Experimento de sombras para niños: tamaño y luz

Un teatro de sombras ya es una buena noche. Este experimento de sombras para niños, además, es uno de los pocos donde un chico de cinco años puede predecir algo, medirlo con una regla y acertar. Pon un gato de cartón de 10 cm a 20 cm de una lámpara, con la pared a un metro, y su sombra mide 50 cm. Mueve el gato a 10 cm y la sombra llena la pared con un metro de alto. Mitad de distancia, el doble de sombra, siempre. Y de paso responde una pregunta que los niños hacen todo el tiempo y que casi nunca recibe respuesta directa: ¿por qué unas sombras salen nítidas y otras borrosas?

Puntos clave

• La altura de la sombra es la altura del objeto por la distancia a la pantalla dividida por la distancia del objeto a la lámpara. Acércalo a la luz y la sombra crece en proporción exacta.
• Las sombras nítidas necesitan una fuente de luz chica. Una fuente grande crea un borde difuso llamado penumbra, y su ancho se puede calcular.
• Un vaso con agua no hace una sombra simple: proyecta una línea brillante dentro de una mancha oscura, y vale la pena verlo.
• Ideal de 5 a 10 años para los títeres, y de los 8 en adelante para medir y graficar.
• Lo que casi siempre sale mal: usar la luz del techo o la linterna del celular, que son fuentes demasiado grandes para dar bordes nítidos.

Lo que vas a necesitar

Artículo	Cuánto	Dónde conseguirlo	Si no lo tienes
Fuente de luz chica y brillante	1	Un foco LED desnudo en una lámpara de escritorio sin pantalla, o una linterna de haz cerrado	La linterna del celular sirve para el teatro, pero da bordes difusos: eso después se vuelve una medición
Pared blanca o una sábana colgada	1	n/d	Una cartulina blanca grande pegada al respaldo de una silla
Cartón rígido para los títeres	2–3 hojas	Cajas de cereal	Platos de cartón, o cajas de domicilios recortadas
Palos de brocheta o pitillos	1 por títere	n/d	Lápices pegados por detrás
Cinta métrica y regla de 30 cm	1 de cada una	n/d	n/d
Cinta adhesiva	Unas tiras	n/d	Para marcar distancias fijas en el piso
Celofán rojo y verde	2 cuadritos	Papelería	Solo para la extensión de sombras de color; dos capas de cada uno
Un vaso transparente con agua	1	n/d	Cualquier vaso claro. La sorpresa de la sesión
Papel calco y plástico transparente	Un cuadro de cada uno	n/d	Para comparar opaco, translúcido y transparente

Tiempo: preparación 20 min haciendo títeres, experimento 25 min, limpieza 5 min Costo: nada Nivel de desorden: bajo

Haz el experimento de sombras para niños

Paso 1 - Fija las distancias y haz chica la fuente

Pon la lámpara en una mesa y marca con cinta a 10, 20, 25 y 50 cm del foco, y pon la pantalla o la pared exactamente a 100 cm del foco. Quita la pantalla de la lámpara. Mientras más chica y brillante sea la fuente, más nítido saldrá todo lo que sigue.

Paso 2 - Haz un títere de exactamente 10 cm

Corta una silueta simple, un gato o un pájaro, de exactamente 10 cm de alto, y pégala a un palo. Tener una altura conocida convierte la actividad de juego en experimento.

Paso 3 - Pide la predicción y mide tres posiciones

Pregunta: “Si acerco el títere a la mitad de la distancia a la lámpara, ¿qué le pasa a la sombra? ¿Igual, el doble, la mitad?” Anota la respuesta. Después sostén el títere a 50, 25 y 20 cm de la lámpara, y mide la altura de la sombra en la pared cada vez.

Lo que deberías ver: Cerca de 20 cm, 40 cm y 50 cm. La regla es sombra = 10 cm × (100 ÷ distancia a la lámpara). A 10 cm de la lámpara, la sombra mide un metro completo. La proporción es lo bastante exacta para verificarla con cinta métrica, algo poco común en un experimento casero.

Paso 4 - Compara tres fuentes y mira los bordes

Deja el títere a 20 cm y cambia la luz: foco LED desnudo, después la linterna del celular con su difusor, después la luz de día que entra por la ventana.

Lo que deberías ver: El foco desnudo da un borde nítido. La linterna del celular da un borde suave de uno o dos centímetros. La ventana da una sombra tan suave que casi no es sombra. Mide el ancho del borde difuso cada vez: esa es la penumbra, y escala con el tamaño de la fuente.

Paso 5 - Prueba cosas que no son sólidas

Levanta cartón, después papel calco, después plástico transparente, y al final el vaso con agua.

Lo que deberías ver: El cartón da una sombra negra. El papel calco la da gris, porque transmite algo de luz y dispersa el resto. El plástico transparente da una sombra apenas visible con un borde brillante. Y el vaso con agua proyecta un anillo oscuro con una línea brillante en el medio, porque la superficie curva del agua actúa como lente y concentra la luz en el centro de su propia sombra. Casi ningún niño se lo espera.

Paso 6 - Haz sombras de color

Pon dos capas de celofán rojo en una linterna y dos de verde en otra, y apunta las dos al títere desde ángulos ligeramente distintos.

Lo que deberías ver: Dos sombras, una roja y una verde, con una región negra donde las dos linternas quedan bloqueadas. Cada sombra de color es el lugar donde una linterna está tapada pero la otra todavía llega. Es la misma suma de luces de por qué mezclar pintura y mezclar luz no coinciden.

Qué está pasando en realidad

La luz viaja en línea recta, y una sombra es simplemente la región a la que una línea recta desde la fuente no puede llegar porque hay algo opaco en el camino. Ese es todo el mecanismo; el resto es geometría.

Traza una línea desde el foco pasando por la punta de arriba del títere hasta la pared, y otra pasando por abajo. Esas dos líneas y la pared forman un triángulo semejante al que forman la lámpara y el títere, y los triángulos semejantes dan razones iguales entre lados correspondientes: altura de la sombra entre altura del objeto es igual a distancia de la pantalla entre distancia del objeto. Escrito: S = O × (D_pantalla / D_objeto). Nada ahí depende del brillo, del color ni del material, y por eso la medición es tan confiable.

El borde es donde se pone interesante. Una fuente genuinamente puntual proyecta una sombra con una sola región: la umbra, donde no llega nada de luz de la fuente. Una fuente real tiene ancho, y cada punto de ese ancho proyecta su propia sombra ligeramente corrida. La superposición de todas produce una umbra completamente oscura rodeada por una banda parcialmente iluminada, la penumbra, donde parte de la fuente se asoma por el borde del objeto y parte no. Los mismos dos nombres describen la sombra que la Luna lanza sobre la Tierra en un eclipse, y por eso la descripción de la NASA de los tipos de eclipse solar depende de si estás en la umbra o en la penumbra.

El ancho de la penumbra en la pantalla es aproximadamente el ancho de la fuente por (D_pantalla − D_objeto) / D_objeto. Para un LED de 5 mm con el títere a 20 cm y la pared a 100 cm, eso da 5 × (80/20) = 20 mm, o 2 cm de difuminado. Cambia a una linterna de celular con 15 mm de difusor y salen 6 cm. Ese cálculo explica, en una línea, por qué las sombras más nítidas aparecen en un día de sol con el objeto cerca del suelo, y por qué un día nublado casi no proyecta sombra.

Dos ideas equivocadas vale la pena atajar. El estudio de Björn Andersson y Christina Kärrqvist de 1983, en el European Journal of Science Education, encontró que muchos alumnos de 12 a 15 años no tratan la luz como algo que viaja de una fuente a un objeto y a un ojo, que es la premisa de cualquier argumento sobre sombras. Y los más chicos hablan de la sombra como una posesión del objeto, algo que carga, en lugar de un lugar al que la luz no llegó. La cura más rápida es el Paso 3: si la sombra fuera del gato, mover al gato no cambiaría su tamaño. La segunda es más fina: muchos suponen que la sombra tiene que tener la forma del objeto, y el vaso con agua rompe eso, porque ahí el objeto redirige la luz en lugar de bloquearla.

Cómo explicárselo a tu hijo

De 5 a 8 años: una sombra es donde la luz no llegó

Que se pare frente a la lámpara y mire su propia sombra, y después que acerque una mano a la lámpara y vea la sombra hincharse hasta cubrir la pared. Dilo sin rodeos: la luz va en línea recta, y la sombra es el lugar al que no pudo llegar porque él estaba en el camino. Después corran el teatro de sombras, dejándolo descubrir que acercar el títere a la luz hace un gigante. Ese descubrimiento es la física, y no necesita la fórmula.

De 9 a 12 años: triángulos semejantes, medidos

Dibuja los dos triángulos y etiqueta los lados. Hagan las tres mediciones del Paso 3, anótenlas en una tabla y grafiquen la altura de la sombra contra 1 ÷ (distancia a la lámpara). Los puntos caen en una recta por el origen y la pendiente es la altura del objeto por la distancia a la pantalla. Un chico de diez años puede leer de esa gráfica una predicción para una distancia que nunca probó: para muchos es la primera vez que usan una gráfica como herramienta y no como adorno.

De 13 en adelante: ancho de penumbra y fuentes extensas

Dale la fórmula de la penumbra y que prediga el ancho de la banda difusa para tres fuentes cuyo tamaño midió, y que lo verifique con regla. Después, el caso astronómico: con la misma geometría, que calcule por qué un eclipse total solo se ve en una franja angosta, si la umbra de la Luna sobre la Tierra mide a lo más un par de cientos de kilómetros. Es la geometría de rayos de la cámara oscura casera.

La pregunta que debes hacer: “Si pongo el títere exactamente a la mitad del camino entre la lámpara y la pared, ¿cuánto va a medir la sombra comparada con el títere? Dime el número antes de que lo midamos.”

Por qué enseñar esto temprano vale la pena

Las sombras son el primer lugar donde a casi cualquier niño se le puede mostrar, no contarle, que la luz viaja en línea recta. Esa sola idea sostiene la reflexión, la refracción, la formación de imágenes y los diagramas de rayos de la secundaria. Nelson y Nelson ponen las sombras y la propagación rectilínea como la cuarta actividad de su secuencia de óptica geométrica justo por eso.

El razonamiento proporcional vale tanto como la óptica. El tamaño de la sombra varía inversamente con la distancia a la lámpara, una relación inversa genuina que un niño puede verificar a mano. La proporción inversa es un tropiezo conocido en matemáticas escolares, y casi todos la conocen primero como abstracción en una hoja de ejercicios.

Sé realista con el alcance: una noche de títeres no enseña óptica. Lo que hace, de forma confiable, es darte una referencia física compartida a la que vas a poder volver durante años, y darle a un niño chico la experiencia de hacer una predicción numérica que resulta correcta.

¿Y en América Latina?

Lo primero es el nombre del foco, porque cambia en cada país y en la ferretería importa: “foco” en México, “bombillo” en Colombia, “ampolleta” en Chile, “lamparita” en Argentina, “bombilla” en Perú. Pide un LED transparente y pequeño, no uno opalino ni con difusor blanco: ahí está la diferencia entre un borde nítido y uno borroso. El resto es reciclaje.

Y hay un fenómeno regional que vale la pena usar porque casi no existe en el norte templado: en las latitudes tropicales, de México a Bolivia, el sol pasa exactamente por el cenit dos veces al año. Ese día, al mediodía solar, un palo vertical casi no proyecta sombra, y en el Ecuador eso cae cerca de los equinoccios. Clava un palo en una maceta, marca la punta de su sombra cada media hora durante varios días cerca de esa fecha, y verás la sombra del mediodía acortarse hasta casi desaparecer: el mismo razonamiento de triángulos semejantes, aplicado a una fuente a 150 millones de kilómetros. Hazlo siempre de espaldas al sol: se mide la sombra, nunca se mira la fuente.

En el colegio el tema entra en la luz y las sombras: SEP en México, MEN en Colombia y Mineduc en Chile.

Antes de empezar: lo que los papás deben saber

Mejor edad	De 5 a 10 años para los títeres; de 8 en adelante para medir y graficar
Supervisión	Ligera. Un adulto arma la lámpara y maneja cualquier foco
Riesgos reales	Un foco incandescente o halógeno sin pantalla se calienta lo suficiente para quemar y para chamuscar papel: usa LED, que queda frío, y mantén el cartón lejos de cualquier lámpara caliente. Los cables de la lámpara son riesgo de tropezón para niños que caminan de espaldas mirando la sombra. Despunta o cubre con cinta las puntas de los palos
No hagas esto	No uses el sol como fuente para la parte de medición, y que nadie mire hacia el sol buscando la luz. La geometría de sombras funciona adentro, y afuera con sol alguien acaba mirando arriba

Cuando no funciona

• Todas las sombras salen con bordes difusos. Tu fuente es muy grande. La luz del techo, una pantalla de lámpara o la linterna del celular con difusor se comportan como fuentes extensas. Usa un LED transparente chico y baja la luz del cuarto.
• La sombra no coincide con la fórmula. Vuelve a medir las distancias desde el foco y no desde el frente de la lámpara, y a lo largo de la línea hacia la pared si la lámpara y el títere están a distinta altura.
• La sombra sale pálida y no oscura. Hay demasiada luz ambiente. Apaga las otras lámparas y cierra cortinas: quieres una sola fuente.
• Dos sombras encimadas con una sola lámpara. La lámpara tiene más de un LED. Son dos fuentes, y cada una proyecta su sombra. Tapa todos los LED menos uno con cinta, que es un arreglo informativo y no un truco.

Para llevarlo más lejos

• Arma bien la gráfica. Mide la altura de la sombra en seis distancias de 10 a 60 cm, con tres repeticiones cada una, y grafica contra el recíproco de la distancia. Una recta por el origen confirma el modelo, y la dispersión entre repeticiones es tu barra de error.
• Mide la penumbra y predice un eclipse. Mide el ancho físico de tu fuente, predice el ancho de la penumbra en dos posiciones del títere y verifica. Después aplica la misma geometría al Sol, la Luna y la Tierra y conversen por qué las franjas de eclipse son angostas.

Qué observar en los próximos 3 meses

• Semana 4: Predice el tamaño de su propia sombra antes de meterse al haz de un poste de luz, o se queja de que un día nublado “no tiene sombras”.
• Mes 2: Aparecen las palabras “umbra” y “penumbra”, o al menos “la parte difusa”, usadas sobre una sombra real en la calle.
• Mes 3: Si pregunta por qué la sombra de un árbol tiene manchitas redondas de luz durante un eclipse, conectó las sombras con las imágenes de agujero: esas manchitas son imágenes del Sol.

Preguntas frecuentes

¿Por qué las sombras de afuera a veces salen nítidas y a veces borrosas?

Porque el Sol es una fuente chica en un día despejado y una enorme cuando está nublado. Una fuente chica da penumbra angosta y borde nítido; una grande extiende la penumbra hasta que la sombra se desvanece.

¿Cómo calculo el tamaño de una sombra?

Multiplica la altura del objeto por la distancia de la lámpara a la pantalla y divide por la distancia de la lámpara al objeto. Un objeto de 10 cm a 20 cm de la lámpara, con la pared a 100 cm, da 10 × 100 ÷ 20 = 50 cm.

¿Por qué un vaso con agua hace un punto brillante dentro de su sombra?

Porque la superficie curva del agua refracta la luz hacia dentro como una lente y la concentra en una línea brillante. El vaso redirige la luz en lugar de solo bloquearla.

¿Sirve la linterna del celular?

Para el teatro sí; para mediciones de borde nítido no, porque su difusor la vuelve una fuente extensa y los bordes se difuminan varios centímetros. Comparar las dos es, de hecho, un buen experimento.

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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.

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Fuentes

1. NASA Science. “Types of Solar Eclipses.” https://science.nasa.gov/eclipses/types/
2. Andersson, B., & Kärrqvist, C. (1983). “How Swedish pupils, aged 12–15 years, understand light and its properties.” European Journal of Science Education, 5(4), 387–402. https://doi.org/10.1080/0140528830050403
3. Nelson, J. B., & Nelson, J. (2020). “Activity 4: Shadows and Straight-Line Propagation of Light.” In Teaching About Geometric Optics. AIP Publishing. https://doi.org/10.1063/9780735422179_004
4. Galili, I., & Hazan, A. (2000). “Learners’ knowledge in optics: interpretation, structure and analysis.” International Journal of Science Education, 22(1), 57–88. https://doi.org/10.1080/095006900290000
5. Alfieri, L., Brooks, P. J., Aldrich, N. J., & Tenenbaum, H. R. (2011). “Does discovery-based instruction enhance learning?” Journal of Educational Psychology, 103(1), 1–18. https://doi.org/10.1037/a0021017
6. National Research Council. (2012). A Framework for K-12 Science Education. National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13165