Brazo excavador con jeringas

Qué va a aprender

• Que el agua casi no se puede comprimir: lo que entra en una jeringa sale por la otra (5 ml empujados = 5 ml recibidos).
• Que el aire sí se comprime y por eso una burbuja hace que el brazo vaya «blando» y con retraso.
• Qué es una palanca y un pivote: un empuje corto cerca del eje produce un giro grande en la punta del brazo.
• Cómo funcionan las excavadoras, grúas y frenos reales: un mando pequeño y un cilindro que empuja.
• Que la gravedad también trabaja: el brazo baja solo cuando retiras agua del cilindro.

Prepara antes

• Imprime las plantillas al 100 % (sin «ajustar a la página») y comprueba con la regla que la línea roja de la cabecera mide 50 mm.
• Comprueba que el tubo entra apretado en el cono de las jeringas: si entra suelto, gotea y entra aire.
• Prepara 200 ml de agua con colorante en un bol (dos colores si puedes: uno por circuito).
• Si los niños son pequeños, corta tú antes las piezas largas (base, torre y brazos) con cúter.
• Cubre la mesa con papel de periódico: al llenar las jeringas siempre cae algo de agua.

Materiales y herramientas

• Cartón corrugado — 2 láminas de 30 × 25 cm
  simple, 3–4 mm (caja de envíos), plano y sin arrugas
• Jeringas sin aguja — 4 (2 pares) comprar
  10 ml, cono Luer liso (no de rosca), iguales entre sí; cuerpo Ø ≈ 16 mm, recorrido ≈ 55 mm
• Tubo de aire de acuario — 1,2 m (2 tramos de 60 cm) comprar
  silicona o PVC flexible, Ø interior 4 mm, exterior 6 mm
• Agua con colorante alimentario — 1 vaso (200 ml) + 3 gotas de colorante
  un color por circuito (p. ej. azul el hombro, rojo el codo)
• Encuadernadores (broches mariposa) — 2
  de dos patas, de 25 mm de largo (tienen que atravesar 15 mm de cartón)
• Palito de brocheta — 1
  Ø 3 mm, recto (eje del hombro, 60 mm)
• Pajita — 1
  Ø interior 5–6 mm (separadores del hombro)
• Clip metálico grande — 2
  ≈ 50 mm; uno para el gancho, otro para el asa del cubito
• Vasito de yogur o envase similar — 1
  cubito de carga (pesa ≈ 5 g vacío)
• Cinta americana o de tela — ≈ 40 cm
  para sujetar las jeringas (la cinta de papel se despega con el agua)
• Barritas de silicona — 3
  para pistola de silicona caliente
• Gomas elásticas — 2
  de oficina, para asegurar las jeringas además de la cinta

Herramientas

• Regla metálica, lápiz y escuadra — marcar piezas y comprobar ángulos rectos
• Cúter y base de corte — cortar las piezas largas con borde recto adulto
• Tijeras — recortar plantillas, pajita y tubo
• Punzón o lápiz afilado — hacer los agujeros de Ø 4 mm de los ejes adulto
• Pistola de silicona caliente — pegar torre, capas del cartón y jeringas adulto
• Barreño o bol grande — llenar los circuitos de agua sin burbujas
• Trapo o papel de cocina — secar goteos

Piezas y plantillas

• A · Base ×2 — cartón corrugado 3–4 mm
• B · Torre (pieza en U) ×1 — cartón corrugado 3–4 mm
• C · Travesaño trasero de la torre ×1 — cartón corrugado 3–4 mm
• D · Brazo (hombro → codo) ×2 — cartón corrugado 3–4 mm
• E · Antebrazo con cuerno de palanca ×2 — cartón corrugado 3–4 mm
• F · Separadores del hombro (pajita) ×2 — pajita Ø 6 mm
• G · Eje del hombro ×1 — palito de brocheta Ø 3 mm
• H · Gancho y asa del cubito ×2 — clip metálico grande

Paso a paso

1. Prueba un par de jeringas

   Llena una jeringa con 5 ml de agua, únela con 10 cm de tubo a otra jeringa vacía y empuja el émbolo. El émbolo de la otra debe salir enseguida. Así compruebas que el tubo entra apretado y no gotea.

   Comprueba: Si gotea en la unión, el tubo es demasiado ancho: busca tubo de 4 mm de diámetro interior o pon una vuelta de cinta en el cono.
   Truco: Vacía y guarda estas jeringas: las usarás después.

2. Corta y pega la base adulto

   Corta las 2 piezas A de 150 × 220 mm. Pégalas una sobre otra con cola o silicona, con las ondas cruzadas. Pega encima la plantilla de marcas o cópialas con regla: torre a 20 mm del borde trasero.

   Comprueba: La base apoyada en la mesa no cojea ni se comba.

3. Corta la torre adulto

   Corta la pieza B (150 × 145 mm con el frente rebajado a 100 mm). Marca los dos pliegues con un bolígrafo sin tinta y la regla, y dóblalos a 90° formando una U de 40 mm de frente y lados de 55 mm.

4. Perfora el eje del hombro adulto

   Con la U doblada, perfora los dos agujeros de Ø 4 mm a 15 mm del borde superior y a 10 mm del borde trasero de cada lado. Mete la brocheta: debe pasar recta por los dos agujeros a la vez.

   Comprueba: Mirando de frente, la brocheta queda horizontal. Si queda torcida, agranda un poco el agujero más bajo.

5. Pega la torre en la base adulto

   Pega el travesaño C entre los dos lados, abajo y por detrás. Pega la torre sobre las marcas de la base con un cordón de silicona por dentro y por fuera de los tres lados, con el frente mirando hacia DELANTE.

   Comprueba: Con la escuadra, la torre queda vertical en las dos direcciones.

6. Haz el brazo y el antebrazo adulto

   Corta 2 piezas D (174 × 30 mm) y pégalas cara con cara; haz lo mismo con las 2 piezas E (30 × 155 mm). Cuando estén secas, perfora los agujeros de Ø 4 mm atravesando las dos capas: hombro y codo en D, codo en E, y el de 2,5 mm del gancho en E.

   Truco: Pega con cola blanca y pon un libro encima 15 minutos: quedan más planas que con silicona.

7. Monta el hombro adulto

   Mete el extremo trasero del brazo D entre los lados de la torre. Pasa la brocheta G por un lado de la torre, un separador F de pajita, el agujero del brazo, el otro separador F y el otro lado. Pon una gota de silicona en cada punta de la brocheta, por fuera de la torre.

   Comprueba: Levanta el brazo con el dedo y suéltalo: debe caer solo, sin rozar ni bailar de lado.

8. Monta el codo

   Une el antebrazo E al costado DERECHO del brazo D con un encuadernador por los agujeros del codo: el cuerno de 55 mm hacia arriba y la parte larga colgando. Abre las patas del encuadernador sin apretar.

   Comprueba: El antebrazo cuelga vertical por su peso y vuelve solo a vertical si lo empujas.

9. Llena el circuito del hombro adulto

   Mete un tubo de 60 cm y una jeringa en el bol de agua azul. Bajo el agua, llena la jeringa, conéctala al tubo y empuja para sacar todo el aire. Saca la jeringa «mando» y llénala con 9 ml. La jeringa «cilindro» va con el émbolo hundido del todo (0 ml): únela al otro extremo del tubo sin sacarlo del agua.

   Comprueba: Empuja el mando 2 ml: el cilindro debe moverse a la vez, sin retraso. Si hay retraso, queda aire: vacía y repite.
   Truco: Las burbujas suben: sujeta el tubo con la jeringa hacia arriba y da golpecitos para que salgan antes de conectar.

10. Coloca el cilindro del hombro adulto

    Pega la jeringa cilindro en vertical contra la cara exterior del frente de la torre, con el cono hacia abajo a 25 mm de la base y el émbolo hacia arriba, justo debajo del canto inferior del brazo (marca a 56 mm del eje). Silicona en el cuerpo de la jeringa y una tira de cinta americana alrededor.

    Comprueba: El disco del émbolo toca el canto del brazo y el brazo queda casi horizontal (unos 5°).

11. Prueba el hombro

    Empuja despacio el émbolo del mando: el cilindro sube y levanta el brazo. Tira del mando y el brazo baja por su propio peso. Recorrido: de unos 5° a unos 45° sobre la horizontal.

    Comprueba: Si el émbolo se sale de debajo del brazo, recoloca la jeringa: tiene que estar centrada bajo el canto del brazo.

12. Llena el circuito del codo adulto

    Repite el llenado con el otro tubo de 60 cm y agua roja: mando con 9 ml, cilindro con el émbolo hundido del todo. Comprueba que el cilindro responde sin retraso.

13. Coloca el cilindro del codo adulto

    Tumba la jeringa cilindro sobre el canto de arriba del brazo, con el cono hacia el hombro y el émbolo hacia el codo. Desplázala 5 mm hacia el lado del antebrazo para que su disco toque el borde trasero del cuerno. Pégala con silicona y refuerza con 2 vueltas de cinta americana.

    Comprueba: Con el antebrazo colgando, el disco del émbolo apoya en el cuerno sin empujarlo todavía.

14. Guía los tubos

    Sujeta el tubo del codo a lo largo del brazo con 2 trocitos de cinta y deja un bucle flojo de 10 cm en el hombro para que el brazo pueda subir sin tirar del tubo. Deja los dos mandos a la derecha de la base.

15. Pon el gancho y prepara la carga

    Coloca el clip en S en el agujero de 2,5 mm del extremo del antebrazo. Pincha el otro clip en U en el borde del vasito de yogur como asa. Mete dentro 1 o 2 canicas (5 g cada una).

16. Engancha y levanta

    Con el brazo bajado, empuja el mando del codo para acercar el gancho al asa, engánchala y suelta el codo. Luego empuja el mando del hombro: el vasito sube. Muévelo despacio, 1 ml cada vez.

    Comprueba: El vasito con 2 canicas (≈ 15 g) sube al menos 8 cm.

¿Funciona? La prueba

Pon el vasito con canicas en la zona de carga. Engánchalo con el codo y súbelo con el hombro hasta lo más alto. Mide con la regla la altura que gana el gancho.

Qué debe pasar: El brazo sube de unos 5° a unos 45° y el gancho gana unos 9–10 cm de altura. Con 9 ml en el mando el movimiento es suave y lento; levanta sin problema 20–30 g. Al tirar del mando, el brazo baja solo.

Si algo falla

• Empujo el mando y el brazo se mueve tarde o «a esponja» — Hay aire en el circuito: el aire se comprime antes de empujar. Solución: Vacía el circuito y vuelve a llenarlo dentro del bol de agua, con la jeringa hacia arriba para que las burbujas salgan por el cono.
• Gotea por las uniones — Tubo demasiado ancho para el cono o jeringa de rosca. Solución: Usa tubo de 4 mm interior, o enrolla una vuelta de cinta de teflón en el cono antes de meter el tubo.
• El émbolo del cilindro se sale de debajo del brazo — La jeringa no está centrada o vertical. Solución: Despégala y recolócala centrada bajo el canto del brazo; pega una tira de cartón de 6 mm a cada lado del canto como carril.
• El brazo no baja al tirar del mando — El brazo roza con la torre o los separadores aprietan demasiado. Solución: Recorta 1–2 mm los separadores de pajita y comprueba que el brazo cae solo sin agua.
• El antebrazo no se dobla — El disco del émbolo no toca el cuerno (desplazado de lado). Solución: Mueve la jeringa del codo hacia el lado del antebrazo o pega un trozo de cartón de 5 mm en el cuerno donde empuja.
• Toda la grúa vuelca hacia delante — Carga demasiado pesada o base de una sola capa. Solución: Usa las 2 capas de base y pon una piedra o 4 monedas grandes pegadas en la zona trasera.

Seguridad

• Jeringas siempre SIN aguja: compra jeringas sueltas de farmacia o pide «jeringa oral»; si alguna trae aguja, la retira y guarda un adulto.
• El cúter y el punzón los usa un adulto, con base de corte y la otra mano detrás de la cuchilla.
• La silicona caliente quema y la boquilla de la pistola también: el adulto pega, el niño sujeta con una pinza de la ropa.
• No bebas el agua con colorante y no la apuntes a los ojos al vaciar las jeringas (salta con fuerza).
• Seca el agua derramada: suelo resbaladizo.

La ciencia detrás

Para los niños

El agua es muy cabezota: no se deja apretar. Si empujas agua por un extremo del tubo, tiene que salir por el otro, como cuando empujas una fila de canicas dentro de un tubo y la última sale disparada. Por eso, cuando aprietas la jeringa que tienes en la mano, la otra jeringa se estira y levanta el brazo. Si dentro hay una burbuja de aire, el aire sí se aprieta como un cojín y el brazo va blandito. Las excavadoras de las obras usan lo mismo, pero con aceite.

Para el adulto

El agua es prácticamente incompresible (su volumen cambia un 0,005 % por atmósfera), así que el volumen desplazado en la jeringa mando reaparece íntegro en la jeringa cilindro: con dos jeringas de 10 ml iguales (Ø interior ≈ 14,5 mm, área ≈ 1,65 cm²), 1 ml equivale a ≈ 6 mm de recorrido en ambas. Por el principio de Pascal la presión es la misma en todo el circuito, de modo que la fuerza en cada émbolo es F = p · A: con áreas iguales la fuerza también es igual (relación 1:1); con un mando de 5 ml y un cilindro de 20 ml la fuerza se multiplica ≈ ×2,7 pero el recorrido se divide en la misma proporción (se conserva el trabajo F · d). El aire, en cambio, es compresible (ley de Boyle): una burbuja actúa como muelle y produce retraso y rebote. Mecánicamente, el cilindro del hombro empuja a 56 mm del eje: el par para levantar el brazo (≈ 40 g con jeringa) y 20 g en el gancho a ≈ 20 cm es del orden de 0,05 N·m, lo que pide ≈ 1 N en el émbolo, es decir, solo ≈ 6 kPa de presión: casi toda la fuerza que nota el niño es el rozamiento de las juntas de goma. El cilindro solo empuja; el retorno lo hace la gravedad, igual que en muchas grúas de simple efecto. En el codo, el émbolo empuja un cuerno de palanca a ≈ 23 mm del eje, lo que convierte ≈ 20 mm de recorrido en ≈ 45° de giro del antebrazo.

• hidráulica: técnica que usa un líquido encerrado para transmitir fuerza y movimiento.
• incompresible: que no se puede apretar para que ocupe menos sitio (como el agua).
• émbolo o pistón: pieza que se desliza dentro de la jeringa y empuja el líquido.
• pivote: eje sobre el que gira una pieza.
• presión: fuerza repartida sobre una superficie; en un líquido encerrado es igual en todas partes.

Por edades

• 5–7 años: El adulto construye la grúa y llena los circuitos. El niño decora, coloca el gancho y maneja los mandos: el reto es enganchar el vasito. Céntrate en «empujo aquí, se mueve allí».
• 8–10 años: Construyen todo salvo cúter, punzón, silicona y llenado (el adulto lo hace con ellos mirando). Que descubran qué pasa con una burbuja y cómo purgarla.
• 11–12 años: Lo montan casi solos. Reto: calcular cuántos mm se mueve el émbolo por cada ml y añadir el tercer par de jeringas para una pinza o una base giratoria.

En grupo o en clase

Equipos de 3 (uno por mando y un «capataz» que da instrucciones). Materiales por equipo: 4 jeringas, 1,2 m de tubo, 2 láminas de cartón. Antes de la sesión: cortar bases, torres y brazos con cúter y preparar dos barreños de agua coloreada por cada 4 equipos. Sesión de 2 × 60 min: primero estructura, segundo día llenado y pruebas. Termina con una carrera de «trasladar 3 vasitos a una caja» cronometrada. Ten toallas y jeringas de repuesto.

Retos

• Haz una base giratoria con una tapa de bote y un tercer par de jeringas (o una cuerda enrollada).
• Pasa 5 tapones de una caja a otra en menos de 2 minutos.
• Cambia el gancho por un imán pequeño y recoge clips.
• Diseña un panel de control con los 2 mandos pegados en paralelo y etiquetados (SUBIR, DOBLAR).
• Consigue levantar 50 g reforzando la estructura sin cambiar las jeringas.

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