¿Qué es la pregunta investigable y cómo enseñar a plantearla?

Luego realizar un análisis de los conceptos involucrados.

Consigna: Pensar qué se habría preguntado Volta durante sus investigaciones sobre las pilas, su pregunta investigable, para luego elaborar la pila tal y como Volta la diseñó.

5. Henri Becquerel y la radiactividad

A finales de 1800 varios científicos se pusieron a investigar toda una suerte de misteriosas radiaciones. Entre ellas estaban los rayos X, que podían producir impresiones en papel fotográfico aun cuando éste estuviera aislado de la luz. Se había descubierto la presencia de rayos X asociada a algunas formas de fluorescencia, es decir que cuando se ponía una placa fotográfica cerca de una fuente de fluorescencia (como por ejemplo un tubo de rayos catódicos), aparecían manchas negras en la placa cuando se la revelaba en el cuarto oscuro.

Henri Becquerel decidió poner a prueba la idea de que la fluorescencia produce rayos X. Para ello tomó una sustancia (sulfato de uranilo y potasio) que fluoresce cuando es iluminada con rayos ultravioletas (UV). Tomó entonces una placa fotográfica, la envolvió bien en papel negro, puso sobre ella unos cristales de sulfato de uranilo y potasio y dejó todo esto en el alfeizar de la ventana bajo los rayos del sol (que como bien sabemos tienen rayos UV). A las pocas horas reveló la placa fotográfica y encontró manchas en ella correspondientes a las posiciones de los cristales. Concluyó entonces que la fluorescencia del sulfato de uranilo y potasio producía rayos X. Se aprestó a publicar sus hallazgos mientras repetía los experimentos.

Pero hete aquí que en ese día, miércoles 26 de febrero de 1896, el tiempo se puso todo nublado. Becquerel decidió postergar sus experimentos: dejó la placa fotográfica envuelta en papel negro y los cristales en un cajón, bien a oscuras, sabiendo que los cristales no fluorescen en la oscuridad y que por lo tanto nada debería pasar. A los pocos días, por las dudísimas, decidió revelar la placa fotográfica y encontró para su sorpresa que los cristales habían dejado una clarísima marca. O sea que podían producir rayos X o alguna otra radiación aun sin fluorescencia. Esto, claro está, contradecía su hipótesis original. Este resultado lo llevó en nuevas direcciones. Se le ocurrió que la sustancia estaba emitiendo una nueva forma de rayos. Con paciencia, logró descubrir que la fuente de radiación era el uranio de los cristales y de esa forma descubrió la radiactividad espontánea, por lo que compartió el Premio Nobel de Física en 1903 con Pierre y Marie Curie.

• ¿Cuál será la pregunta que quería contestar Becquerel con este experimento?
• ¿Por qué habrá querido responderla? ¿Qué significado tendría para él esa pregunta teniendo en cuenta la época en la que vivía?
  
• ¿Qué hipótesis propuso? ¿Qué métodos usó para poner esa hipótesis a prueba?
  
• ¿Qué resultados obtuvo? ¿A qué conclusiones llegó?
  
• ¿Cambió lo que pensaba al principio, luego de su experimento?
  
• ¿Qué nuevas preguntas le habrán surgido después?
  

6. La conducción de la carga eléctrica 

                Un científico inglés llamado Stephen Gray descubrió allá por el 1720 que las cargas eléctricas pueden moverse de un objeto a otro. Con un amigo suyo, se propuso ver cuán lejos podía la carga eléctrica viajar por un hilo sisal. El hilo sisal era un buen conductor de las cargas eléctricas en experimentos sencillos. En una variación del experimento colgaron los hilos de las vigas de un granero, pero en este caso el experimento dejó de funcionar. 

               Analizándolo con cuidado, los experimentadores notaron que habían colgado el hilo del techo mediante otros segmentos cortos de hilo sisal. Si las cargas podían viajar por el hilo sisal, entonces debían estar viajando por los trechos cortos hacia las vigas del techo. En otras palabras, las cargas eléctricas se iban adonde no debían, se “perdían”. Para solucionarlo, los experimentadores razonaron que el hilo transportaba las cargas eléctricas muy bien porque era grueso y decidieron reemplazarlo por finos hilos de seda. El cambio dio resultado: ahora todos sus experimentos funcionaban como ellos querían. Su idea del rol del grosor del hilo en la conducción de las cargas eléctricas se veía apoyada por estos resultados. 

               A los pocos días algunos hilos de seda se rompieron y su estructura se vino al piso. Gray decidió entonces reemplazarlos por algo igual de finito pero más resistente. Se decidió por finos alambres de cobre. Para su sorpresa, cuando el conjunto era sostenido por hilos de cobre, los experimentos dejaban de funcionar de nuevo. Como con el hilo sisal, la carga eléctrica se perdía. Gray entonces cambió su hipótesis. Quizá el hilo sisal permitía la conducción de las cargas eléctricas, no porque fuera grueso sino por alguna razón yacente en su composición como material. La seda no permitía la conducción pero el cobre y el sisal sí. Nuevos experimentos corroboraron esa hipótesis y Gray dio con una nueva idea de enorme poder: hay materiales que son buenos conductores y otros que son malos conductores, es decir materiales que permiten el movimiento de cargas en ellos y otros que no.

              El siguiente vídeo a partir del minuto 8 te ejemplifica cómo pudo haber sido el experimento.

• ¿Cuál será la pregunta que querían contestar con este experimento?
• ¿Qué hipótesis propusieron? ¿Qué métodos usaron para poner esa hipótesis a prueba?
  
• ¿Qué resultados obtuvieron? ¿A qué conclusiones llegaron?
  
• ¿Cambió lo que pensaban al principio, luego de su experimento?
  
• ¿Qué dos cosas variaron al modificar su experimento? ¿Por qué no es correcto variar dos aspectos en el mismo experimento?

7. Eratóstenes, las sombras y la Tierra

Eratóstenes nació en Cirene, una antigua ciudad griega en la actual Libia, en torno al año 276 a.C. Tras formarse con los mejores profesores y estudiar algunos años en Atenas, se convirtió en director de la legendaria biblioteca de Alejandría.

Se dice que allí leyó acerca de un lugar llamado Siena. En dicha ciudad, justo al mediodía del solsticio de verano, el sol se reflejaba totalmente en las aguas de un profundo pozo y ninguna vara, ni objeto alguno, daba sombra. Es decir, a ese día y a esa hora, los rayos del sol caían completamente perpendiculares al suelo (estaba en el cénit).

Eratóstenes observó que esto no ocurría en Alejandría. Al mediodía del solsticio de verano, una vara clavada en la tierra proyectaba sombra, al igual que torres y árboles, y que en ningún pozo se reflejaba totalmente el Sol. En definitivas cuentas, al contrario que en Siena, en ese mismo instante, el Sol no se encontraba en el cénit de la ciudad de Alejandría.

Esta diferencia solo podía ser explicada si la Tierra no era plana.

Eratóstenes asumió que Siena y Alejandría se encontraban en el mismo meridiano (misma longitud geográfica) y consideró que el Sol está lo suficientemente lejos como para que sus rayos lleguen a la Tierra completamente paralelos. Bajo esta hipótesis, al mediodía del solsticio de verano, los rayos de Sol inciden directamente en Siena, pero hacen un ángulo α con la vertical en Alejandría. 

Eratóstenes dedujo que, si lograba medir este ángulo, y por otro lado determinaba la distancia lineal entre Siena y Alejandría, podría estimar el radio de la Tierra.

Bastaba con aplicar una sencilla regla de tres:

α    ------------ D (distancia Alejandría-Siena)

360º  -------- 2πr

Según el historiador Cleomedes, para el cálculo del ángulo, Eratóstenes midió la sombra que el Sol proyectaba al mediodía del solsticio de verano, sobre un scaphium o gnomon (un palo perpendicular al suelo). Otros historiadores defienden que midió la sombra de una torre.

En la mayoría de los casos se asegura que obtuvo de la distancia estimada entre Siena y Alejandría por las caravanas de camellos que comerciaban entre ambas ciudades, aunque perfectamente pudo ser un dato que obtuvo de la propia biblioteca de Alejandría.

Luego de leer la información resuelve los siguientes puntos:

• ¿Qué preguntas se hizo Eratóstenes?
• ¿Qué hizo para responderlas?
• ¿Qué resultados obtuvo?
• Diseñen un experimento para contestar las preguntas de Eratóstenes

Considera las siguientes variables: Momento del año, Hora del día, altura del sol, longitud geográfica entre los puntos de observación, longitud del objeto que provoca la sombra, longitud de la sombra.

8. Altura de la Pirámide

Cuenta la leyenda relatada por Plutarco que Tales de Mileto (s. IV a. C), uno de los llamados siete sabios de Grecia, se encontró visitando la Necrópolis de Guiza junto al joven e inquieto Rey de Egipto, quien deslumbrado por la fama y sabiduría de Tales le preguntó si podía medir la altura de la majestuosa pirámide de Keops que se levantaba ante ellos. Ante la pregunta del Rey, Tales reflexionó unos instantes y le contestó que no solo la calcularía, sino que incluso la mediría sin utilizar instrumentos.

Guedj (2000) Fragmento del libro “El Teorema del Loro”

•  ¿Cómo se puede poner en práctica la idea de Tales?
  
• ¿Qué condiciones se deben definir para realizar el experimento?
• ¿Cuál podría ser una pregunta investigable en este contexto?

Considera las siguientes variables para determinar su relevancia y relación con el experimento:

• Si se quiere medir la altura del Palacio Salvo, ¿cómo diseñarías el experimento?

9. La electricidad atmosférica

Por el aire circulan cargas eléctricas aunque no nos percatemos. Para comprobar la existencia de moléculas ionizadas en el aire se puede colocar un detector. ¿De dónde provienen estas cargas eléctricas que hacen a la atmósfera conductora?

Se creyó por muchos años que las cargas en la atmósfera se originaban de la actividad radiactiva de la Tierra. Estos fenómenos radiactivos ionizan las moléculas del aire y ésto lo hace conductor. El físico estadounidense Víctor Franz Hess, en 1912, pensaba que  “Si éste fuera el origen de la naturaleza conductora de la atmósfera, la ionización del aire debería disminuir a medida que nos desplazamos a mayores alturas, porque la radiactividad proviene del suelo”. Para comprobarlo realizó un experimento que se detalla a continuación.

Hess diseñó y construyó un aparato para medir la conductividad del aire. Usando dos placas metálicas, planas, paralelas, colocadas a una distancia muy pequeña. Las placas eran cargadas usando una batería con cargas de diferente signo. El aire que hay entre las placas es conductor, por ello, las cargas de la placa negativa se desplazan de forma lenta hacia la placa positiva y  de este modo se va perdiendo la carga neta que inicialmente tenía acumulada cada placa. La ionización del aire, es decir, la cantidad de carga que hay en el aire se mide con la rapidez con que se produce la descarga de las placas, cuando el electrómetro marca cero significa que las placas se han descargado (carga neta cero). Si las placas se descargan en un corto tiempo, significa que el aire está muy ionizado, es muy buen conductor.

El afán investigador de Hess lo llevó a subirse a un globo aerostático con el aparato diseñado por él. De esta forma logró medir el tiempo en que se producía la descarga de las placas a diferentes alturas con respecto a la superficie de la Tierra. El tiempo de descarga de las placas disminuye a medida que aumenta la altura, algo opuesto a lo esperado. Es decir: la ionización del aire aumenta con la altitud. Eso lo llevó a él y a sus colegas a preguntarse, ¿de dónde provienen las cargas de la atmósfera? El experimento puso en evidencia que la ionización de la atmósfera se produce por algo exterior a la Tierra.

A partir de este experimento, se derivó en buscar ese “factor externo” que generaba las cargas en la atmósfera, se origina así una nueva investigación que termina en el descubrimiento de los rayos cósmicos. En la actualidad sabemos que en su mayoría, las cargas que se encuentran en la atmósfera son partículas subatómicas con carga positiva originadas en el espacio exterior, los rayos cósmicos. Estos rayos, debido a su elevada energía cinética, ionizan las moléculas de la atmósfera, convirtiendo en conductor al aire.  

Según Richard Feynman, el descubrimiento de Hess fue, “el más sensacional de toda la historia de la electricidad atmosférica”. Trabajos posteriores explican de forma más precisa los fenómenos atmosféricos. En 1936, Hess obtiene el Premio Nobel de Física por las investigaciones sobre los rayos cósmicos.

Fuente: Feynman R., Leighton R. y Sands M. (1987). Física Vol II, Wilmington, Adisson - Wesley Iberoamericana.

Luego de leer la información responde las siguientes preguntas:

• ¿Cuál será la pregunta que quería contestar Hess con este experimento?

• ¿Qué hipótesis propuso? ¿Qué métodos usó para poner esa hipótesis a prueba?

• ¿Qué variables modificó en su experimento? ¿Por qué no es correcto variar dos aspectos en el mismo experimento?

• ¿Qué resultados obtuvo? ¿A qué conclusiones llegó?

• ¿Cambió lo que pensaba al principio, luego de su experimento?

• ¿Qué nuevas preguntas le habrán surgido después?