1.1: Construyendo un Reloj Solar y Calendario

Esta primera unidad puede no parecer muy significativa, pero las actividades contienen piezas que tardan largos periodos de tiempo en apreciarse, por lo que las iniciaremos ahora, en la primera parte del ciclo escolar. De esta manera, ¡estarán preparados y listos cuando los queramos después! Dos de los datos más básicos en astronomía son que tenemos al Sol cruzando el cielo durante el día y las estrellas cruzando el cielo por la noche. En esta unidad, nos centraremos en el Sol y sus movimientos, tanto a diario, como a lo largo de las semanas a medida que pasa el ciclo escolar.

Estándares Académicos

Prácticas de Ciencia e Ingeniería

• Desarrollo y uso de modelos.
• Obtener, evaluar y comunicar información.

Conceptos transversales

• Patrones en la naturaleza.
• Causa y efecto.
• Estructura y función.
• Estabilidad y cambio.

Estándares científicos de próxima generación

• Sistemas espaciales (K-5, 6-8, 9-12).
• Estructura y función (K-5).
• Ondas y radiación electromagnética (6-8, 9-12).

Para el Educador

Datos que necesitas saber

1. El Sol sale por el oriente y cruza el cielo cada día. Bien, esto parece casi demasiado básico, pero entonces uno tiene que empezar por alguna parte, ¿no es así?
2. El Sol lo cambia de posición ascendente en el horizonte oriental y su mayor altitud cada día a medida que avanzas por el ciclo escolar.
3. Podemos medir estos cambios horarios y diarios con bastante facilidad con materiales muy simples.

Enseñanza y Pedagogía

La idea de que un simple palo vertical o gnomon pueda decir la hora y la fecha es asombrosa para la mayoría de los niños. Están acostumbrados a la idea de que la tecnología o involucra una gran cantidad de partes móviles como en un automóvil, o electrónica casi mágica con función dentro de un teléfono inteligente o un reproductor de DVD. El hecho de que algo tan sencillo pueda funcionar como un reloj y un calendario es una revelación. La idea de los pueblos antiguos como 'primitivos' o incluso 'estúpidos' se promulga fácil y a menudo en el entretenimiento infantil popular e incluso a veces en los libros de texto. ¡Nada podría estar más lejos de la verdad! Como descubriremos en diversas actividades a través del transcurso de este libro, pueblos antiguos de todo el mundo participaron en la astronomía y pudieron hacer cosas increíbles tanto científica como matemáticamente. Al seguir sus pasos, aprenderemos mucho sobre cómo la ciencia descubre la verdad sobre la naturaleza, y cómo la ciencia se corrige a sí misma cuando deambula por el camino equivocado.

¡Un dato interesante que tus alumnos pueden haber descubierto con sus relojes de sol es que la sombra del gnomón siempre viaja en sentido horario alrededor del papel! Cuando se fabricaron los primeros relojes mecánicos, habría sido tan fácil construirlos para correr por la izquierda como hacia la derecha, pero estos relojes fueron modelados en el reloj de sol, ¡y así todos se movieron en el sentido de las agujas del reloj! Inventores de muchos países y culturas diferentes desarrollaron relojes, y todos ellos modelaron sus inventos de la misma manera, ¡según la naturaleza misma! En nuestra próxima unidad, investigaremos otra forma de decir la hora en los cielos, ¡con las fases de la Luna!

Resultados de los estudiantes

¿Qué descubrirá el alumno?

1. El movimiento del Sol a través del cielo es regular y predecible. Nuevamente, esto puede parecerle sencillo, pero para los niños pequeños, la idea de que la naturaleza es regular y predecible es poderosa. ¡El reconocimiento de los ciclos de la naturaleza fue una de las ideas fundamentales que ayudaron a desarrollar calendarios, cronometraje y nuestra civilización moderna! Una vez que reconocemos los patrones regulares en la naturaleza, ¡estamos en el camino principal para aprovechar el poder de la naturaleza para nuestro beneficio y comodidad!
2. Los primeros relojes se basaban en el movimiento regular del Sol a través del cielo (¡y en realidad sobre la rotación regular de la Tierra en su eje!) ¿Alguna vez te has preguntado por qué los relojes van en sentido horario Esta actividad responderá fácilmente a esa pregunta por ti, ¡y tus alumnos!

¿Qué aprenderán tus alumnos sobre la ciencia?

1. La ciencia se basa ante todo en reconocer patrones. Queremos identificar estos patrones, descubrir cómo cambian con el tiempo y averiguar qué factores los influyen y controlan. Estas actividades probablemente serán la primera introducción para muchos jóvenes estudiantes de que la ciencia se basa en patrones, y todos podemos buscarlos, ¡y aprender a reconocerlos!
2. La cronometraje, tanto los relojes como los calendarios, también son fundamentales para la ciencia. Los patrones son después de todo, eventos regulares que se repiten con el tiempo. Para estudiar la ciencia, debemos estar conscientes del paso del tiempo; tanto en pequeños incrementos como segundos, así como unidades más largas como días, meses, incluso años.

Realización de la Actividad

Materiales

1. Un cuadrado de cartón de 12 pulgadas (¡las viejas cajas de papel de copia o las cajas de pizza se pueden cortar para hacerlas de manera fácil y barata!)
2. Papel de construcción (Los colores más claros funcionan mejor)
3. Una brújula de dibujo
4. Papel encerado (dos cuadrados de seis pulgadas son suficientes)
5. Una pequeña brújula (Una aplicación de brújula gratuita en el teléfono inteligente del profesor servirá para esto).
6. Pegamento en barra o pegamento blanco
7. Superpegamento. El pegamento blanco no es lo suficientemente fuerte para cada parte de nuestro proyecto — Los profesores tendrán que manejar la parte superpegamento del proyecto, ¡claro!
8. Un lápiz medio usado — alrededor de 5-6 pulgadas de largo funciona mejor
9. Dos arandelas de metal [Opcional] Las arandelas que se ajustan perfectamente alrededor del lápiz hacen que nuestro reloj solar sea más resistente. También se pueden utilizar pequeños cuadrados de cartón como arandelas. Si quieres el tipo de metal, tu centro local de mejoras para el hogar podrá ayudarte.

¡Pro Tip! Cuando vayas a comprar materiales, es posible que quieras llevar este libro y pedirle hablar con el gerente de tu tienda local de mejoras para el hogar; ¡se verán mucho mientras trabajas en los proyectos de este libro! Muchas de esas tiendas son de propiedad local, y si lo pides amablemente (¡y ten tu identificación escolar!) , es posible que puedas obtener un 'descuento escolar' en los materiales para tu clase durante todo el año. Si obtienes un descuento, recuerda decirles a todos tus padres que tu salón de clases es 'Patrocinado por Bob's Hardware'; ¡el giro es juego limpio, después de todo!

Construyendo el reloj solar y el calendario

1. Use una barra de pegamento para asegurar el papel de construcción al cartón. [Opcional]
2. Dibuja una línea dividiendo el papel por la mitad. Comience su brújula en un punto a aproximadamente 1 pulgada del borde y dibuje un círculo con un radio de 3 pulgadas. Todo el círculo no cabrá en el papel, eso está perfectamente bien para nuestros propósitos.
3. Usa con cuidado el lápiz para perforar cuidadosamente un agujero a través del cartón donde está el centro de tu círculo.
4. Usa una regla para dibujar una línea de lápiz a través del papel desde el agujero hasta el lado opuesto. Etiquete el lado opuesto al agujero Norte.
5. Comenzando por la parte posterior del cartón, empuja el extremo puntiagudo del lápiz a través del agujero hasta que esté casi completamente atravesado.
6. Tenga su cuadrado de papel encerado listo en el escritorio y ponga una generosa gota de superpegamento en el cartón alrededor del agujero y el lápiz. Deslice la primera arandela sobre el lápiz, luego presione el cartón plano a la mesa sobre el papel encerado. ¡El lápiz y la arandela ahora deberían estar pegados al ras con la parte posterior del cartón!
7. Pon otra generosa gota de pegamento alrededor del lápiz en la parte frontal y desliza la segunda arandela hacia abajo sobre el lápiz. Empuje el segundo cuadrado de papel encerado hacia abajo sobre el lápiz y úselo para presionar firmemente la arandela durante 5-10 segundos, manteniendo el lápiz lo más vertical posible mientras se seca el pegamento. ¡El papel encerado debería evitar que te pongas pegamento en las manos! ¡Deja el papel encerado en su lugar por el resto del día para asegurar que el pegamento esté completamente curado y proteja tanto las manos como las superficies!
8. Una vez que el pegamento esté completamente seco, retire el papel encerado de ambos lados. Si un poco se aferra al proyecto, no te preocupes, ¡eso no afectará cómo funciona!

Explorando el reloj solar y el calendario

1. Comenzaremos fijando nuestros relojes de sol en una mañana soleada cuando recién comienza la escuela. Usa tu brújula para asegurarte de que el reloj de sol de todos apunta correctamente hacia el norte. Muchos edificios escolares están construidos para estar bien alineados con las direcciones cardinales de la brújula. Si esto es cierto para tu edificio, entonces la pared de un edificio o la dirección de una acera pueden ayudarte a configurar fácilmente los relojes de sol en la dirección correcta; si no, usa tu brújula para ayudarte.
2. Con los relojes de sol puestos en la dirección adecuada al inicio de la jornada escolar, marque el punto donde se encuentra la punta de la sombra. A continuación, marca donde la sombra cruza el círculo — este punto puede etiquetarlo como 8:00 (o siempre que empieces la escuela.
3. Para este primer día, saque los relojes de sol varias veces durante el día escolar a la hora y marque estos horarios también. Ahora deberías tener varias horas diferentes marcadas en tu reloj de sol.
4. Con las horas marcadas, usa una regla para dibujar líneas rectas desde el lápiz hasta las marcas de tiempo. Los estudiantes mayores podrán llenar fácilmente las horas faltantes y hacer una esfera de reloj más completa. No hay, sin embargo, ninguna necesidad real de marcar su reloj con números. Puedes marcar el reloj con el inicio de las asignaturas que enseñes. Tu primera marca podría ser “Home Room”, la siguiente podría ser “Matemáticas”, luego “Inglés”, etc. Los niños sin duda disfrutarán de este reloj más caprichoso, pero esta es en realidad una tradición muy antigua. Los monjes medievales marcaron las horas con los nombres de las oraciones que recitaban en diversas horas del día, otras sociedades antiguas hacían cosas similares.
5. Tanto por nuestro reloj de sol, pero ¿cómo hacemos un calendario? Para ello, necesitamos tener nuestros relojes de sol fuera al menos una vez a la semana (preferiblemente más) a la misma hora cada día. Si tienes un receso de mediodía o periodo de almuerzo, este es un momento perfecto para hacer esto; cuanto más cerca del mediodía estés, mejor funcionará esto.
6. A la hora del mediodía, apaga tu reloj de sol y marca el punto donde cae la punta de la sombra ese día con un pequeño y limpio punto. Haz esto con un rotulador o bolígrafo colorido, y recuerda usar el mismo color todos los días para obtener el mejor efecto. No siempre tienes clima soleado, claro, pero si puedes manejar dos días soleados a la semana, tendrás excelentes resultados. Ten en cuenta que cuando cambiemos nuestros relojes hacia y desde el horario de verano, tendrás que ajustar tu rutina. ¡Tu reloj de sol no funciona en horario de verano! Por ejemplo, digamos que marcas tu punto de calendario al mediodía todos los días cuando comienzas a grabar datos en el Semestre de Otoño. Cuando vuelvas a la hora estándar en octubre, tendrás que registrar tu punto de calendario a las 11:00am hasta que salgas adelante al horario de verano nuevamente en abril, cuando volverás a trazar tus puntos al mediodía.
7. En la ^1ª y ^15ª de cada mes, haz los puntos un poco más grandes, y etiquétalos con la fecha. Continúa haciendo esto sin falta y comenzarás a ver emerger un patrón — tus puntos no caen en el mismo lugar todos los días, sino que empiezan a trazar una figura compleja y hermosa. Cuando esté completa, esta forma se llama analemma , la completarás un poco más de tres cuartas partes durante un ciclo escolar típico. ¡Tu reloj solar y calendario seguirán rastreando la hora y el día de cada año sin falta!
8. Si tienes una bola de amarre en tu área de juegos, tienes la configuración perfecta para crear un calendario solar al aire libre en el área de juegos. Así como lo hiciste con los relojes de sol del alumno, marca un punto en el suelo donde cae la punta de la sombra del poste todos los días al mediodía. Puedes usar una plantilla circular de cartón y un poco de pintura en aerosol de colores brillantes para marcar los puntos. Para la ^1ª y ^15ª del mes, usa una plantilla circular más grande y corta una plantilla de fecha de una carpeta manila. Al finalizar el ciclo escolar, tendrás un calendario analemma marcado en el suelo que mostrará con precisión la fecha cada día al mediodía. Recuerda mantener estos relojes y calendarios solares alrededor, ¡los usaremos más adelante en el año para ayudarnos a tomar algunas decisiones importantes!

Preguntas de Discusión

1. ¿Por qué los relojes van en sentido horario?
   • Respuesta Porque el Sol viaja a través del cielo del sur de este a oeste —la sombra que proyecta viaja alrededor del poste de oeste a este— ¡en el sentido de las agujas del reloj! Cuando los relojes mecánicos se desarrollaron en los años 1400, los inventores buscaron hacerlos moverse como lo hacían los relojes de sol “convencionales”, por lo que hicieron que las manecillas giraran hacia la derecha.
2. ¿Cuáles son algunas limitaciones para nuestros relojes solares?
   • Respuesta ¡No pueden mostrar la hora después del atardecer!
   • Respuesta: ¡Ni minuto ni segunda mano!
   • Respuesta: Deben ajustarse de verano a invierno a medida que cambia el ángulo del Sol.
3. ¿Cómo mejoraría la vida de las personas tener un reloj preciso?
   • Respuesta: Nos da la posibilidad de medir el tiempo para citas, clases escolares, etc.
   • Respuesta: ¡El cronometraje exacto es importante para la ciencia y la astronomía!

Materiales suplementarios

Profundizando

Un poco de escultura muy interesante se puede crear construyendo un calendario solar de tamaño mediano. Use una media hoja de madera contrachapada y una escoba de 2 pies de largo o una varilla de clavija de 1 pulgada para un gnomon. Es posible que desee usar algunos cables de cobre como cables de tipo para asegurarse de que el gnomon permanezca perfectamente recto todo el año. También ayuda a extender el gnomon con una pieza de alambre de 3 pulgadas de percha para que tenga un punto preciso para marcar.

Marca el punto de la sombra cada día al mismo tiempo que lo hiciste con tu otro modelo, pero esta vez perfora un pequeño agujero de 1/8 de pulgada donde cae la punta de la sombra. Cuando hayas marcado un mes fuera en tu calendario, toma un carrete de cordel constructor de nylon amarillo y átalo si te quitas en la parte superior del gnomon. Pase el cordel hacia abajo por el primer agujero, luego vuelva a subir por el segundo y vuelva a la parte superior del gnomon y así sucesivamente hasta que haya enhebrado todos los agujeros que hizo ese mes.

Cuando hayas terminado el mes siguiente, haz lo mismo con otro color de hilo y sigue alternando los colores a lo largo del año. Terminarás con una escultura 3-D que muestra cómo el Sol viaja a través del cielo mientras nuestra Tierra orbita al Sol. ¡Cada línea muestra el ángulo y la dirección precisos hacia el Sol al mediodía de ese día!

Ser astrónomo:

Sabemos que los días son más cortos en el invierno y más largos en el verano, pero como astrónomos, podemos investigar esto nosotros mismos. Un poste montado permanentemente, como un asta de bandera o un poste de bola de amarre, funciona bien, pero incluso un poste de cerca se puede usar para esta investigación.

^{El día más corto del año es el Solsticio de Invierno que cae el 21 de diciembre de cada año.} Ese día, el Sol se encuentra en su punto más bajo en el cielo. ^{Por el contrario, el día más largo del año es el Solsticio de Verano (21 de junio) cuando el Sol está en su punto más alto en el cielo.} Si medimos la sombra de un poste fijo una vez a la semana, veremos que la longitud de la sombra cambia a medida que avanzamos a lo largo del año.

Si tienes un poste de bola de amarre en el patio de tu escuela, dibuja una línea en el suelo que comience en la base del poste y viaje hacia el norte (¡usa una brújula para ayudarte a encontrar el norte!) Un día cada semana, cuando la sombra del polo yace a lo largo de esta línea, marcan el final de la sombra. ¡Usa pintura para que las marcas no se laven fácilmente!

Al marcar la sombra un día a la semana, verás que en el semestre de otoño, la sombra se alarga cada semana porque ¡el Sol está más bajo en el cielo! Durante el semestre de primavera, la sombra se alarga de nuevo a medida que el Sol viaja más alto en el cielo y los días se alargan. Al marcar una simple sombra, ¡has medido el camino del Sol a través del cielo mientras la Tierra viaja alrededor de su órbita!

¡No todos los planetas tienen un día de 24 horas! Marte es el más cercano a la Tierra con un día de 24 horas, 37 minutos. La Luna es muy diferente de la Tierra, el día lunar dura 655 horas — ¡eso es casi 28 días! Dado que la Luna gira tan lentamente, el Sol saldrá y luego permanecerá en el cielo durante dos semanas antes de ponerse; la noche lunar también dura dos semanas.

¿Cómo se comportaría un reloj solar si tuvieras uno en la Luna? ¿Podrías usarlo todos los días? ¿Cómo tendrías que marcar el dial de manera diferente para que funcione ahí? ¡Piense en esto con su grupo de estudiantes y vea qué sugerencias se le pueden dar!

Ser científico

Medir el tiempo siempre es importante en la ciencia. Hemos logrado hacer un reloj de trabajo, pero ¿qué tan preciso es? Intenta medir los ángulos para las horas marcadas, ¿son todas del mismo tamaño? Cronometra el progreso de la sombra en tu reloj a medida que se mueve y marca el progreso en intervalos de 15 minutos. ¿La sombra de tu reloj siempre se mueve a la misma velocidad? ¿Puedes explicar tu resultado?

Seguimiento:

Hay muchos tipos diferentes de relojes. Investigue un poco en internet y vea cuántos tipos diferentes puede encontrar. ¿Qué tipo de reloj usan más a menudo los científicos? ¿Cuál es el reloj más preciso del mundo?