Estufa de cohetes como propuesta de práctica experimental para la enseñanza de la Física

ARTÍCULO ORIGINAL

SILVA, Rafael Leal da ^[1]

SILVA, Rafael Leal da. Estufa de cohetes como propuesta de práctica experimental para la enseñanza de la Física. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Año 05, Ed. 07, Vol. 02, págs. 28-42. Julio de 2020. ISSN: 2448-0959, enlace de acceso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/fisica-es/estufa-de-cohetes

RESUMEN

Las prácticas experimentales permiten a los estudiantes un entorno en el que el aprendizaje se produce de forma interactiva, dándoles así la oportunidad de crear hipótesis y ponerlas a prueba en un entorno donde el profesor es el mediador en el proceso de enseñanza-aprendizaje. Debido a la baja oferta de laboratorios equipados en algunos lugares, es necesario recurrir a alternativas, especialmente aquellas con propuestas de bajo costo y sustento. Este artículo presenta resultados cualitativos, así como una propuesta para la enseñanza de temas termodinámicos utilizando como objeto didáctico la estufa de cohetes, que ha sido estudiada en todo el mundo por ser menos contaminante y más eficiente energéticamente que las estufas que utilizan biomasa disponible para regiones económicamente vulnerables del mundo. Porque es un tema común para la mayoría de los estudiantes involucrados, en la actividad propuesta en este artículo la estufa de cohetes, además de facilitar la enseñanza de conceptos de física, permitió una discusión sobre la sostenibilidad en el contexto de la clase experimental. La práctica experimental se realizó dentro de la propuesta del laboratorio divergente, ya que en este tipo de ambiente, el estudiante tiene más libertad para ser el principal promotor de su proceso de aprendizaje, además de permitir una participación interactiva entre grupos. Una propuesta cuantitativa basada en los estudios de Okonkwo et al (2017) también se presenta en este artículo para una clase de física más avanzada. En general, después de la actuación y durante el experimento, la emoción de los estudiantes sobre la forma en que estaban aprendiendo física era notoria, por ir más allá de la metodología rígida tradicional de las clases teóricas.

Palabras clave: Estufa de cohetes, enseñanza de física, prácticas experimentales, laboratorio divergente.

1. INTRODUCCIÓN

La enseñanza de la física se enfrenta a grandes desafíos con respecto a la transposición didáctica. La forma tradicional de enseñar ha sido criticada por los investigadores en la enseñanza por no ser eficiente para superar la crisis educativa de esta disciplina en Brasil. Entre las propuestas para resolver problemas, la enseñanza que utiliza las prácticas experimentales como herramienta se ha señalado como de suma importancia, ya que la física tiene un carácter experimental que no se puede disociar de la disciplina (PINHO-ALVES, 2002; FARIA e CARNEIRO, 2020; FORÇA et al, 2011; KANBACH et al, 2005; ANDRADE, 2009).

Pinho-Alves (2000) llama la atención sobre el uso del laboratorio didáctico como proceso de enseñanza. Desde este punto de vista, tiene el poder de mediar y advertir contra el viejo paradigma que lo vio sólo como un método experimental. Por lo tanto, el rendimiento en el espacio escolar con los alumnos debe tener en cuenta la transposición didáctica que hace más accesible el proceso de transformación del conocimiento para enseñar a los conocimientos (PINHO-ALVES, 2000). Además, según él, la transposición didáctica se producirá a través del constructivismo en la forma de afrontar la producción de la ciencia durante el proceso de enseñanza-aprendizaje.

Para la aplicación de proyectos de prácticas experimentales como participante en la transposición didáctica, es necesario conocer la realidad del entorno escolar, así como el contexto sociocultural de la institución, el proyecto político pedagógico y la legislación educativa. Todos estos factores influyen en el uso de laboratorios de enseñanza en las escuelas. Además de los factores ya mencionados, está el proceso de educación del profesorado vinculado a la resistencia por parte de los directores escolares y pedagógicos a los cambios en la forma tradicional de enseñanza. Abordando esta influencia de las personas involucradas en el entorno escolar, Pinheiro comenta la dificultad para incluir el laboratorio didáctico en la enseñanza:

Para él, los grupos de noosfera vinculados a la comunidad escolar compiten más marcadamente, como la dirección de escuelas públicas, propietarios de establecimientos educativos, supervisores y asesores educativos, la comunidad de padres y maestros. Hay innumerables aspectos que contribuyen a la definición del conocimiento a enseñar, pero podemos identificar que se define por la posibilidad de un control social y legal del aprendizaje. (PINHEIRO, 1996)

Desde la perspectiva constructivista, las actividades experimentales simplifican el proceso didáctico, donde el profesor es el manipulador de esta herramienta. Por lo tanto, en la transposición constructivista, el experimento ya no es un objetivo para enseñar, sino más bien un elemento agregativo en el proceso de adquisición de conocimiento. Por lo tanto, con este objetivo, su aplicación debe caracterizarse por su versatilidad, por lo que asume un carácter mediador (PINHO-ALVES, 2002).

Al implementar el uso de laboratorio y todas las dinámicas involucradas, es necesario elegir qué tipo de laboratorio utilizar. A diferencia del modelo de laboratorio tradicional, que hace hincapié en la verificación o prueba de derecho y también en la exploración de conceptos hasta el agotamiento, el laboratorio divergente tiene como objetivo principal permitir que el estudiante decida sobre el esquema y el procedimiento experimental a adoptar (PINHO-ALVES, 2002).

Con respecto a la aplicación del laboratorio divergente, hay dos etapas. La primera etapa, llamada “ejercicio”, se produce en el momento en que los estudiantes realizan actividades y se adaptan al equipo e instrumentos de medidas y técnicas experimentales, así como a la teoría presentada. En esta etapa, el objetivo principal es la formación de los estudiantes. En la segunda etapa, conocida como “experimentación”, el estudiante elegirá qué actividad realizará, así como sus objetivos, hipótesis y qué medidas realizará. Después de la planificación, los estudiantes deben discutir con el maestro, con el fin de considerar posibles correcciones de sus conclusiones, además de la viabilidad de los materiales a utilizar dentro del período previsto de la práctica experimental (PINHO ALVES, 2000; BORGES, 2002). Debido a su versatilidad y posibilidades en modificaciones fuera de los rígidos estándares de los laboratorios tradicionales, el laboratorio divergente fue adoptado como una herramienta en este trabajo.

También en el contexto de las prácticas experimentales, Pearce (2007) aboga por el uso de proyectos tecnológicos dirigidos a la sostenibilidad, además de proponer materiales que puedan ser utilizados en lugares de difícil acceso a laboratorios docentes debido a las condiciones sociales en varios países subdesarrollados. En cuanto a la enseñanza de la termodinámica, Pearce indica experimentos con refrigeración evaporativa, estufas/hornos, cocina solar, deshidratador de alimentos y otros dispositivos de uso solar.

En Brasil, la matriz energética de biomasa corresponde a una quinta parte de toda la energía consumida en el país (MAIA y GOMES, 2009). Esto abre espacio para una amplia discusión tanto en el sentido de la física puramente dicho, como en temas más generales como el calentamiento global, el efecto invernadero, la deforestación, la conservación del medio ambiente, la emisión de gases tóxicos y el peligro para la salud. Estos temas difícilmente se abordarían en una clase de física tradicional al enseñar los temas de la termodinámica (MAZORRA et al, 2019; GOLDEMBERG e LUCON, 2007; SILVA, 2019; SANTOS, 2017; CARVALHO, 2014).

Este trabajo presenta una propuesta pedagógica de la práctica experimental utilizando la estufa de cohetes como objeto de estudio porque permite un enfoque multidisciplinar de los temas: energías renovables, sostenibilidad, experimentos con materiales de bajo coste y enseñanza de la termodinámica de una manera más cercana a la vida diaria de los estudiantes.

2. EXPERIMENTACIÓN EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA

Tanto los organizadores de los planes de estudio como los profesores, al utilizar el trabajo práctico, encuentran dificultades, como señala Hodson (1994). Generalmente, estas dificultades ocurren debido a barreras innecesarias que impiden el aprendizaje de información excesiva. Por lo tanto, Hodson argumenta que se pueden adoptar dos estrategias. El primero: adoptar un enfoque de receta donde el experimento tiene un objetivo simple y una hoja de ruta paso a paso. El segundo: un comportamiento aleatorio que hace que el estudiante parezca ocupado.  En este caso, es necesario tener cuidado al proponer una práctica experimental, eliminar los pasos muy elaborados y evitar prestar demasiada atención a las medidas de una sola variable (HODSON, 1994).

Para él, la enseñanza de la ciencia tiene tres aspectos principales convergentes relevantes:

1. 1. 1. Aprendizaje de la ciencia adquiriendo y desarrollando conocimientos teóricos y conceptuales;
      2. Aprender sobre la naturaleza de la ciencia desarrollando una comprensión de la naturaleza y los métodos de la ciencia, siendo consciente de las complejas interacciones entre el conocimiento y el desarrollo social;
      3. Prácticas científicas, desarrollo de conocimientos técnicos sobre investigación científica y resolución de problemas. (HODSON, 1994)

Así como la experimentación es fundamental para hacerla científica, debe ser fundamental en la enseñanza de la Ciencia.  Según Hodson (1994), los organizadores y profesores todavía no distinguen entre la práctica experimental y el proceso de enseñanza-aprendizaje. También afirma que muchos comentan el error de entender la práctica experimental sólo como ese tipo de trabajo realizado en un banco de laboratorio.

A pesar de ser una herramienta con eficacia probada en la enseñanza, la experimentación es criticada en el sentido de su aplicación, ya que existen prácticas demasiado complejas que podrían ser más dañinas para la enseñanza que efectivas. Para Séré (2002), existen diferentes formas de incluir prácticas experimentales en la enseñanza, con diferentes resultados:

1. 1. 1. Comprender la teoría, los conceptos, los modelos, las leyes, el razonamiento específico, que a menudo difieren notablemente del razonamiento actual;
      2. Aprender toda la teoría;
      3. Realizar experimentos que muestren una serie de realidades, hechos e instrumentos que utilicen teorías y procedimientos, para adquirir experiencia, que confirmen la experiencia;
      4. Aprender los procedimientos y las rutas para poder utilizarlos al realizar otros experimentos en otros contextos;
      5. Aprender a utilizar los conocimientos teóricos aprendidos para que esté presente y utilizado cuando se trata de realizar un proceso de investigación completo. (SÉRÉ, 2002)

Por lo tanto, es necesario detectar el mejor enfoque dentro de cada situación al aplicar prácticas experimentales. Dependiendo del enfoque elegido, las actividades prácticas pueden tener los siguientes objetivos, como afirma Borges (2002): servir para probar una ley, ilustrar ideas y conceptos de clases teóricas, y deducir una fórmula o ley sobre un fenómeno. La recomendación es dividir a los estudiantes en pequeños grupos, facilitando la interacción en la preparación del experimento y permitiendo el intercambio de ideas. Otra ventaja señalada es el carácter informal de las prácticas experimentales que contrasta con el formalismo y la rigidez de las clases teóricas (BORGES, 2002).

También hay críticos de las prácticas experimentales en la enseñanza, argumentando que son ineficaces para los estudiantes, porque se pasa mucho tiempo en detalles importantes en el proceso de enseñanza, tales como; montaje del experimento, recopilación de datos, prueba de ecuaciones y verificación de resultados previamente determinados. En este punto de vista crítico de las prácticas experimentales, los estudiantes no dedican suficiente tiempo al análisis e interpretación de los resultados y que estas actividades tendrán poca eficacia (COELHO et al, 2000).

Entre las principales dificultades en la introducción de la enseñanza de la ciencia con laboratorios, Pinho-Alves (2000) señala el peligro de tener varios objetivos no compatibles en la misma actividad. Para él y otros autores, uno debe buscar formas más creativas y eficientes, con objetivos bien definidos, buscando utilizar metodologías que hagan que la enseñanza experimental y la enseñanza teórica estén de acuerdo, permitiendo integrar la práctica y la teoría y así, como resultado, el experimento sirvió de base a la teoría.

En un contexto más general, al descartar el uso de laboratorios en la enseñanza de la ciencia, lo que sucede es que la enseñanza se reduce a un mero sistema abstracto de definiciones, fórmulas, leyes y ejercicios, sin conexión con el carácter fundamental de las ciencias que tiene el experimento como el principal agente del descubrimiento. Las teorías de la física tienen su construcción en modelos matemáticos, sin embargo, sin prueba experimental no sería posible obtener una comprensión de cómo funciona la naturaleza y por qué (AXT, 1991).

Para Pinho-Alves (2000), la experimentación en la enseñanza necesita un tipo de laboratorio adecuado para cada realidad y que esté de acuerdo con los objetivos de las instituciones educativas y profesores. Los tipos de laboratorios deben estudiarse desde el punto de vista de sus características.

En este trabajo, elegimos el laboratorio divergente, porque su dinámica permite al estudiante trabajar sistemas físicos reales, permitiendo el abordamiento de problemas igualmente reales cuyas respuestas no son preconcebidas. Además, los estudiantes pueden elegir qué esquema y procedimiento adoptar durante el estudio. En la etapa de ejercicio, todos los estudiantes deben responder a una serie de preguntas comunes a todos los estudiantes, procedimientos, medidas, todos con el objetivo de la formación para la segunda etapa. En la segunda etapa, los alumnos deciden qué actividad realizarán, sus objetivos e hipótesis a probar, justo después de la interacción con el profesor, puede haber modificaciones y correcciones eventuales, así como la verificación de la viabilidad del material disponible y el tiempo para realizar el experimento (BORGES, 2002).

3. ROCKET STOVE

En la perspectiva del enfoque de laboratorio divergente, se hizo una práctica con estufas de cohetes. Siguen los principios del diseño de Winiarski (1982) y el trabajo conjunto de Still y Winiarski (2001) que ayudan en la eficiencia energética en comparación con otras estufas que utilizan la biomasa como fuentes de energía. Los tamaños de las aberturas de la estufa son importantes, ya que deben ser dimensionadas. Si las aberturas son pequeñas, la biomasa no se puede quemar correctamente y el humo puede volver al lugar de combustión. Del mismo modo, si las aberturas son grandes, el calor no se transmitirá a la sartén escapando por agotamiento. En este trabajo, utilizamos el modelo de estufa de cohetes tipo rodilla, de acuerdo con el diagrama de la Figura 1.

Figura 1: Esquema de estufa de cohetes de tipo rodilla. La base más pequeña consiste en un estante que sirve como soporte para el combustible y una entrada para el flujo de aire. La parte más grande e interna es la cámara de combustión donde el flujo de aire se encuentra con la llama. El exterior, en este ejemplo, es de metal y, en la parte superior, la salida a la llama y la abertura para colocar la sartén.

La deforestación es un problema en muchos países del sur de Asia.  La sustitución de las estufas tradicionales de tres quemadores por estufas de cohetes redujo el consumo de madera en promedio de 3,68 toneladas a 2.706 toneladas al año en cada hogar. Existe una gran demanda de energía de las personas que viven en zonas rurales de Nepal que dependen de fuentes de biomasa. Aproximadamente el 64% de la población nepalí utiliza la madera como su principal fuente de energía para cocinar (SUBEDEE et al, 2017).

En algunas regiones del mundo, debido a la deforestación y otros factores, el principal combustible utilizado para las estufas es la mandíbula seca. Sin embargo, es menos eficiente energéticamente que la madera y el carbón (WITT et al, 2006). Como resultado del prototipo de estufa de cohetes que utiliza el estiércol como combustible, en comparación con otras estufas que no siguen los principios de Larry Winiarski (1982), el artículo presenta que en la prueba de agua hirviendo, el prototipo es más eficiente energéticamente y redujo las emisiones de CO en un 44% en comparación con el fuego directamente en la madera. Mostrando que es un prototipo prometedor al reducir los niveles de contaminación y reducir las pérdidas económicas del uso de grandes cantidades de combustible.

Ochieng et al. (2013) y sus colaboradores investigaron la emisión de monóxido de carbono (CO) en 102 hogares para comparar las diferencias de emisión entre tres tipos de estufas utilizadas en esta región, las estufas tradicionales de tres piedras y la estufa de cohetes de arcilla. Realizar mediciones continuas de 48h en las cocinas de estas residencias, mientras que las concentraciones de personal de cocina y CO fueron de 7,3 y 6,5 ppm, respectivamente, para las estufas de tres piedras, las concentraciones correspondientes para las estufas de cohetes fueron de 5,8 y 4,4 ppm. Teniendo en cuenta la ubicación de la cocina, la ventilación, el estado socioeconómico y la concentración de la mezcla de combustible, el uso de estufas de cohetes de arcilla redujo los co levels asociados con la cocina en un 33% y los niveles personales en un 42% en comparación con la estufa de tres piedras.

Los resultados de este estudio muestran que el uso de la biomasa como combustible en las cocinas aumenta los co levels dentro de los hogares. Este tipo de uso es bastante común en los hogares rurales del oeste de Kenia. Aunque la concentración de CO es menor en los hogares que utilizan estufas de cohetes, siguen siendo altas en general, lo que sugiere que pueden no producir beneficios significativos para la salud respiratoria. La reducción sustancial de las concentraciones de CO puede tener consecuencias para la salud como resultado de los niveles de exposición al CO. Estas consecuencias necesitan una investigación más profunda.

Burnham-Slipper (2009) produjo una estufa de cohetes que mostró buenos resultados en la optimización del uso de la madera, reduciendo la cantidad de combustible necesario para las tareas diarias, reduciendo las emisiones de carbono y mejorando la calidad de vida, especialmente para las mujeres y los niños. En el trabajo, utilizó un programa de dinámica de fluidos computacional para optimizar las condiciones de combustible. Al principio, la fase experimental caracterizó la velocidad de combustión, la temperatura de la quema de gas.

Winiarski (1982) presenta principios para optimizar las estufas que utilizan la madera como combustible. La estufa de cohetes usada aquí, se basan en ellos. Son:

1. 1. 1. Aísla alrededor del fuego usando materiales ligeros y resistentes al calor;
      2. Coloque una chimenea aislante sobre el fuego para redirigir el humo;
      3. Calienta los extremos de las varillas, palos y leña antes de prenderles fuego para que hagan llamas y no fumen;
      4. Más calor o menos calor depende de cuántas palos se colocan en el fuego;
      5. Mantén un buen palo bajo fuego, a través de las brasas. Evite permitir que demasiado aire extra por encima del fuego lo enfríe;
      6. Pequeño palo que se tira en el fuego dará lugar a humo y exceso de carbón;
      7. Mantener el flujo de aire al fuego, el espacio dentro de la estufa, a través del cual fluye el aire caliente y la chimenea debe ser del mismo espesor;
      8. Utilice una parrilla en el fuego;
      9. Aísle el camino del flujo de calor del fuego alrededor de la sartén;
      10. Maximice la transferencia de calor a la sartén con aberturas de tamaño adecuado. (WINIARSKI, 1982)

Las estufas de cohetes se pueden producir con los más variados materiales de fácil acceso y bajo costo, tales como latas de metal, arcilla, ladrillos, madera, etc. Gandigue y Nagarhalli (2018) presentan una revisión de los principales tipos de estufas de cohetes y parámetros que influyen en las mejoras de eficiencia en cada modelo.

Los parámetros están relacionados con el tamaño de la chimenea, la cámara de combustible y las aberturas de entrada y salida de aire del incendio. Si las aberturas son demasiado pequeñas, no podrá quemar el combustible correctamente y generará humo. Por otro lado, si las aberturas son excesivamente grandes, el calor se escapa y no se utilizará eficientemente para calentar la sartén por agotamiento. Las dimensiones de los parámetros siguen los principios de Winiarski (1982) y los parámetros geométricos se encuentran en las fórmulas de Dana (2009), que son:

Las variables geométricas en las ecuaciones (01), (02), (03) y (04) son respectivamente: K es la altura de la chimenea hasta el final de la cámara de combustión, J siendo la altura de la cámara de combustión, Altura H_c de la chimenea de la base de la estufa, L la longitud de la base donde se colocará el combustible y la abertura para el flujo de aire y A es el área de la cámara de combustión.

4. METODOLOGÍA

El presente trabajo se desarrolló en las clases de prácticas experimentales en un municipio de Paraíba. Los resultados presentados aquí constituyen una investigación cualitativa con el fin de presentar un enfoque experimental de temas de física que dialogan con otras disciplinas y se conectan con el contexto social de los estudiantes de las tierras de Paraiba.

Inicialmente, los estudiantes estuvieron expuestos a los contenidos de la termología, calorimetría y termodinámica y a los principios de funcionamiento del diseñador de la estufa de cohetes en las clases teóricas de Física. En el primer semestre de 2020 se distribuyeron dos secciones de clases experimentales, que en cada sección se llevaron a cabo clases experimentales. Los estudiantes se dividieron en 5 grupos y produjeron un total de 5 estufas de cohetes. La Figura 2 muestra una de las estufas montadas durante la clase. El material necesario para la producción de las estufas se encontró en el propio laboratorio de ciencias y los restos de residuos sólidos (ladrillos) encontrados en el patio de la escuela que estaba en proceso de renovación.

La construcción de las estufas tuvo lugar en el área exterior de la escuela donde los estudiantes eran libres de recoger el material necesario, siguiendo así los principios de winiarski y los parámetros geométricos de Dana para optimizar el funcionamiento del aparato.

Figura 2: Estufa de cohetes construida con ladrillos de escombros de cambio de imagen de la escuela.

Después del experimento, con el fin de evaluar cualitativamente el aprendizaje de los estudiantes, se propuso un informe con la siguiente estructura obligatoria: introducción, materiales y métodos y conclusiones.

5. RESULTADOS Y DISCUSSIONS

La construcción de la estufa de cohetes proporcionó un espacio para extensas discusiones, que sería difícil de abordar con guiones más tradicionales de experimentos de física para la escuela secundaria. La metodología dio lugar al tema de las energías renovables y no renovables, discusiones sobre el efecto invernadero causado principalmente por los gases emitidos en la quema de biomasa. Otra discusión planteada por los propios estudiantes fue la cuestión de la eficiencia que se podría lograr utilizando parámetros geométricos y conceptos de la física.

En los informes finales de la práctica, los estudiantes atribuyeron gran importancia a las prácticas experimentales en este estilo en el que las teorías adquieren aplicaciones prácticas y sencillas. Otra observación relevante de los estudiantes fue el hecho de que la interacción grupal también facilitó la asimilación de los conceptos de física, porque las dudas teóricas y los posibles problemas con el montaje de la estufa experimental se resolvieron de una manera en la que se sentían seguros.

El experimento levantó el carácter de investigación en los estudiantes, planteando hipótesis sobre la ley de la conservación de la energía, la transferencia y la propagación del calor. En cuanto al papel del profesor en las obras experimentales, es importante destacar el deber de ser mediador, ofreciendo un guión de práctica que es simple y claro, es decir, eliminando los pasos demasiado complejos y a veces innecesarios durante el montaje y ejecución del experimento. El profesor, al proponer trabajos experimentales que impliquen más de un concepto físico, como es el caso en el presente asunto, no debe caer en el error de proporcionar respuestas fáciles a preguntas y dificultades. En su guión y actuación, tiene la posición de promover los hallazgos de los estudiantes, quienes, a través de la interacción social y el conocimiento previo, encontrarán sus respuestas.

La demostración cualitativa de la eficiencia de la estufa, en comparación con la estufa tradicional de tres piedras, fue llevada a cabo por los estudiantes de una manera práctica y sencilla en comparación. Después de la construcción de los dos modelos de estufas (la estufa de tres piedras y cohetes), hubo un debate reflexivo donde los grupos llegaron a la conclusión de que la mejor manera de probar la eficiencia sin hacer cálculos, sería pesar, con la ayuda de una báscula, cantidades iguales de madera para las dos estufas. Por lo tanto, dos sartenes de aluminio iguales que contienen cantidades iguales de agua se colocarían simultáneamente en las dos estufas. Llegaron a la conclusión de que la estufa que hacía hervir el agua primero y con la menor cantidad de combustible quemado, sería la mejor eficiencia. Con la prueba y la afirmación positiva de la hipótesis comprobada, la emoción de los estudiantes con el producto de sus esfuerzos experimentales y teóricos fue notoria.

6. OTRA PROPUESTA DE PRÁCTICA EXPERIMENTAL PARA UN ENFOQUE CUANTITATIVO

La estufa de cohetes también se puede utilizar en una clase de física más avanzada que ya tiene conocimientos sobre la teoría de la transferencia de calor y las transferencias de masa.

La técnica fue aplicada por Okonkwo et al (2017) para probar la eficiencia de un prototipo desarrollado por ellos. Para su análisis, se debe aplicar la Ley de Conservación de la Energía (RAJPUT, 2010):

Para la estufa de cohetes, la energía de entrada está relacionada con la energía almacenada en la madera de acuerdo con la siguiente ecuación:

Donde M_m es la masa de madera, M_e calor de la madera, M_c la masa de carbón. La energía de salida se basa en la energía transferida al agua, que se modela por:

Siendo M_a la masa inicial del agua, C_p el calor específico del agua, la variación de la temperatura hasta que la ebulliciónes ΔT, M_e la masa de agua evaporada y L calor latente de vaporización de agua. En este modelo, las pérdidas de conducción no se tienen en cuenta, por lo que son consideradas por los cambios de energía para la estufa. La convección y las pérdidas de radiación se pueden calcular para la estufa y la sartén en función de las temperaturas superficiales durante la combustión. La convección está modelada por la ley de refrigeración de Newton:

Donde q es la transferencia de calor, coeficiente de transferencia de calor h, área de superficie A, temperatura superficial T_s e T_∞ temperatura de radiación del aire en el medio ambiente. Está modelado por la ley de Stefan-Boltzmann:

Donde está el calor transferido, es la emisividad, es la constante Stefan-Boltzamann, se absorbe de, T_∞⁴ temperatura ambiente del fluido y la temperatura de la superficie T_s⁴ . Las transferencias de energía se basan en los términos de las masas en la estufa y la sartén. Los términos de energía almacenados se basan en el calor específico del material de acuerdo con la siguiente ecuación:

Donde m es la masa, el calor específico de C_p y la variación de temperatura de ΔT . Por lo tanto, las teorías fundamentales de la transferencia de calor, combinadas con la ley de conservación de la energía determinan la magnitud y la ubicación de las pérdidas de calor de la estufa. Utilizando la siguiente ecuación (TUKANA, 1993):

Y por último, la eficiencia se puede calcular mediante la expresión de la relación de las energías de salida y entrada:

Para esta propuesta con un enfoque más cuantitativo, el profesor podrá utilizar la estufa de cohetes en clases experimentales para enseñar: la cantidad de calor, calor específico, calor latente, conservación de energía, primera ley de termodinámica, la ley de Stefan-Boltzmann y otros temas de la termodinámica.

7. CONSIDERACIONES FINALES

Las propuestas de prácticas experimentales, cuando se incluyan en el currículo, deben tener en cuenta la realidad del entorno escolar en el que se inserta. Por lo tanto, el criterio en la elección es necesario para involucrar a los estudiantes en las actividades. Los pasos demasiado laboriosos en el montaje, las mediciones y los cálculos de las actividades deben ser pensados para que no distraiga al estudiante del objetivo esencial.

El conocimiento científico de la física tiene en sí mismo la dimensión, necesariamente, la comprensión teórica de los conceptos, pero también la prueba a través de experimentos. Estas dos dimensiones son complementarias. Por lo tanto, la práctica experimental se vuelve inseparable de la teoría en el proceso de transposición didáctica.

La elección de laboratorio divergente permite un entorno de libertad creativa, interacción grupal, pruebas y refutación de hipótesis de una manera dinámica y participativa. Sin embargo, el profesor debe tener la posición de señalar posibilidades sin dar respuestas directas y soluciones a las dificultades de los alumnos, ya que en este tipo de propuestas, asumen una posición de autonomía.

En resumen, la elección de un experimento con materiales de bajo costo, propuestas sostenibles y montaje por parte de los propios estudiantes se vuelve ventajosa en las escuelas donde no hay recursos de laboratorio. La práctica experimental de la estufa de cohetes presentaba una posibilidad multidisciplinar que va más allá de la simple enseñanza de temas termodinámicos y la prueba experimental de las asignaturas vistas en las clases teóricas. Los estudiantes se sintieron conectados con un experimento que implicaba un problema cotidiano común para muchos de ellos.

8. Gracias

Agradezco encarecidamente a la Fundación Paraíba Research Support Foundation (FAPESQ-PB) la continua beca de formación del profesorado del edicto No. 009/2019 como cuotas de becas del programa semiárido Gira Mundo Israel, otorgado por el Gobierno del Estado de Paraíba.

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Erratas

Este artículo presenta las siguientes erratas:

En este trabajo, elegimos el laboratorio divergente, porque su dinámica permite al estudiante trabajar sistemas físicos reales, permitiendo el abordamiento de problemas igualmente reales cuyas respuestas no son preconcebidas. Además, los estudiantes pueden elegir qué esquema y procedimiento adoptar durante el estudio. En la etapa de ejercicio, todos los estudiantes deben responder a una serie de preguntas comunes a todos los estudiantes, procedimientos, medidas, todos con el objetivo de la formación para la segunda etapa. En la segunda etapa, los alumnos deciden qué actividad realizarán, sus objetivos e hipótesis a probar, inmediatamente después de la interacción con el profesor, puede haber modificaciones y correcciones eventuales, así como la verificación de la viabilidad del material disponible y el tiempo para realizar el experimento (PINHO-ALVES, 2000; BORGES, 2002).

Los parámetros están relacionados con el tamaño de la chimenea, la cámara de combustible y las aberturas de entrada y salida de aire del incendio. Si las aberturas son demasiado pequeñas, no podrá quemar el combustible correctamente y generará humo. Por otro lado, si las aberturas son excesivamente grandes, el calor se escapa y no se utilizará eficientemente para calentar la sartén por agotamiento. Las dimensiones de los parámetros siguen los principios de Winiarski (1982) y los parámetros geométricos se encuentran por las fórmulas de Okonkwo et al (2017) y Dana (2009), que son:

^[1] Doctor en Física de la Materia Condensada, Máster en Física de la Materia Condensada, especialista en metodología de enseñanza de física y grado en física.

Enviado: Julio, 2020.

Aprobado: Julio, 2020.