Elevador de agua en espiral

Qué va a aprender

• Que una hélice girando convierte un giro en un avance: cada vuelta de manivela sube una «bolsa» de agua una vuelta de hélice.
• Que el agua nunca sube por sí misma: siempre cae al punto más bajo de cada vuelta, pero ese punto se desplaza hacia arriba al girar.
• Que el ángulo de inclinación decide si la máquina funciona: demasiado empinada, las bolsas se vacían hacia atrás.
• A medir un caudal (ml por minuto) y relacionarlo con la velocidad de giro.

Prepara antes

• Imprime las plantillas al 100 % y comprueba que la plantilla de la hélice (A) mide 157 mm de ancho: es el contorno de un tubo de 50 mm.
• Mide tu tubo: si no es de 50 mm, recorta la plantilla A a un ancho de 3,14 × diámetro (Ø 40 → 126 mm; Ø 60 → 188 mm) y redibuja las diagonales.
• Corta el tubo a 400 mm y fórralo entero con cinta de embalar en espiral, solapando 1 cm, si es de cartón.
• Deja la manguera enrollada al sol o en agua caliente del grifo 5 minutos: se ablanda y se enrolla mejor.
• Trabaja en un sitio donde se pueda mojar el suelo (terraza, cocina) y ten un trapo a mano.

Materiales y herramientas

• Tubo rígido — 1 de 400 mm
  Ø exterior 50 mm (tubo de póster o de planos, o tubo de PVC de desagüe de 50 mm)
• Manguera transparente — 2 m comprar
  PVC cristal 6 × 8 mm (interior 6, exterior 8); se vende por metros en ferretería
• Cinta de embalar transparente — ≈ 1,5 m
  ancha (48 mm), para impermeabilizar el tubo de cartón
• Cinta aislante o cinta americana — ≈ 1 m en 20 trozos de 5 cm
  aguanta mojada mejor que la cinta de papel
• Cartón corrugado — 1 trozo de 25 × 20 cm
  3 mm, para tapas, manivela, cuna y escuadra de 30°
• Lápiz o palito — 1
  Ø 7–8 mm, 8–10 cm (empuñadura de la manivela)
• Barreño o palangana — 1
  ≥ 30 cm de diámetro, con 4–5 cm de agua (≈ 2–3 l)
• Vaso o jarra medidora — 1
  transparente, de 250 ml y como máximo 10 cm de alto
• Colorante alimentario — 2–3 gotas
  azul o verde, para ver las bolsas de agua
• Libros o una caja — pila de ≈ 12–13 cm
  para levantar la cuna en V

Herramientas

• Tijeras — recortar plantillas y cortar la manguera
• Cúter y regla metálica — cortar las piezas de cartón y la V de la cuna adulto
• Punzón o lápiz afilado — agujero de 8 mm en la manivela adulto
• Barra de pegamento — pegar la plantilla de la hélice al tubo
• Cola blanca o pistola de silicona — pegar tapa, manivela y cuna adulto
• Regla y rotulador permanente — marcar el paso y las medidas en el tubo

Piezas y plantillas

• A · Plantilla de la hélice (paso 26 mm) ×1 — papel 80 g
• B · Tapas del tubo ×2 — cartón corrugado 3 mm
• C · Brazo de manivela ×2 — cartón corrugado 3 mm
• D · Costados de la cuna en V ×2 — cartón corrugado 3 mm
• E · Base de la cuna ×1 — cartón corrugado 3 mm
• F · Escuadra de 30° ×1 — cartón corrugado 3 mm
• G · Manguera ×1 — manguera PVC 6 × 8 mm

Paso a paso

1. Prepara el tubo adulto

   Corta el tubo a 400 mm. Si es de cartón, fórralo entero con cinta de embalar en espiral, solapando 1 cm en cada vuelta. Con rotulador, marca una raya a 20 mm de la boca de abajo y otra a 290 mm.

   Comprueba: El tubo no debe absorber una gota de agua puesta encima.

2. Pega la plantilla de la hélice

   Recorta la plantilla A. Envuélvela alrededor del tubo con su borde de abajo sobre la raya de 20 mm y los dos bordes laterales a tope. Sujétala con 3 trozos de cinta transparente por encima, que también la protegen del agua.

   Comprueba: Sigue la línea con el dedo: debe dar 10 vueltas seguidas sin saltos, desde 30 mm (1 cm por encima de la raya de 20 mm) hasta la raya de 290 mm.

3. Prepara la boca de entrada

   Corta la punta de la manguera en bisel (inclinada unos 45°). Ponla en el principio de la hélice (abajo, a 30 mm de la boca) y llévala recta, a lo largo del tubo, hasta la boca de abajo, con 10 mm de manguera asomando por debajo. Fija ese tramo recto con dos vueltas de cinta aislante.

   Truco: El bisel funciona como una cuchara: coge agua cuando pasa por abajo y aire cuando pasa por arriba.

4. Enrolla la manguera sobre la línea

   Enrolla la manguera siguiendo la línea de la plantilla, siempre en el mismo sentido y sin estirarla. Cada media vuelta, pon un trozo de cinta aislante de 5 cm cruzado sobre la manguera para que no se desplace.

   Comprueba: Mide con la regla entre dos vueltas seguidas: 26 mm (entre 24 y 28 mm vale). Debe haber 10 vueltas.
   Truco: Que un adulto sujete el tubo y el niño enrolle: es más fácil con cuatro manos.

5. Corta la salida a ras adulto

   Al llegar al final de la hélice (raya de 290 mm), corta la manguera de forma que asome solo 15 mm siguiendo la curva. Fija ese último tramo con dos vueltas de cinta. Guarda el trozo sobrante para otros experimentos.

   Comprueba: Sopla por la boca de abajo: el aire tiene que salir por arriba. Si no sale, la manguera está estrangulada en alguna vuelta: afloja esa vuelta.

6. Tapa las dos bocas adulto

   Corta las dos tapas B (Ø 50 mm). Pega una en cada boca del tubo con cola o silicona y séllalas con dos tiras cruzadas de cinta de embalar que bajen 2 cm por el lateral.

7. Monta la manivela adulto

   Pega las dos capas del brazo C. Pega el brazo sobre la tapa de arriba con el punto de 1 mm justo en el centro. Mete el lápiz en el agujero de 8 mm hasta que asome 6 cm y fíjalo con silicona o con cinta enrollada.

   Comprueba: Al girar el lápiz, el tubo gira con él sin que el brazo se doble.

8. Construye la cuna en V adulto

   Corta los dos costados D y la base E. Dobla la pestaña de 15 mm de cada costado y pégalos de pie sobre las líneas de E, con las dos V alineadas. Pon un libro encima de la base mientras seca.

   Comprueba: Apoya el tubo en las V: debe girar libre y la manguera no debe rozar el fondo de la V.

9. Monta la escena

   Pon el barreño sobre la mesa con 4–5 cm de agua y 3 gotas de colorante. Coloca la cuna sobre una pila de libros de unos 12–13 cm, fuera del barreño y a unos 7 cm de su borde. Apoya la boca de abajo del tubo en el fondo, a unos 11 cm de la pared del barreño contraria a la cuna (no pegada a ella: con un barreño de 30 cm el tubo no llegaría a la cuna), y apoya el tubo en la cuna por la zona entre 330 y 370 mm.

10. Ajusta 30°

    Pon la escuadra F en la mesa junto al tubo. Quita o añade libros hasta que la hipotenusa quede paralela al tubo. La boca de entrada debe quedar medio sumergida: si queda fuera del agua, añade agua; si las 3 primeras vueltas quedan bajo el agua, quítala.

    Comprueba: La salida (raya de 290 mm) queda a unos 15–17 cm sobre el fondo del barreño, por fuera de su borde.

11. Pon el vaso de recogida

    Coloca el vaso (máximo 10 cm de alto) en la mesa, por fuera del barreño, pegado a un costado de la pila de libros (entre el barreño y la pila no cabe) y con su boca lo más cerca posible de la vertical del final de la hélice. Gira la manivela despacio con la mano: la salida debe pasar por encima del vaso en la parte baja de su giro. Si no pasa, usa un recipiente más ancho y bajo, como un táper, junto a la pila.

12. Gira y observa

    Gira la manivela a un ritmo de una vuelta por segundo, siempre en el sentido en que la boca biselada «entra» en el agua de frente. Tras 10 vueltas (las de la hélice) empezará a caer un chorrito al vaso en cada vuelta.

    Comprueba: Se ven bolsas de agua azul separadas por burbujas de aire, una en cada vuelta, avanzando hacia arriba.
    Truco: Si no sube nada tras 15 vueltas, gira en el otro sentido: con el sentido contrario el tornillo baja el agua.

¿Funciona? La prueba

Con el tubo a 30°, la boca medio sumergida y el vaso vacío debajo de la salida, da 60 vueltas de manivela en 1 minuto (una por segundo) y mide el agua del vaso.

Qué debe pasar: Tras las primeras 10 vueltas de llenado, cae agua en cada vuelta: unos 60–120 ml por minuto con manguera de 6 mm. El agua sube unos 12 cm por encima de la superficie del barreño.

Si algo falla

• El agua sube un poco y vuelve a bajar — Tubo demasiado empinado (más de 45°): las bolsas no tienen un punto bajo en cada vuelta y se vacían hacia atrás. Solución: Baja la cuna hasta 30° con la escuadra F.
• No entra agua por abajo — La boca de entrada no llega al agua o queda siempre sumergida y llena de agua sin aire. Solución: Ajusta el nivel: la boca biselada debe entrar y salir del agua en cada vuelta (agua por la mitad de la boca del tubo).
• Gira pero el agua no avanza — Estás girando en el sentido que baja el agua. Solución: Gira al revés. El sentido correcto es el que hace que la boca de entrada «muerda» el agua de frente.
• El agua queda parada en tapones dentro de la manguera — Manguera demasiado fina (menos de 5 mm de interior): la tensión superficial bloquea el paso. Solución: Usa manguera de 6 × 8 mm o mayor.
• La manguera se aplasta en las curvas — Manguera gruesa sobre un tubo estrecho: radio de curvatura demasiado pequeño. Solución: Ablándala con agua caliente, usa un tubo de 60 mm o manguera de 6 × 8 mm.
• La hélice se desliza al girar — Cinta de papel mojada o pocos puntos de sujeción. Solución: Cinta aislante o bridas cada media vuelta (20 sujeciones en total).
• El agua cae fuera del vaso — La salida asoma demasiado y describe un círculo grande. Solución: Recórtala a 15 mm y acerca el vaso, pegado al costado de la pila, al punto más bajo de su giro; si aun así no llega, usa un táper ancho y bajo.

Seguridad

• Agua y electricidad: monta el experimento lejos de enchufes, alargadores y aparatos.
• Seca el suelo al momento: un suelo mojado hace resbalar.
• El cúter y la silicona caliente los usa un adulto, con regla metálica y base de corte.
• No bebas el agua con colorante ni sorbas por la manguera para cebarla.
• Si usas arena, que esté seca y limpia; no soples la arena hacia los ojos.

La ciencia detrás

Para los niños

El agua es perezosa: siempre se va al sitio más bajo que encuentra. En cada vuelta de la manguera hay un «valle» donde se queda una bolsita de agua. Cuando giras el tubo, ese valle se va moviendo hacia arriba, como cuando subes una escalera mecánica sin andar, y la bolsita viaja con él. Al final llega arriba y cae al vaso. Tú pones la fuerza con la manivela; el agua solo se deja llevar.

Para el adulto

La manguera describe una hélice de paso p = 26 mm sobre un diámetro medio de 58 mm (vuelta de ≈ 182 mm de perímetro, ángulo de hélice ≈ 8°). Con el eje inclinado un ángulo θ, cada vuelta tiene un mínimo local de altura siempre que θ < 90° − 8°, pero la bolsa útil solo es grande si θ es pequeño: con θ ≈ 30° cada vuelta retiene un tramo de agua en su parte baja, separado del siguiente por aire. Al girar el tubo, la posición de esos mínimos avanza un paso por vuelta a lo largo del eje y el agua, que siempre está en reposo en su mínimo, es transportada sin que nada la «empuje» hacia arriba: el trabajo lo hace el par en la manivela, que levanta el centro de gravedad del agua atrapada. Altura de elevación ≈ longitud de hélice × sen θ = 260 mm (de 30 a 290 mm) × 0,5 ≈ 13 cm; como la boca de abajo va medio sumergida, el agua sale unos 12 cm por encima de la superficie del barreño. El caudal es aproximadamente (volumen de cada bolsa) × (vueltas por segundo): con 6 mm de diámetro interior caben ≈ 5 ml por vuelta, de los que la bolsa ocupa entre 1/4 y 1/2 (1–2,5 ml). Si θ aumenta, la bolsa se hace más pequeña y al llegar a ~60–70° desaparece en la práctica; si θ disminuye, cabe más agua pero se sube menos altura. Es la misma máquina que se usa hoy en depuradoras y bombas de grano, y que la tradición atribuye a Arquímedes (s. III a. C.), aunque posiblemente es más antigua.

• hélice: línea que da vueltas alrededor de un cilindro mientras avanza, como la rosca de un tornillo.
• paso: lo que avanza la hélice en una vuelta completa (aquí 26 mm).
• inclinación: ángulo que forma el tubo con la mesa.
• caudal: cantidad de agua que pasa en un tiempo, por ejemplo mililitros por minuto.
• manivela: brazo con empuñadura que sirve para hacer girar un eje con la mano.

Por edades

• 5–7 años: El adulto prepara el tubo con la hélice ya pegada y la cuna. El niño pone el colorante, gira la manivela, cuenta las vueltas y mide con el vaso. Céntrate en «el agua se esconde abajo en cada vuelta y la llevamos de paseo».
• 8–10 años: Siguen todos los pasos; el adulto corta y pega con silicona. Que descubran ellos el sentido correcto de giro y el ángulo que deja de funcionar.
• 11–12 años: Que calculen el paso y el número de vueltas a partir de la longitud de manguera (perímetro π × D y teorema de Pitágoras) y hagan una gráfica caudal–ángulo. Reto: subir el agua 25 cm con dos tornillos en serie.

En grupo o en clase

Equipos de 3–4 (cada equipo monta un tornillo con un tubo y 2 m de manguera, ≈ 2 € por equipo). Antes de la sesión: cortar y forrar los tubos, imprimir plantillas y cortar la manguera. Sesión de 75 min: 10 min demostración del principio con una manguera a mano, 40 min montaje, 25 min de medidas en el patio con 2–3 barreños compartidos (cada equipo mide un ángulo distinto y se juntan los datos en una tabla de la pizarra).

Retos

• Sube agua a un segundo barreño y de ahí a un tercero con dos tornillos encadenados.
• Mueve el tornillo con una rueda de paletas o un molinillo de viento en vez de la mano.
• Haz un tornillo de 3 mangueras en paralelo (3 hélices intercaladas) y compara el caudal.
• Diseña la inclinación ideal para subir 1 litro en el menor tiempo y demuéstralo con datos.

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