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Levitación Magnética

Resumen:
Los alumnos aprenderán sobre fuerzas (gravedad y magnetismo) a través de la investigación de diferentes configuraciones de un sencillo sistema de "levitación magnética". Materials:
  • una varilla de 5/16-pulgadas de diámetro, de aproximadamente 6-8 pulgadas de largo
  • bloque de madera (un cuadrado de 3.5-pulgadas de un 2x4 funcionará bien) con 0.75-pulgadas de profundidad, y un orificio en el centro del bloque de 5/16-pulgadas de diámetro
  • 5 imanes de roscas de cerámica (1 1/8-pulgadas de diámetro exterior, 3/8-pulgadas dentro del diámetro)
  • regla de medir (si se usa de la extención de mediciones)

Hoja de Trabajo:

  • Haga click aquí para poder ver (e imprimir) la hoja de trabajo del alumno (instrucciones de la actividad para los alumnos) para la versión básica (sin predicciones o uso de mediciones) de esta actividad.
Fuente:
Actividad original de Windows to the Universe, creada por Randy Russell.
Grade level:

4-8 (actividad básica)
o
7-12 (usando mediciones y extensión de predecciones)

Duración:
30 minutos
Resultados en el aprendizaje de los alumnos:
  • Los alumnos serán capaces de describir la polaridad de los imanes (que tienen polos norte y sur).
  • Los alumnos podrán elaborar y probar predicciones acerca de la magnitud relativa de las fuerzas.
Formato de la Lección:
Actividad Interactiva

Pautas Nacionales Observadas:

INSTRUCCIONES:

Parte 1

  1. Coloca uno de los extremos de la varilla dentro del hueco del bloque de madera, a fin de crear una base una vez colocado verticalmente.
  2. Coloca dos discos de imán en la varilla (con la varilla en el centro de los imanes). ¿Se unen los imanes, o acaso el imán en la parte superior queda suspendido "levita" sobre el imán de abajo (el inferior)? ¿Puedes decir cuál de los polos de los imanes ve hacia el otro imán?. Si los imanes están pegados, retira el imán superior y dale la vuelta y vuelve a colocarlo en la varilla. Ahora deberá "levitar" sobre el imán inferior (ver figura 1).
  3. Describe las fuerzas del imán superior. (Pistas: ¿Hay algo empujándolo hacia abajo?, ¿Qué es lo que lo empuja hacia abajo? ¿Hay algo que lo empuja hacia arriba?)
  4. Prediga qué pasará si se presiona el imán superior hacia el imán de abajo, y de pronto se deja de presionar. Hágalo y describa que pasa.
  5. Observa detenidamente cuánta separación hay entre los dos imanes.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Parte 2

  1. Retira a los dos imanes de la varilla.
  2. Ahora coloca los dos imanes de manera que se unan entre sí, y vuelve a colocarlos en la varilla, y déjalos caer sobre la base de madera.
  3. Ahora coloca un tercer imán en la varilla, de tal manera que quede "levitando" sobre los otros dos imanes (que no se unan). Ver figura 2.
  4. Compara esta nueva disposición de los imanes (Figura 2)con la utilizada en la parte 1 (Figura 1).
    1. ¿El imán superior se encuentra más cerca, más lejos, o a la misma distancia del imán inferior, si se compara con la Parte 1? ¿Por qué?
    2. ¿Qué es lo que empuja al imán superior hacia arriba? ¿Qué es lo que lo empuja hacia abajo?
    3. ¿Pueden los dos imanes trabajar juntos a fin de crear una fuerza de campo magnético más fuerte que la fuerza de un sólo imán?
  5. Retire los tres imanes de la varilla.
  6. Dale vuelta a uno de los imanes y colócalo sobre la base de madera.
  7. Coloca a los dos imanes restantes de manera que queden pegados entre sí. Deslízalos por la varilla de manera. Coloca sus caras de manera que queden levitando sobre el imán que se encuentra en la base del bloque. (Figura 3).
  8. Compara con la figura 2.
    1. ¿Es el espacio existente entre los dos imanes que están levitando con el iman que se encuentra en la base del bloque más grande, más pequeño, o igual que en la figura 2? ¿Por qué?
    2. ¿De qué manera se puede comparar el espacio existente con la Figura 1?
    3. ¿Qué es lo que empuja los dos imanes hacia arriba? ¿Qué es lo que los empuja hacia abajo?
    4. ¿Acaso la fuerza que mantiene a los imanes unidos es igual o diferente a la fuerza de la Figura 2?
    5. "Peso" es la palabra que se usa para describir la gravedad que atrae a una masa. Compara la masa que está levitando en la actividad que estás realizando, con la Figura 2. ¿Cuál masa es más grande? ¿Cuánta fuerza de gravedad o peso hay en cada una de las actividades?

Parte 3

  1. Retira todos los imanes de la varilla.
  2. Inserta un sólo imán hasta la base del bloque de madera. Inserta otro imán, con la cara de manera que quede levitando sobre el imán del fondo, como aparece en la Figura 1.
  3. Inserta un tercer imán, de tal manera que quede levitando sobre el segundo imán (Figura 4).
  4. ¿Cuál es la distancia existente a los dos imanes inferiores (imanes "A" y "B" de la figura 4) en comparación con la distancia existente entre los dos imanes de la primera actividad (Figura 1)?.
  5. ¿Cómo se compara la distancia entre los dos imanes inferiores ("A" y"B") con la distancia existente entre los dos imanes superiores ("B" y "C" en la Figura 4)?,¿qué fuerzas están presentes en el imán B?, ¿y en el imán C?
  6. ¿Se encuentra el imán A empujando o atrayendo al imán C?
  7. Retira el imán C de la base del bloque de madera, se cuidadoso y mantén la cara viendo hacia la misma dirección. Retira de la varilla el imán B y colócalo a un lado. Reemplaza e imán C de la varilla, y mantén la cara viendo hacia la misma dirección en la que estaba; ¿qué sucede?; ¿qué puedes decir acerca de las direcciones de los polos, norte y sur, de cada uno de los imanes: A, B y C?

Figura 1

Figura 4

Figura 5

Parte 4

  1. Agrega dos imanes más a los tres ya existentes en la varilla. Coloca los dos imanes nuevos de manera que queden levitando sobre los que se encuentran en la base del bloque de madera, como aparece en la Figura 5.
  2. ¿Cómo es la distancia entre los imanes A y B en comparación con la distancia entre los imanes D y C? Explica la diferencia. ¿Qué fuerzas actúan sobre el imán E?, ¿y sobre el imán B?.
  3. Examina cuán bien rebotan los imanes u "oscilan" bajo diferentes escenarios.
  4. Elabora los otros dos escenarios que aparecen en la Figura 1. Haz que los imanes "reboten" al igual que lo hiciste en el paso 4 de la Figura 1. Haz que el imán rebote un par de veces y observa cuán alto y por cuánto tiempo continúa el rebote.
  5. Ahora coloca tres imanes en la varilla, como parece en la Figura 4. Trata de que el grupo de imanes rebote. Observa cómo y por cuánto rebota el imán que se encuentra en la parte superior.
  6. Ahora coloca cinco imanes en la varilla, como parece en la Figura 5. Observa cuán alto y por cuánto tiempo rebota el imán superior.

Extensiones de Predicción y Medición

Puede agregar un par de extensiones más a esta actividad si trabaja con alumnos más avanzados. Una de las extensiones implica que los alumnos hagan predicciones acerca de los resultados antes de tratar de demostrar cada uno de los escenarios. Una segunda extensión implica que los alumnos realicen mediciones de las distancias existentes entre los imanes.

  1. A fin de poder agregar las predicciones de cada una de las extensiones, pídale a los alumnos que procedan como se describe en las cuatro partes de esta actividad. Sin embargo, antes de elaborar cada uno de los escenarios, pídale a los alumnos que predigan los resultados, en especial los relativos a los espacios existentes entre los imanes. Antes de comenzar puede pedirles que escriban sus predicciones, también puede pedirles que incluyan una explicación para cada una de las predicciones.
  2. Si sus alumnos están familiarizados con los diagramas de vectores de fuerzas, puede pedirles que dibujen diagramas que indiquen las fuerzas sobre alguno o de todos los imanes en cada uno de los escenarios.
  3. A fin de agregar aspectos de mediciones cuantitativas a esta actividad, pídale a sus alumnos que midan las distancias existentes entre los imanes en cada uno de los escenarios. Esto funciona muy bien cuando se combina con la extensión de predicción; antes de comenzar, pídale a los alumnos que predigan la distancia y que también documenten las medidas y las comparen con sus predicciones.
  4. Los diagramas de vectores de fuerza pueden ayudar en este análisis, y lo pueden ayudar a usted, como profesor, a determinar cuán bien sus alumnos comprenden estas mediciones.
  5. Quizás desee que sus alumnos pesen a los imanes, a fin de determinar su masa, para que después puedan usar esta información como parte de sus análisis cuantitativos.

INFORMACIÓN DE FONDO:

A fin de comprender esta actividad, sus alumnos necesitan entender que los imanes tiene dos polos (norte y sur). Deben saber que polos iguales se repelen entre sí, y que polos opuestos (norte y sur) se atraen.

Los polos en los imanes de disco se encuentran en las partes planas. Imagine que una de las caras de los imanes es una moneda (¡con un hueco en el centro!). La cara de la moneda es el norte, y el sello es el sur (o viceversa - el punto es que las caras planas son los polos).

En el Paso 2 de la Parte 1 de esta actividad (ver Figura 1), dos polos iguales están frente a frente, de manera que los imanes se repelen entre sí. La fuerza magnética que hay entre los dos imanes empujan al imán superior hacia arriba, y evita que se pueda deslizar hacia abajo desde la parte superior de la varilla. De manera que en el Paso 3, las dos fuerzas involucradas son la gravedad (que atrae hacia abajo) y el magnetismo (que empuja hacia arriba). Las dos fuerzas se encuentran en equilibrio (se "balancean" entre sí), haciendo que le imán superior levite a sólo unos centímetros del imán inferior en la base del bloque de madera.

En el Paso 4 los alumnos descubrirán que el imán superior produce una oscilación limitada (rebota hacia arriba y hacia abajo por un tiempo determinado y eventualmente deja de rebotar) cuando se le presiona y se suelta en dirección descendente. Las oscilaciones son un fenómeno muy común en los sistemas naturales y en los sistemas hechos por el hombre. Esta es una oscilación limitada porque no se sucede ilimitadamente; la fricción entre el imán y la varilla es bastante alta. Pídale a sus alumnos que mencionen sistemas con los que estén familiarizados que actúen de manera similar; un buen ejemplo es la supensión de un automóvil cuando cae en un hueco.

En el Paso 4 de la Parte 3 (Figura 4), el imán del medio (B) debe estar más cerca del imán inferior (A) que en la Figura 1. El peso del imán superior (C) empuja hacia abajo al imán del centro (B). El repulsión magnética que mantiene a los imanes A y B separados estaba sosteniendo 1 sólo imán en la Figura 1; pero sostiene dos imanes en la Figura 4, de manera que el imán B "cabalga" más bajo. Observe que esto se compara con la Figura 3; la posición del imán del centro es una consecuencia del peso de dos imanes presionando hacia abajo. Esto es más obvio en la Figura 3, donde la parte superior de los dos imanes se tocan, no así en la Figura 4, donde la fuerza del peso se encuentra en la parte superior del imán y no está presionando hacia abajo, al imán del centro, en cambio, el peso (fuerza) de el imán superior está "presionando" por contacto al imán del centro, si no mediante la fuerza de repulsión magnética existente entre los dos imanes.

Cuando los alumnos rebotan los imanes en el escenario de la Figura 4, los movimientos de oscilación amortiguada son similares a los del caso en la Figura 1, pero más complejo. El "rebote" probablemente no durará ni más ni menos tiempo. En todo caso, el rebote duraría menos tiempo en el escenario de la Figura 4.

Las fuerzas en la Figura 4 son muy interesantes. Si nos imaginamos que la cara superior del imán A es el norte, entonces la parte inferior de B es también el norte (de manera que se repelen). Esto significa que la parte superior de B en el sur, de manera que la parte inferior de C también es el sur. Esto significa que A y C se están atrayendo ligeramente. El norte de la parte superior de A "ve" el sur de la cara inferior de C y se siente atraído hacia él (aún cuando B se encuentra en el centro). La fuerza es realmente pequeña, ya que los imanes se encuentran separados. Sin embargo, la distancia existente entre A y C es menor debido a este pequeño efecto. El cambio es evidente pero no fácilmente visto, y probablemente no pueda ser medido en este sencillo experimento. Sin embargo, es un buen rompecabezas para examinar a los mejores alumnos. En el Paso 7 de la Parte 3, esta relación se pone en evidencia cuando se quita el imán del medio (B), y A y C se unen.

En el Paso 2 de la Parte 4, los imanes deberían terminar con un espacio entre sí similar al espacio de la Figura 5. La imanes inferior (A y B) deberían estar más unidos; los superiores (D y E) deberían estar más separados. El imán B "siente" su propio peso más el peso de los tres imanes que se encuentran sobre él, y que lo empujan hacia abajo; tan sólo tiene la fuerza de un imán (A) que lo empuja. La gravedad gana, con un registro de cuatro a uno. El imán C "siente" el peso descendente de los tres imanes (de sí y de los imanes D y E), y la fuerza ascendente reactiva del imán que se encuentra justo debajo de él (B). De manera que el registro es de tres a uno, y c "flota" un poco más alto sobre B, que B sobre A. Y así sucesivamente en todo el grupo. También hay otras fuerzas magnéticas menores atractivas , como se describe en el caso de la Figura 4; pero estas fuerzas ejercen efectos mucho menores y no se observan a simple vista (si es que se ven).

¿Qué sucede con el "rebote" del sistema de los cinco imanes?. Se espera que los alumnos observen que el rebote cesa (disminuye) más rápidamente que en el caso de la Figura 1. Sistemas más complejos (con mayor "grado de libertad") tienden a ser más difíciles de mantener en oscilación que los sistemas con menor número de partes. Pero hay excepciones, pero en general si se "altera" una estructura compleja, esta tenderá a dejar de moverse rápidamente, mientras que una estructura más simple podría continuar oscilando por más tiempo.

las figuras 2 y 3 ilustran los pasos para la Parte 2. En cada uno de los casos se están combinando dos o más imanes a fin de aumentar la fuerza magnética. Cuando colocamos dos imanes en la parte inferior y uno en la parte superior (Paso 3, Figura 2), el imán de la parte superior "flota" más alto (que cuando en la parte inferior hay un solo imán). El peso de un sólo imán se encuentra con una gran fuerza ascendente que cuando hay dos imanes que lo atraen hacia abajo, como en el caso de la Figura 2, pero el peso de arriba se duplica, de manera que el espacio entre ellos es menor al que aparece en la Figura 2.

SECCIONES RELACIONADAS DEL PORTAL DE WINDOWS TO THE UNIVERSE:

Referencias e Información de fondo:

Última modificación el 16 de marzo de 2005 por Randy Russell.

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