Indagando sobre motores térmicos

Abstract

Desde hace años los currículos de los principales países desarrollados apuestan por la enseñanza de las ciencias a través de la indagación. En este trabajo presentamos una secuencia para indagar sobre el funcionamiento de los motores térmicos en la ESO, un campo con enormes aplicaciones en nuestra sociedad. La secuencia plantea un problema a los alumnos sobre el cual deben investigar. En nuestro caso concreto, cómo conseguir que un motor vaya los más rápidamente posible. Los alumnos empiezan a abordar el problema aplicando el modelo cinético-corpuscular de los gases para explicar el funcionamiento de un motor térmico. A continuación, tras centrar la investigación en un motor de Stirling casero, plantean, a modo de hipótesis fundamentadas, modificaciones que se pueden introducir para aumentar su velocidad. Son los estudiantes los que manipulan y modifican el motor para poner a prueba sus hipótesis, toman medidas, analizan resultados y establecen conclusiones a la luz de las hipótesis establecidas y de los modelos físicos implicados. Tras la implementación de la secuencia de actividades en el aula hemos observado un impacto positivo en los estudiantes en el aprendizaje del modelo cinético-corpuscular, en el desarrollo de actividades propias del trabajo científico y en sus actitudes hacia el aprendizaje de la Física y Química.

Full text

Edita: Generalitat Valenciana. Conselleria d'Educació, Cultura i Esport
ISBN: 978-84-482-6469-7

Els dies 9 i 10 de novembre de 2018 va tenir lloc el II Congrés CTEM de la
Comunitat Valenciana. El lema "STEM per a la ciutadania" va ser tota una
declaració d'intencions: mostrar que l'educació en ciència, tecnologia i
matemàtiques podia servir per a alguna cosa més que despertar vocacions
científiques per a formar obrers especialitzats que cobriren la futura demanda
d'ocupacions en aquestes disciplines. Quina cosa ens aporta, doncs, l'educació
STEM?
En primer lloc proporciona a les persones coneixement útil per a desenvolupar
el pensament crític. La ciència, la tecnologia, les matemàtiques, no són
assumpte d'uns pocs privilegiats, no són uns arcans únicament comprensibles,
desxifrables, per als escollits. El coneixement científic té en la seua naturalesa
la vocació de ser compartit. I quina millor manera de fer-ho que des de les
aules. L'única manera de formar a ciutadans responsables i lliures, és fent-los
participes de la generació de coneixement. Ciència ciutadana, sostenibilitat,
ciència en context... són algunes de les idees que es van desenvolupar en el
congrés apuntant en aquesta direcció.
I en segon lloc, el coneixement científic és una poderosa eina per a la inclusió.
La forma de treballar en ciència, tecnologia i matemàtiques permet incorporar
metodologies inclusives de manera natural, mitjançant el treball per projectes,
la indagació i la resolució de problemes. Els projectes europeus o
internacionals, les experiències d'aprenentatge-servei, la diversitat de gènere...
són alguns exemples que es van poder veure en el congrés i que van
demostrar que les metodologies educatives, noves o antigues, creixen i es fan
significatives quan s'omplin de continguts STEM.
El congrés es va estructurar en diversos formats de trobada, de manera que
permetera desenvolupar aquestes dues idees primigènies, mostrant en ventall
la gran diversitat de propostes i iniciatives. En cadascun d'ells, els participants
van aportar materials de gran valor, que es troben a la disposició de la
comunitat educativa en l'enllaç
http://mestreacasa.gva.es/web/cefireambitctm/diversitat. Aquestes actes del II
Congrés CTEM de la Comunitat Valenciana vénen a completar aquests
materials, en oferir-nos un desenvolupament més extens i profund dels temes
tractats per alguns dels participants en el congrés.
Espere que siga d'utilitat per al professorat, i que servisca de motivació en la
seua tasca docent.
Elena Thibaut Tadeo
Directora Cefire Científic, Tecnològic i Matemàtic
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 3

Los días 9 y 10 de noviembre de 2018 tuvo lugar el II Congreso CTEM de la
Comunidad Valenciana. El lema "STEM para la ciudadanía" era una
declaración de intenciones: mostrar que la educación en ciencia, tecnología y
matemáticas podía servir para algo más que despertar vocaciones científicas
para formar obreros especializados que cubriesen la futura demanda de
empleos en estas disciplinas. ¿Qué aporta, entonces, la educación STEM?
En primer lugar proporciona a las personas conocimiento útil para desarrollar el
pensamiento crítico. La ciencia, la tecnología, las matemáticas, no son asunto
de unos pocos privilegiados, no son unos arcanos únicamente comprensibles,
descifrables, para los elegidos. El conocimiento científico tiene en su naturaleza
la vocación de ser compartido. Y qué mejor forma de hacerlo que desde las
aulas. La única manera de formar a ciudadanos responsables y libres, es
haciéndoles participes de la generación de conocimiento. Ciencia ciudadana,
sostenibilidad, ciencia en contexto... son algunas de las ideas que se
desarrollaron en el congreso apuntando en esta dirección.
Y en segundo lugar, el conocimiento científico es una poderosa herramienta
para la inclusión. La forma de trabajo en ciencia, tecnología y matemáticas
permite incorporar metodologías inclusivas de forma natural, mediante el
trabajo por proyectos, la indagación y la resolución de problemas. Los
proyectos europeos o internacionales, las experiencias de aprendizaje-servicio,
la diversidad de género... son algunos ejemplos que se pudieron ver en el
congreso y que demostraron que las metodologías educativas, nuevas o
antiguas, crecen y se hacen significativas cuando se llenan de contenidos
STEM.
El congreso se estructuró en diversos formatos de encuentro, de manera que
permitiera desarrollar estas dos ideas primigenias, mostrando en abanico la
gran diversidad de propuestas e iniciativas. En cada uno de ellos, los
participantes aportaron materiales de gran valor, que se encuentran a
disposición de la comunidad educativa en el enlace
http://mestreacasa.gva.es/web/cefireambitctm/diversitat. Estas actas del II
Congreso CTEM de la Comunidad Valenciana vienen a completar estos
materiales, al ofrecernos un desarrollo más extenso y profundo de los temas
tratados por algunos de los participantes en el congreso.
Espero que sea de utilidad para el profesorado, y que sirva de motivación en su
tarea docente.
Elena Thibaut Tadeo
Directora Cefire Científic, Tecnològic i Matemàtic
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 4

ÍNDEX
CONFERÈNCIES
El marco STEM y la ciudadanía competente
Jordi Domènech-Casal............................................................................. 11
Divulgación científica, educación y sociedad: una perspectiva global
David Ibáñez Gil de Ramales................................................................... 25
PÍNDOLES
Activitats STEM amb Arduino
José Ramón Pintos, Juan José Ruiz........................................................ 41
Aras de los Olmos, la aventura del conocimiento a través de una
pequeña gran historia
Joaquín Martín Cubas.............................................................................. 59
Bee-bot como entorno para la resolución de problemas en primeras
edades escolares
Pascual D. Diago...................................................................................... 85
Comunidad de centros sostenibles: hacia un modelo participativo y
democrático
Mónica Ortiz Bonanad, Vicente Iranzo García......................................... 99
I si les matemàtiques es munten la seua pel·lícula?
Lluís Bonet Juan....................................................................................... 123
Les eleccions: Punt de partida per fer recerca a Secundària
María del Pilar Menoyo Díaz.................................................................... 131
Una aproximación al volumen de una cuádrica a través de sus
secciones
María García Monera............................................................................... 153
COMUNICACIONS
Agenda 2030: Proyecto ABP "Almuerzo saludable"
Josefa López Vila, Raquel Domingo Corral............................................. 171
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 5

Análisis de garantías y grado de certidumbre. Herramientas
epistémicas para el trabajo con pseudociencias en el aula
Jordi Domènech-Casal............................................................................. 193
Calendario Matemático. Medioambiente y matemáticas para la
diversidad en el aula
Adela Jaime Pastor, Silvia Andrés González, Elena Cubes Catalá, Julio
José Ramírez Viñoles, Cristina Romanillos Cervera, Ana Belén Soria
Pérez........................................................................................................ 201
De la idea STEM al proyecto de Escuela 2.0
Enric Torres Barchino............................................................................... 217
Educación científica y ciencia ciudadana en fiestas masivas: el
proyecto Synapsis UV-FPJ
Daniel García-Costa, Francisco Grimaldo, Lucía Hipólito, Yolanda
Campos-Jurado, Emilia López-Iñesta...................................................... 241
Indagando sobre motores térmicos
Francisco Savall Alemany, Míriam Esparza Garcia, Sergio Rosa
Cintas, Juan Francisco Álvarez Herreros, Caronina Nicolás Castellano. 251
Monitors de l’EMMA, una experiència de comunicació matemàtica
Concha Alba García, Juan Carlos Femenía, Juan Antonio Pérez
Poquet...................................................................................................... 267
Murciélagos 3.0
Mª Victoria Herreras Belled, Rosa Ana Soler Carceller........................... 277
Nidos en la rambleta y arboretum misericordia, una experiencia de
aprendizaje servicio para la inclusión social
Ana Muñoz Ortí y Pino Manzano Sosa.................................................... 305
Raising attainment using sole in Mathematics. ERASMUS +
KA2 PROJECT: 2017-1-UK01-KA201-036777
Raúl Abellán Agustín, Josep Miquel Lemus, Pilar Damas Susí,
Aranzazu Carretero Candel, Josefa María Barber Alvado, Isabel de
Gracia Hernández, Laia Campos, Elena Mª Ases Ramón, Mª Asunción
Hernández Ubert, Enric Tudela Lara, Mª Carmen Abril Moncho,
Dolores Lorente Llinares, Dolors Carbonell Rodríguez, José Luis
Aparicio Aparicio, Óscar Peiró Sanz, Natividad Gómez Ibáñez, Vicent
Magraner Peris, Àngela Sellens Pérez i Mª Dolores Hernández Ubert... 309
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 6

Realidad Aumentada: nueva tecnología multimedia interactiva aplicada
a la didáctica de la asignatura Física y Química
María Luisa Roqueta Buj.......................................................................... 317
PÒSTERS
Colors a l’institut
Jose Antonio Badenes March, Sara Cerro Lloria, Guillermo Monrós
Tomás, Mario LLusar Vicent.................................................................... 333
Disseny de barrets geomètrics: Proposta de treball i avaluació
cooperativa
María del Pilar Menoyo Díaz.................................................................... 341
Ecoauditoria energética del IES Politècnic de Castelló
MªAngeles Sos Rochera, Joaquim Canales Leiva................................... 361
El trabajo por proyectos para el desarrollo de la igualdad y la
resolución de problemas
Diana Marín Suelves, María de la O Chordi García y Elena Belenguer 365
Estudi de la llei exponencial de càrrega i descàrrega d’un condensador
Diego Navarro Sanz................................................................................. 377
La diversitat de gènere a les disciplines CTEM: experiència de la
ETSE-UV
Silvia Rueda, Carmen Botella, Emilia López-Iñesta, Paula Marzal.......... 397
La educación CTIM (Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas) a
través del proyecto europeo Scientix
Emilia López-Iñesta, Ismael Orquín Serrano, Raquel Parrondo Rueda,
Javier Alabau- Gonzalvo.......................................................................... 411
Las elecciones académicas de las estudiantes y los estudiantes del
siglo XXI. Estudio en el IES Lluís Simarro de Xátiva
Otilia Val Castillo...................................................................................... 425
Las salidas de campo como método integrador en secundaria
Monzó Garrido, Sandra y Mayoral García-Berlanga, Olga...................... 447
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 7

Producción de fármacos: Un taller interdisciplinar de ciencia en
contexto
Asunción Navarro Llopis.......................................................................... 455
Què saben de STEM els futurs docents de tecnologia?
Ortega-Torres, Enric................................................................................. 467
Tecnologia: disseny i construcció de contenidors de reciclatge
MªAngeles Sos Rochera, Joaquim Canales Leiva................................... 473
Tecnologia: ecoauditoria lumínica dels espais de treball
MªAngeles Sos Rochera, Joaquim Canales Leiva 477
Trabajo colaborativo, CLIL y ABP en la enseñanza plurilingüe de la
Biología. Una década de práctica en las aulas del IES Riu Túria
Isabel García Ferrer
483
Trencant guions. Activitats de ciències amb Arduino
Juan José Ruiz Ruiz, José Ramón Pintos Taroncher.............................. 503
Uso de la unidad “la función de relación” para introducir la
neuroeducación en el aula de 3º de la ESO
María Ángeles Gómez Climent, Samuel Hernández González, Carlos
Caurín Alonso........................................................................................... 509
EXPOSITORS
Desaladora solar en tecnologia de la ESO
MªAngeles Sos Rochera, Joaquim Canales Leiva................................... 525
METODOLOGÍA ARCO IRIS. La práctica del currículum matemático
en Educación Infantil
Mª Consuelo Vicent Catalá...................................................................... 531
Quince años de actividades para secundaria en la ETSE-UV
Paula Marzal, Inmaculada Coma, Ana M. Dejoz, Rafael García-Gil,
Francisco Grimaldo, Julio Martos, José Torres........................................ 541
ÍNDEX ALFABÈTIC D’AUTORS I AUTORES.......................................... 551
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 8

Indagando sobre motores térmicos
Savall Alemany, Francisco1; Esparza Garcia, Míriam2; Rosa Cintas, Sergio3;
Álvarez Herreros, Juan Francisco4; Nicolás Castellano, Caronina5.
pacosavall@gmail.com; miriamesparzagarcia@gmail.com;
sergio.rosacintas@gmail.com; carlinanicolascastellano@gmail.com;
juanfratic@gmail.com.
IES Ausiàs March, Gandia1,2, Universidad de Alicante1, 3, 4, 5
Modalidad: Comunicación.
Nivel educativo: Educación Secundaria Obligatoria.
Resumen
Desde hace años los currículos de los principales países desarrollados
apuestan por la enseñanza de las ciencias a través de la indagación. En este
trabajo presentamos una secuencia para indagar sobre el funcionamiento de
los motores térmicos en la ESO, un campo con enormes aplicaciones en
nuestra sociedad. La secuencia plantea un problema a los alumnos sobre el
cual deben investigar. En nuestro caso concreto, cómo conseguir que un motor
vaya los más rápidamente posible. Los alumnos empiezan a abordar el
problema aplicando el modelo cinético-corpuscular de los gases para explicar
el funcionamiento de un motor térmico. A continuación, tras centrar la
investigación en un motor de Stirling casero, plantean, a modo de hipótesis
fundamentadas, modificaciones que se pueden introducir para aumentar su
velocidad. Son los estudiantes los que manipulan y modifican el motor para
poner a prueba sus hipótesis, toman medidas, analizan resultados y establecen
conclusiones a la luz de las hipótesis establecidas y de los modelos físicos
implicados. Tras la implementación de la secuencia de actividades en el aula
hemos observado un impacto positivo en los estudiantes en el aprendizaje del
modelo cinético-corpuscular, en el desarrollo de actividades propias del trabajo
científico y en sus actitudes hacia el aprendizaje de la Física y Química.
Palabras clave: Indagación, motor de combustión, motor de Stirling, Física.
1. Introducción
La investigación didáctica reconoce, desde hace décadas, que la alfabetización
científica de los estudiantes debe contemplar más que el aprendizaje de
conocimientos científicos, extendiéndose a la adquisición de conocimientos
sobre cómo se hace ciencia y sobre qué es la ciencia (Hodson, 2003). La
importancia de “hacer ciencia” se identificado no solo como un objetivo sino
incluso como un requisito para evitar que los estudiantes abandonen de forma
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 251

prematura el estudio de las ciencias (Rocard, 2008). Tal es su relevancia que la
mayoría de los currículums de los países desarrollados recogen como principal
criterio metodológico abordar la enseñanza de la ciencia como un proceso de
investigación, o indagación, en el cual los estudiantes construyen sus propios
conocimientos a partir de la puesta en práctica de actividades que tratan de
reproducir en el aula el trabajo propio de los científicos.
A pesar de la relevancia de la indagación como orientación metodológica, no
existe una definición exacta de la misma ni un consenso estricto de cuáles son
sus beneficios, si bien sí se ha identificado que en aquellos casos en que la
argumentación y la modelización toman un papel relevante se consiguen
mayores efectos sobre el aprendizaje (Romero-Ariza, 2017). De hecho, la
investigación didáctica ha destacado que el razonamiento basado en modelos
es la base de cualquier disciplina científica (Passmore y Svodoba, 2011). Es a
través de modelos que se desarrolla el razonamiento científico, se simplifican
fenómenos complejos, se visualizan entidades abstractas y se predicen e
interpretan resultados (Justi, 2006).
Los motores térmicos son desarrollos tecnológicos con un gran impacto tanto
histórico como actual. Su aparición tuvo un impacto histórico de tan gran calado
que ha quedado identificado como “revolución industrial”. La importancia que
tienen en la actualidad también es incuestionable. Sin embargo, nuestra
experiencia docente nos indica que rara vez se aborda su estudio en la
educación secundaria, y eso a pesar de formar parte del currículum oficial.
En este trabajo presentamos una secuencia de actividades para indagar sobre
el funcionamiento de los motores térmicos. La secuencia está diseñada para 3º
y 4º de ESO. Se desarrolla dentro de la unidad dedicada al estudio de los
gases. Concretamente, la hemos puesto en práctica tras construir el modelo
cinético-corpuscular y aplicarlo a la interpretación de fenómenos cotidianos
(ver, por ejemplo, Martínez Torregrosa et al., 1997).
Dadas las dificultades para construir i manipular un motor de combustión
interna, que podríamos considerar el caso más paradigmático de motor, hemos
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 252

decidido usar un motor de Stirling de canicas (Boada, 2017). Este motor se
puede construir a partir de materiales sencillos y económicos, la mayor parte de
los cuales se encuentran de forma habitual en un laboratorio de secundaria.
En el siguiente apartado presentamos el motor de Stirling que hemos usado y
describimos su funcionamiento basándonos en la física de los gases. A
continuación, detallamos los pasos seguidos para su construcción y puesta en
funcionamiento. Seguimos con la presentación de la secuencia de actividades
desarrollada en el aula, que explicamos con detalle. Finalmente, aportamos los
resultados experimentales obtenidos por nuestros alumnos durante su
investigación.
2. Fundamentos físicos del motor de Stirling
En la imagen 1 se muestran los motores de Stirling con los que hemos llevado
a cabo nuestra experiencia. Básicamente, están construidos con un tubo de
ensayo situado en horizontal en cuyo interior se introduce un cierto número de
canicas. Este tubo puede bascular alrededor de un eje horizontal y
perpendicular al mismo tubo que se sitúa aproximadamente en su centro. El
tubo de ensayo está tapado con un tapón de goma agujereado y, mediante un
tubo de goma, está conectado a una jeringuilla vertical que se puede desplazar
verticalmente haciendo bascular el tubo de ensayo1.
1 Se puede encontrar un vídeo del motor en funcionamiento en
https://www.youtube.com/watch?v=fMx6CHU0olU
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 253

Imagen 1. Motores de Stirling con los que se ha llevado a cabo la experiencia.
El motor de Stirling, al igual que otros motores térmicos, funciona accionado
por un gas que se calienta y enfría de modo cíclico, aumentando y
disminuyendo su presión y moviendo las partes móviles del motor. En la
imagen 2 se muestra el motor y se identifica el extremo o foco caliente y el
extremo o foco frío del mismo. La imagen 3 muestra de forma esquemática un
ciclo completo.
Imagen 2. Detalle del tubo de ensayo. Se identifica el foco caliente y el foco frío de motor termodinámico.
El movimiento del motor empieza con el tapón del tubo de ensayo en la parte
baja. El mechero de alcohol calienta un extremo del tubo, eleva la temperatura
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 254

del aire que hay en el interior y esto conlleva un aumento de presión. Debido al
aumento de presión del aire se produce un aumento de volumen en la
jeringuilla, que se desplaza hacia arriba. El movimiento vertical de la jeringuilla
hace que el tubo de ensayo cambie su inclinación, las canicas se desplazan
hacia el fondo del tubo hasta colisionar con la lana de metal (que impide y
amortigua el impacto contra el vidrio del tubo). Al ocupar las canicas el fondo
del tubo, el aire que allí se encontraba se desplaza hacia el otro extremo del
tubo (es decir, hacia el extremo frío). De este modo el aire se enfría, baja la
presión y, por acción de la presión atmosférica exterior, el volumen de la
jeringuilla disminuye, desplazándose hacia abajo. El movimiento de descenso
de la jeringuilla cambia de nuevo la inclinación del tubo de ensayo, las canicas
caen hacia el tapón y desplazan de nuevo al aire hacia el extremo caliente,
iniciando de nuevo el ciclo.
Imagen 3. Ciclo termodinámico adaptado para el motor de Stirling de canicas.
Desde el punto de vista de la teoría cinético-corpuscular, el aumento de
temperatura del gas produce un aumento de la velocidad de las partículas, y
con ellos más choques entre ellas y con las paredes de los recipientes que las
contienen. Cuando la intensidad de las colisiones supera un cierto umbral, las
partículas del gas consiguen desplazar la jeringuilla hacia arriba, haciendo
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 255

bascular el tubo, que desplaza las partículas de gas al extremo frío del tubo.
Una vez allí, el enfriamiento del gas produce un descenso en la velocidad de
las partículas, disminuyen por tanto las colisiones con el recipiente. Desde el
exterior, la colisión de las partículas del aire impulsan la jeringuilla hacia abajo,
desplazando de nuevo las canicas hacia el tapón y el aire hacia el extremo
caliente del tubo. Este análisis permite incluso valorar en qué fases el gas
recibe o da calor y en qué fases recibe o hace trabajo. No vamos a profundizar
en estos aspectos en este trabajo, puesto que tampoco lo hemos hecho con los
estudiantes. Sin embargo, sí se requiere al menos una idea intuitiva de los
mismos para poder interpretar los resultados al final del trabajo.
3. Cómo construir y hacer funcionar el motor de Stirling
Hemos construido y usado los dos motores que se muestran en la imagen 2, si
bien el que aparece a la derecha ha funcionado mejor. Es, por tanto, el que
explicamos en detalle.
Hemos construido el motor sobre una base de madera. Diversas placas
metálicas atornilladas a la base y entre ellas constituyen los pilares del motor.
En la parte alta de los pilares situamos un tubo de ensayo resistente al calor,
en cuyo interior se introduce un número variable de canicas y al final del tubo
un trozo de lana metálica, cuya función es amortiguar el impacto de las canicas
contra el fondo del tubo. Aproximadamente a la mitad del tubo hay que ubicar
un eje perpendicular sobre el cual ha de bascular. En nuestro caso hemos
puesto una abrazadera con tornillos para tubos (de las que se usan en
bricolaje) en cuyos orificios reservados para los tornillos hemos acoplado dos
pequeños cilindros metálicos. Tras situar el tubo de ensayo en los pilares lo
tapamos con un tapón de goma con agujero. En la parte exterior del tapón
ponemos un pequeño tubo de vidrio al cual conectamos un tubo de goma que
llevará hasta la jeringuilla. Sobre la base de madera, unos centímetros por
delante de la posición que ocupa el tapón de goma, fijamos fuertemente un
tornillo y atamos una jeringuilla de vidrio a él usando dos abrazaderas.
Finalmente, conectamos el tubo de goma que sale del tapón a la jeringuilla, que
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 256

debe tener aproximadamente la mitad de su volumen lleno de aire. El
compartimiento formado por la jeringuilla y el tubo de ensayo debe estar
sellado, no ha de entrar ni salir aire. Un mechero de alcohol hará de fuente de
energía.
Para accionar el motor el tubo de ensayo debe estar inclinado inicialmente con
el tapón ocupando la posición más baja. Las canicas estarán, por tanto, en
contacto con el tapón (no deben sellar el agujero). A medida que calentamos, la
presión del aire atrapado en el interior del motor aumentará y esto hará que la
jeringuilla suba, inclinando el tubo hacia el lado opuesto y desplazando las
canicas hacia el fondo del tubo. De este modo se pone en marcha el ciclo
descrito en el apartado anterior. Cuando se empieza con el motor frío solo se
consigue que haga unas pocas oscilaciones hasta quedar bloqueado con el
tapón en posición elevada y las canicas en el fondo del tubo. Esto se debe a
que el aumento de temperatura ha llevado a un aumento excesivo de presión.
Para resolver el “bloqueo” hay que abrir el tapón, bajar ligeramente la jeringuilla
(lo que equivale a extraer un poco de aire), volverlo a cerrar e iniciar de nuevo
el proceso. Es muy probable que sea necesario hacer varios ajustes de la
cantidad de aire durante los primeros minutos. Se llevan a cabo siempre por
ensayo-error, aplicando el siguiente criterio: si el motor queda bloqueado con el
tapón en posición elevada se debe a que la presión es muy alta, hay que sacar
aire; en cambio, si queda bloqueado con el tapón en la posición baja es que no
hay suficiente presión, hay que abrir el tapón, elevar la jeringuilla (equivale a
introducir aire) y volver a cerrar.
Tras estos primeros ajustes de la cantidad de aire se consigue que el motor
funcione de manera regular y con intervenciones mínimas. Evidentemente, a
medida que se calienta toda la estructura se pierde la capacidad de
enfriamiento del gas y el motor se para. Llegados a este punto hay que dejar
que se enfríe antes de seguir trabajando. Sustituir las canicas ya calientes por
otro juego de canicas que esté a temperatura ambiente permite seguir usando
el motor sin tener que esperar.
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 257

4. Secuencia de actividades
La secuencia de actividades que se han implementado en el aula es la que se
muestra en el cuadro 1.
1. ¿Qué motores conocéis? ¿Qué utilidades tienen? ¿Qué características
deben tener para funcionar lo mejor posible?
2. Usad el modelo cinético-corpuscular que hemos construido para los gases
durante esta unidad y las animaciones que se encuentran en
www.animatedengines.com para explicar cómo funciona un cohete, un reactor
de avión, un motor de dióxido de carbono, una máquina de vapor, un motor de
combustión interna de 2 tiempos y 4 tiempos y un motor de Stirling.
3. Explicad como funciona el motor de Stirling de canicas que traemos. Usad
el modelo de gas que habéis usado anteriormente.
4. Estableced hipótesis fundamentadas (basadas en el modelo de gas) sobre
qué aspectos del motor se pueden modificar para que se mueva más rápido.
5. Estableced una estrategia para poner a prueba las hipótesis relativas al
efecto que el número de canicas y el tamaño de las canicas tienen sobre la
velocidad del motor. Llegad a acuerdos sobre qué estrategia seguir y llevadla
a cabo.
6. Analizad los resultados que habéis obtenido. Estableced conclusiones
atendiendo al modelo de gas.
Cuadro 1. Secuencia de actividades.
5. Implementación de la secuencia de actividades en el aula
Durante la implementación de la unidad el grupo-clase se divide en pequeños
grupos de 4 alumnos. Estos trabajan como investigadores noveles guiados por
el profesor, que ejerce el papel de investigador experto. En estos pequeños
grupos se discute cada una de las actividades y se alcanzan consensos. A
continuación, de forma ágil, se lleva a cabo una puesta en común con todo el
grupo-clase. Este proceso favorece no solo el trabajo científico sino también los
episodios de discusión y argumentación (Gil-Pérez y Carrascosa-Alís, 1994).
En nuestro caso, este es el modelo de enseñanza que se sigue durante todo el
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 258

curso, por lo que la implementación de la secuencia no supone cambio alguno
en la organización del aula.
Al principio de la secuencia se pretende captar el interés de los alumnos y que
se impliquen en la investigación que se va a llevar a cabo. Para ello les
proponemos la actividad 1, que les lleva a reflexionar sobre fenómenos o
aplicaciones que les son familiares. En la actividad 2 les pedimos que analicen
el funcionamiento de diversos motores usando el modelo cinético-corpuscular
para los gases. Ambas actividades permiten a los alumnos adquirir un bagaje
experimental suficiente y familiarizarse con los fenómenos que se van a
trabajar durante la secuencia. Esto es fundamental para que posteriormente
puedan modelizar adecuadamente el motor de Stirling o generalizar los
resultados obtenidos con nuestro motor.
La actividad 3 nos lleva a centrar el problema en el motor que hemos
construido. Mostramos el motor a los alumnos, lo accionamos y les pedimos
que expliquen cómo funciona. Son diversas las dificultades que experimentan
los alumnos, por lo que sugerimos poner en práctica diversas estrategias:
•Empezar analizando cómo se mueve una jeringuilla sellada y con un
cierto volumen de aire en su interior cuando se calienta y se enfría de
forma cíclica.
•Continuar analizando de forma dialogada diversas “fases” del
movimiento del motor. Para ello es conveniente retirar la fuente de calor
y moverlo con las manos:
◦Suponemos que empezamos con el motor frío y el tapón en posición
baja ¿Qué pasará a medida que se calienta el tubo?
◦Tras elevarse la jeringuilla ¿Qué efecto tiene el cambio de posición
de las canicas? Esta reflexión se ha revelado como fundamental
cada vez que hemos implementado la secuencia. Una de las
dificultades más persistentes que presentan los estudiantes consiste
en creer que es el calentamiento de las canicas lo que mueve el
motor, el lugar de atribuir su movimiento a la acción del aire.
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 259

◦¿Qué hace bajar la jeringuilla? Nuevamente, detectamos dificultades
relacionadas con el movimiento de las canicas. Los estudiantes
atribuyen la oscilación del motor a un rebote de las canicas contra el
fondo del tubo, al calentamiento de las mismas, etc. Una reflexión
detallada permite constatar que las canicas, situadas en el fondo del
tubo y ocupando una posición baja, no van a subir por si solas, luego
debe ser otro agente el que haga bajar la jeringuilla. Si ahora son las
canicas las que se calientan, el aire que ocupaba esa posición y que
se encuentra en el extremo frío baja de temperatura, su presión
también baja ¡pero no puede tirar de la jeringuilla hacia abajo! Ha de
ser la presión atmosférica exterior la que presiona la jeringuilla hacia
abajo, haciendo bascular el tubo y recuperando la posición inicial.
Reflexionar de nuevo sobre cómo se mueve una jeringuilla sellada al
calentarse y enfriarse es de gran ayuda. De hecho, la jeringuilla sería
el modelo más sencillo de motor de térmico, pero carece por si sola
de mecanismo de calentamiento/enfriamiento.
◦La reflexión va acompañada de diversos dibujos en los cuales se
representan las partículas de aire y su correspondiente velocidad, de
manera cualitativa.
Tras el análisis detallado del funcionamiento del motor concretamos el
problema que pretendemos investigar. Inicialmente, en la actividad 1, habíamos
planteado como cuestión ¿Qué podemos hacer para que un motor funcione lo
mejor posible? Este problema no se puede investigar tal y como está
planteado, puesto que carece de concreción: por “mejor posible” podríamos
entender que vaya más rápido, que consuma menos combustible, que las
oscilaciones tengan más amplitud… Acordamos trabajar la con la velocidad del
motor y planteamos la actividad 4.
Los alumnos plantean diversas hipótesis, entre las que cabe destacar:
•Poner una fuente de calor más intensa hará que el motor vaya más
rápido.
II Congrés internacional CTEM: "STEM per a la ciutadania" 260

•Apuntan hipótesis sobre cómo afectará el tamaño del tubo de ensayo a
la velocidad del motor, aunque no suele haber consenso sobre si un
tubo de mayor volumen aumentará o disminuirá la velocidad.
•Apuntan hipótesis sobre cómo afectará el número de canicas, si bien
tampoco hay un consenso claro: algunos consideran que a más canicas
irá más rápido y lo justifican basándose en estas podrán llevar a cabo
una acción “más violenta”, mientras que otros consideran que más
canicas producirán un movimiento más lento, en tanto que hay que
desplazar más masa. Ningún alumno suele usar el modelo cinético-
corpuscular del gas para argumentar la hipótesis y la reflexión suele
centrarse en las canicas. En la fase de conclusiones esta línea de
razonamiento se revelará como infructuosa y nos permitirá reflexionar
sobre la importancia de los modelos en la predicción e interpretación de
fenómenos. Por lo que respecta al tamaño de las canicas, tampoco hay
consenso respecto al efecto del tamaño de las mismas y la
argumentación sigue líneas muy similares.
Decidimos investigar el efecto del número de canicas y su tamaño sobre la
velocidad del motor, dado que es una modificación sencilla. Cambiar el tubo de
ensayo por otros es más complejo. Por otra parte, la hipótesis referente al
efecto de una fuente de calor más intensa sobre la velocidad del motor
despierta en ellos poco interés en tanto que cuenta con un consenso
generalizado.
Una vez se ha decidido qué hipótesis se va a trabajar se propone a los
alumnos que establezcan una estrategia para ponerla a prueba. No tardan en
proponer la realización de una secuencia de medidas consistente en empezar
con una canica, medir el tiempo que tarda el motor en llevar a cabo un cierto
número de oscilaciones (que establecemos en 10), abrir el motor e introducir
una segunda canica, repetir la medida, y seguir añadiendo canicas de una en
una y midiendo el tiempo invertido en 10 oscilaciones hasta que no quepan
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más en el tubo. Proponen también repetir la secuencia completa con canicas
de mayor o de menor radio.
Los estudiantes llevan a cabo la secuencia experimental sugerida. Durante la
fase de experimentación, los grupos se turnan para hacer medidas y las ponen
en común para que puedan ser recogidas por el resto del grupo-clase. No
tardan en darse cuenta que llevar a cabo una única medida del tiempo que
tarda el motor en hacer 10 oscilaciones para un determinado número de
canicas es poco fiable. Deciden llevar a cabo al menos tres medidas antes de
cambiar el número de canicas. Para su sorpresa, al medir sucesivamente
observan un ligero descenso del tiempo de oscilación, que no tardan en atribuir
al hecho de que el motor está cada vez más caliente. Solo cuando el motor
está muy caliente y llevan tiempo sin dejar reposar o sustituir las canicas, se
observa un aumento del tiempo de oscilación, y finalmente el motor acaba
parándose. No tardan en argumentar que este comportamiento se debe a qué
el motor más caliente se mueve más rápido, como sugerían en sus hipótesis,
puesto que recibe más energía y las partículas en su interior aumentan más
rápido su velocidad, produciendo un aumento más rápido de la presión.
Al final de esta actividad, todos los alumnos deben tener todas las medidas
anotadas. En la tabla 1 y en la imagen 4 mostramos los resultados obtenidos
por un grupo-clase.
Número de
canicas
t (s)
(radio=24 mm)
t (s)
(radio=26 mm)
5 10,9 No oscila
4 12,3 9,1
3 14,9 11,1
2 16,0 12,1
1 No oscila 16,6
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Tabla 1. Tiempo invertido por el motor en hacer 10 oscilaciones. Se presentan los valores medios de tres
medidas obtenidos con canicas de 24 mm de radio y con canicas de 26 mm de radio.
Imagen 4. Representación del tiempo invertido por el motor en completar 10 oscilaciones para canicas de
24 mm y 26 mm de radio.
Los resultados muestran que aumentando el número de canicas el motor
funciona más rápido. Lo mismo ocurre si aumentamos el radio de las canicas.
Este resultado, que no les parece evidente, requiere una explicación.
Les proponemos que busquen dicha explicación y que lo hagan usando el
modelo cinético-corpuscular del gas. Nuevamente, surgen dificultades que les
llevan conectar el movimiento del motor con el de las canicas. Con la
orientación del profesor se consigue una interpretación adecuada de los
resultados. Algunos de los aspectos sobre los que el profesor les anima a
reflexionar son los siguientes:
•Revisad los dibujos que hicisteis al explicar el funcionamiento del motor
con la teoría cinético-corpuscular. ¿Qué cambios se producen cuando
hay más o cuando hay menos canicas?
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•¿Por qué no oscila cuando solo se pone una canica pequeña?
•¿Por qué no oscila cuando se llena de canicas grandes?
Tras reflexionar usando el modelo de gas se dan cuenta de que el intercambio
de calor es fundamental. Un mayor número de canicas lleva de manera más
eficiente al aire del extremo caliente al frío (lo aleja más del extremo caliente).
Esto hace que se enfríe más rápidamente. Es más, al desplazarse de nuevo al
extremo caliente absorbe más calor (más energía) puesto que el incremento de
temperatura es mayor. Por esto, si solo se pone una canica pequeña el aire
caliente no se aleja lo suficiente del foco caliente y el motor no funciona. En
cambio, con muchas canicas grandes no hay casi aire desplazado (las canicas
llenan el tubo prácticamente por completo) y el motor tampoco funciona. Para
que el motor funcione lo más rápidamente posible se necesita favorecer al
máximo el ciclo de calentamiento y enfriamiento del gas.
Llegados a este punto, el profesor puede comentar a los alumnos que este
resultado es coherente con el que se obtiene al analizar el rendimiento de un
motor ideal, para el cual el rendimiento es mayor cuanto menor es la relación
entre la temperatura mínima y máxima que el gas alcanza durante el ciclo (
ε=1−
Tmin
Tmax
). Si generalizamos el resultado para todos los motores térmicos,
no resulta complicado entender por qué motivo se pretende que los motores de
combustión trabajen a la mayor temperatura posible a la vez que cuentan con
complejos sistemas de refrigeración que incluyen ventiladores, circuitos de
agua, intercambiadores de calor de grandes superficies, etc.
6. Conclusiones
En este trabajo hemos presentado una secuencia para indagar sobre el
funcionamiento de los motores térmicos con alumnos de 3º y 4º de secundaria.
Según hemos observado, la puesta en práctica de la secuencia ha tenido un
impacto positivo sobre las actitudes y sobre el aprendizaje de los alumnos,
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tanto en lo referente a la comprensión de la física de los gases como a las
habilidades relacionadas con la actividad experimental.
En estos momentos trabajamos en la mejora y ampliación de esta propuesta
para adaptarla a los contenidos de 1º de bachillerato, curso en el cual se
aborda la termodinámica del gas. Esperamos que la introducción del motor de
Stirling en este curso permita a los estudiantes adquirir una mejor comprensión
de los conceptos de calor y trabajo ligados a los procesos termodinámicos al
mismo tiempo que ofrece un marco para trabajar las relaciones CTSA.
Esperamos dar cuenta de estos avances en futuras publicaciones.
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