgar gran potencialidad didáctica.
Una alternativa de grandes posibilidades es la construcción de dispositivos, aun de diseño básico, por parte de los
docentes para sus clases. Esto es de gran valor cuando es escasa la disponibilidad de recursos en los laboratorios
didácticos restringiendo fuertemente el aspecto procedimental de la enseñanza y el aprendizaje de la física. Una ma-
nera concreta de estimular la construcción de material es hacerlo cuando aún son estudiantes del profesorado. En
buena medida eso es posible a través de materiales comunes o de fácil acceso (Cyrulies, 2022). Estas consideraciones
técnicas y didácticas resultan muy convenientes cuando involucran un trabajo de diseño ajustado a los propósitos
educativos del docente. En ciertas ocasiones, los equipos comercializados pueden no ser adecuados, ya que condicio-
nan la experiencia a las posibilidades de los mismos (Cyrulies y Salomone, 2023). Esta clase de propuestas que incluyen
trabajos de diseño, implementadas en la formación docente además pueden considerarse enmarcadas en el enfoque
Ciencia, tecnología, ingeniería y matemática (CTIM; en inglés STEM). El mismo propone la enseñanza de las ciencias,
tecnologías, ingenierías y matemáticas de forma interdisciplinar, donde la rigurosidad de los conceptos científicos es
desarrollada mediante actividades didácticas inmersivas aplicadas al mundo real (García Cartagena, Reyes González,
y Burgos Oviedo, 2017). En dicho enfoque, la participación activa de los estudiantes hace que su aprendizaje se vuelva
más significativo cuando los problemas a resolver se relacionan con situaciones del mundo real (Farrior et al., 2007).
Este es un campo particularmente investigable; nuestro grupo está dedicado al diseño, construcción y evaluación
de dispositivos para la enseñanza de la física con diferente complejidad de elaboración. Una línea de nuestro proyecto
es la consideración de material reproducible por docentes que se vean interesados y que no requieran operaciones
de taller complejas o máquinas herramientas muy específicas, pero conservando una mínima rigurosidad técnica para
su uso en el laboratorio. El dispositivo aquí presentado se inscribe en dicho contexto.
Tomamos de Gay y Bulla (2007) un marco de referencia para el análisis del objeto construido que permita a los
estudiantes alcanzar cierta visión técnica y crítica del mismo. Los autores proponen, haciendo un análisis objetual y
de la relación con el usuario, categorizar a sus aspectos en funcionales, estructurales y tecnológicos. Muy resumida-
mente plantean, en el caso de los funcionales, cómo el objeto satisface los requerimientos que motivaron su creación
haciendo un análisis operativo. Los estructurales refieren al análisis de componentes y sus relaciones. Por último, los
tecnológicos consideran los materiales y procesos de fabricación.
Lo anterior configura una idea de síntesis, como una solución con todos los detalles de los elementos del objeto.
Según San Zapata (2006), la síntesis se efectúa en parte por creación y en parte por el cálculo y el análisis; se debe
además emplear el juicio, la experiencia, los experimentos y la intuición. Estas últimas condiciones probablemente
sean las más complejas de desarrollar en el estudiantado en breve tiempo. Así, consideramos conveniente para una
secuencia de diseño general adoptar algunas reglas. Tomamos del mismo autor ciertos pasos de diseño. Sostiene que
un proceso básico de diseño aplica diversas técnicas y principios científicos con el objeto de determinar un dispositivo
con detalles suficientes que permitan su realización y responde a cuatro puntos: 1) definir el problema (más relacio-
nado a objetivos de funcionamiento en nuestro caso); 2) esquema para resolverlo y estudio de factibilidad; 3) diseño
preliminar estableciendo características de componentes; y, 4) un análisis general, esquematizando con las especifi-
caciones.
El dispositivo construido se puso a prueba en una práctica de laboratorio de dos clases de 4 horas en una asignatura
del profesorado en física de la Universidad Nacional de General Sarmiento (UNGS). La misma tiene por nombre Labo-
ratorio para la Escuela Secundaria. En la misma, se promueve en los estudiantes el desarrollo de competencias aso-
ciadas al armado de dispositivos didácticos, complementando una formación que también está vinculada al uso de
equipos profesionales de laboratorio de la universidad, inclusive utilizados en trabajos de investigación. Una sólida
formación en este último campo, no obstante, podría no resolver el dilema de planificar prácticas experimentales
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valiosas en instituciones escolares privadas de material de laboratorio. Entendiendo que este es un panorama bas-
tante común, aquella asignatura conforma espacios para la discusión del problema abordando prácticas con disposi-
tivos no comerciales. estos son construidos por los estudiantes en función de objetivos específicos y también en
diferentes ocasiones se recurre a dispositivos modélicos construidos por nuestro grupo para ser puestos a prueba en
este y otros espacios formativos. Naturalmente, según sea el caso, se asocia a diferentes estrategias relacionadas con
la futura práctica docente de los estudiantes.
Para el caso que nos ocupa, se desarrolló un pequeño móvil motorizado por un sistema elástico capaz de almacenar
energía potencial elástica (lo hemos denominado “motor a goma”, nombre utilizado en aeromodelismo). Básicamente
es un vehículo de tres ruedas, las dos traseras motrices, tal vez con características que invitan a un uso lúdico, lo que
puede ser capitalizado en la enseñanza en la escuela (figura 1). Su uso en las clases tuvo como propósito principal
entrenar a los estudiantes para posteriores trabajos de diseño de la asignatura con un dispositivo ya construido.
FIGURA 1. Prototipo de “triciclo” construido para experiencias en el laboratorio de física. Puede observarse una (única) banda de
goma dispuesta en diferentes direcciones. Con la misma se logra la energía potencial elástica necesaria para la tracción.
II. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS
A continuación, damos una breve descripción del diseño y armado de acuerdo a ciertos criterios que detallamos. En
esta ocasión la construcción no fue llevada a cabo por los estudiantes. Se introdujo en las clases el prototipo terminado
como un modelo de análisis y evaluación de su construcción, luego se desarrollaron prácticas experimentales proble-
matizando algunas situaciones. Se elaboró con materiales disponibles en nuestro lugar por lo cual no se propone una
reproducción fiel pero las decisiones de diseño pueden servir para quienes encaren construcciones de este tipo. Es
decir que la reproductibilidad la planteamos sobre todo en términos conceptuales.
Se eligió construir el chasis en aluminio a partir de un disipador de electrónica en desuso de gran tamaño. A partir
del mismo se le dio forma por medio de aserrado y limado. Su relativo bajo peso es una ventaja que se suma a la gran
rigidez que le otorga al ser una estructura metálica. No obstante, por tener un espesor considerable (4 mm) se le
practicó una serie de perforaciones para alivianarlo (figura 2). La pieza terminó pesando 122 gramos.
FIGURA 2. Chasis de aluminio construido con un disipador de un equipo electrónico. Las perforaciones de mayor diámetro se hi-
cieron para alivianar la pieza. Las pequeñas tienen como finalidad la sujeción de los componentes.
Para confeccionar las ruedas se decidió cortarlas con mecha de copa en una tabla de MDF (Medium Density Fiber-
board) de 13 mm. En su centro perforado se les incorporó, a modo de buje, la pieza metálica roscada de una ficha
hembra (banana) de uso en electrónica. En cuanto al diámetro de las ruedas se evaluó cual podría ser el adecuado ya
que influye en forma directa en las prestaciones del móvil (aceleración principalmente). En la resolución de la elección
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del diámetro fue decisiva la cubierta que se esperaba incorporarle para que cuente con un elevado coeficiente de
rozamiento. Así, se eligió utilizar como cubierta cortes transversales de cámara (tubo) de bicicleta. El coeficiente de
rozamiento estático medido en pisos convencionales (los estudiantes lo determinaron con experiencias clásicas con
dinamómetro) resultó relativamente alto (muy alto en pisos de cemento, alcanzando el valor de 0,95). Como se sabe,
la fuerza de rozamiento necesaria para la tracción es proporcional a la normal aplicada. Este concepto se contempló
en el diseño preliminar, buscando maximizar su valor en ruedas motrices; como puede verse en la figura 1, se tiene
mayor distribución de peso hacia la parte trasera, en parte por una porción en voladizo. Con un peso total de 351 g
las mediciones con balanza otorgaron 266 g repartidos en ruedas traseras y 85 g en la delantera.
Un tema decisivo que requería encontrar una solución con elementos simples fue el sistema de acumulación de
energía potencial elástica. Una posibilidad era incorporar algún tipo de resorte. Pero complejiza la situación ya que si
se desea un desplazamiento razonable de un móvil de cierto peso es preciso contar con la energía necesaria. Si se
consigue con el estiramiento (o la compresión) de un resorte, este debe alcanzar gran diferencia de longitud entre sus
dos estados de energía (nula y máxima) y esto complica el montaje. Otra opción es un resorte de mayor constante
elástica, pero implica más complejidad técnica para transformar un pequeño desplazamiento del resorte en suficiente
y sostenida tracción en el móvil. Se realizaron ensayos con diferentes resortes, pero ante las dificultades detectadas
se consideró que, en una construcción sencilla que sea replicable como proponemos, resultaría inviable. Se optó en-
tonces por una banda de goma que pueda tener gran cambio de longitud (al enrollarse en un carretel), y para admitir
esto una solución fue la incorporación de varias poleas permitiendo, con algunos cambios de dirección, sumar mayor
longitud para la banda elástica (se logró 58 cm en total, sin estirar). Como poleas resultó una buena elección utilizar
las clásicas ruedas de ventana, estas poseen una garganta externa y cuentan con bolillas a modo de rodamiento que
le otorgan buenas condiciones de giro con bajo rozamiento. Luego de algunas pruebas con diferentes cuerdas elásti-
cas, encontramos como muy buena opción recortar una tira fina a lo largo de una manguera de látex que se vende en
farmacias como repuesto de nebulizadores (tiene una notable elasticidad, pudiendo sextuplicar su longitud frente a
unas tres veces, en el mejor de los casos, de algunas cuerdas elásticas de la industria textil).
Otra característica que nos interesaba incluir en el prototipo es la posibilidad de cambio de relación de velocidad
de las ruedas motrices respecto del sistema motor. Nuestra hipótesis fue que con dicha posibilidad de configuración
podría darle versatilidad de situaciones de movimiento que aportarían a la problematización de temas de física. Entre
las opciones tradicionales para conseguirlo pueden elegirse juegos de poleas, discos en fricción o engranajes (los sis-
temas de transmisión con ruedas vinculadas por su periferia, son un buen ejemplo para la enseñanza del movimiento
circular ya que se tienen velocidades angulares diferentes con una misma velocidad tangencial). Se contaba con cierta
disponibilidad de elementos como para elegir una u otra opción; pero se optó por el sistema de engranajes conside-
rando su menor pérdida de energía frente a las demás alternativas y por ser modélico en cuanto a sistemas de trans-
misión de vehículos reales. Resultaron muy adecuados para este propósito engranajes de impresoras en desuso (figura
3, izquierda). El objetivo se cumplió con el montaje de dos ruedas dentadas de diferentes diámetros (relación 5/6); al
poder ser permutadas en sus ejes permiten dos relaciones de velocidad.
Como puede verse en la fotografía de conjunto (figura 3, derecha), el resto de los componentes fueron elaborados
con planchuelas de aluminio, varillas trefiladas y algunos pocos elementos de unión.
FIGURA 3. Izquierda: engranajes de la transmisión. Derecha: despiece del prototipo que muestra la totalidad de componentes.
Una operación particularmente útil en la enseñanza es el resultado de cambiar el diámetro del carrete donde
enrolla la goma debido a los conceptos que involucra. Unas primeras pruebas con pequeños diámetros (5 y 7 mm)
dieron resultados aceptables en prestaciones (aunque con el menor en ocasiones la puesta en marcha se dificultaba).
Otras pruebas mostraron que para un valor mayor (10 mm), y con una gran carga energética, las ruedas deslizaban en
el arranque (salía “arando” en la jerga automovilística). Esto debido al elevado torque conseguido. Sin embargo, es
evidente que el efecto disminuirá con grandes diámetros. Para estos casos, si bien el torque sería aún mayor a partir
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de la misma fuerza elástica, la velocidad angular será proporcionalmente menor. Con todo esto, la mayor distancia
alcanzada fue de unos 5.6 m (una vez desenrollada la goma se frena rápidamente ya que en este modelo en particular
el movimiento comienza a enrollarla en sentido contrario). Lograr grandes distancias es verdaderamente un desafío
de diseño en estos armados (y muy interesante de plantear en prototipados escolares con una enseñanza CTIM).
El detalle no trivial con relación a lo anterior es que, enrollando sobre diámetros diferentes para un mismo estira-
miento de la goma, se tienen prestaciones distintas. Cambia la aceleración (siempre variable) y las condiciones diná-
micas en general, lo que produce diferentes distancias recorridas y en distinto tiempo. Naturalmente, las fuerzas no
conservativas además tendrán mayor o menor influencia según el caso. En suma, se tienen aspectos que adquieren
centralidad en el diseño de la transmisión. Esto puede ser útil de problematizar en prácticas de laboratorio (el grado
de profundidad y complejidad del problema podrá ser una decisión docente). Por razones prácticas para el uso con
los estudiantes se optó por el carrete de 10 mm.
Un prototipo como el que se describe puede ser adecuado para la enseñanza de cinemática, de la dinámica y de
la energía mecánica. Además, puede utilizarse con diferentes propósitos dentro de una actividad experimental, con
mayor o menor apertura, como experiencia demostrativa, con un enfoque por indagación, etc. Inclusive puede utili-
zarse en el nivel medio o superior. En nuestro caso, como ya se dijo, lo utilizamos y evaluamos su uso en un curso del
nivel universitario.
III. PRÁCTICA REALIZADA EN EL LABORATORIO
Como se adelantó, se presentó el prototipo a los estudiantes para ser analizado en términos constructivos en función
de posibles objetivos didácticos. La descripción realizada más arriba formó parte de la presentación, la que se combinó
con preguntas e intercambios en la clase en virtud de los propósitos formativos de la asignatura.
Se implementó un trabajo práctico de laboratorio sin un elevado grado de apertura dentro de dos clases de cuatro
horas. Nuestra intención fue poner al modelo en situación de análisis específico por parte de los estudiantes. Además,
claro está, de aportarles una experiencia formativa con el mismo. En este sentido, tomamos de Razzouk y Shute (2012)
la idea de que un trabajo de diseño, en un formato que se conoce como Pensamiento de diseño (en inglés, Design
Thinking) contempla un proceso cognitivo general de creación de prototipos, experimentación, recopilación de co-
mentarios y rediseño. Para Steinbeck (2011), es una lente a través de la cual se pueden observar los retos y solucionar
los problemas. De este modo, la práctica constituyó una etapa de entrenamiento promoviendo la discusión sobre el
diseño y registro de las interpretaciones estudiantiles. Este planteo se ajusta a lo expresado por Li et al (2019), quienes
sostienen que es una perspectiva valiosa que supera posibles restricciones dadas por los límites de la disciplina (física
en nuestro caso). En la primera clase se expuso inicialmente, por parte del docente, un breve marco de conceptos
teóricos y prácticos sobre diseño y prototipado según los enfoques ya mencionados.
Dado que se trató de una comisión de sólo cinco estudiantes, se conformó un único grupo de trabajo. A continua-
ción, se trascriben las consignas bajo los propósitos mencionados. Se aclara particularmente que, para responder el
último punto, a los estudiantes se les facilitó la lectura de algunos extractos de la obra de Gay y Bulla (2007) y la de
San Zapata (2006) sobre los aspectos funcionales, estructurales y tecnológicos.
- Se propone caracterizar el móvil construido. Describirlo de acuerdo a los detalles que lo relacionan con conceptos de la
física para los que el móvil puede ser de interés en su enseñanza.
- Determinar, con los elementos disponibles, el valor de la aceleración, desde que inicia el movimiento hasta que se detiene.
Graficar a(t) e interpretarla según lo que puede deducirse del análisis del vehículo.
- Como puede observarse, posee dos engranajes que pueden ser intercambiados, con lo que se tendrían diferentes condicio-
nes dinámicas (pensar en el torque sobre las ruedas). Repetir la experiencia anterior intercambiándolos y sacar conclusiones.
- Con el estiramiento de la goma queda claro que su tensión aumenta y, en consecuencia, influye en la aceleración. Pero
además el diámetro del propio enrollado sobre el eje cambia mientras giran las ruedas. Es decir que el torque se ve afectado
por dos factores dinámicos simultáneos bien identificables (fuerza variable sobre un diámetro también variable). Se pide un
análisis sobre cómo esto afecta a la tracción.
- Determinar el margen que diferencia la aceleración máxima obtenida de la que podría aplicarse con el coeficiente de
rozamiento estático en el piso del laboratorio sin que haya resbalamiento.
- Saquen conclusiones sobre la utilidad del dispositivo para las prácticas experimentales (en aspectos funcionales, estructu-
rales y tecnológicos). ¿Qué mejorarían en el prototipo?
Se solicitó a los estudiantes tomar nota de los registros de las pruebas y discusiones y trabajar en un único docu-
mento colaborativo (utilizando Google Drive) con sus intervenciones para conformar un informe del trabajo de la
comisión, habilitado por la cátedra desde la primera clase con el dispositivo. Se consideró un buen instrumento para
la ocasión dada la particular consigna que podría poner en desventaja a quienes tengan su “visión técnica” menos
entrenada. El intercambio que exige la producción de un documento común enriquece a cada uno. Según Vilches y Gil
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(2011) un trabajo en grupos conlleva un papel orientador sobre cada estudiante, ayudando a superar errores perso-
nales y enriqueciendo los planteamientos individuales iniciales. Como la actividad se realizó completamente en grupo
desde el inicio en el laboratorio, se promovió, incluyendo en la confección del informe, la consideración de los puntos
de vista de los demás, en sus aspectos cognitivos y emocionales. Esto, según dichos autores, tendría importancia en
el desarrollo de competencias individuales y grupales. Aquel recurso online permite, si se lo desea, comprobar la par-
ticipación de todos (con su historial) y también intervenir en lo que se considere conveniente.
IV. RESULTADOS
El uso del prototipo en una práctica de enseñanza de una materia donde, por los propósitos que la caracterizan, se
propone el análisis didáctico del material, fue provechoso. Despertó curiosidad en una primera instancia y estimuló
ponerlo a prueba. Se interpretó que resultó atractivo para los estudiantes.
Se realizaron varios ensayos, algunos de familiarización con el dispositivo, luego otros para dar respuestas a la
consigna. Se logró caracterizarlo según lo esperado, obteniéndose datos cuantitativos, algunos de los cuales presen-
tamos más abajo. Sobre esto no somos exhaustivos por no considerar que sea lo más relevante de comunicar ya que,
obviamente, los valores obtenidos dependen de las características constructivas, de cómo se configura para las prue-
bas, etc. Entendemos que lo importante es el resultado del análisis de los estudiantiles, particularmente conceptual,
que generó como propuesta que atiende al diseño en función de propósitos educativos.
En la segunda clase, resultó muy relevante discutir lo que pensaron a partir de las experiencias de la primera y
parte de la segunda. Se identificaron momentos clave, que nos convencieron de la fortaleza de la propuesta. El uso
compartido del pizarrón fue central para detectar los aciertos y dificultades estudiantiles; permitió comprobar que
tenían buen manejo general de las ecuaciones, pero se tuvieron algunas confusiones en el contexto de aplicación
“auténtico”. Eso resultó un hallazgo: la propuesta les resultó novedosa, pero los desafió en la visión integradora que
requería el marco sistémico que relaciona varios conceptos físicos y técnicos en un caso real. Ciertas dificultades po-
drían estar relacionadas por estar más acostumbrados, en lo experimental, a aplicar sus conocimientos sobre equipos
didácticos de laboratorio. Un ejemplo fue que necesitaron algún acompañamiento para el planteo correcto, en térmi-
nos de los momentos de las fuerzas, en las diferentes etapas del sistema de tracción.
El informe colaborativo de los estudiantes resultó adecuado respondiendo a la consigna. El mismo se completó en
un documento de 15 hojas donde desarrollaron conceptos teóricos, incorporaron imágenes y fotografías guiados por
el recorrido que proponía la consigna. Tuvo su correspondiente devolución con las observaciones docentes necesarias.
Se rescata que la producción resultó una verdadera oportunidad particularmente para evaluar cómo los estudiantes
logran pensar, discutir y consensuar sobre un caso real. Al ser tan particular, permitió detectar algunas dificultades, a
nuestro entender, propias de la transferencia de aprendizajes y de la interrelación de conceptos identificados. Resal-
tamos los conceptos físicos que surgieron del análisis y que otorgan potencialidad didáctica al prototipo. Algunos de
estos, sumado a ciertos aspectos técnicos, se resumen a continuación.
Para determinar la aceleración en función del tiempo se recurrió a la aplicación Arduino Science Journal (aunque
sumó la masa de 182 g de un teléfono celular, a los efectos de relevar datos fue una opción interesante de probar), la
misma resultó variable, algo que era previsible. No obstante, el dispositivo mostró oscilaciones inesperadas de corta
duración que resultaron una oportunidad para su interpretación. Una de varias pruebas se observa en la figura 4.
FIGURA 4. Izquierda: soporte montado al prototipo para sostener un teléfono móvil. Derecha: gráfico de aceleración en función
del tiempo, obtenido con la aplicación Arduino Science Journal (se instala en dispositivos desde Play Store). Se aprecian marcadas
oscilaciones (ver texto). La serie de valores negativos se corresponden con la frenada.
Se adjudicaron varias causas, las principales serían dos: por un lado, el enrollado de la goma en el carretel no es
parejo, suele ocurrir que dos vueltas consecutivas tengan diámetros bastante diferentes cambiando rápidamente el
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momento de la fuerza; por otro lado, que la goma no se distensiona de modo suave circulando por las poleas. Esto
podría estar ocasionado por su sección algo desprolija por ser cortada a tijera. La aceleración resultó más compleja de
analizar que lo que se proponía en la consigna, lo que fue adecuadamente modelizado desde el caso ideal propuesto.
Se realizaron algunas filmaciones para la toma de datos. Debido a la relativamente gran distancia recorrida no
resulta sencillo lograr buenos videos que otorguen precisión en cuanto a tiempo y posición (puede lograrse si se diseña
un montaje “profesional”, el que no fue nuestro caso en una clase de física sin más que teléfonos celulares). Una
experiencia sencilla abordada fue determinar la aceleración media en la primera parte de su recorrido (menos de un
metro para que el mismo entre en el campo visual de un celular sin perder lectura en una cinta métrica). El límite que
impuso el resbalamiento de las gomas estuvo en algo más de 7 m/s 2 . Un buen número considerando el pequeño
tamaño del móvil y de sus ruedas.
En la figura 5 pueden verse dos gráficos de los construidos a partir de los datos registrados con videos.
FIGURA 5. Ejemplos de gráficos construidos con Excel por los estudiantes a partir de un video, tomando registro de posición en
función del tiempo a partir de los fotogramas. Izquierda: posición en función del tiempo (el retroceso se debe al enrollado en
sentido inverso de la goma mencionado en el texto). Derecha: velocidad en función del tiempo construida con el cociente, celda a
celda, de los intervalos de posición y temporales. La falta de uniformidad es debida a la escasa precisión del método.
Calcularon el valor de la energía para algunas pruebas (determinando luego la constante elástica con procedimien-
tos tradicionales, suspendiendo pesas) considerando el estiramiento medido de un tramo y extrapolando a la longitud
total (pero teniendo en cuenta que la tensión no es la misma en toda la longitud; aquella aumenta en el tramo libre a
medida que se enrolla, pero no es trasmitida a las primeras vueltas ya “aprisionadas” en el carretel). Con las conside-
raciones necesarias el valor máximo de energía disponible estimado fue de unos 20 kJ. Para este valor la distancia
recorrida fue cercana a 6 m.
Se analizaron las dos relaciones de velocidad posibles. Con el engranaje más grande en el eje de las ruedas se
obtiene mayor torque en las mismas y por lo tanto mayor aceleración. Pero con esto, el engranaje pequeño (solidario
al carretel) gira más velozmente (misma velocidad tangencial en sus diámetros primitivos) lo que produce un desen-
rollado más rápido. Invirtiendo los engranajes la aceleración es menor, pero se sostiene durante un tiempo mayor.
Aun con estas consideraciones podría suponerse que la distancia alcanzada es la misma en ambos casos para idéntica
cantidad de vueltas de la goma (misma energía) con tiempos diferentes. Existió confusión con esto, ya que en las
primeras discusiones se modelizó como un móvil que desliza con rozamiento, un clásico en la enseñanza donde el
trabajo de la fuerza de roce se corresponde con el valor de la energía cinética máxima alcanzada si lo detiene por
completo. La clave está en que en el segundo caso el cálculo a partir de las relaciones de transmisión da un desplaza-
miento 44 % mayor que en el primero, para un mismo cambio de longitud de la goma. En la práctica se registraron en
promedio, luego de varias pruebas, distancias un 34% mayores en el segundo caso para la misma carga energética (20
vueltas de carretel).
Estas configuraciones resultaron interesantes de estudiar. Un aspecto a considerar en aquellos resultados es el
efecto de las fuerzas no conservativas; su estudio profundo no fue objetivo del trabajo, pero es esperable que operen
con distinto grado en ambos casos (por ejemplo, durante el movimiento las fuerzas de rozamiento en ejes no depen-
derían esencialmente de sus velocidades respecto de los bujes, sí del μd, pero actúan durante tiempos distintos).
Se consideró adecuado despreciar la energía cinética de rotación de las poleas (giran a baja velocidad, aunque
diferente en cada una, por estar en contacto con distintos tramos de la goma). También la de las ruedas, las que al ser
de madera tienen un bajo momento de inercia y no adquieren mucha energía en su giro comparándola con la cinética
del móvil en su desplazamiento, de gran peso relativo (se calculó para estas últimas arrojando un valor aproximado
del 1% sumando la de las tres).
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Con relación a la última pregunta de la consigna, los estudiantes propusieron otras formas para obtener datos del
movimiento, entre ellas haciendo uso del efecto Doppler con tecnología disponible (Arduino o Smartphone con apli-
caciones), las que quedarían por ensayar. También en el informe expresaron sobre posibles variantes que permitan
cambiar condiciones en prácticas de laboratorio. Entre ellas, el uso de diferentes materiales para las cubiertas y para
el sistema elástico. Un detalle técnico que consideraron para mejorarlo es la incorporación de algún sistema de libe-
ración de la goma cuando ya no tracciona (un trinquete, por ejemplo), lo que permitiría alcanzar distancias mayores
(el enrollado en sentido inverso lo frena y lo hace retroceder levemente). Cabe aclarar que para el caso detallado aquí
se decidió no incorporarlo para evitar que una mayor complejidad técnica desaliente estas construcciones.
Finalmente, es de destacar que la caracterización del prototipo tuvo gran correlación con varios detalles propios
de los vehículos de calle. Esto dio lugar a discutir aspectos de la física centrales en las prestaciones de estos, por
ejemplo la necesidad de diferentes relaciones de transmisión, los coeficientes de rozamiento en neumáticos y su
relación con los sistemas antibloqueo (ABS), el ancho de los mismos en casos deportivos (pocas veces comprendido),
la ventaja de la tracción trasera en dichos casos, la doble tracción, etc. Cabe considerar que el automóvil es
omnipresente en la sociedad moderna y, como máquina compleja, brinda numerosas posibilidades para el planteo de
problemas de Física (Cyrulies 2017).
V. CONCLUSIONES
Como se comentó, es un escenario bastante habitual la escasez de material para el trabajo en el laboratorio en las
instituciones escolares y esto puede desanimar y hasta impedir, el diseño de prácticas experimentales. Esto perjudica
a la enseñanza de la física, privando a los estudiantes de situaciones potencialmente atractivas de aprendizaje y de
otras oportunidades de conceptualización. Esta situación recurrente puede ser sorteada, al menos para ciertos expe-
rimentos, cuando el docente hace uso de materiales y dispositivos de su propio diseño y construcción (más o menos
complejas según sus posibilidades). Es conveniente, entonces, generar espacios de oportunidades donde el tema se
aborde, se problematice y dé lugar a discusiones técnico didácticas buscando soluciones de interés. Nosotros soste-
nemos que se crean más soluciones cuando se promueve un pensamiento de diseño orientado a prototipos. Se puede
distinguir un trabajo centrado en el desarrollo de habilidades constructivas en los estudiantes (operaciones de taller,
por ejemplo) de otro en el cual se ponga la mirada en las posibilidades para la enseñanza de la física relacionándolas
íntimamente con los detalles técnicos involucrados. Fue este último el que caracterizó la dinámica de las clases en
laboratorio que aquí se detallaron. Conceptualizar y problematizar procesos de diseño (básicos) de dispositivos didác-
ticos en formación docente es un área de muy escaso desarrollo. Claramente es un desafío en ámbitos de formación
donde los antecedentes académicos en diseño no son una característica como sí lo son, con otros objetivos, en el caso
de carreras de diseñadores profesionales, por ejemplo, el de la ingeniería. En el campo educativo, enfoques que lo
introducen son el CTIM y el Pensamiento de diseño y pueden dar herramientas para contemplar su factibilidad en
situaciones de enseñanza. Trabajos como el que aquí se describió nos permiten avanzar en una mayor profundización
de las experiencias de diseño para tenerlas en consideración en la formación docente en física.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a los estudiantes participantes en la materia en 2023 por la buena predisposición en el trabajo que aquí
se describió. Esperamos que la práctica haya sido provechosa para su formación.
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