Didáctica en las ciencias: Actividad didáctica : El diablillo de Descartes

El diablillo de Descartes constituye un pequeño experimento dirigido a los alumnos de los últimos cursos de secundaria. Este experimento involucra varios conceptos, unos dependientes de otros, que ayudan a ilustrar varias leyes físicas tales como la ley de Boyle, el principio de Pascal, el principio de Le Chatelier, la densidad y el principio de flotabilidad.

Este experimento se basa en la ley de Boyle-Mariotte según la cual el volumen es inversamente proporcional a la presión, pero esta ley es aplicable en gases ideales; en el caso de líquidos podríamos establecer que cuando en un sistema existen dos regiones cuyas presiones son diferentes, entonces la materia se mueve desde la zona de mayor presión hacia la zona de presión más baja, hasta que se alcance un estado de equilibrio. Por lo tanto modificando la presión sobre un objeto sumergido en un líquido haremos que éste se desplace en la dirección deseada.

Materiales necesarios:

Botella de 1.5 L a 2.5 L
Jeringa plástica de 20 cm3
Manguera plástica de 3 mm de diámetro interno, 30 cm
Trozo de varilla hueca de 3 mm de diámetro externo, 5 cm
Tapón de caucho para botella plástica
Frasco pequeño o un gotero plástico

Procedimiento:

Llenaremos la botella con agua hasta el borde.
Adicionaremos agua al frasquito hasta 1/3 de su capacidad.
A continuación tapamos el orificio del frasquito con el dedo índice o con el pulgar e introducimos el frasquito invertido dentro de la botella de manera que justamente flote. En el caso de que se vaya al fondo, deberemos llenar algo menos el frasquito.
A continuación posicionaremos el émbolo de la jeringa aproximadamente a la mitad de su recorrido.
Taparemos la botella como muestra la figura:

Presionaremos ligeramente el émbolo y observamos lo que ocurre. (Puede ocurrir que al soltar el émbolo el frasquito no regrese a su posición inicial, en ese caso deberemos saca un poco el émbolo)

Explicación teórica:

Inicialmente el sistema jeringa-botella–diablillo se encuentra a la presión atmosférica y en equilibrio. Al presionar el émbolo, la presión interna aumenta y como consecuencia de ello el diablillo desciende quedando en el fondo o en una posición intermedia. Si el émbolo no se desplaza más, se alcanza una nueva situación de equilibrio (principio de Le Chatelier).

A medida que el diablillo desciende, el nivel del agua dentro de éste aumenta y, por consiguiente, la masa del tubo interior aumenta con lo cual su densidad llega a ser mayor que la densidad del líquido y por eso se hunde, lo cual implica que la flotabilidad disminuye.

Al principio del experimento, hay dentro del tubito además de agua aire en la parte superior, el cual tiene una masa constante, ocupa un volumen a una determinada temperatura y se encuentra a la presión atmosférica. Al presiona el émbolo, la cantidad de aire permanece constante igual que su temperatura, pero su volumen y su presión cambian, de modo que se ha establecido una relación que muestra que a mayor presión del gas menor es su volumen, cuando la temperatura es constante (ley de Boyle-Mariotte).

Realización:

Se formaran pequeños grupos de entre 4-5 alumnos que se situarán cada uno en una mesa del laboratorio con una caja con todo el material necesario para realizar el experimento. El profesor nada más comenzar la clase formará los grupos de trabajo y explicará para todos en que consiste el experimento que van a realizar. A continuación mostrará cómo montar el material y desarrollar el experimento con uno de los grupos de manera que todos los alumnos puedan observar lo que deberán hacer ellos después. Tras la explicación cada grupo procederá a repetir las indicaciones del profesor bajo la tutela del mismo.

Evaluación:

Para evaluar a cada alumno se tendrá en cuenta sus conocimientos previos sobre conceptos físicos como: presión, equilibro, principio de Le Chatelier y flotabilidad con una ronda de preguntas realizadas por el profesor a los alumnos en el laboratorio. Se valorará la participación de los alumnos en la actividad a realizar tanto en el planteamiento de dudas y preguntas como en la respuesta a las preguntas realizadas por el profesor durante la sesión práctica.

Al finalizar el experimento se realizará una pequeña puesta en común sobre los conceptos teóricos tratados durante la experiencia, se realizará un pequeño resumen de los aspectos más importantes y se aclararán las posibles dudas que hayan podido surgir.

Por último se plantearán dos breves actividades para comprobar la efectividad de la experiencia y ver si realmente los alumnos han aprendido todos los conceptos que se pretendía enseñar en la actividad realizada.

Actividades para realizar una vez desarrollado el experimento:

1.- Cuando se presionan las paredes de la botella por su parte exterior, la presión se trasmite a todo el sistema. ¿Con qué nombre se conoce este fenómeno?

2.- ¿Qué similitud puede haber entre este experimento y el funcionamiento de un submarino?