12.1: La cámara estenopeica

Las cámaras estenopeicas se conocen desde hace siglos, ¡en realidad mucho antes de la invención de las placas fotográficas y la película ¡La revelación de que la luz brillando a través de un pequeño agujero puede crear una imagen de lo que hay más allá es una revelación emocionante que tus hijos seguramente disfrutarán!

La cámara estenopeica solía ser una actividad más popular en el pasado cuando las cámaras eran caras y relativamente raras. Las cámaras digitales miniaturizadas están ahora en los teléfonos, y aparecen en los lugares más improbables, quitándole algo del asombro y misterio de la cámara. Aun así, pocas personas entienden cómo funciona realmente una cámara, por lo que hacer una propia es una experiencia profunda.

Estándares Académicos

Prácticas de Ciencia e Ingeniería

• Desarrollo y uso de modelos.
• Planeación y realización de investigaciones.
• Analizar e interpretar datos.
• Argumento desde la evidencia.

Conceptos transversales

• Sistemas y modelos de sistemas.
• Estructura y función.

Estándares científicos de próxima generación

• Sistemas espaciales (K-5, 6-8, 9-12).
• Ingeniería y diseño (K-5, 6-8, 9-12).
• Ondas y radiación electromagnética (6-8, 9-12).
• El sistema Tierra-Luna (6-8, 9-12).

Para el Educador

Datos que necesitas saber

El Sol emite tres tipos básicos de luz que llegan a la superficie de la Tierra: la luz infrarroja que llamamos calor, luz visible y luz ultravioleta que es esencial para nuestra salud en pequeñas dosis pero que puede dañar la piel y los ojos si no tenemos cuidado. ¡El truco al observar el Sol es separar la luz visible del resto! Afortunadamente, esto es más fácil de lo que parece.

Cada vez que hacemos brillar la luz del sol a través de un pequeño agujero o una lente, creamos una imagen redonda del Sol. El círculo luminoso de luz no es redondo porque el agujero a través del cual brilla es redondo, ni porque la lente que usamos es redonda; ¡la imagen es redonda porque el Sol mismo es redondo! Esto también significa que durante un eclipse, cuando la imagen del Sol no es redonda, ¡deberíamos poder observar este fenómeno en acción!

Docencia y Pedagogía

Esta lección trata tanto de tecnología como de observaciones y datos. Una cosa en la que puedes enfocarte es en lo que realmente está haciendo la cámara estenopeica. De hecho, ¡están pasando varias cosas a la vez! El papel de aluminio es completamente opaco — ninguna luz solar pasa a través de esta delgada capa de metal en absoluto. Al tomar la luz del pequeño agujero y permitir que se expanda en una imagen de varias pulgadas de ancho, ¡ha eliminado casi toda la luz infrarroja y ultravioleta y reducido el brillo de la luz visible en varios miles de veces! Esto hace que nuestra imagen no solo sea segura, sino divertida y fácil de estudiar y disfrutar.

La imagen del Sol también tiene mucho que decirnos. Si puedes discernir pequeños puntos oscuros en la imagen solar, ¡manchas solares! — entonces serás muy afortunado. Estos lugares geniales (¡de verdad!) en la superficie del Sol son hasta 1500 grados más fríos que las áreas circundantes. Cooler significa que brillan más débilmente, y así nos parecen oscuros. Resulta que estas manchas solares son causadas por tormentas magnéticas en la superficie del Sol que permiten escapar energía extra, enfriando sustancialmente esa región. La estructura magnética del Sol está un poco más allá del alcance de nuestras actividades STEM en este libro, ¡pero es divertido presentarles a los niños estas nuevas ideas!

Resultados de los estudiantes

¿Qué descubrirá el alumno?

1. La imagen del Sol contiene muchos detalles emocionantes que normalmente nos ocultan porque estamos cegados por el brillo del disco solar. Al reducir la cantidad de luz, ¡estos detalles se pueden revelar con una precisión maravillosa!
2. Los eclipses solares y lunares realmente se ven muy iguales. El objeto brillante en el cielo, ya sea el Sol o la Luna, se borra gradualmente a medida que un círculo oscuro procede a cubrirlo. Esta actividad de cobertura lleva varias horas, pero con un eclipse solar, el tiempo en que el disco del Sol está completamente cubierto es realmente muy corto.

¿Qué aprenderán tus alumnos sobre la ciencia?

1. A veces nuestra curiosidad científica nos lleva a lugares o situaciones peligrosas. Muchas veces, la respuesta del científico a esto es crear un instrumento o mecanismo que nos permita observar y registrar lo que está sucediendo con total seguridad.
2. ¡Observar el Sol es nuestra introducción a esta importante técnica! ¡Mirar directamente al Sol es peligroso! En su lugar usaremos instrumentos para filtrar la luz que queremos, y eliminar la luz más peligrosa que no queremos para que podamos observar con seguridad!
3. ¡La seguridad primero! Este es el lema más importante para el científico experimental. Todo profesor responsable de ciencias enfatiza —y enseña— la seguridad como parte de cada actividad de laboratorio. Todo científico profesional piensa en la seguridad mientras planean y diseñan experimentos, sin importar cuán grande o pequeño sea.

Realización de la Actividad

Materiales

1. Un contenedor de cartón. Un recipiente de avena funciona bien.
2. Tijeras y cuchillo hobby
3. Cinta resistente a la luz (cinta aislante o cinta aislante funciona bien)
4. Pegamento blanco
5. Lámina de aluminio
6. Pin de costura

Construyendo el modelo de cámara estenopeica

1. Comienza por cortar algunos agujeros en tu caja de cartón con unas tijeras o un cuchillo hobby. Para la caja de avena, corte una abertura cuadrada de aproximadamente 5 pulgadas en un lado en el centro de la caja; luego corte un agujero cuadrado de 1 pulgada en el centro de la tapa de la caja.
2. Si está usando una caja de papel de copia, corte un agujero de 8 pulgadas en la tapa un poco más cerca de un extremo; a continuación, corte un agujero cuadrado de 2 pulgadas en el centro de un extremo. Cinta adhesiva sobre cualquier costura en la caja con grifo de conducto e para asegurarse de que son resistentes a la luz. Corta un trozo de papel blanco que se ajuste correctamente y pégalo en el fondo de la caja de avena. Una vez hecho esto, coloca la tapa y coloca la cinta adhesiva en su lugar con cinta adhesiva. Si está utilizando la caja de papel de copia, puede usar una hoja completa de papel y pegarla en el extremo opuesto al orificio de 2 pulgadas. Una vez hecho esto, pon la tapa — el agujero en la tapa de la caja de copia debe estar más cerca del extremo donde pegaste en el papel. Con cinta adhesiva la tapa en su lugar de forma segura con cinta adhesiva.
3. Corta un cuadrado de papel de aluminio lo suficientemente grande como para cubrir completamente el extremo de la caja de avena y pegarlo sobre el extremo de forma segura con cinta adhesiva, esto mantendrá toda la luz perdida fuera de la caja por ti. Una vez hecho esto, pincha la lámina cuidadosamente con un alfiler de coser. Para la caja de papel de copia, un cuadrado de lámina de 3 pulgadas será suficiente. ¡Haz un agujero lo más pequeño que puedas! Los agujeros más pequeños dan más intensidad, pero imágenes más nítidas. Los agujeros más grandes hacen que las imágenes sean más brillantes, pero algo más difusas. Si el orificio es demasiado grande, o si se daña, siempre puede reemplazar la lámina fácilmente. Si el agujero es demasiado pequeño (la imagen es demasiado tenue para verla), vuelva a meter la aguja en el agujero y agréguela un poco. ¡Tu cámara estenopeica ya está lista para usar!

Explorando el modelo de cámara estenopeica

1. Sostenga la caja sobre su cabeza con la gran abertura en el lado hacia abajo, y el extremo cubierto con papel de aluminio orientado hacia el Sol. Si estás haciendo esto correctamente, deberías poder mirar dentro de la caja y ver el papel blanco dentro.
2. Ajusta cuidadosamente la dirección en la que apuntes la caja hasta que veas un círculo de luz proyectado en el papel — ¡esta es la imagen del Sol!
3. Estudia la imagen solar cuidadosamente, es posible que veas pequeños puntos negros o grises en la superficie solar, ¡estas son manchas solares! Con un trozo de papel separado, prueba y mapea las manchas solares que puedas ver. ¡Ten en cuenta que el Sol no tiene manchas solares todos los días! El ciclo de actividad solar (más activo significa más manchas solares) alcanzó su punto máximo en 2014 y ha ido disminuyendo. Este ciclo tiene 11 años de duración, y según los astrónomos, estamos en un periodo de débil actividad solar de todos modos. Nunca menos, los observadores cuidadosos y pacientes generalmente serán recompensados con la visión de algunas manchas solares si observan cuidadosamente una vez a la semana más o menos.
4. Si tienes la oportunidad de ver un eclipse solar parcial o completo, ¡te espera un regalo! Tu cámara estenopeica te mostrará claramente el disco solar, y cuando comience el eclipse, ¡verás una “mordida” negra sacada del Sol! A medida que avanza el eclipse, la 'mordida' se hará más grande; si tienes la suerte de ver un eclipse total, ¡todo el disco del Sol se oscurecerá!

Preguntas de Discusión

1. ¿Cómo hace la cámara estenopeica que sea seguro ver el Sol?
   • Respuesta: El estenopeico corta casi toda la luz.
   • Respuesta: Nunca miramos directamente al Sol —sólo a su imagen proyectada en papel.
2. ¿Por qué la imagen del Sol es redonda en una cámara estenopeica?
   • Respuesta: ¡Porque el Sol mismo es redondo!

Materiales Suplementarios

Profundizando

Puedes encontrar muchos diseños interesantes y divertidos para construir para cámaras estenopeicas en línea, estas también se llaman Camera Obscura. Muchos de estos diseños muestran cómo hacer una cámara con una pieza de plástico translúcido para una pantalla.

En realidad se pueden proyectar imágenes de árboles, paisajes, edificios, casi cualquier cosa siempre y cuando esté bien iluminada.

Explora algunos diseños de cámara oscura en tu salón de clases y ve lo que tu clase puede descubrir sobre la luz y las imágenes.

Ser astrónomo

Si tienes la oportunidad de observar un eclipse con una cámara estenopeica, intenta dibujar una cuadrícula de 0.5 cm en tu pantalla de proyección con un marcador fino y permanente. Al observar el avance del eclipse, utilice la cuadrícula para estimar qué porcentaje del Sol o Luna está oscurecido por el eclipse.

Una manera fácil de hacer esto es contar el número de cuadrados en la imagen total del Sol o la Luna (solo necesitas hacerlo una vez), luego contar el número de cuadrados que están oscurecidos. La relación entre estos dos números te dará el porcentaje del eclipse en ese momento.

Si ves un eclipse parcial, trata de estimar en mayor medida el eclipse por porcentaje. Los valores oficiales para el porcentaje de eclipse a menudo se publican para eclipses solares y son específicos de su ubicación. ¿Qué tan cerca estás de las predicciones oficiales?

Ser científico

Las cámaras modernas utilizan lentes para enfocar la luz. Encuentra una lente de aumento simple y mira si puedes conseguir que proyecte una imagen de una bombilla sobre una hoja de papel. ¿En qué se parece esto a tu cámara estenopeica?

Vea si puede medir la distancia entre la lente y la imagen enfocada en milímetros, esta es la distancia focal de la lente.

Mida el diámetro de la lente en milímetros; esto también se llama apertura. Ahora divide la distancia focal por el diámetro de la lente, esta es la relación focal de la lente.

Seguimiento

Cada sistema moderno de cámara y proyector utiliza lentes para enfocar y controlar la luz. ¿Cuántos ejemplos de lentes en uso puedes encontrar en tu salón de clases? ¿Qué tal alrededor de tu escuela?