4.1: El Reloj de Tierra

El concepto de tiempo está íntimamente relacionado con la astronomía, y más particularmente con la Tierra giratoria. Dividimos la Tierra en 24 zonas horarias, le toma al Sol una hora moverse por cada una de estas zonas. El movimiento de la sombra del reloj de sol alrededor del gnomón da es la dirección 'en el sentido de las agujas del reloj' (girando a la derecha). Este movimiento también está íntimamente relacionado con el movimiento giratorio de la Tierra sobre su eje.

En el mundo actual de los relojes digitales y los celulares, el concepto de que un día de 24 horas esté relacionado con la rotación de la Tierra se ha vuelto más remoto. Esta actividad traerá a casa a sus estudiantes muy modernos que la idea anticuada del reloj de sol y la Tierra giratoria están estrechamente relacionadas con el tiempo que mantenemos.

Estándares Académicos

Prácticas de Ciencia e Ingeniería

• Desarrollo y uso de modelos.
• Construyendo explicaciones.

Conceptos transversales

• Patrones en la naturaleza.
• Sistemas y modelos de sistemas.

Estándares científicos de próxima generación

• Sistemas espaciales (K-5, 6-8, 9-12).
• El sistema Tierra-Luna (6-8, 9-12) .Para el Educador

Datos que necesitas saber

1. La Tierra es a la vez nuestro más antiguo, y uno de los relojes más precisos, girando cada día exactamente en 24 horas (¡86,400 segundos!)
2. El movimiento diurno es el movimiento diario que vemos a medida que el Sol y la Luna se levantan por el este y cruzan el cielo para establecer en el oeste. Se trata también de un movimiento aparente, provocado por el rápido giro de la Tierra sobre su eje —no por ningún movimiento real del Sol o la Luna en el espacio—.
3. A diferencia de nuestro Sol, que sale constantemente aproximadamente a la misma hora todos los días, el tiempo de levantamiento y puesta de la Luna cambia, levantándose y poniéndose casi una hora más tarde cada día.
4. El tiempo de salida de la luna y puesta de la luna están íntimamente ligados al movimiento orbital de la Luna alrededor de la Tierra.

Enseñanza y Pedagogía

El concepto de que la medición del tiempo está vinculada al movimiento diario del Sol a través del cielo es muy antiguo. El Sol y la Luna son las cosas más brillantes y obvias de nuestro cielo y sus movimientos y cambios regulares las convierten en un foco natural para mantener el tiempo. Civilizaciones de todo el mundo han desarrollado universalmente calendarios solares y lunares en su prehistoria más temprana.

Hace más de 2.200 años, a un griego llamado Aristarco de Samos se le ocurrió el primer modelo heliocéntrico conocido del sistema solar. En una época en la que la mayoría de las personas educadas creían que el Sol giraba alrededor de la Tierra todos los días, Aristarco teorizó que una Tierra giratoria y un Sol estacionario explicarían el mismo movimiento diurno que vemos en el cielo todos los días a medida que sale el Sol, cruza el cielo de este a oeste, y luego establece de nuevo.

La mayoría de la gente ve, pero no reflexiona sobre los movimientos diurnos del Sol y la Luna. Es algo difícil al principio, levantar tu percepción de la superficie de la Tierra e imaginar el movimiento de la Tierra a medida que gira sobre su eje y gira en órbita alrededor del Sol. Lo mejor de esta actividad es que ayuda al estudiante a extender su percepción y a visualizar nuestro mundo como un planeta en órbita alrededor de una estrella.

Cuando enseñamos estas actividades a nuestros alumnos, debemos tener cuidado de ayudar al estudiante a ver el panorama más amplio. Cuando ayudamos a los estudiantes a ver más allá de la bola y la cuerda del modelo y hacer una conexión con nuestro sistema solar y cómo funciona, estos cambios en la percepción pueden ser efectivos y duraderos.

A veces en la ciencia, tenemos teorías en competencia que ambas tratan de explicar lo mismo. Podemos argumentar si lo deseamos, pero solo el tiempo, y los experimentos cuidadosos, ¡pueden resolver el problema para siempre! Para los estudiantes mayores de ^5º grado y superiores, es posible que desee mostrar ambas teorías con su actividad. Primero, el Sol orbita lentamente alrededor de la Tierra que se detiene. Desde el punto de vista de nuestro observador de la Tierra, el Sol seguirá levantándose en Oriente y poniéndose en Occidente en los horarios correctos cada día. Después de eso, haz la actividad como se describió anteriormente — ¡el observador de la Tierra verá el mismo movimiento del Sol a través del cielo!

Sin embargo, no recomiendo mostrar teorías en competencia a estudiantes más jóvenes, ¡ya que puede promover conceptos erróneos y ser confuso para ellos!

Resultados de los estudiantes

¿Qué descubrirá el alumno?

1. Hay más de un modelo que puede explicar por qué el Sol y la Luna se levantan en el este y se establecen en el oeste cada día. ¡Nuestros experimentos con nuestros modelos nos ayudarán a decidir qué teoría es la mejor!
2. Un error común es que el Sol y la Luna se levantan y se ponen aproximadamente a la misma hora todos los días (¡Esto es cierto para el Sol, pero no para la Luna!) Tus alumnos aprenderán que el tiempo de levantamiento y puesta de la Luna están vinculados al movimiento orbital de la Luna y cambian de una manera predecible.
3. Ver la Luna en el cielo temprano de la mañana es un evento sorprendente que mucha gente encuentra inexplicable. Tus alumnos aprenderán que la luna creciente es visible temprano en la tarde, mientras que la luna menguante es visible temprano en la mañana, ¡y por qué esto es cierto!

¿Qué aprenderán tus alumnos sobre la ciencia?

A veces en la ciencia, tenemos teorías en competencia que ambas tratan de explicar lo mismo. Podemos argumentar si lo deseamos, pero solo el tiempo, y los experimentos cuidadosos, ¡pueden resolver el problema para siempre! Para los estudiantes mayores de ^5º grado y superiores, es posible que desee mostrar ambas teorías con su actividad. Primero, el Sol orbita lentamente alrededor de la Tierra que se detiene. Desde el punto de vista de nuestro observador de la Tierra, el Sol seguirá levantándose en Oriente y poniéndose en Occidente en los horarios correctos cada día. Después de eso, haz la actividad como se describió anteriormente — ¡el observador de la Tierra verá el mismo movimiento del Sol a través del cielo!

Sin embargo, no recomiendo mostrar teorías en competencia a estudiantes más jóvenes, ¡ya que puede promover conceptos erróneos y ser confuso para ellos!

1. Las teorías en competencia a veces existen en la ciencia, a veces durante cientos de años antes de que se decida el tema. La ciencia tiene espacio para más de una idea a la vez, y más de una explicación de lo que vemos en la naturaleza. Solo los experimentos y los datos pueden resolver estos dilemas, argumentando o preguntando '¿En qué teoría crees?' no tiene sentido.
2. Estar de pie sobre una plataforma móvil (la Tierra que gira) puede dificultar la solución de lo que vemos. La Tierra giratoria crea el aparente movimiento del Sol y la Luna cruzando el cielo cada día (también llamado movimiento diurno). ¡Solo experimentos cuidadosos con diferentes modelos científicos pueden ayudarnos a clasificar el movimiento aparente del movimiento real del Sol y la Luna en el espacio!
3. La medición del tiempo es fundamental para toda la ciencia. Aunque la Tierra giratoria y la Luna orbitante hicieron los primeros relojes de la humanidad, ¡de ninguna manera son los últimos! Aprender a medir el tiempo y el movimiento es una idea científica clave.

Realización de la Actividad

Materiales

1. Un gran trozo de cartón (3 pies), un tablero de póster de feria de ciencias funciona bien para esto.
2. Un conjunto de banderas de riego
3. Una vieja gorra de béisbol (el tamaño ajustable funciona mejor).
4. Bastón de madera
5. Una bola grande para servir como el Sol
6. Se prefiere una pelota de juego de vinilo amarilla, pero una pelota de baloncesto o fútbol se puede usar con la suficiente facilidad.
7. Varios trozos de cuerda de 2 pies o cordón fuerte (el cable del tendedero funciona bien)
8. Marcadores o pinturas
9. Papel para construcción — varios colores (opcional)
10. Pistola de pegamento caliente

Construyendo el modelo de reloj de tierra

1. [Profesor] Comienza pegando en caliente el bastón horizontalmente a través de la parte posterior de la gran pieza de cartón. Esto mantiene el cartón rizado y lo hace más duradero. Si estás usando un trozo de cartón plegable como un cartel de feria de ciencias, puedes unir los bastones con Velcro. Esto asegurará que la pieza de cartón siga siendo plegable y se almacene más fácilmente.
2. [Profesor] Usando un destornillador, perfora dos agujeros en el cartón (uno por encima de la vara, uno debajo) en cada extremo de la vara de medir. Enhebre un trozo de cuerda o cordón de 2 pies a través de los agujeros y anótelo firmemente en el lado de la vara de medir. Use pegamento caliente para asegurar la cuerda en su lugar. Esto crea bucles de asa para ayudar a los estudiantes a sujetarse al dispositivo.
3. Toma dos banderas de riego y márcalas como Oriente y Oeste (también puedes usar fichas para esto). Use cinta adhesiva para sujetarlos firmemente a la parte posterior del horizonte artificial para que la bandera se pegue sobre el borde del cartón y sea visible para todos. Al mirar el frente (lado liso) del horizonte artificial, la bandera Este va en el lado derecho, mientras que la bandera Oeste va en el lado izquierdo.
4. [Opcional] Los estudiantes pueden decorar el horizonte agregando un horizonte en los bordes este y oeste. Estos pueden ser dibujados en cartulina y luego recortados y pegados o pegados en su lugar. Esto permite que la persona que usa el horizonte vea la Luna en relación a casas, montañas, etc.
5. Haz un 'Sombrero del Tiempo' cortando una flecha larga (12-15 pulgadas de largo) del tablero de carteles y pegándola o pegándola a la parte superior del sombrero para que la flecha apunte directamente más allá del centro del pico del sombrero.
6. Marcar 12 banderas de riego de la siguiente manera: 2 am, 4 am, 6 am, 8 am, 10 am, mediodía, 2 pm, 4 pm, 6 pm, 8 pm, 10 pm, y Medianoche. Si tienes banderas de diferentes colores, usa un color para am y otro color para pm. Alternativamente, puedes engrapar dos colores diferentes de papel de construcción a las banderas y marcarlas de esa manera. Las banderas funcionan bien en cualquier área cubierta de hierba.

7. Coloca una bandera de riego en la hierba para marcar el centro de la esfera de tu reloj. Use un cable como brújula (el cable de 7 pies del modelo del sistema Tierra-Luna funciona bien) y marque una esfera de reloj en el suelo usando las banderas de riego etiquetadas para mostrar las horas. Recuerda que estás marcando un reloj de 24 horas, así que en lugar de tener 12, 3, 6 y 9 en los puntos cardinales como una esfera de reloj estándar, tendrás Mediodía, 6 pm, Medianoche y 6 am. Colocar los otros marcadores de hora apropiadamente.

Opcional: Si no tiene un área grande de hierba para trabajar, puede cortar piezas de madera de 2 × 4 pulgadas de largo, perforar pequeños agujeros en ellas y pegar en caliente las banderas en su lugar. Estos soportes de madera económicos permitirán colocar las banderas en cualquier piso o superficie dura al aire libre.

Explorando el modelo de reloj terrestre

1. Con la esfera de tu reloj marcada, la mitad del círculo representa AM (diurna) y la mitad del círculo representa PM (noche). Haga que un alumno sostenga el balón del Sol en la posición de Mediodía. ¡Todo ya está listo!
2. El estudiante que juega a la Tierra debe sostener el cartón del horizonte artificial de manera constante sobre sus hombros (¡más bien como una mochila!). El horizonte limita su visión a 180 grados (igual que lo hace el horizonte real) y les impide mirar detrás de sí mismos (¡tampoco podemos ver 'detrás' del planeta!)
3. Comienza de pie frente al Sol, y la bandera del Mediodía. Cualquiera que sea la bandera que estén enfrentando dice la hora (¡son la manecilla de la hora en nuestro reloj!) ¡El primer 'día' comienza al mediodía con el Sol directamente sobre la cabeza!
4. El estudiante de la Tierra ahora gira lentamente hacia la izquierda (en sentido contrario a las agujas del reloj), esto representa la rotación diaria de la Tierra sobre su eje. A medida que giran lentamente, verán al Sol moverse lentamente hacia el oeste, ¡y finalmente desaparecer sobre el horizonte occidental! ¿Qué hora es? El reloj de la Tierra dirá aproximadamente a las 6 de la tarde. El alumno puede objetar que se está moviendo, no el Sol — ¡Exactamente!
5. Continuando girando hacia la izquierda, el estudiante verá salir de nuevo el Sol sobre el horizonte oriental —ahora estarán frente a la bandera de las 6 am— ¡amanecer! Haga que cada estudiante gire varios días para que todos obtengan el concepto del movimiento diurno del Sol —y entienda que es causado por el movimiento giratorio de la Tierra y que el Sol en realidad no se mueve en absoluto!

Preguntas de Discusión

1. ¿Cuántas horas hay en un día? ¿Es este un número natural (basado en alguna observación) o una invención humana?
   • Respuesta Hay 24 horas en el día, pero esto es puramente una invención humana. Los babilonios fueron la primera sociedad en dividir un círculo en 360 grados, 24 divide ordenadamente en 360, haciendo que las horas sean de duración razonable y fáciles de medir a lo largo del día.
2. Imagínese que la Tierra giró cuatro veces más rápido, girando sobre su eje cada seis horas en lugar de unas 24 horas pausadas. ¿Cómo serían diferentes las cosas para ti en este planeta que gira rápidamente?
   • Respuesta: Esta es una pregunta maravillosa para estimular la imaginación de un niño. De hecho, nuestra Tierra primitiva giró 4-5 veces más rápido que hoy, ¡la Luna ralentizó la rotación de la Tierra durante miles de millones de años y continúa ralentizándonos hoy!
3. ¿Cómo sería el mundo si la Tierra no girara en absoluto?
   • Respuesta: Esta parece una pregunta extraña, pero es una buena pista de ideas que exploraremos en otras unidades y actividades. Antes de 1600, la mayoría de los astrónomos creían que la Tierra no giraba y no orbitaba el Sol. Esta idea, llamada teoría geocéntrica, fue desarrollada por un pensador griego llamado Aristóteles hace casi 2.500 años. Aristóteles propuso que la Tierra estaba fija, o inmóvil y era el centro del sistema solar

Materiales suplementarios

Profundizando

Todos estamos familiarizados con la idea del año bisiesto, cuando agregamos un día al calendario cada cuatro años. Agregamos este día extra porque la órbita de la Tierra alrededor del Sol tarda 365 .26 días. Tenemos que lidiar con el cuarto de día extra agregando un día a nuestro calendario cada cuatro años. En efecto, ¡usamos el año bisiesto para limpiar fracciones desordenadas que no funcionarían en nuestro calendario!

Una variación interesante de esta idea es el segundo bisiesto . Al igual que el año bisiesto, esta idea se utiliza para limpiar fracciones desordenadas. Decimos que el día de la Tierra es exactamente de 24 horas o 84 mil 600 segundos, ¡pero de hecho esto no es cierto! Al igual que la rotación de la Tierra alrededor del Sol, el giro de la Tierra sobre su eje no coincide precisamente con nuestros relojes y calendarios.

Explora la idea del segundo bisiesto; busca en internet y mira lo que encuentras.

1. ¿El tiempo de rotación de la Tierra es menor o superior a 84,600 segundos? ¿Por cuánto?
2. ¿Hay un horario regular para agregar un segundo bisiesto? (Recuerde que el año bisiesto ocurre en un horario regular cada cuatro años).

Ser astrónomo

¡Sincronizar el levantamiento del Sol o la Luna puede ser una forma razonable de cronometrar la rotación de la Tierra! Esto funciona mejor cuando la salida del sol o la salida de la luna está directamente en el horizonte; por esta razón obtendrá los resultados más precisos cronometrando el amanecer en junio, y la salida de la luna en diciembre. ¡Todo esto requiere es un cronómetro!

Colócate para ver el Sol o la Luna levantarse sobre un borde plano: ¡el borde de un edificio funciona bien, los estudiantes pueden ver al Sol subir sobre el techo de su propia casa en una mañana despejada!

Comience a cronometrar cuando pueda ver por primera vez el borde del disco del Sol, y deténgase cuando el disco esté completamente sobre el borde y despejado del edificio; esto tomará aproximadamente dos minutos. Recuerda que el Sol es cegadoramente brillante — no mires el disco solar todo el tiempo, ¡solo míralo de vez en cuando para que sepas cuándo parar tu temporizador!

Tómate el tiempo en segundos y multiplícalo por 720 ^[1]. El periodo de rotación real de la Tierra es de 86,400 segundos (24 horas) — ¿qué tan cerca llegaste?

Ser científico

Cuando pensamos en lo que es un día, la mayoría de la gente piensa en la hora entre el amanecer y el atardecer. El problema es que el número de horas de luz que tenemos cambia a lo largo del año, esto también forma parte de nuestro Reloj de Tierra.

Se puede hacer una interesante investigación graficando el número de horas de luz diurna para cada día del año. Los estudiantes pueden hacer esto usando una aplicación o sitio web para decirles cuántas horas de luz diurna cada día; o usando un sitio web del clima para encontrar la hora de amanecer y atardecer y calcular cuántas horas cada día y luego trazar los resultados en una gráfica diaria.

El gráfico debería verse así:

Trazar la duración del día en horas en la ^1ª, ^7ª, ^14ª y ^21ª de cada mes. A lo largo del año deberías ver una hermosa curva formada por los puntos en tu gráfica. Se utilizan 12 horas como punto central de la gráfica porque eso representa un día perfectamente dividido con iguales horas de luz y oscuridad. Estos días se llaman los equinoccios; el nombre proviene de la lengua latina, que significa igual noche. S ee cuántos días de equinoccio puedes encontrar en un año.

También hay días en los que tenemos el día más largo y más corto; estos días se llaman solsticios. La palabra solsticio también proviene del latín, es decir, Sol se detiene. ¿Puedes encontrar los días más largos y cortos del año en la gráfica? ¿Cómo se relacionan estos días con las estaciones? ¿Cómo podemos explicar estos cambios lentos y constantes de luz y oscuridad? ¡Exploraremos estas ideas más adelante en el libro!

Seguimiento

Tener un lugar regular en tu salón de clases donde registres los días de la semana o mostrar el mes y la fecha es bastante común en un aula. Estas cosas ayudan a los estudiantes a desarrollar su sentido del tiempo, estaciones, semanas, semestres, etc. ¡Considera agregar algunas características astronómicas a tu calendario diario como la fase de la Luna, la duración del día o anotar días de equinoccio y solsticio!