Quiero vivir sin escafandra

PROYECTO
DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA
V FERIA DE LA CIENCIA DE SEVILLA 2007
10, 11 y 12 de mayo de 2007
-ASTRONOMÍA-
“Quiero vivir sin escafandra”
Escafandra. Traje hermético que usan los astronautas para salir
de la nave en el espacio.
Asociación Ibn Firnás – I.E.S. Antonio de Ulloa
La Rinconada, 1 de noviembre de 2006
La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
1 Casco y sistema de comunicaciones. Las luces están montadas sobre el casco
para ayudar al astronauta a ver en la oscuridad de espacio exterior. Pequeños tubos
dentro del casco canalizan el oxígeno, permitiendo al astronauta respirar. Los
auriculares y micrófonos están sujetos por un gorro de tela. Estos elementos ayudan al
astronauta a mantenerse en contacto con el resto de la tripulación que se encuentra
en la estación espacial y en la Tierra. Una visera chapada dorada protege los ojos del
astronauta de los rayos del sol reflejando el calor y la luz.
2 Guantes. Los guantes espaciales están construidos con uniones flexibles y las
extremidades son de goma. Esto permite a los astronautas sostener cómodamente
sus instrumentos y tener cierta sensibilidad táctil cuando realizan sus trabajos a pesar
de las temperaturas extremas de espacio exterior. Los guantes cuentan con varias
capas protectoras que en muchos casos no evitan dejar los dedos fríos y con un
sentimiento de cosquilleo.
3 Unidad de control y de alertas. Gracias a esta unidad el astronauta puede
controlar el aire acondicionado, la radio y el sistema de respiración artificial con sólo
pulsar un botón. Cuando es activado el sistema de refrigeración, éste envía agua
enfriada por tubos diminutos que se encuentran en el interior de la prenda espacial a
todo el cuerpo.
4 Mochila salvavidas. Suministra el oxígeno necesario para la respiración, provee el
aire acondicionado, equilibra niveles de presión dentro del traje y sostiene la radio para
las comunicaciones en un paseo espacial. Los astronautas controlan el funcionamiento
de estos sistemas usando la unidad de control y de alertas que se encuentra en la
zona del pecho.
5 Botas. Las botas contienen unos imanes muy fuertes que permiten a un astronauta
adherirse al metal para su seguridad. Resultan de mucha utilidad en una reparación
realizada en el exterior de una nave.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Índice
Título del proyecto, 4
Temática a la que se acoge, 4
Objetivos, 4
Justificación teórica, 4
La escafandra proporciona oxígeno, 4
Los radicales libres, 6
La escafandra equilibra la presión, 7
La escafandra protege de las inclemencias externas, 8
Quiero vivir sin escafandra, 9
Relación de actividades, 12
1. Centrales energéticas de las células: las mitocondrias, 12
2. La escafandra de la Tierra, 14
3. Reparando en el exterior, 16
4. La escafandra espacial, 17
5. Presión mágica, 19
6. La patata astronauta, 21
7. Control de la temperatura dentro de un traje espacial, 23
8. Diseño y construcción de cohetes de agua, 25
9. Película: “La Tierra que nunca nos pertenecerá”, 27
10. El oxígeno que tiene el aire, 28
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Título del Proyecto
Quiero vivir sin escafandra.
Temática a la que se acoge
La atmósfera y la vida.
Objetivos
El presente proyecto comprende un conjunto de actividades de divulgación
relacionadas con la disciplina astronómica e insertada en la temática de “La
atmósfera y la vida”.
Nos ocuparemos, principalmente, del traje espacial o escafandra que es la
prenda básica e indispensable para realizar cualquier actividad extravehicular y
una medida de seguridad para la reentrada en la atmósfera terrestre; pues
protege a los seres humanos del calor, el frío, la radiación y la nula presión
atmosférica del espacio.
El objetivo general es dar a conocer el funcionamiento de un traje espacial y
relacionar los servicios que brinda a sus portadores con la protección que
ofrece la atmósfera terrestre a la vida en la Tierra, todo ello mediante
demostraciones y experimentos que ayuden a entender los siguientes
contenidos:
-
Las funciones de las mitocondrias en la célula. El Ciclo del Oxígeno.
-
La atmósfera propicia para la vida.
-
El espacio: un medio hostil para la vida.
-
La presión atmosférica y el vacío.
-
Las radiaciones solares. La radiación ultravioleta. La capa de ozono.
-
Instrumentos de soporte vital de un traje espacial.
Justificación Teórica
La atmósfera es la gran escafandra natural que rodea al planeta Tierra y que
nos protege impidiendo la entrada de radiaciones peligrosas del Sol. La
atmósfera está formada por una mezcla de gases que se vuelve cada vez más
tenue hasta alcanzar el espacio, y el aire en la atmósfera terrestre es esencial
para la vida ya que nos permite respirar.
La escafandra proporciona oxígeno.
El oxígeno representa aproximadamente el 21% del aire que respiramos y es
esencial para la vida humana, aunque no para toda forma de vida. Los
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
organismos anaeróbicos no precisan del oxígeno para vivir, a diferencia de los
organismos aerobios.
El oxígeno es un elemento químico de número atómico 8 y símbolo O. En su
forma molecular más frecuente, O2, es un gas a temperatura ambiente. Es uno
de los elementos más importantes de la química orgánica y participa de forma
muy importante en el ciclo energético de los seres vivos, esencial en la
respiración celular de los organismos aeróbicos. Es un gas incoloro, inodoro e
insípido. Existe una forma molecular formada por tres átomos de oxígeno, O3,
denominada ozono cuya presencia en la atmósfera protege la Tierra de la
incidencia de radiación ultravioleta procedente del Sol. Un átomo de oxígeno
combinado con dos de hidrógeno forma una molécula de agua.
En condiciones normales de presión y temperatura, el oxígeno se encuentra en
estado gaseoso formando moléculas diatómicas (O2) que a pesar de ser
inestables se generan durante la fotosíntesis de las plantas y son
posteriormente utilizadas por los animales en la respiración
El oxígeno es el combustible que transforman en energía las mitocondrias. Las
mitocondrias son los orgánulos celulares que se encuentran en prácticamente
todas las células eucariotas (poseen un núcleo celular delimitado por una
membrana), encargados de suministrar la mayor parte de la energía necesaria
para la actividad celular, actúan por tanto, como centrales energéticas de la
célula y sintetizan ATP (adenosina trifosfato) por el ciclo del ácido cítrico (de
Krebs) y la cadena de transportadores electrónicos o cadena respiratoria. La
difusión del oxígeno a los tejidos es posible gracias a una cascada de gradiente
de presión, desde el aire ambiental hasta la mitocondria.
En un cuerpo humano hay 1017 mitocondrias que funcionan como pequeñas
centrales energéticas y al igual que una central eléctrica de carbón, produce
deshechos que dañan a las células. Las mitocondrias cuentan con un sistema
de mantenimiento para subsanar problemas, pero cuando el número de
mitocondrias dañadas en una célula es importante y cuando el esfuerzo de
mantenimiento es mayor al de provecho energético, estas pequeñas centrales
deciden cerrar y la vida de la célula termina en una especie de suicidio
programado conocido como apoptosis.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Célula
Los radicales libres
“Los radicales libres son la parte negativa de nuestro amigo el oxígeno. El cuerpo
utiliza el oxígeno respirando una bocanada de aire, que se transmite a la sangre y
ésta se la lleva a cada célula del cuerpo. Una vez en la célula, el oxígeno penetra por
unos pequeños orgánulos, las mitocondrias, que son unas cápsulas en el interior de
las células donde, en realidad, la célula quema el oxígeno para crear energía. Por
tanto, ese oxígeno es una parte fundamental de la generación de energía en el interior
de la célula. Pero ya sabes si utilizas oxígeno en una chimenea para crear energía.
De vez en cuando el fuego lanza chispas y es peligroso, ya que puede extender el
fuego fuera de la chimenea. Pues ocurre exactamente lo mismo dentro de las células
del cuerpo: la mayor parte del oxígeno se utiliza de forma segura, dentro de las
mitocondrias en las células, pero se estima que un dos o tres por ciento de las
moléculas de oxígeno escapan de los canales químicos adecuados en los que se
realiza el proceso y siembran el caos porque el oxígeno es un elemento químico muy
reactivo. Todos hemos experimentado como el oxígeno corroe la chapa de un coche o
qué le hace el oxígeno a la mantequilla si la dejamos expuesta al aire. El oxígeno es
un agente muy dañino y puede causar muchos daños en el interior de las células. Los
radicales libres del oxígeno hacen saltar lo primero que se encuentran, y si es el ADN,
dañan el ADN, si es una membrana, dañan la membrana, si es una proteína la
destruyen. Y sucede en cada minuto de tu vida”.
Tom Kirkwood
Universidad de Newcastle
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
La escafandra equilibra la presión.
También, la vida en la Tierra se ha adaptado con el transcurso de los años a
unas condiciones de presión atmosférica que también ha evolucionado por los
cambios en la composición y en las proporciones de sus gases.
La presión atmosférica es la presión del aire sobre la superficie terrestre.
Además es un factor abiótico (designa a lo que no forma parte o no es producto
de los seres vivos).
La atmósfera terrestre
El aumento o disminución de la presión está condicionado por la altura y la
temperatura de lugar donde nos encontramos, y si éste se encuentra al nivel
del mar la presión media será de 1013 milibares.
En 1643, Torricelli tomó un tubo de vidrio de aproximadamente un metro de
longitud y lo llenó de mercurio. Manteniendo el tubo cerrado con un dedo, lo
invirtió y lo introdujo en una vasija con mercurio. Al retirar el dedo comprobó
que el metal descendía hasta formar una columna cuya altura era 14 veces
menor que la que se obtenía al realizar el experimento con agua. Como sabía
que el mercurio era 14 veces más pesado que el agua, dedujo que ambas
columnas de líquido estaban soportadas por igual contrapeso, sospechando
que sólo el aire era capaz de realizar dicha fuerza.
Luego, Pascal abordó el experimento definitivo, consistente en transportar un
barómetro a distintas altitudes para comprobar si era realmente el peso del aire
el que determinaba la ascensión del líquido en el tubo.
También, de gran trascendencia, otro experimento realizado en el año 1654 en
la ciudad de Magdeburgo por el inventor Otón de Guericke conocido como
Hemisferios de Magdeburgo que cautivó al público presente y a personajes
ilustres de la época. Para realizar esta experiencia, dispuso la construcción de
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
dos hemisferios huecos de cobre, ajustó estos dos hemisferios con la
precaución de que no entrara aire y extrajo el del interior hasta practicar el
vacío a través del conducto del hemisferio inferior, tras lo cual cerró el grifo y
ató cada hemisferio a un arnés tirado por ocho caballos que no consiguieron
despegar ambas mitades. Después, mediante una válvula se le insufló aire
nuevamente a la esfera, para separar sus dos mitades sin dificultad.
En los hemisferios sólo actúa la presión atmosférica, ya que al extraer el aire
no hay presión en el interior. Si la superficie de los hemisferios es
suficientemente grande, se necesita una fuerza bastante considerable para
tratar de separarlos.
Tanto las naves como los trajes espaciales cuentan con un sistema
responsable de equilibrar la presión interna a unos niveles adecuados para la
vida humana.
La escafandra protege de las inclemencias externas
La capa de la atmósfera que está sobre la troposfera se conoce como
estratosfera. Se extiende desde cerca de 15 kilómetros hasta 50 kilómetros de
altitud.
La temperatura de la estratosfera aumenta con la altura. Esto no se debe a que
el Sol está más cerca de la estratosfera en comparación con la troposfera. Se
debe a que la estratosfera contiene altas concentraciones de gas ozono (O3)
formando la famosa capa de ozono que absorbe entre un 97 y 99% de la
cantidad total de radiación ultravioleta convirtiéndola en calor. Esto previene
que la radiación ultravioleta llegue a la superficie de la Tierra evitándonos
graves problemas de salud. En el espacio exterior por la ausencia de atmósfera
las radiaciones solares no son filtradas y son todavía más perjudiciales porque
inciden directamente sobre el cuerpo u objeto expuesto.
En la Luna la atmósfera se puede decir que es casi inexistente y la radiación
solar incide directamente sobre su superficie descomponiendo en polvo lunar
las rocas, por su acción y también primordialmente por el bombardeo histórico
de micrometeoritos. Aunque en la Tierra diariamente caen toneladas de
meteoritos, la atmósfera actúa como un muro natural que frena y descompone
esa materia siendo el origen de un bello espectáculo conocido como lluvia de
estrellas.
Así, en la Luna, muchas de las cosas que pueden hacerle daño a un ser vivo
son invisibles: el impresionante vacío, las temperaturas extremas y la radiación
espacial encabezan la lista.
La superficie de la Luna está ampliamente expuesta a los rayos cósmicos y las
erupciones solares, y parte de esta radiación es muy difícil de frenar con
protectores. Además, cuando los rayos cósmicos impactan en el suelo, éste
produce una peligrosa lluvia de partículas secundarias. Toda esa radiación si
penetrara en los tejidos humanos afectaría al ADN, fomentando el riesgo de
cáncer y otras enfermedades.
En el caso de un astronauta, la diferencia entre la cantidad de radiación total
emitida y absorbida es lo que nos indica su temperatura. Es decir, éste no se
encuentra en ningún medio que presente una temperatura determinada, sino
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
que, al hallarse en el vacío, dicha temperatura dependerá de la distancia a las
fuentes que radien energía. De esta forma, los objetos en el espacio que se
encuentran expuestos al Sol pueden aumentar su temperatura rápidamente,
pero les cuesta perder su calor. En cambio, los objetos que se hallan situados
en zonas del espacio no iluminadas por el Sol -por ejemplo, tras la zona
nocturna de la Tierra o sobre la superficie de la Luna cuando es de noche- se
enfrían. En resumen, la temperatura de un astronauta depende
fundamentalmente del lugar en el que éste se encuentre y si éste se halla o no
iluminado por el Sol.
Si escudásemos completamente del Sol a un astronauta, sólo expuesto a la
radiación interplanetaria e interestelar, su temperatura iría descendiendo hasta
llegar a muchos grados bajo cero. Si, por otra parte, éste se hallase girando en
torno a la Tierra, sufriría periódicamente aumentos y disminuciones graduales
de temperatura, debido a que su órbita lo haría atravesar las zonas iluminadas
por el Sol y las zonas en sombra. Naturalmente hay variantes para cualquier
otro caso que nos queramos imaginar (superficie lunar, asteroidal...).
En la Luna la temperatura de su superficie cambia bruscamente del día a la
noche oscilando su promedio entre +107º C de día a –153º C de noche.
Otro antiguo y persistente problema observado por los astronautas de las
misiones Apolo en la Luna fue el polvo. Estaba por doquier, incluso en sus
pulmones. Y aunque parezca raro, podría ser de él de donde los futuros
exploradores obtuvieren su próxima bocanada de aire. La polvorienta capa del
suelo de la Luna está compuesta casi en un 50% de oxígeno. El problema
ahora es cómo extraerlo.
Quiero vivir sin escafandra
Los astronautas que realizan su trabajo en el espacio deben estar protegidos
en todo momento contra el frío y el calor. Uno de los factores que influyen en la
temperatura que posee un cuerpo en el espacio es su eficiencia para absorber
y emitir radiación. Por ejemplo, no absorbe de la misma manera el calor la
superficie reflectante de una nave espacial -o la del traje de un astronauta- que
la oscura superficie lunar. En el caso del traje de un astronauta, la cara sobre la
que incide la luz solar suele hallarse a una temperatura de unos +120°C,
mientras aquella expuesta a la oscuridad del espacio se suele estar a unos
-120° C, como valores promedio.
Es esta la razón por la cual es necesario emplear material reflectante en los
trajes espaciales: para rechazar (reflejar) la mayor cantidad posible de energía
solar, de tal modo que el astronauta que se encuentra en su interior pueda
hallarse a una temperatura adecuada para vivir y realizar su trabajo con la
mayor comodidad. Lo mismo se puede decir en cierto modo con las naves
tripuladas o las estaciones espaciales o de los planetas. La temperatura
superficial de la Tierra depende, entre otros factores, de la proporción de calor
solar reflejado hacia el espacio.
Naturalmente este no es el único sistema para permitir una temperatura
adecuada: si un astronauta permaneciese horas en su traje espacial sin un
sistema adecuado de ventilación, su propio calor corporal convertiría el interior
del traje en un lugar excesivamente caliente y sofocante. Lo mismo se puede
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
decir para las naves o estaciones espaciales. Es necesario, pues, un sistema
térmico interno con el cual se pueda controlar la temperatura a la que
realmente se trabaja.
Por ejemplo, los astronautas que vuelan en el transbordador y realizan salidas
extravehiculares emplean una red de tubos de pequeño diámetro a través de
los cuales circula agua y que se encuentran próximos al cuerpo del astronauta.
El calor emitido por el propio "inquilino" del traje, debido a sus movimientos
musculares, es transferido por el agua hacia una unidad de refrigeración que se
halla en un compartimento trasero del traje, en donde el agua se pone en
contacto con una placa porosa de metal situada en contacto con el vacío del
espacio por uno de sus lados, atravesando lentamente los poros y
congelándose, para ser progresivamente expulsada al exterior como vapor
sublimado.
Los astronautas emplean trajes de color blanco por una sencilla razón:
mientras el color negro tiende a absorber las radiaciones solares, el blanco las
refleja. Por ese motivo se eligió el blanco en los trajes espaciales, para que los
astronautas pudieran realizar los trabajos de montaje, reparación,
mantenimiento, etc. fuera de la cápsula o de la estación espacial sin el peligro
que representa estar expuestos a las radiaciones cósmicas directas.
Aunque para la confección de los trajes espaciales se utilizan siempre
materiales de protección contra las radiaciones, el hecho de ser además de
color blanco hace que éstas se reflejen mucho mejor. De esa forma el
astronauta presenta mayor protección a las altas temperaturas a las que se ve
sometido cuando abandona la cápsula o estación y sale al espacio cósmico.
Traje espacial
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Otra razón secundaria es que ese color resalta mucho más que cualquier otro
contra el fondo negro del cielo, tal como realmente se presenta en el espacio
exterior, por lo que el astronauta se hace más visible para sus acompañantes
en el “paseo espacial” y para los que se quedan dentro de la cápsula o la
estación.
Sin embargo, para trabajar o descansar en el interior de dicha cápsula o
estación, el traje puede ser lo mismo blanco, azul, naranja o de cualquier otro
color.
El empleo del color blanco para reflejar las radiaciones solares resulta muy
común en la tierra y en el mar. De hecho los camiones y los barcos frigoríficos
se pintan de blanco con la intención de proteger la carga de las radiaciones del
Sol y, por tanto, del posible deterioro que pueda ésta sufrir debido a las altas
temperaturas que tienen que soportar durante el transporte.
Vivir sin escafandra en el espacio, como en la Tierra es, hoy por hoy, sólo
posible en los ambientes artificiales de las naves, o en proyectos de estudio de
futuras bases humanas extraterrestres. Hay científicos que plantean la
modificación química de las atmósferas de otros planetas para hacerlas aptas
para la vida.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Relación de Actividades
Título del Proyecto
Quiero vivir sin escafandra
Actividad Número: 1
Título de la Actividad
Centrales energéticas de las células: las mitocondrias.
Interrogante que plantea
¿Qué daños produce la falta de oxígeno o respirar en exceso oxígeno
puro?
Fundamento científico
El sistema respiratorio realiza dos funciones fundamentales para la vida: el
transporte de oxígeno del ambiente hasta la sangre y el del dióxido de carbono
desde la sangre al exterior del cuerpo. Estas dos funciones son inversas.
En la respiración de un organismo, el proceso comprende 3 etapas: la primera
corresponde a la ventilación pulmonar, es decir, entrada y salida del aire; la
segunda hace referencia al intercambio gaseoso que ocurre en los pulmones,
entre el aire que proviene del exterior y los gases que llegan a los pulmones
transportados por la sangre (resultantes de la actividad celular); la tercera
etapa corresponde a la respiración celular, proceso en el que el oxígeno
permite la degradación de nutrientes, y en consecuencia, se produce dióxido de
carbono. Este proceso proporciona la energía necesaria para mantener las
funciones vitales del organismo.
La mitocondria es la planta de energía de las células. Utilizan oxígeno, grasa y
azúcar para producir ATP (adenosina trifosfato). Este proceso se llama
"respiración celular". Cuando la célula necesita energía, procesa moléculas de
ATP que liberan la energía acumulada. Cuánta más energía necesita una
célula, mayor cantidad de mitocondrias contiene. Una célula puede tener desde
unas pocas hasta miles mitocondrias. El mayor número se encuentra en las
células nerviosas, musculares y del hígado.
Las condiciones del espacio hace necesario el uso de oxígeno almacenado y
que se facilita mediante un sistema de respiración artificial. La proporción de la
dosis debe ser la justa.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Desarrollo concreto de la actividad
Mediante una animación informática que representa a la mitocondria, central
energética de la célula, se simulará su funcionamiento cuando el aire que se
respira es pobre o rico en oxígeno.
Material necesario
Ordenador
Simulador basado en software que representa el funcionamiento de una
mitocondria
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Título del Proyecto
Quiero vivir sin escafandra
Actividad Número: 2
Título de la Actividad
La escafandra de la Tierra.
Interrogante que plantea
¿Nos protege la atmósfera terrestre?
Fundamento científico
En este experimento vamos a estudiar cómo los gases de la atmósfera
terrestre actúan como una barrera natural sobre la que impactan los
micrometeoritos y como la falta de atmósfera es la causa de los microcráteres
en la superficie lunar.
También, las naves a su regreso a Tierra o un satélite cuando termina su vida y
se programa su desplome, en la entrada a la atmósfera friccionan con los
gases de la atmósfera y se produce un aumento considerable de la
temperatura externa. A los primeros se les debe proteger exhaustivamente
para que resistan este inconveniente que puede destruirlos, además de que la
reentrada deben realizarla con una inclinación determinada que calculan los
ingenieros.
Así, la atmósfera nos protege pero también se convierte en un riesgo cuando
regresamos del espacio exterior.
Desarrollo concreto de la actividad
¿Cómo realizamos el experimento?
En una maqueta se representa la superficie y atmósfera terrestres y en otra la
superficie lunar.
Para simular la atmósfera terrestre utilizaremos varias capas formadas por
telas metálicas de malla de distinto tamaño; la función de estas capas es lograr
la progresiva desagregación de una esfera de arena de playa al atravesarlas,
simulando el efecto que produce la atmósfera al descomponer los pequeños
asteroides que se acercan a la Tierra. La última capa de plástico evitará que la
maqueta se salpique de arena
Para la superficie lunar emplearemos ceniza procedente de la combustión de
leña de encina para simular el polvo lunar o regolito. Se lanzarán esferas de
corcho de distintos tamaños y crearán cráteres en la superficie sin ningún
impedimento.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Material necesario
Maqueta superficie terrestre y superficie lunar
Ceniza
Telas metálicas de malla de distintos tamaños
Placa semirígida de plástico transparente
Arena de playa y pulverizador de agua para humedecerla
Esferas de corcho de distintos tamaños
Guantes de latex de usar y tirar
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Título del Proyecto
Quiero vivir sin escafandra
Actividad Número: 3
Título de la Actividad
Reparando en el exterior.
Interrogante que plantea
¿Trabajamos con seguridad en el espacio?
Fundamento científico
En este experimento vamos a simular cómo se realizan las reparaciones en el
espacio exterior con la incómoda pero indispensable prenda espacial.
Las botas de los trajes espaciales son un elemento esencial que ofrecen
seguridad en las reparaciones en el espacio porque pueden estar dotadas de
unos imanes que adhieren con fuerza al astronauta a cualquier metal.
Cualquier elemento que forma parte del equipo de un astronauta es muy
importante. Tanto su diseño como construcción se ha estudiado hasta el último
detalle.
En Tierra, se realizan simulaciones en ambientes similares al espacio para
probar su utilidad, resistencia y comodidad. A veces, se utilizan grandes
piscinas de agua donde los astronautas se sumergen para realizar estas
pruebas.
Desarrollo concreto de la actividad
¿Cómo realizamos el experimento?
Sobre una plataforma metálica los visitantes podrán caminar con unas botas
preparadas con imanes y realizar varios desplazamientos para coger y colocar
algunos objetos usando guantes.
Material necesario
Plataforma metálica.
Botas con imanes.
Guantes.
Pequeños objetos.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Título del Proyecto
Quiero vivir sin escafandra
Actividad Número: 4
Título de la Actividad
La escafandra espacial.
Interrogante que plantea
¿Podemos vivir sin escafandra en el espacio?
Fundamento científico
En esta actividad se utiliza un traje espacial para explicar a los asistentes el
conjunto de servicios que ofrece y sus instrumentos de soporte vital.
Una de las razones por las que los astronautas visten trajes espaciales es la
protección frente a temperaturas extremas. Durante un paseo espacial a la luz
del día, en el exterior del traje espacial pueden registrarse temperaturas
abrasadoras de 120 grados centígrados, es decir, superiores a las del agua
hirviendo.
También, el astronauta necesita llevar un traje para protegerse de la falta de
oxígeno y del daño que le haría su exposición a la radiación solar.
Debajo del traje lleva una ropa interior en la que un centenar de metros de
tubitos de agua permiten que la temperatura de su cuerpo sea normal.
Cada astronauta tiene su par de guantes personal, con las puntas de los dedos
de goma para sostener mejor los objetos.
En su traje, tienen micrófono y altavoz para poder escuchar y hablar con el
resto del equipo, los otros que han salido al espacio, los que se han quedado
en la estación y a veces se comunican directamente con los que están en la
Tierra. En el espacio la ausencia de un medio para que se propague el sonido,
que en la Tierra es el aire, hace imprescindible el empleo de un sistema de
comunicación, aunque la persona con la que deseen comunicar esté próxima.
En su mochila, llevan agua, un generador y también oxígeno para respirar.
Los movimientos con este traje son duros y cansan mucho, una salida al
espacio no suele durar más de seis horas.
Para más seguridad, el astronauta puede asegurarse a la estación con un
cable.
Trabajar en el espacio, o por encima de los 19 kilómetros de altura, exige, entre
otras cosas, que los seres humanos se lleven consigo un entorno en el que
poder sobrevivir a la falta de atmósfera respirable, mantener una presión
atmosférica lo suficientemente alta para evitar que los líquidos de su cuerpo se
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
evaporen, y enfrentarse a diferencias de temperatura entre las partes de su
cuerpo expuestas al Sol y las que están a la sombra.
Desarrollo concreto de la actividad
¿Cómo realizamos la actividad?
Se utiliza una replica de traje espacial para identificar en él sus partes,
incidiendo en los equipos necesarios para que la vida en su interior sea posible
en el espacio.
Se comentarán aquellos componentes que se encargan de acondicionar el
interior en los parámetros adecuados de oxígeno, presión y temperatura.
Material necesario
Traje espacial (réplica).
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La atmósfera terrestre y la vida
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Título del Proyecto
Quiero vivir sin escafandra
Actividad Número: 5
Título de la Actividad
Presión mágica.
Interrogante que plantea
Enfrentando dos presiones ¿Cómo?
Fundamento científico
Para demostrar la fuerza de la presión atmosférica desarrollamos este
experimento en el que se oponen la presión atmosférica del lugar donde nos
encontremos con la presión existente en el interior de una botella.
Una botella con agua cuenta con dos orificios, en la que actúan las dos
presiones. En uno de ellos, en el superior, la presión atmosférica es superior a
la del interior de la botella, y el agua no sale; mientras que en la inferior la
presión atmosférica se iguala a la interior y actúa la gravedad, por lo que el
agua saldrá por el orificio inferior.
Desarrollo concreto de la actividad
¿Cómo realizamos el experimento?
Realmente el efecto que produce es mágico. Para realizarlo se necesitan muy
pocas cosas: una botella de plástico de ½ litro, una pajita, agua y ¡aire!.
Primero, es necesario hacer dos agujeros en la botella. Si dividimos
imaginariamente en altura la botella en tres partes los agujeros se encontrarían
justos en los límites de unión de cada parte.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Después, hay que perforar el tapón de la botella por el centro y pasar un trozo
de pajita a través de él. La longitud de la pajita debe ser la necesaria para que
alcance, aproximadamente, la mitad de la botella una vez que se ponga el
tapón. (La pajita tiene que quedar justa, sin holgura, para que no entre el aire
por ningún lugar distinto a la propia pajita). El extremo de la pajita que se sitúa
dentro de la botella debe quedar entre los dos agujeros, dejando la misma
distancia entre uno y otro.
Antes de tapar la botella hay que llenarla de agua hasta el nivel que marca la
doble flecha blanca. Para evitar que el agua salga por los agujeros de la
botella, los taparemos con las yemas de dos dedos.
Una vez llena de agua, se enrosca el tapón. Antes de retirar los dedos de los
agujeros responde a la siguiente pregunta: ¿Por dónde saldrá el agua?. ¿Por el
agujero de arriba, por el de abajo o por ambos? El agua sólo saldrá por el
agujero inferior.
Material necesario
Botella de plástico de ½ litro.
Agua.
Pajita.
Plastilina (para sellar la pajita al tapón).
Y ¡aire!.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Título del Proyecto
Quiero vivir sin escafandra
Actividad Número: 6
Título de la Actividad
La patata astronauta
Interrogante que plantea
¿Estamos protegidos frente al impacto de los meteoroides?
Fundamento científico
Los efectos de impactos de micrometeoroides de alta velocidad en una
escafandra o en nuestra atmósfera son simulados con una patata y una pajita.
Los estudiantes sostienen la patata en una mano y la perforan con la utilización
de una pajita de plástico. La profundidad de penetración en la patata se
relaciona con la velocidad de la acción punzante. Una pajita que se empuje
poco a poco se irá torciendo al chocar contra la superficie de la patata. El
material plástico del que está fabricada la pajita no es bastante fuerte para
soportar la fuerza ejercida en su extremo. Sin embargo, cuando se empuja la
pajita rápidamente en la patata, ésta fácilmente penetra en su superficie.
Desafiamos más tarde a los estudiantes a que diseñen un modo de proteger la
patata del daño causado por impactos usando materiales asequibles, como
plásticos, papel, etc. de tal forma que el impacto de la pajita no logre perforar la
patata en ningún caso.
La energía cinética de un impacto, dado en Julios, es calculada con la ecuación
siguiente:
Ec = 1/2 mv2
m = masa del objeto que hace impacto;
v = velocidad del objeto que hace impacto.
Nota: La masa en esta actividad es en realidad la masa combinada de la pajita,
la mano y el antebrazo que lo conduce.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Desarrollo concreto de la actividad
Paso 1. Sostener una patata cruda en una mano. Agarrando la pajita con la
otra mano, perforar la patata con un movimiento lento. La pajita se tuerce sin
dañar la patata.
Paso 2. Repetir el experimento pero esta vez perforando la patata con un
movimiento rápido. Observando que ahora si penetra la pajita en la patata.
Paso 3. Los estudiantes diseñaran un método para proteger a la patata
astronauta del daño causado por la pajita plástica cuando ésta se intenta clavar
rápidamente en la patata.
Paso 4. Después de que los estudiantes han probado un método para proteger
la patata, establecer una discusión para evaluar la tecnología desarrollada. Se
definirán ciertas condiciones para la protección de la patata (por ejemplo, los
materiales usados juntos no deben tener un grosor superior a una medida ).
Material necesario
Patata.
Plástico transparente de diferentes grosores, papel de seda, de aluminio,
etc.
Pajita de plástico.
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Quiero vivir sin escafandra
Título del Proyecto
Quiero vivir sin escafandra
Actividad Número: 7
Título de la Actividad
Control de la temperatura dentro de un traje espacial.
Interrogante que plantea
¿Qué podemos hacer para que un ambiente cerrado pueda mantener una
temperatura constante?
Fundamento científico
Esta actividad muestra el principio que está detrás de la operación de
enfriamiento del traje espacial con líquidos, es decir, por la refrigeración por
agua que es conducida por su interior, por metros y metros de tubo.
Sustituyendo la fuente de calor interna de un traje espacial (que sería generada
por el cuerpo del astronauta) y la externa producida por la radiación solar, por
una bombilla eléctrica que hará esa función de proporcionar suficiente calor.
Nuestro Planeta también regula su temperatura fundamentalmente gracias al
agua de sus océanos. La capacidad del agua para almacenar energía calorífica
tiene consecuencias ambientales muy importantes. Así, el agua de los océanos
puede absorber gran cantidad de calor en verano, mientras que su temperatura
sólo aumenta ligeramente.
Desarrollo concreto de la actividad
Paso 1. Perforamos un agujero en la parte inferior de la pared de la lata de café
(como se muestra). El agujero debería ser bastante grande para pasar la
tubería de plástico por él. Perforamos un segundo agujero en la tapa plástica
de la lata de modo que la tubería pueda pasar también por ahí. Perforamos otro
agujero en el centro de la tapa de modo que un termómetro entre
cómodamente. Finalmente, perforamos un agujero en el centro de la tapa del
segundo bote de café para colocar otro termómetro.
Paso 2. Enrollamos la tubería de plástico y la colocamos dentro del primer bote
de café. Empleamos trozos de cinta para pegar el tubo a las paredes y
mantenerlo uniformemente extendido. Pasamos el extremo inferior del tubo por
el agujero hecho en la pared de la lata y el extremo superior por el agujero
hecho en la tapa. El tubo inferior llegará hasta un cubo de recogida de agua
que será colocado debajo de la lata. El extremo superior tendrá que ser
suficientemente largo para introducirse en otro cubo que rellenaremos con
cubitos de hielo y con agua. Este cubo se situará por encima de la lata. Los
termómetros se introducirán en sus respectivos agujeros.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Paso 3. Colocamos las dos latas encima de una mesa. Dirigimos la luz de una
potente bombilla de manera que incida igualmente sobre las dos latas. La luz
debe estar a no más de 25 centímetros de distancia de las latas. Llenamos un
cubo con agua y hielo y lo situamos por encima de la lata que contiene el tubo
de plástico. Colocamos también el cubo de recogida de agua debajo de la lata.
Aún no haremos que entre agua en el tubo.
Paso 4. Encendemos la luz. Observamos y registramos las temperaturas de los
dos termómetros. Después de dos minutos, registramos de nuevo las
temperaturas.
Entr ada Agua
Salida Agua
Paso 5. Ahora colocamos el extremo superior de la tubería de plástico dentro
del cubo con el agua y el hielo y absorbemos por el otro extremo del tubo para
iniciar una corriente sifónica. Dejamos al agua fluir hacia el cubo de recogida de
debajo y que circule por la lata de café.
Paso 6. Registramos las temperaturas de las dos latas a intervalos regulares
durante diez minutos.
Paso 7. Ahora utilizaremos latas de colores para observar como la radiación
influye sobre los objetos dependiendo del color de su superficie e iniciaremos
registros de temperaturas hasta conseguir la lata que mantenga durante más
tiempo una temperatura estable y deseable para la vida humana.
Material necesario
Dos latas de café con tapas plásticas.
4 metros de tubería fina de plástico flexible de acuarios.
Dos cubos, dos termómetros, cinta adhesiva, agua (sólida y líquida), y
fuente de calor (la bombilla).
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Título del Proyecto
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Actividad Número: 8
Título de la Actividad
Diseño y construcción de cohetes de agua
Interrogante que plantea
¿Podemos enviar un cohete de agua al espacio exterior?
Fundamento científico
El lanzamiento de cohetes de agua es un experimento físico muy interesante,
ya que se aplican muchos principios básicos de la física. El principio
fundamental que rige cualquier lanzamiento de cohetes, es la tercera ley de
Newton o principio de acción-reacción:
El cohete, antes de ser lanzado, tiene una energía en su interior en forma de
aire a presión. La presión del aire empuja las paredes del recipiente y de otras
superficies con las que está en contacto, incluida la del agua, con una fuerza
que es igual a la presión por superficie.
Cuando la tobera se abre y el agua empieza a salir, la fuerza responsable de
que el agua salga es sobre todo la debida a la presión interna del aire: El aire
empuja al agua hacia fuera, y como la superficie superior del agua es mucho
mayor que la inferior (la boquilla de la tobera), la velocidad que adquiere el
agua al salir es muy grande. Esto se conoce como principio de Bernouilli.
Por tanto, lo que sucede en el interior del cohete es una conversión de energía:
el aire contiene una energía (presión) que se traslada al agua y se convierte en
energía cinética (movimiento). La forma de la tobera permite que la conversión
de energía sea muy eficiente (es decir, que la presión provoque una velocidad
muy grande en el agua que sale del cohete).
Según la 3ª ley de Newton, la reacción se produce sobre el mismo cuerpo que
realiza la acción. En el caso del cohete, es él mismo quien realiza la acción (la
conversión de energía), y por tanto la reacción se aplica también sobre él.
Como la reacción es de igual magnitud y sentido contrario, cuanto mayor sea el
valor de la velocidad de salida del agua mayor será la velocidad de reacción del
cohete.
Desarrollo concreto de la actividad
El cohete es una botella plástica de bebida de tamaño pequeño o mediano con
su tapa atornillada con un agujero de 5 mm para la salida del agua.
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La atmósfera terrestre y la vida
Quiero vivir sin escafandra
Sobre la tapa va una válvula, de neumático sin cámara, a la que se lima o
recorta la goma, un poco cónica hasta dejarla de 3,5 cm de largo.
En la foto de abajo se ve la botella con la válvula de auto y el sistema que la
mantiene fija para "inflar" con el bombín y que permite liberarla en el momento
de lanzar el cohete.
Éste consta de una placa de acrílico (puede ser otro material) de 30x30x4 mm
con un agujero de 10 mm de diámetro en el que se introduce la válvula.
Las dos piezas A las fabricamos cortando un perfil cuadrado de aluminio de 40
mm de lado y 1,5 mm de espesor. El largo de estas piezas puede ser de
20mm.
B - indica el agujero en la tapa de la botella
C - es la pieza de acrílico mencionada y
D - es la válvula de neumático en la cual conectamos el bombín y que evita que
se salga el agua hasta que con ambas manos retiremos las piezas A.
La válvula debe quedar con una pequeña presión sobre la tapa. La presión del
aire dentro de la botella deforma ésta y asegura una presión adecuada a la
presión en el interior.
Ponemos entre un quinto y un octavo de la capacidad de la botella con agua.
Tendremos en cuenta que la energía necesaria para el vuelo del cohete
proviene del aire a presión: a mayor cantidad de aire más energía.
Material necesario
Botellas de PET de tamaño pequeño o mediano.
Tapones de corcho.
Boquillas de inflado.
Inflador de aire a presión con manómetro (eléctrico es más potente).
Maderas para soporte.
Perfil de aluminio.
Agua y aire.
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Título del Proyecto
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Actividad Número: 9
Título de la Actividad
Película cortometraje: “La Tierra que nunca nos pertenecerá”
Interrogante que plantea
Suponemos que el planeta en el que vivimos se formó para nosotros,
pero en realidad sólo somos huéspedes temporales...
Fundamento científico
La evolución del planeta donde vivimos ha hecho posible un medio habitable
para el ser humano, pero sólo gracias a un proceso que ha durado más de
4.000 millones de años. Un proceso lento al que realmente nos hemos
adaptado desde entonces, cuando aún éramos seres unicelulares.
Ahora pensamos que podemos romper el cordón umbilical que siempre nos
unió a la Tierra, sin saber que siempre necesitaremos un cordón para
sobrevivir. Quizás nos merezcamos uno que nos una a máquinas diseñadas
por los propios seres humanos.
Desarrollo concreto de la actividad
La película, de corta duración, que se proyectará en la Feria de la Ciencia de
Sevilla es inédita, y está prevista la realización de varias sesiones diarias para
que pueda ser vista por el mayor número de visitantes.
Esta película forma parte de una serie de cortos que la Asociación Ibn Firnás
ha realizado de forma doméstica, y será mostrada por primera vez en esta
Feria.
Material necesario
Proyector de vídeo.
Pantalla de proyección.
Equipo de sonido.
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Actividad Número: 10
Título de la Actividad
El oxígeno que tiene el aire.
Interrogante que plantea
¿Cuánto oxígeno tiene el aire que respiramos?
Fundamento científico
En este experimento vamos a estudiar la combustión de una vela mediante una
simulación informática. Para ello, es necesaria la presencia de oxígeno que se
consumirá en el proceso de la combustión.
Además, permite calcular la proporción de oxígeno que tiene el aire, que es de
una quinta parte.
Se trata de un experimento muy famoso que realizó Lavoisier en la segunda
mitad del siglo XVIII.
Desarrollo concreto de la actividad
¿Cómo realizamos el experimento?
En primer lugar se colocará un plato encima de una mesa con bastante agua
en su interior. No hace falta que esté lleno hasta el borde.
Dentro del agua se colocará una vela que se mantenga derecha sobre algún
soporte.
Para finalizar, se encenderá una vela y que se tapará después con un vaso
estrecho.
Observaremos como la vela poco a poco va dejando de arder hasta que se
extingue la llama. A la vez el nivel del agua irá subiendo en el interior del vaso.
¿Por qué ocurre esto?
Cuando arde una vela tiene lugar una reacción de combustión. Lo que arde
realmente no es la mecha que sale de ella, sino la cera o parafina de la que
está hecha. Con el calor la parafina primero funde y luego se evapora. La
parafina en forma gaseosa y en contacto con el oxígeno del aire experimenta
una reacción química en la que se desprende mucha energía (en forma de
calor y luz) el resultado es la llama. La reacción química que tiene lugar es:
parafina + O2 CO2 + H2O
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Observaremos que en la reacción intervienen dos sustancias de partida: la
parafina (inicialmente sólida) y el oxígeno contenido en el aire (un gas), que
son los reactivos. A partir de ellos se obtienen dos sustancias totalmente
diferentes: el dióxido de carbono (un gas) y agua (también en estado gaseoso),
son los productos. También, notaremos que las paredes del vaso se
empañarán, incluso se formarán unas gotas pequeñas de agua, por la
condensación del vapor de agua en contacto con el cristal frío del vaso.
¿Por qué sube el nivel del agua en el interior del vaso?.
En la reacción se consume un gas, el oxígeno que forma parte del aire, pero se
forma otro, el dióxido de carbono obtenido en toda combustión. Resulta que el
volumen de dióxido de carbono producido es más pequeño que el volumen de
oxígeno que se consume. El resultado es que en el interior del vaso el volumen
de gas final es menor que el inicial. Eso hace que disminuya la presión en el
interior y, por ello, sube el agua hasta que la presión interior es igual a la
exterior.
Material necesario
Vela y soporte.
Plato y mechero
Agua
Campana de vacío o similar
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