Un sismógrafo es un instrumento que detecta y registra el movimiento del suelo. El movimiento del suelo puede ser causado por algo creado por el hombre, como la explosión de una mina o de una central nuclear, o por acontecimientos naturales, como corrimientos de tierra, actividad volcánica o, más a menudo, terremotos.
El sismógrafo, como muchas máquinas, se basa en un principio bastante simple. Por respeto a la aparente complejidad, solemos evitar tomar las riendas con los alumnos. En este artículo, presento dos ideas concretas sobre cómo hacer que los alumnos construyan una forma más elaborada en ciencias o una forma sencilla de un sismógrafo como parte de un proyecto.
A continuación puedes ver más fotos de las diferentes fases de las lecciones. En primer lugar, analicemos brevemente la teoría.
¿Cómo provoca un terremoto el movimiento del suelo? Toda la capa exterior de la Tierra, conocida como litosfera, está formada por placas tectónicas que se mueven constantemente. Hay siete u ocho grandes placas tectónicas y muchas otras menores. Donde las placas tectónicas se encuentran y chocan entre sí, es habitual encontrar montañas, actividad volcánica, dorsales oceánicas y terremotos. (Lo que se forma depende de cómo se mueven exactamente las placas tectónicas unas contra otras en el límite de placas).
El movimiento de las placas tectónicas también hace que se formen fallas, que son grietas en la superficie de la Tierra donde una placa, o partes de una placa, se mueven en diferentes direcciones. Las fallas suelen estar cerca del borde de una placa. Cuando dos placas tectónicas (o partes de la misma placa) chocan o se enganchan al deslizarse una junto a la otra en la falla, suelen producirse terremotos.
En concreto, cuando las placas se rozan y se atascan, se produce un aumento de la presión porque las rocas quieren moverse pero no pueden. Finalmente, algunas rocas se rompen y la presión se libera cuando las placas se mueven repentinamente. Esto hace que ondas de energía, conocidas como ondas sísmicas, viajen a través de la Tierra, haciendo que el suelo tiemble. El lugar donde se rompen las rocas se conoce como el foco del terremoto, y justo encima de este punto, en el suelo, se llama epicentro del terremoto.
Las ondas sísmicas de un terremoto u otros fenómenos naturales son las que capta el sismógrafo. Hay dos tipos principales de ondas: las ondas de cuerpo, que pueden viajar a través de las capas internas de la tierra, y las ondas de superficie, que sólo pueden viajar en la superficie. Las ondas corporales son las más rápidas y tienen la mayor frecuencia. El primer tipo de onda corporal se llama onda primaria o P. Empuja y tira de la roca sólida o de la materia líquida que atraviesa, y la gente la siente como un movimiento de vaivén o de lado a lado. El segundo tipo de onda corporal que se siente en un terremoto se llama onda secundaria o S.
Las ondas S no pueden moverse a través de los líquidos, sólo a través de la roca sólida. Mueven las partículas de roca perpendicularmente a la dirección en la que viaja la onda. Sabías que puedes ver pruebas del poder de las ondas sísmicas en todas la zonas de Chile? Se pueden descubrir señales de terremotos en las carreteras, los edificios y el suelo de su patio o barrio.
¿Cómo mide un sismógrafo las ondas sísmicas? Imagina que intentas dibujar una línea recta en un papel mientras alguien te sujeta el codo y lo mueve de un lado a otro. Sería difícil conseguir que la línea fuera recta. Un sismógrafo sencillo es como si tu brazo sostuviera un bolígrafo. Una viga horizontal (como tu brazo) sostiene el bolígrafo. El extremo del “codo” de la varilla (el soporte) está conectado firmemente a un poste vertical resistente, como se muestra en la figura 1.
Para evitar que la viga se mueva a causa de pequeñas vibraciones, se sujeta a ella un pesado peso. El bolígrafo escribe sobre un papel montado en un rollo, que se hace girar a una velocidad constante (a mano o con un motor). Las sacudidas del suelo hacen que el soporte vertical se mueva hacia arriba y hacia abajo. Esto, a su vez, hace que la viga horizontal se mueva hacia adelante y hacia atrás. Así, en lugar de una línea recta en el papel, el bolígrafo hace movimientos de vaivén para dibujar líneas garabateadas. Cuanto mayor sea la vibración, mayor será la altura de los garabatos, es decir, mayor será la intensidad de las ondas sísmicas.
Las líneas trazadas por el sismógrafo dan como resultado lo que se denomina sismograma. En este proyecto de ciencias geológicas, construirás tu propio sismógrafo y comprobarás lo bien que puede registrar las vibraciones del suelo.
Términos y conceptos
- Sismógrafo
- Terremoto
- Placas tectónicas
- Fallas
- Onda sísmica
- Epicentro
- Onda de cuerpo
- Onda superficial
- Frecuencia
- Onda primaria (onda P)
- Onda secundaria (onda S)
Preguntas
- ¿Qué causa un terremoto?
- ¿Cómo se producen las ondas sísmicas en un terremoto?
- ¿Cómo registra un sismógrafo las ondas sísmicas?
- ¿Crees que tu sismógrafo será capaz de detectar las vibraciones de alguien que salta cerca?
Materiales y herramientas
- Base de madera, 10″ x 24″ x 0,5″.
- Soporte de madera, 2″ x 4″ x 12″.
- Varios tamaños de clavos
- Alambre fuerte o cuerda gruesa no elástica o cordel (7 pies en total)
- Bloques de soporte de madera, aproximadamente 2″ x 4″ x 8″ (2)
- Rollo de papel de máquina de sumar con una anchura de al menos 2″.
- Lata de lado liso con tapa y base, de dimensiones similares al rollo de papel
- Clavijas de madera, diámetro = 0,25″, longitud = 10″; una clavija debe pasar por el centro del rollo de papel de máquina de sumar (3)
- Taladro de mano y brocas. Las brocas deben ser del tamaño adecuado para hacer los agujeros en los que encajen las clavijas de madera.
- Viga de madera, 1″ x 1″ x 20″.
- Bolígrafo
- Tornillo de cabeza redonda, o perno o clavo; 1″ de largo
- Ladrillo u otro peso pesado compacto
- Cinta adhesiva fuerte, como la de enmascarar, la de flejes o la de conductos, para fijar el peso
- Opcional: Ayudante adulto
- Cuaderno de laboratorio
Procedimiento experimental
Construcción del sismógrafo
Para este proyecto de ciencias, se espera que los estudiantes diseñen su propio sismógrafo, lo prueben y lo mejoren si es necesario. Se dan los pasos básicos para ayudar a guiar a los estudiantes a través del proceso.
Determina cómo construirás el sismógrafo basándote en el diagrama de la Figura arriba. Cuando construyas el sismógrafo, aquí tienes algunos pasos importantes y/o modificaciones que debes tener en cuenta: en la base de madera, querrás sujetar el soporte de madera de manera que esté colocado verticalmente en (y cerca de un extremo de) la base.
Fije el soporte de madera de forma segura a la base de madera, por ejemplo, clavando hacia arriba desde la parte inferior de la base de madera. Puedes colocar un alambre (o cuerda) entre el soporte de madera (en su parte posterior y en los laterales) y la base para ayudar a mantener el soporte estable. Fije el rollo de papel montado (rollo de papel de la máquina de sumar) y la bobina de recogida (lata de cara lisa) en el otro extremo de la base. Monte el rollo de papel y la bobina de recogida en los bloques de soporte de madera antes de fijar todo a la base. Calcula la mejor manera de colocar el rollo de papel y la bobina de recogida en los tacos de madera.
Tanto el rollo de papel como la bobina de recogida deben poder girar. La bobina de recogida debe girar cuando se acciona la clavija de madera; el rollo de papel puede girar con su clavija de madera o por separado de la clavija. Si quiere ser creativo, vea si puede idear una manera de hacer que el rollo de papel se alimente en la lata lisa automáticamente para que no tenga que girar la lata a mano. Puedes probar a comprar un motor a pilas en miniatura que haga girar la espiga de madera de la lata.
Pega el extremo del rollo de papel a la lata para que, al girar la lata, el papel se enrolle alrededor de la misma y haga girar el rollo de papel al introducirlo en la lata. Si tiene un taladro, puede montar los dos tacos de madera en los agujeros perforados a través de los dos bloques de soporte de madera. Si no tiene un taladro, sierra dos ranuras en el borde superior de cada bloque de soporte de madera y, a continuación, deje caer las clavijas en estas ranuras.
Antes de fijar la viga al soporte, puede colocar una pluma en el extremo de la viga. Para ello, utilice un taladro de mano para hacer un agujero en el extremo de la viga y coloca un bolígrafo en el agujero. El bolígrafo debe escribir con facilidad al tirar del rollo de papel por el ladrillo. Tápelo cuando no lo utilice. Puedes intentar sustituirlo por un lápiz de mina blanda, un lápiz de carbón, un crayón, etc. Para fijar la viga al soporte, puedes utilizar un taladro de mano para hacer agujeros en la viga y en el soporte y luego unirlos con una clavija de madera.
Cuando decidas a qué altura fijar la viga en el soporte, ten en cuenta cuál es la altura del rollo de papel montado. Para que la viga de madera cuelgue nivelada sobre la base, puede fijar el tornillo de cabeza redonda, el perno o el clavo en un extremo de la viga de madera. Este tornillo se apoyará en el soporte de madera, haciendo que la viga de madera cuelgue nivelada. Para ayudar a que el tornillo permanezca en su sitio y no se deslice del soporte de madera, taladre o esculpa un pequeño orificio de 1/4 de pulgada de profundidad en el soporte y de un diámetro ligeramente mayor que el de la cabeza del tornillo. La cabeza del tornillo puede asentarse en este orificio y presionarse contra el soporte de madera.
Coloca un peso (un ladrillo) en la viga para evitar que se mueva debido a las pequeñas vibraciones. Asegúrate de que el bolígrafo escriba con facilidad cuando el ladrillo lo arrastre hacia el rollo de papel.
A menudo nuestras opciones en el colegio son limitadas. Tal vez falten colegas para acompañar, o tiempo, o a veces finanzas. Pero si no hay falta de motivación, se pueden encontrar alternativas más sencillas que hagan las conexiones igual de visibles. Pruebe el siguiente experimento: divide a tus hijos en parejas y dale a cada pareja un trozo de cuerda, un vaso de plástico, un bolígrafo de pizarra, una cartulina doblada en plano y un rollo de cinta adhesiva.
Reduzca las instrucciones a lo esencial, no distraiga de la tarea, muestre lo menos posible: hágalo como un juego. El siguiente video no lo muestra, por supuesto, pero sirve como una comprensión básica de hacia dónde dirige los estudiantes cuando se unen a cada grupo.
Los siguientes experimentos y variaciones pueden medirse o evaluarse junto con los alumnos mediante procedimientos elaborados y sencillos.
Prueba del sismógrafo
Aquí tiene algunas ideas para probar el sismógrafo. Probablemente se te ocurran otras ideas por tu cuenta. Cuando pruebes tu sismógrafo, piensa en cómo puedes mejorarlo. ¿Puedes mejorar aún más tu diseño original? Puedes hacer algunos ajustes y volver a probarlo para averiguarlo.
- Pide a un ayudante que salte al suelo cerca del sismógrafo:
- ¿Cómo cambia el sismograma a medida que la persona que salta se aleja? Haz mediciones con la persona a una distancia de 0,5, 1, 2, 4, 8 y 16 metros (m) del sismógrafo. Haz un gráfico de la altura del pico del sismograma (en centímetros [cm], en el eje y) frente a la distancia de tu ayudante al sismógrafo (en m, eje x). También puedes utilizar los propios sismogramas en tu tablero.
- ¿Cómo cambia el sismograma si la persona que salta es más pesada o más ligera? Escoge una distancia de tu primer experimento en la que el bolígrafo se haya movido notablemente, pero que no haya cubierto todo su rango de movimiento en el papel. Haz una serie de sismogramas con ayudantes de distinto peso que salten a esa distancia fija del sismógrafo.
- ¿Cómo cambia el sismograma cuando se varía el sustrato sobre el que se encuentra? Por ejemplo, compara la colocación del sismograma en un suelo de madera frente a una losa de hormigón (como el suelo de tu garaje), o en una mesa frente a directamente en el suelo, o en su césped frente a un terreno de juego de superficie dura.
- También puede probar tu sismógrafo en diferentes lugares al aire libre. Por ejemplo, si coloca el sismógrafo en una acera, ¿puede ver las vibraciones del tráfico peatonal o vehicular cercano? ¿Puede identificar cuando pasan vehículos más grandes, como camiones o autobuses?
Acompaña a los alumnos en sus experimentos. Cuando las parejas vuelvan a la sala, pídeles que muestren sus resultados en forma de sismogramas. Muestra los sismógrafos que han hecho. Pida a los alumnos que describan las similitudes y las diferencias en los enfoques para llevar a cabo la tarea. Pídeles que describan lo que fue fácil y lo que fue difícil. Pregunte por las mejoras que los alumnos harían en sus máquinas. Incluye una discusión sobre los sismogramas – es una buena idea que los niños escriban exactamente lo que midieron en cada sismograma.
Variaciones
- ¿Qué crees que ocurrirá si utilizas un peso más ligero en la varilla horizontal de tu sismógrafo? ¿Si utilizas un peso más pesado?
- Otra forma de probar el sismógrafo sería dejar caer una caja con objetos de masa creciente a diferentes distancias del sismógrafo. Por ejemplo, podrías utilizar sacos de arroz seco de 20 libras, o un número creciente de libros. Utiliza una báscula de baño para medir el peso de la caja. También puedes probar esta prueba en diferentes sustratos (suelo de madera frente a losa de hormigón).
- Avanzado: ¿Se te ocurren formas de mejorar el sismógrafo? ¿O puedes pensar en una forma diferente de medir las ondas sísmicas? Dibuja un diagrama claro que muestre y etiquete todas las partes. Luego escribe un párrafo explicando cómo funciona tu diseño. A continuación te indicamos algunas consideraciones importantes a la hora de elaborar tu diseño:
- ¿Está hecho de materiales comunes y baratos que se encuentran en una tienda local?
- ¿Será capaz de determinar la magnitud relativa (tamaño) de cada vibración que mide?
- ¿Podrá medir las vibraciones de forma continua durante al menos 1 minuto?
- ¿Será capaz de medir incluso las vibraciones más leves (como las de una persona que salta al lado de su sismógrafo)?
El artículo complementa un proyecto interdisciplinario físico-alemán, que puede ver aquí. Si tiene sus propias experiencias o ideas, no dude en compartirlas en los comentarios. No olvide recoger las exposiciones de los alumnos una y otra vez, exponerlas y sacarlas a relucir y discutirlas en clase en el lugar adecuado. De este modo, no sólo repetimos el vocabulario, sino que generamos oportunidades lingüísticas.
