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Experimento de aspas de turbina de viento: número y ángulo
Experimento de aspas de turbina de viento que mide potencia real en watts: cómo cambian las cosas el número de aspas y el ángulo de inclinación. De 8 a 14 años.
Casi todas las turbinas caseras se quedan en “sí gira”. Esta te da un número en watts. Enrolla un hilo en el eje, cuélgale 20 g, prende el ventilador y toma el tiempo: subir 20 g unos 30 cm son 0.059 joules de trabajo, así que un levantón de seis segundos equivale a unos 10 milivatios. Ahora cambia una sola cosa. Dos aspas o seis. Ángulo parado o acostado. Vuelve a medir. Eso convierte esto en un experimento de aspas de turbina de viento y no en una manualidad, y el resultado casi siempre contradice lo que el niño predijo, porque el rotor que gira más rápido sin carga no es el que más levanta.
Puntos clave
- Armas un rotor con aspas que se quitan y se ponen, y mides su potencia en watts mientras cambias el número de aspas y el ángulo.
- La física: un aspa convierte viento en torque solo cuando choca con el aire en un ángulo útil, y tanto el ángulo muy parado como el muy acostado lo desperdician.
- El número clave: potencia es masa por gravedad por altura, dividido entre tiempo. Dos datos y un cronómetro dan milivatios.
- Ideal de 9 a 15 años. Un adulto arma y vigila el ventilador todo el tiempo.
- Lo que casi siempre falla: la fricción del eje se come la medición. Si el rotor no levanta nada, sospecha del popote que hace de rodamiento antes que de las aspas.
Lo que vas a necesitar para el experimento de aspas de turbina de viento
| Material | Cuánto | Dónde se consigue | Si no lo tienes |
|---|---|---|---|
| Cartulina o folder manila | 2 hojas | Papelería | Cartón de caja de cereal, o plástico de un garrafón de leche |
| Disco de cartón corrugado de 10 cm | 1 | Cualquier caja | Una tapa de frasco de plástico |
| Palito de brocheta | 1 | Mercado, súper | Un lápiz o una varilla de madera de 4 mm |
| Popotes | 2 | Cocina | Un tramo corto de tubo de plástico |
| Caja alta de cartón o botella de 1.5 L con arena | 1 | Reciclaje | Una torre de libros pegada con cinta |
| Cinta adhesiva de papel | Un rollo | Papelería | Cualquier cinta, pero la de papel se recoloca mejor |
| Hilo o línea de pescar | 1 m | Costurero | Hilo dental |
| Carga: 20 g de monedas en una bolsita | 1 | Tu bolsillo | Una plomada de pesca de 20 g, o rondanas pesadas antes |
| Ventilador de piso con rejilla completa | 1 | Casa | Secadora de pelo en frío, sostenida por un adulto a distancia fija |
| Transportador impreso | 1 | Papelería o impreso | Dobla un cuadrado de papel dos veces para tener 45° y 22.5° |
| Celular con cronómetro | 1 | Tu bolsillo | Cualquier cronómetro, contando parejo |
Tiempo: preparación 25 min, experimento 35 min, limpieza 5 min Costo: nada si ya tienes ventilador Nivel de desorden: bajo, salvo los recortes de cartulina
Haz el experimento
Paso 1 — Arma el cubo y el rodamiento
Atraviesa el disco de cartón exactamente en el centro con el palito y pégalo para que no resbale. Pega dos tramos de popote de 4 cm al costado de la caja, separados 8 cm y perfectamente alineados, y pasa el palito por los dos. Gíralo: un buen rodamiento sigue girando tres o cuatro segundos después de que lo sueltas. Si se frena de golpe, los popotes están chuecos.
Paso 2 — Corta ocho aspas idénticas con pestaña
Cada aspa es un rectángulo de 10 por 3 cm de cartulina con una pestaña extra de 2 cm en una punta. Marca y dobla la pestaña: el ángulo del doblez es el ángulo del aspa, y como todas son idénticas, lo único que cambia entre corridas es lo que tú quieres cambiar.
Paso 3 — Monta tres aspas a 25 grados
Marca tres posiciones parejas en el disco con una tira de papel que le des la vuelta al borde y dobles en tercios. Pega la pestaña de cada aspa de modo que quede 25 grados fuera del plano del disco, revisado con el transportador. Las tres tienen que ir inclinadas hacia el mismo lado o el rotor se pelea consigo mismo.
Paso 4 — Prepara la medición
Amarra el hilo al palito, dale cinco vueltas y cuelga la carga de 20 g para que quede 30 cm abajo del eje. Pon el ventilador a 50 cm del rotor, en la velocidad más baja, y marca su lugar en el piso con cinta. Todas las corridas usan esa marca.
Paso 5 — Barre el número de aspas
Con el ángulo fijo en 25 grados, cronometra el levantón con 2, 3, 4, 6 y 8 aspas, tres veces cada una. Si el rotor no logra levantar la carga, anota “se atascó” en vez de saltarte el dato, porque atascarse también es un resultado. La potencia es 0.059 joules entre el tiempo en segundos.
Paso 6 — Barre el ángulo y grafica
Deja el número ganador del paso anterior y repite a 10, 25, 45 y 70 grados. Grafica potencia contra número de aspas y potencia contra ángulo en la misma hoja. Dos curvas, cada una con su pico.
Lo que deberías ver: Dos aspas a 25 grados muchas veces no levantan nada, lo que sorprende a casi cualquier niño, porque dos aspas son las que giran más rápido sin carga. De cuatro a ocho aspas normalmente sí levantan, con tiempos entre 4 y 15 segundos, o sea de 4 a 15 milivatios. La curva de ángulo suele tener su pico entre 25 y 45 grados: a 10 grados casi no hay torque y a 70 grados el giro es lento y tembloroso. Espera dispersión de 20% o más entre corridas, y por eso van tres corridas por ajuste.
Qué mide este experimento de aspas de turbina de viento
| Ajuste | Qué mides | Resultado típico | Por qué |
|---|---|---|---|
| 2 aspas, 25° | Tiempo o atasco | Suele atascarse | Poca superficie empujando a baja velocidad |
| 4 aspas, 25° | Tiempo | 5–12 s | Más área de aspa trabajando a la vez |
| 8 aspas, 25° | Tiempo | 4–12 s, a veces peor que 6 | Las aspas empiezan a estorbarse el aire |
| 3 aspas, 10° | Tiempo o atasco | Casi siempre se atasca | El aire se desvía muy poco |
| 3 aspas, 70° | Tiempo | Lento y tembloroso | El flujo se despega del aspa, casi todo es arrastre |
Anota todo, incluidos los atascos. En los atascos vive la explicación.
Qué está pasando en realidad
Un aspa hace un solo trabajo: desvía aire en movimiento, y por la tercera ley de Newton el aire la empuja de vuelta. La parte útil de ese empujón es la componente en la dirección en la que viaja el aspa, y eso es lo que genera torque en el eje. Todo lo del número y el ángulo se reduce a maximizar esa componente sin arruinar el flujo.
El ángulo decide con qué inclinación el aspa recibe el aire, y los dos extremos fallan por razones distintas. A 10 grados el aspa va casi de canto, desvía poquísimo y casi no produce torque. A 70 grados desvía mucho, pero el flujo se despega de la cara de atrás y deja una estela turbulenta: es el mismo fenómeno que hace entrar en pérdida al ala de un avión, y aparece en la guía de aeronáutica del Glenn Research Center de la NASA al explicar por qué el arrastre crece tan rápido con el ángulo. En algún punto intermedio el aspa desvía mucho aire con el flujo todavía pegado, y ahí está tu pico.
El número de aspas en realidad es un disfraz de la solidez, la fracción del círculo barrido que está cubierta de aspa. Más solidez es más área recibiendo viento a la vez, o sea más torque a baja velocidad de giro, y aquí eso pesa muchísimo, porque tu rotor hace un trabajo de mucho torque y poca velocidad: jalar un peso por un hilo. El estudio de Duquette y Visser (2003) modeló ese intercambio y reporta que “aumentar la solidez más allá de lo que se usa tradicionalmente en turbinas generadoras de electricidad llevó a mayores coeficientes de potencia a bajas razones de velocidad de punta”, y que “aumentar el número de aspas con la misma solidez también aumentó el Cp máximo en todos los casos examinados”. Un estudio experimental de 2024 en Energy Reports volvió a medir esas dos variables en turbinas pequeñas.
¿Entonces por qué los parques eólicos usan tres aspas? No porque tres sea el óptimo aerodinámico aislado. Tres es un acuerdo: queda cerca del óptimo a las velocidades de punta que quiere un generador, cuesta menos que seis, se equilibra bien, hace menos ruido y fatiga menos el cubo. Las razones son tanto económicas y mecánicas como aerodinámicas, y eso es algo muy sano que un niño escuche sobre la ingeniería en general.
Hay además un techo que nadie esquiva. Un rotor no puede sacarle toda la energía al viento, porque para eso el aire tendría que quedarse quieto detrás y entonces ya no pasaría nada por el rotor. El máximo teórico es cerca del 59%, el límite de Betz, derivado en referencias estándar como Wind Energy Explained de Manwell, McGowan y Rogers. Las turbinas comerciales llegan a poco menos del 50% y tu rotor de cartón a una fracción de por ciento, y esa distancia es información honesta. Dicho claro: las aspas planas de cartulina son dispositivos de arrastre, no perfiles aerodinámicos.
Cómo explicárselo a tu hijo
De 5 a 8 años
Sostén un aspa en el chorro del ventilador y deja que sienta cómo cambia el empujón al girarla. De frente al viento, empuja fuerte. De canto, nada. Luego pregúntale hacia dónde habría que inclinarla para que el rotor dé vuelta, y déjalo probar. El recuerdo físico de que el empujón cambia con el ángulo es toda la lección a esta edad.
De 9 a 12 años
Presenta la fórmula como receta: masa en kilos, por 9.8, por altura en metros, entre segundos. Eso da watts. Que calcule la potencia de un levantón de seis segundos y de otro de doce, y note que al partir el tiempo a la mitad la potencia se duplica. Después déjalo descubrir que el rotor más rápido no es el más fuerte, que es la sorpresa más útil de la tarde.
De 13 en adelante
Define solidez como área total de aspas entre área barrida y que la calcule para cada configuración. Después presenta la razón de velocidad de punta: velocidad de la punta entre velocidad del viento, con la punta medida contando vueltas en diez segundos de video.
La pregunta que debes hacer: “Si le ponemos una carga mucho más liviana, digamos 2 g, ¿cambiaría el número ganador de aspas? ¿Hacia arriba o hacia abajo, y por qué?”
Por qué enseñar esto temprano vale la pena
La lección que se transfiere es que la mejor configuración de un sistema depende del trabajo que se le pide. Dos aspas ganan una carrera en vacío y pierden una competencia de levantamiento, sin que cambie la física: solo cambió la tarea. Los niños buscan la única mejor respuesta, y esta es una demostración física y barata de que “mejor” necesita una pregunta pegada.
También adelanta contenido escolar concreto: la potencia como trabajo entre tiempo pasa a ser algo medido y no una definición que se recita, y la idea de una eficiencia máxima teórica reaparece después en termodinámica.
Una nota honesta: esto se siente frustrante a la mitad, cuando el rotor se atasca y parece que nada funciona. Deslauriers y colegas (2019) encontraron que los estudiantes en clases activas sentían que aprendían menos mientras objetivamente aprendían más que con una clase expositiva pulida. Espera lo mismo aquí. Los atascos son datos, y el momento en que tu hijo trata un atasco como información y no como fracaso es el momento en que la tarde valió. Si quieren un armado más sencillo primero, la turbina de viento para armar pone algo a girar antes de medir.
¿Y en América Latina?
El ventilador de piso es el electrodoméstico más común de la región y aquí es el instrumento científico. La cartulina, el folder manila y los palitos de brocheta salen de cualquier papelería o mercado, así que el experimento completo cuesta lo que un refresco.
El dato regional que cambia los números de verdad es la altura. La potencia del viento es proporcional a la densidad del aire, y según la atmósfera estándar el aire en Bogotá tiene cerca de 23% menos densidad que a nivel del mar, y en La Paz cerca de 30% menos. El mismo rotor con el mismo ventilador produce menos en el altiplano que en la costa, y eso no es un error de armado: es una corrección que los desarrolladores de parques eólicos hacen en serio. De contexto: el Istmo de Tehuantepec en Oaxaca, La Guajira en Colombia y la Patagonia están entre las zonas más ventosas del continente. En la escuela conecta con energía y fuerzas en los programas de la SEP, con las ciencias naturales que evalúa el ICFES y con las unidades de energía de Mineduc. Para feria, lleva las dos gráficas: nadie más llega con curvas medidas.
Antes de empezar: lo que los papás deben saber
| Mejor edad | 9 a 15. Los más chicos pueden hacer la parte de sentir el empujón y tomar tiempos, con un adulto manejando el ventilador |
| Supervisión | Adulto presente todo el tiempo que el ventilador esté prendido. El adulto lo coloca, lo prende, lo apaga y mantiene el cable fuera del paso |
| Riesgos reales | El borde de las aspas girando raspa, así que nadie toca un rotor en movimiento. Usa ventilador con rejilla completa y nunca la quites. Amarra el cabello largo. La punta del palito pica: tápala con un corcho o una bola de cinta. Lentes de seguridad si cambias a aspas de plástico rígido |
| No hagas esto | No uses corriente de la pared para nada más que el ventilador, y no lo abras, modifiques ni recablees. No lo cambies por un ventilador de escritorio sin rejilla |
Cuando no funciona
- Gira pero no levanta nada. Casi siempre es fricción. Realinea los dos popotes para que el palito pase sin rozar, y córtalos a 2 cm para reducir el contacto.
- El hilo se desenrolla en vez de enrollarse. Lo enrollaste al revés para el sentido de giro. Enróllalo al otro lado o voltea la inclinación de todas las aspas.
- Cada corrida da un tiempo distinto. El ventilador está en velocidad alta y turbulenta, o se movió. Usa la velocidad mínima, marca su posición con cinta y promedia tres corridas.
- El rotor baila. El agujero no quedó centrado o las aspas no están parejas. Vuelve a centrar y revisa el espaciado con la tira de papel.
Para llevarlo más lejos
- Largo en vez de número. Deja tres aspas y córtalas a 6, 8 y 10 cm, midiendo potencia en cada caso. El área barrida crece con el cuadrado del radio, así que el efecto es más grande de lo que casi cualquier niño predice.
- Cambia la carga, cambia el ganador. Repite el barrido con 5 g y con 50 g. El número óptimo de aspas debería subir conforme la carga pesa más.
- Mide el viento. Arma un anemómetro de cartoncito colgante y mide cuánto se desvía. Con una velocidad aproximada puedes estimar la potencia del aire que cruza tu círculo y sacar tu eficiencia. La turbina casera con material reciclado usa otro tipo de rotor.
Qué observar en los próximos 3 meses
- Semana 4: Que cuente aspas en turbinas reales desde la ventana del carro, y note que los molinos de bombeo de agua tienen muchas aspas y los de electricidad tres.
- Mes 2: Que use bien la palabra potencia, como una tasa y no como una cantidad. Frases como “hizo el mismo trabajo pero más rápido” son la señal.
- Mes 3: Que diseñe una prueba y no una cosa. Si propone dejar algo fijo para aislar una variable, en cualquier contexto, eso se transfirió.
Preguntas frecuentes
¿Por qué mi rotor de dos aspas gira rapidísimo y no levanta nada?
Porque velocidad y torque son cosas distintas. Dos aspas cubren poco del círculo barrido, así que a baja velocidad de giro hay poca área empujando aire. Sin carga acelera hasta que el torque iguala la fricción, y eso se ve rápido. Con un peso colgando nunca arranca.
¿Necesitamos ventilador de piso o sirve la secadora de pelo?
La secadora en frío sirve, pero sostenla en un soporte fijo o que un adulto la mantenga a una distancia marcada, porque un cambio chico de distancia mueve el resultado más que las aspas. Nunca en caliente cerca del cartón.
¿Cuántas aspas son mejores?
Para esta tarea, normalmente cuatro a seis. Para una turbina comercial que gira un generador rápido, tres. La respuesta honesta es que la pregunta está incompleta sin decir qué trabajo hace el rotor, y eso es justo lo que muestran las dos curvas.
¿Por qué la potencia medida es tan chiquita?
El viento de un ventilador es lento, el rotor es chico, la cartulina plana es una forma de aspa ineficiente y el rodamiento se queda con una parte. Los milivatios son el orden de magnitud correcto. Aquí importa la comparación entre configuraciones, no el número absoluto.
Sobre el autor
Ricky Flores es el fundador de HiWave Makers e ingeniero eléctrico con más de 15 años de experiencia desarrollando tecnología de consumo en Apple, Samsung y Texas Instruments. Escribe sobre cómo los niños aprenden a construir, pensar y crear en un mundo saturado de tecnología. Lee más en hiwavemakers.com.
Fuentes
- Duquette, M. M., & Visser, K. D. (2003). “Numerical Implications of Solidity and Blade Number on Rotor Performance of Horizontal-Axis Wind Turbines.” Journal of Solar Energy Engineering, 125(4), 425–432. https://doi.org/10.1115/1.1629751
- Kulak, M., Lipian, M., Olasek, K., Pereira, M., & Ravelet, F. (2024). “Rotor solidity and blade pitch influence on horizontal axis small wind turbine performance: Experimental study.” Energy Reports, 12, 4568–4577. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2024.10.036
- Manwell, J. F., McGowan, J. G., & Rogers, A. L. (2009). Wind Energy Explained: Theory, Design and Application (2ª ed.). Wiley. https://doi.org/10.1002/9781119994367
- U.S. Department of Energy. How Do Wind Turbines Work? Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. https://www.energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work
- U.S. Department of Energy. Small Wind Guidebook. WINDExchange. https://windexchange.energy.gov/small-wind-guidebook
- Deslauriers, L., McCarty, L. S., Miller, K., Callaghan, K., & Kestin, G. (2019). “Measuring actual learning versus feeling of learning in response to being actively engaged in the classroom.” PNAS, 116(39), 19251–19257. https://doi.org/10.1073/pnas.1821936116
