Espiral que gira con el calor

Qué va a aprender

• Que el aire caliente es menos denso que el frío y sube, formando una corriente (convección).
• Que una superficie inclinada (cada tramo de la espiral es como el aspa de un molinillo) convierte una corriente que sube en un giro.
• Que el sentido de giro depende de hacia qué lado está enrollada la espiral.
• Que la temperatura cae muy deprisa al alejarse de la llama, y por qué hay una distancia de seguridad medible.
• A medir una velocidad de giro en vueltas por minuto y comparar variables de una en una.

Prepara antes

• Imprime la plantilla al 100 % directamente sobre cartulina fina y comprueba con la regla que el disco mide 160 mm.
• Busca el sitio: una habitación sin corrientes, lejos de cortinas, con dos sillas de respaldo alto y un taburete bajo o una caja firme de unos 40 cm de alto para la vela.
• Recorta la mecha de la vela a 5 mm (menos humo y llama más estable).
• Ten a mano un vaso de agua y retira papeles y telas de la zona en 1 m alrededor de la vela.
• Si los niños son pequeños o no hay permiso para velas, prepara un radiador o una lámpara incandescente como fuente de calor.

Materiales y herramientas

• Cartulina fina — 1 hoja A4
  120–180 g/m², que pase por la impresora; de color claro para decorarla
• Vela — 1 comprar
  vela de té (tealight) o vela de mesa de Ø 2–2,5 cm en un candelero estable; mecha recortada a 5 mm
• Plato cerámico o de cristal — 1
  Ø ≥ 15 cm, debajo de la vela (recoge la cera y no arde)
• Hilo de coser — 60 cm
  de algodón o poliéster, fino
• Cuenta (abalorio) — 1
  Ø 5–8 mm, de plástico o madera, con agujero de ≈ 1–1,5 mm
• Palo de escoba o listón — 1
  ≥ 70 cm de largo
• Rotuladores o lápices de colores — a gusto
  para ojos y escamas; no uses témperas (mojan y abomban la cartulina)
• Vaso de agua — 1
  cerca de la vela, por seguridad

Herramientas

• Tijeras de punta redonda — recortar el disco y la espiral
• Aguja de coser — perforar el centro y pasar el hilo
• Regla o cinta métrica — medir la distancia llama–cola (20–25 cm)
• Mechero de cocina largo o cerillas — encender la vela adulto
• Cronómetro (móvil) — contar vueltas por minuto

Piezas y plantillas

• A · Serpiente espiral (paso 16 mm) ×1 — cartulina 120–180 g
• B · Espiral fina para comparar (paso 10 mm) ×1 — cartulina 120–180 g
• C · Hilo de colgar ×1 — hilo de coser

Paso a paso

1. Imprime y comprueba

   Imprime la plantilla A al 100 % sobre cartulina fina de 120–180 g. Mide el disco con la regla: debe tener 160 mm de diámetro. Si mide menos, la impresora ha reducido la escala.

   Comprueba: Diámetro 160 mm ± 2 mm.

2. Recorta el disco

   Recorta el círculo de 160 mm siguiendo el borde exterior. Gira el papel, no la tijera, para que la curva quede redonda.

3. Decora en plano

   Antes de cortar la espiral, decora las dos caras con rotuladores: ojos y lengua en el centro (cabeza) y escamas a lo largo de la tira. En plano es mucho más fácil que con la espiral ya cortada.

   Truco: Nada de témperas ni pegamento con purpurina: mojan, abomban y añaden peso.

4. Corta la espiral

   Corta por la línea gruesa en espiral empezando por el borde exterior y avanzando hacia dentro, sin salirte de la línea. Detente al llegar al centro: la cabeza de Ø 20 mm no se corta.

   Comprueba: Al levantar la cabeza con dos dedos, la serpiente cuelga en hélice sin trozos sueltos ni cortes que lleguen a la cabeza.

5. Perfora el centro

   Pincha el punto central con la aguja de coser y gírala un poco para agrandar el agujero a 1,5–2 mm. Tiene que quedar holgado: el hilo debe pasar sin rozar.

6. Monta el pivote con la cuenta

   Enhebra los 60 cm de hilo en la aguja. Pásalo por el agujero de la cabeza desde la cara de arriba hacia abajo, ensarta la cuenta por debajo y haz un nudo doble bajo la cuenta. Saca la aguja.

   Comprueba: Sujeta el hilo: la espiral cuelga apoyada en la cuenta y, si la giras con el dedo, da vueltas sin que el hilo se enrolle.

7. Prueba en frío

   Cuelga la serpiente del hilo con la mano y sopla suavemente desde abajo, a 20 cm, o pon debajo un secador en posición de aire frío a 40 cm. Debe empezar a girar en 1–2 segundos.

   Truco: Si gira poco, comprueba que ninguna vuelta de la espiral roza con otra.

8. Monta el soporte

   Coloca dos sillas espalda con espalda, separadas 50–60 cm, y apoya el palo de escoba sobre los dos respaldos. Ata el hilo en el centro del palo con dos nudos.

   Comprueba: El palo no se mueve si das un golpecito a una silla.

9. Coloca la vela debajo adulto

   Pon la vela sobre el plato cerámico, y el plato sobre un taburete bajo o una caja firme de unos 40 cm de alto, justo debajo de la cuenta: usa el hilo como plomada para centrarla.

10. Ajusta la altura adulto

    Con la vela todavía apagada, mide desde la mecha hacia arriba: la cola de la serpiente debe quedar a 23–28 cm de la mecha (la llama mide unos 3 cm, así quedan 20–25 cm hasta la punta de la llama). Alarga o acorta el hilo hasta conseguirlo. Si con el hilo ya muy corto la cola sigue a menos de 23 cm de la mecha, baja la vela: cambia el taburete por una caja más baja.

    Comprueba: Nunca menos de 20 cm entre la punta de la llama y la parte más baja de la espiral.
    Truco: Con respaldos de unos 95 cm y un taburete de 40 cm sobra altura y basta con alargar el hilo; con sillas de respaldo bajo (≈ 80 cm) suele hacer falta un apoyo más bajo para la vela.

11. Cierra y enciende adulto

    Cierra puertas y ventanas y pide a todos que no pasen cerca. El adulto enciende la vela y todos se quedan quietos a 1 m. En 10–30 segundos la serpiente empieza a girar sola.

12. Cuenta las vueltas

    Elige un ojo de la cabeza como marca y cuenta cuántas vueltas da en 1 minuto con el cronómetro. Repite 3 veces y anota la media.

13. Apaga y recoge adulto

    El adulto apaga la vela tapándola o soplando de lado (no hacia la espiral). Espera 5 minutos a que se enfríe la cera antes de mover el plato y de tocar la serpiente.

¿Funciona? La prueba

Con la vela encendida y la cola a 20–25 cm de la punta de la llama, en una habitación sin corrientes, cuenta las vueltas durante 1 minuto.

Qué debe pasar: La serpiente empieza a girar en menos de 30 s y mantiene un giro continuo de unas 10–40 vueltas por minuto, siempre en el mismo sentido. Al apagar la vela se frena en unos 20–60 s. La cartulina no se oscurece ni se ondula.

Si algo falla

• No gira o se balancea a un lado y a otro — Hay corrientes de aire que desvían la columna caliente, o la vela no está justo debajo. Solución: Cierra puertas y ventanas, alejaos 1 m y vuelve a centrar la vela usando el hilo como plomada (con la vela apagada).
• Gira 2–3 vueltas, se para y vuelve hacia atrás — El hilo está atado al papel y se retuerce como un muelle. Solución: Monta el pivote con la cuenta y el agujero holgado, o pon un emerillón de pesca entre el hilo y la espiral.
• Gira muy despacio — Está demasiado alta, el papel es pesado o las vueltas rozan entre sí. Solución: Bájala hasta 20 cm (nunca menos), usa cartulina de 120 g (el folio gira con menos calor, pero se balancea más), y separa con el dedo las vueltas que se tocan.
• La cartulina se ondula, se oscurece o huele a quemado — Está demasiado cerca de la llama. Solución: Apaga la vela y sube la serpiente hasta que la cola quede al menos a 20–25 cm de la punta de la llama.
• Hay humo negro y la llama parpadea — Mecha demasiado larga o corrientes. Solución: Apaga, deja enfriar y recorta la mecha a 5 mm. Una llama tranquila da una columna de aire más estable.
• Gira al revés que la de un compañero — No es un fallo: la espiral está colgada con la otra cara hacia arriba, y la hélice queda enrollada al otro lado. Solución: Dale la vuelta a la espiral (pasa el hilo desde la otra cara) y girará en sentido contrario.

Seguridad

• La vela la enciende, vigila y apaga siempre un adulto. Nunca se deja sola, ni un minuto.
• Distancia mínima de 20 cm entre la punta de la llama y la parte más baja de la espiral: a 10 cm el aire está a unos 200 °C y la cartulina puede arder.
• Pelo largo recogido, mangas anchas remangadas y nadie inclinado sobre la vela.
• Vela sobre plato cerámico, en una superficie estable y a más de 1 m de cortinas, papeles y telas. Ten un vaso de agua al lado.
• No toques la serpiente ni muevas el plato con la vela encendida; espera 5 minutos tras apagarla (la cera quema).
• Con niños de 5–7 años o en clase, usa un radiador o una lámpara incandescente: el efecto es el mismo y no hay llama.

La ciencia detrás

Para los niños

El aire caliente es como un globo invisible: pesa menos que el aire frío de alrededor y por eso sube. Encima de la vela se forma un chorro de aire caliente que va hacia arriba, como un ascensor. Cuando ese aire choca con la espiral, empuja cada vuelta, que está inclinada como el aspa de un molinillo, y la hace girar. Si quitas la vela, el ascensor se para y la serpiente también.

Para el adulto

La llama calienta el aire a su alrededor; el aire caliente se dilata (a presión constante, su densidad es inversamente proporcional a la temperatura absoluta: a 80 °C es ≈ 17 % menos denso que a 20 °C) y recibe un empuje neto hacia arriba. Se forma una pluma térmica que asciende a unas decenas de cm/s y que, al subir, arrastra aire del entorno, se ensancha y se enfría rápidamente (en una pluma puntual el exceso de temperatura cae aproximadamente con z^(−5/3)): ≈ 200 °C a 10 cm y ≈ 70–90 °C a 20 cm de una vela de ≈ 50–80 W. El aire que sustituye a la pluma entra por los lados a la altura de la llama (convección). La espiral estirada es una hélice: cada tramo forma un ángulo con la vertical, así que el flujo ascendente se desvía al pasar y la reacción sobre la cartulina tiene una componente tangencial que produce un par, igual que en un molinillo o en los álabes de una turbina. El par es pequeño (del orden de micronewton·metro), por lo que el rozamiento del pivote es decisivo: un hilo atado al papel acumula torsión y detiene el giro; un agujero holgado sobre una cuenta casi no ofrece resistencia. El sentido de giro lo fija la quiralidad de la hélice: colgar el disco con la otra cara hacia arriba la invierte. Más paso (tira más ancha) da más superficie inclinada pero menos vueltas; con un folio de 80 g (≈ 1,6 g de disco) arranca antes que con cartulina de 180 g (≈ 3,6 g).

• convección: movimiento del aire o del agua en el que lo caliente sube y lo frío baja, llevando el calor de un sitio a otro.
• densidad: cuánta masa hay en cada trozo de volumen; el aire caliente tiene menos y por eso flota sobre el frío.
• hélice: forma de muelle o de tobogán en espiral que toma la serpiente al colgarla.
• pivote: punto sobre el que algo gira con muy poco rozamiento.
• turbina: rueda con palas inclinadas que gira cuando la atraviesa un gas o un líquido en movimiento.

Por edades

• 5–7 años: El adulto recorta la espiral (o la recorta el niño con tijeras de punta redonda siguiendo una línea gruesa) y hace todo lo relacionado con la vela. Mejor usar un radiador o un secador en aire frío para que el niño pueda acercarse. Centrarse en «el aire caliente sube».
• 8–10 años: Hacen todo menos encender y apagar la vela. Que midan ellos la distancia de seguridad con la regla y cuenten vueltas por minuto.
• 11–12 años: Que diseñen su propia espiral (paso, diámetro, número de vueltas), comparen dos variables con tres medidas cada una y expliquen el sentido de giro con la idea de hélice. Pueden calcular cuánto menos denso es el aire a 80 °C que a 20 °C (relación de temperaturas absolutas: 293/353).

En grupo o en clase

Cada niño hace su serpiente (25 min con plantillas impresas en cartulina). Para la prueba, nada de velas por equipo: 3 estaciones vigiladas por un adulto cada una (radiador, lámpara incandescente de 60 W hacia arriba y, si el centro lo permite, una única vela del docente con el soporte de escoba y la distancia ya medida). Los equipos de 3–4 rotan cada 5 min, cuentan vueltas por minuto y lo apuntan en la pizarra. Total ≈ 60 min. Ten 5 cuentas y hilo de sobra.

Retos

• Dibuja con compás una serpiente más pequeña, en un disco de Ø 120 mm, y compara su velocidad con la de 160 mm.
• Construye un carrusel: un disco de cartulina con 6 aletas inclinadas 30°, apoyado en la punta de un lápiz, sobre un radiador.
• Pon dos serpientes (una normal y otra colgada al revés) sobre el mismo radiador: ¿giran en sentidos opuestos?
• Diseña un móvil con tres serpientes a distintas alturas sobre un radiador y averigua cuál gira más rápido.
• Inventa una forma de medir las vueltas sin contarlas tú (por ejemplo, grabando con el móvil y contando a cámara lenta).

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