Esta unidad didáctica se centra en el proceso de diseño de ingeniería, que se utiliza para identificar una pregunta (resolución de un problema), desarrollar o cambiar un diseño, probar dicho diseño, observar y recopilar datos, analizar los datos recogidos en el experimento y extraer una conclusión para volver a pasar por todas las fases del diseño. En este caso, los alumnos deben maximizar la tensión obtenida de una turbina eólica mediante el uso de diversos diseños experimentales.
Si desea saber más sobre STEM y el proceso de diseño de ingeniería, vea las siguientes presentaciones multimedia.
- En qué consiste el proceso de ingeniería
Instrucciones para crear un generador eléctrico eólico
Antes de implementar esta unidad didáctica, el profesor debe crear primero un generador eólico y probar el procedimiento. Las instrucciones siguientes, que incluyen un vídeo, deben servir de orientación para el profesor en el momento de preparar la unidad didáctica y construir una turbina, generador o voltímetro.
- Creación de un generador eléctrico eólico
Corte una pajita de boca ancha con una longitud de dos centímetros y atraviese una varilla de madera por la parte central de la pajita. La longitud de la varilla que sobresale de la pajita por cada uno de los lados debe ser igual. Repita este procedimiento con otra varilla de madera, pero insértela de forma que quede perpendicular a la primera varilla. Los dos centímetros de longitud de la pajita deben ahora formar un eje, cuyo centro lo cruzan las dos varillas en forma de cruz. Esto conformará la turbina sin palas en las varillas.
Con un lápiz y una regla, dibuje una pala en las fichas de papel. Mientras dibuja las palas eólicas, recuerde que el objetivo de la actividad es maximizar la tensión que se mostrará en la lectura del voltímetro. Para ello, el eje del motor/generador debe girar deprisa. Supuestamente, cuanto más viento puedan "atrapar" las palas, más rápido girará la turbina y, por tanto, se generará más corriente y, en consecuencia, mayor tensión. Una vez diseñadas las palas, péguelas con celo a las varillas que forman la rueda de la turbina. Recuerde, para que la turbina gire rápidamente, las palas se deben fijar a la turbina de tal manera que el aire del secador golpee con fuerza las palas o de modo que se aproveche al máximo el área de superficie y el ángulo de las palas.
Instrucciones para instalar el generador y el voltímetro y para añadir el propulsor (turbina) al generador
Con cinta de carrocero pegue una regla a una mesa de modo que la regla sobresalga de la mesa al menos 5 cm. Con una goma elástica o cinta aislante, fije el motor de un juguete/generador a la parte de la regla que sobresale de la mesa. El eje del motor/generador debe quedar bien fijado en el borde de la regla. Esta distancia entre la turbina y la mesa debería ser suficiente para que las palas de la turbina no chocaran contra la mesa. A modo de prueba práctica, el profesor debe colocar la turbina que acaba de crear en el eje del generador para garantizar que la distancia entre las palas y la tabla es suficiente y no va a golpear la mesa. Conecte los cables en el generador y en el voltímetro para que éste pueda registrar la tensión cuando gire el eje del generador. Coloque un poco de arcilla en la pajita (el eje central de la turbina) para fijar la turbina en el eje del motor. Ponga en marcha el secador de pelo de manera que el aire haga girar la turbina que, a su vez, hará que se registre una tensión en el voltímetro.
Puntos a tratar en el debate de introducción
EEl profesor debe enfocar la introducción de la unidad didáctica de la manera que estime más conveniente para los alumnos. No obstante, la clave está en que los alumnos participen de forma activa en su propio aprendizaje utilizando sus conocimientos previos, experiencia y curiosidad.
Inicie el debate preguntando qué saben del viento, de la electricidad y cómo se puede aprovechar para hacer funcionar un generador eléctrico. El siguiente vídeo puede serle de utilidad para enseñar esta unidad didáctica:
Inicie un debate sobre cómo los combustibles fósiles generan electricidad. Destaque el uso de calor y de turbinas para activar los generadores eléctricos. Esto también puede convertirse en una actividad de investigación como preámbulo a la actividad de diseño. Los alumnos pueden identificar el tipo de combustible y el sistema de generación que se utiliza en su comunidad, quizá se puede organizar una salida a una planta de generación de energía.
En el debate de introducción deben tratarse los puntos siguientes:
- Los gases y sus propiedades (el viento en particular)
- La naturaleza de la electricidad y de los generadores eléctricos
- Un breve debate sobre los combustibles fósiles, su agotamiento y qué impacto tienen en el medio ambiente
- Las fuentes energéticas alternativas (el viento en particular)
- Las turbinas eólicas, su diseño y cómo funcionan. Muestre la siguiente animación de una turbina eólica como parte del debate:
Animación de turbina eólica
- El hecho de que las turbinas eólicas pueden transformar la energía mecánica en energía eléctrica. Los alumnos pueden comparar o contrastar el vapor generado por una caldera de combustible fósil y por el viento como fuente de energía. (NOTA: los alumnos llevarán a cabo un experimento en el que descubrirán cómo sucede esta transformación).
Debate posterior a la parte 2 del procedimiento: La competición, Ronda 1: ¿Cómo afectan la temperatura y la presión a los gases?
Una vez finalizada la parte 2 del procedimiento (ver más abajo), inicie un debate en el que los alumnos deben reflexionar sobre el comportamiento del aire (que es un gas) y cómo se forma el viento. Pregunte a los alumnos qué elementos afectan a los gases y a su movimiento. Después de escuchar algunas respuestas, explique que la temperatura y la presión afectan el comportamiento de los gases.
Consulte el documento adjunto (¿Cómo afecta la temperatura a los gases?) para obtener una demostración y un experimento en la clase que se puede utilizar para profundizar en el debate.
Reflexione acerca de lo que le sucede al aire caliente cuando se eleva. Cuando un gas se calienta, las moléculas que lo forman están más separadas. A medida que la temperatura disminuye, las moléculas se juntan. Esta presión de las moléculas se traduce en densidad del gas según la ecuación siguiente:
Densidad = Masa/Volumen
Es decir, a mayor volumen, menor densidad y viceversa.
Los efectos de la temperatura y de la presión se pueden combinar y describir en la ecuación siguiente:
PV = nRT donde:
P = Presión
V = Volumen
n = Un número dado de moléculas de aire
R = Constante de gas ideal, cuyo valor es 8,3145 J/(mol.K)
T = Temperatura
O bien
P(M/D) = nRT donde:
M/D es Masa/Densidad y se sustituye matemáticamente por el volumen.
Lo ideal es trabajar junto con el profesor de matemáticas de modo que los alumnos realicen cálculos de muestras antes de llevar a cabo este experimento. De esta manera, la conexión tendrá mayor efecto.
Una vez que los alumnos han aprendido cómo afecta la temperatura y la presión al aire, pregúnteles cómo se forma el viento. El viento se forma cuando el aire se mueve de un sitio a otro debido a las diferencias en temperatura y presión. Este movimiento también puede verse afectado por otros elementos. Pregunte a los alumnos qué afecta el movimiento del viento y qué efectos puede tener el viento sobre distintas zonas de la Tierra (por ejemplo, continentes y océanos). Algunos ejemplos de elementos que afectan el movimiento del viento es el paisaje (por ejemplo, las montañas pueden actuar como obstáculo), el clima, otros frentes de viento y la rotación de la tierra.
