13.3: ¿Por qué son tan raros los eclipses?

Con nuestros dos modelos de sombra, hemos visto la mecánica del eclipse solar y lunar. Tus alumnos ahora deberían poder explicarle a alguien cómo funcionan los eclipses y por qué se necesitan tanto la luz como la sombra para crear uno. Pero, ¿por qué son tan raros los eclipses? La mayoría de las personas nunca han visto un eclipse lunar aunque son bastante comunes y ocurren en racimos de tres a cuatro eventos repartidos en 18-24 meses. Estos cúmulos de eclipse ocurren cada pocos años, hay muchos almanaques en línea que pueden ayudarte a encontrar el próximo eclipse lunar visible desde tu zona.

Sólo relativamente pocas personas han visto jamás un eclipse solar total. Estos hechos fugaces solo duran minutos, y uno tiene que estar en una posición muy exacta para observarlos. Aventureros, astrónomos y turistas adinerados hacen viajes a lugares exóticos, la gente incluso flete cruceros para viajar a un punto particular del océano y a la deriva inmóvil mientras los que están a bordo observan el evento fugaz! El modelo que creamos parece sugerir que un eclipse debería ser posible en cada luna llena y nueva, entonces, ¿por qué son tan poco frecuentes?

Para entender esta última pieza del rompecabezas eclipse, crearemos otro modelo más usando bolas de ping-pong nuevamente, y nuestro modelo Sun de ping-pong, también. Vamos a hacer un nuevo modelo Tierra de ping-pong, ¡esta vez con la órbita inclinada de la Luna unida a él!

Estándares Académicos

Prácticas de Ciencia e Ingeniería

• Desarrollo y uso de modelos.
• Utilizando las matemáticas.
• Construyendo explicaciones.
• Argumento desde la evidencia.

Conceptos transversales

• Patrones en la naturaleza.
• Causa y efecto.
• Sistemas y modelos de sistemas.
• Estructura y función.
• Estabilidad y cambio.

Estándares científicos de próxima generación

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

1. La órbita de la Luna está inclinada 5.5 grados con respecto al plano orbital de la Tierra alrededor del Sol.
2. Una inclinación orbital de cinco grados parece muy pequeña, pero este pequeño ángulo transportado a lo largo de 380.000 kilómetros a menudo coloca a la Luna muy por encima, o por debajo, del plano de la órbita terrestre.
3. Para tener un eclipse de cualquier tipo, la Tierra, la Luna y el Sol deben estar precisamente alineados en el espacio. Es la inclinación de la órbita de la Luna la que interfiere con esta alineación.

Enseñanza y Pedagogía

Recordarás que en la Actividad #30, utilizamos un giroscopio de juguete para mostrar a los alumnos que el eje de un objeto giratorio es estable en el espacio, sin importar cómo lo movamos. La Luna en su órbita no es un anillo sólido como el anillo metálico del giroscopio, o una bola de piedra sólida como la Tierra, sino que a medida que gira actúa de la misma manera. Girar el giroscopio hacia arriba y equilibrarlo en tu dedo, empújalo para que quede un poco inclinado justo cuando el eje de la Tierra y la órbita de la Luna están inclinados. Los estudiantes se darán cuenta rápidamente de que se mantiene erguida, pero también se tambalea un poco. Al igual que con nuestro giroscopio de juguete, así va tanto la Tierra como la Luna: ¡este 'juguete' es un excelente modelo científico!

La órbita lunar, al igual que el eje de la Tierra, permanece apuntada en la misma orientación que el sistema Tierra-Luna orbita al Sol. Es decir, si el punto más alto de la órbita lunar de tu modelo mira hacia el norte, debe permanecer orientado hacia el norte a medida que mueves el modelo alrededor del Sol. ¡También puede ser útil tener a mano tu modelo de Actividad #34 para ayudar a ilustrar lo que está sucediendo a mayor escala!

Resultados de los estudiantes

¿Qué descubrirá el alumno?

1. Una vez más, entra en juego la escala de distancias en nuestro sistema solar. Aunque la inclinación de la órbita de la Luna es relativamente pequeña, ¡las grandes distancias entre la Tierra y la Luna hacen que este pequeño ángulo sea muy significativo!
2. La interacción de luz y sombra es algo magnífico. El camino preciso de la luz a través de nuestro sistema solar, y las sombras creadas por planetas y lunas crean hermosos fenómenos como los eclipses.
3. El diseño del sistema solar es sencillo, pero los muchos cuerpos en movimiento y las diferencias de velocidad, distancia, inclinación orbital y posición hacen que el cielo esté siempre cambiando. Como astrónomos, debemos mirar cuando hay fenómenos disponibles, ¡algunas de las cosas que vemos pueden nunca más ser visibles en nuestras vidas!

¿Qué aprenderán tus alumnos sobre la ciencia?

Este modelo es la piedra angular de nuestra exploración del sistema Tierra-Luna (¡pero no el final de nuestras aventuras!) Usted y sus alumnos han visto cómo los modelos comienzan con patrones y mantenimiento del tiempo, y avanzan jugando creativamente con estos modelos para ver qué predicciones hacen, y luego probando estas predicciones con observaciones y experimentos. En lugar de leer sobre ciencia en un libro, usted y sus alumnos realmente se han involucrado en él; construyendo los modelos, descubriendo las predicciones y poniéndolas a prueba por ustedes mismos. ¡La ciencia es un verbo! ¡La ciencia es una aventura! ¡La ciencia es la alegría del descubrimiento!

En el camino, hemos visto cómo un solo modelo del sistema Tierra-Luna no pudo demostrar de manera confiable todo lo que sabemos sobre el tamaño, la escala, los movimientos y las interacciones de la Tierra, la Luna y el Sol. Como verdaderos científicos, hemos utilizado una variedad de modelos para demostrar, o más bien resaltar, diferentes características del sistema Tierra-Luna que hemos descubierto. Sus alumnos también han visto cómo a veces exageramos o desenfatizamos las características de nuestros modelos cambiando el tamaño, la velocidad y la distancia para adaptarlos a nuestro propio programa de investigación y descubrimiento.

Tus alumnos también han descubierto que la ciencia no es perfecta, ni inmutable. A veces los modelos científicos y las teorías deben cambiarse un poco, modificarse ampliamente, incluso descartarse por completo. En la ciencia no existe tal cosa como un apego emocional a una teoría de mascotas, o la lealtad a una idea que se ha demostrado que es incorrecta.

Los científicos no cambian de opinión sobre una teoría a la ligera, se necesitan datos para impulsar estos cambios; pero ante la creciente evidencia, cualquier buen científico irá humildemente a donde conduzca la evidencia de la naturaleza. Para toda nuestra magnífica tecnología, electrónica reluciente y telescopios masivos, la ciencia es una actividad muy humana. Es impulsado por nuestra curiosidad por el universo que nos rodea, y nuestro deseo de entender el mundo en el que vivimos. Los científicos son todos niños de corazón, exploradores creativos atraidos por algún patrón interesante que han vislumbrado mientras jugaban, encantados con la perspectiva de aprender algo nuevo y compartirlo con todos los demás.

Realización de la Actividad

Materiales

1. Una pelota de ping-pong
2. Una carpeta de archivo manila o cartulina rígida similar
3. Cuatro cuentas de 3-5 mm (se prefiere el gris, pero cualquier color servirá)
4. Un tee de golf
5. Un trozo de madera o una bola de arcilla para modelar para un soporte
6. Ping-pong Sun modelo (Ver Actividad #20)
7. Un giroscopio de juguete (para una demostración docente)
8. Marcadores, pegamento, masilla para póster, etc.

Construyendo el modelo de eclipse raro

1. Usa marcadores para decorar una Tierra modelo: ¡tus alumnos ya deberían estar recibiendo buenos en esto! ¡Verás por qué necesitamos una nueva Tierra después de agregar la órbita lunar a nuestro modelo!
2. Usa pegamento de silicona para unir el Polo Sur de tu modelo al tee de golf y colóquelo en una bola de arcilla para que se ponga de pie y se seque. Recuerda que el pegamento de silicona necesita 24 horas para curarse adecuadamente. Se puede usar pegamento caliente para acelerar el proceso si lo desea.
3. En la carpeta de archivos, use una brújula para dibujar y cortar un círculo de 5 pulgadas. Luego corta un círculo de 4.0 cm de ancho desde el centro de este para crear tu órbita lunar. Si has hecho las cosas correctamente, deberías tener un anillo de órbita lunar que se ajuste muy bien sobre tu pelota de ping-pong. Puedes usar marcadores para colorear este negro o gris oscuro si lo deseas, pero no uses crayones, ¡el acabado ceroso interferirá con unir nuestras pequeñas cuentas de luna a nuestro modelo más tarde!
4. Coloca tu órbita lunar en el modelo Tierra de ping-pong. Asegúrese de que la órbita se inclinó lo suficiente para que los extremos de la órbita estén muy por encima y por debajo del nivel de la propia Tierra. Cuando estés satisfecho de que tienes todo en la posición correcta, sigue adelante y asegura tu anillo orbital con un par de gotas de pegamento blanco o súper pegamento. Con esta órbita grande e inclinada unida, puedes ver por qué necesitábamos poner nuestro modelo Earth en un soporte como un tee de golf. Recuérdeles a tus alumnos que la órbita lunar real es 60x el tamaño de la Tierra, hemos hecho trampa un poco con una órbita lunar apenas 5x más ancha que la Tierra para mantener manejable el tamaño de nuestro modelo.
5. Usa un poco de masilla para póster para unir tus cuentas de cuatro lunares. Cada uno debe ir en la posición más alta y más baja de la órbita, y en los nodos donde la órbita cruza el ecuador de la Tierra. Los niños más pequeños pueden encontrar cuatro lunas un poco confusas, en ese caso simplemente mantén una cuenta en el anillo orbital y muévala como necesites. ¡Debes tener cuidado de tratar el anillo de órbita lunar con cuidado para que no lo agaches y dañes el modelo! En cualquier caso, con tu cuenta lunar ahora unida, tu modelo está listo para usar.

Explorando el modelo de eclipse raro

1. Haga que sus alumnos comiencen con la cuenta lunar en una de las posiciones de los nodos. Ajusta tu modelo para que la Tierra esté directamente entre la Luna y el Sol —esta es la posición correcta para un eclipse lunar con la Luna en el nodo y el nodo apuntando directamente al Sol.
2. Ahora avanza la Tierra 90 grados en sentido antihorario (¡mantén el anillo orbital orientado en la misma dirección!) , y avanzar la perla de la Luna los mismos 90 grados en sentido antihorario alrededor de su anillo orbital. Recuerde a sus alumnos que esto representa tres meses de tiempo (¡¼ de año!) La Luna está ahora entre la Tierra y el Sol otra vez, ¡pero o bien está demasiado alta por encima o demasiado por debajo de la Tierra para que su sombra cree un eclipse!
3. Continuar avanzando la Tierra y la Luna 90 grados a la vez y observar los resultados. Rápidamente verás que solo hay dos veces al año, con seis meses de diferencia, cuando es posible un eclipse. Estas se llaman estaciones de eclipse. Para que ocurra un eclipse, la Luna debe estar precisamente en un nodo exactamente el día correcto cuando el nodo apunta al Sol. ¡No es de extrañar que los eclipses sean tan raros!

Preguntas de Discusión

1. ¿Qué factores hacen que los eclipses sean tan raros?
   • Respuesta: El gran tamaño de la órbita lunar.
   • Respuesta: La inclinación de la órbita lunar que impide que las sombras golpeen la Tierra o la Luna la mayoría de los meses.
   • Respuesta: El pequeño tamaño de la Luna en comparación con la Tierra.
2. ¿Qué compromisos hemos hecho con este modelo del sistema Tierra-Luna?
   • Respuesta: Hemos mostrado a la Luna mucho más cerca de la Tierra de lo que realmente está. El diámetro de la órbita de la Luna es 30x el diámetro de la Tierra; y una órbita tan grande haría que nuestro modelo fuera difícil de construir y operar.

Materiales suplementarios

Ser astrónomo:

¿Sabías que puedes ver eclipses sucediendo en otros planetas? Las lunas galileas de Júpiter son lo suficientemente grandes como para que sea posible observar, e incluso fotografiar estas lunas y sus sombras a medida que pasan frente a su planeta Júpiter.

La observación de tales eventos requiere un telescopio relativamente grande; ya sea un refractor de 100 mm de apertura o mayor, o un reflector de al menos 8 pulgadas de apertura, preferiblemente 12 pulgadas o incluso más grande. Una vez más, su club de astronomía local puede acudir en su ayuda. La mayoría de los palos tienen al menos un miembro con un gran telescopio reflector del tipo requerido para ver la sombra de una luna cruzar la cara de Júpiter.

¡Observar tal evento requiere planeación! Estos eventos se pueden predecir con meses de anticipación, así como los eclipses en la Tierra pueden hacerlo, pero no siempre ocurren temprano en la noche cuando sería conveniente que los estudiantes y padres de familia participen. ¡Reúnase con su club al inicio del ciclo escolar y vea si puede planificar un horario de observación efectivo!

Ser Científico:

Si tienes la oportunidad de observar un eclipse en Júpiter, es posible que puedas configurar una transmisión de video en vivo para que todos tus alumnos la vean. Si el eclipse ocurre en un momento inconveniente, es posible que encuentre que su club de astronomía puede brindarle un video del evento para que su clase lo vea en la comodidad de su salón de clases.

Los científicos observan eventos tomando nota cuidadosa del primer contacto, el tiempo de la totalidad y el último contacto. Se pueden observar estos eventos ya sea en vivo, o desde un video. Puede ser interesante comparar eventos de eclipse de las diferentes lunas galileas (Io, Europa, Calisto y Ganímedes.) Debido a sus diferentes distancias de Júpiter, cada una de las lunas galileas viaja a una velocidad diferente en órbita. Esto puede afectar en gran medida el tiempo de la totalidad ya que la sombra de la luna cruza la cara de Júpiter.

Seguimiento

¡Predecir eclipses es un esfuerzo muy difícil! Al observar los cálculos modernos de eclipses pasados que fueron visibles sobre el Mediterráneo y Medio Oriente desde el 100 a.C. hasta el 1000 d.C., encontramos que algunos eclipses solares estaban separados por solo 18 meses, otras veces el siguiente eclipse solar podría estar separado por 400 meses, es decir, más de 33 años separando dos eclipses solares.

Para predecir un eclipse solar, debes conocer con precisión la forma de la órbita de la Luna, y determinar cómo la Tierra y la Luna aceleran y disminuyen la velocidad en sus órbitas. Los griegos alcanzaron este nivel de sofisticación en el siglo I a.C., y los astrónomos chinos alcanzaron ese nivel de conocimiento alrededor del 300 d.C. Hay rumores de que los astrónomos mayas o incas pueden haber alcanzado ese nivel de conocimiento, pero gran parte de su literatura matemática fue destruida por sus conquistadores españoles a principios de la década de 1500, por lo que es poco probable que alguna vez sepamos hasta qué punto habían progresado estos nuevos astrónomos del mundo.