Experimento Bernoulli: pelota de ping pong en aire

Una pelota de ping pong colgada en el aire sobre una secadora de pelo son los mejores cinco segundos de física que hay en una casa. Inclina la secadora y la pelota se queda con el chorro en vez de caerse, y esa es la parte que hace que la gente pregunte “¿cómo?”. La respuesta de siempre, que el aire rápido tiene baja presión y succiona la pelota de vuelta, es la que casi todos repiten y no aguanta un examen. La explicación real habla de momento, de la forma del chorro y de un lazo de retroalimentación, y es más interesante. Este experimento Bernoulli pelota de ping pong vale la pena justo porque explicarlo bien cuesta más que hacerlo funcionar.

Puntos clave

• Vas a sostener una pelota de ping pong en el chorro de aire frío de una secadora, inclinar el chorro, y sentir con los dedos la fuerza que la regresa al centro.
• Enseña que la rapidez de un chorro baja con la distancia, que el arrastre puede equilibrar el peso a una altura estable, y que un objeto curvo desvía el chorro y siente la reacción.
• Edad ideal: 6 a 12 años, con la explicación cuidadosa apuntada a los más grandes y al adulto.
• La falla típica es usar la secadora en caliente, que deforma la pelota y quema. Solo aire frío.
• La frase popular “el aire más rápido tiene menos presión, así que succiona la pelota” es un mal uso de la ecuación de Bernoulli. La versión correcta va abajo.

Lo que vas a necesitar

Artículo	Cuánto	Dónde conseguirlo	Si no lo tienes
Secadora de pelo con opción de aire frío	1	Baño de la casa	Una aspiradora con salida de soplado; una sopladora de hojas sirve afuera pero es ruidosísima
Pelotas de ping pong	3	Tienda deportiva, baratas	Una pelota chica de unicel, plumavit, telgopor o icopor, que es más liviana y flota más alto
Embudo de plástico de 8 a 10 cm	1	Cocina	Un cono de papel con cinta y un popote en la punta
Popote	1	Cocina	El tubo del embudo solo
Regla o cinta métrica	1	Papelería	Una pared marcada con notas adhesivas
Transportador	1	Papelería	Una hoja de ángulos impresa
Balanza de cocina de 0.1 g	1	Cocina	La masa reglamentaria de una pelota es 2.7 g
Celular para grabar en cámara lenta	1	Bolsillo	Mirar con atención

Tiempo: preparación 5 min, experimento 25 min, limpieza 2 min Costo: todo está probablemente en tu casa Nivel de desorden: bajo, pero es ruidoso

Haz el experimento: Bernoulli, pelota de ping pong y aire

Paso 1 — Haz flotar la pelota hacia arriba

Conecta la secadora, ponla en frío y velocidad alta, apúntala verticalmente hacia arriba y sostenla firme. Coloca la pelota en el chorro unos 10 cm sobre la boquilla y suéltala.

Lo que deberías ver: la pelota baja un poco, se engancha, y se queda rebotando en el chorro, entre 10 y 25 cm sobre la boquilla según la secadora. Se tambalea y gira. No sale disparada ni se cae.

Paso 2 — Mide la altura de flotación y cambia el flujo

Mide con la regla la altura de la pelota sobre la boquilla. Ahora cambia a velocidad baja y mide otra vez.

Lo que deberías ver: menos flujo significa altura menor, y puede ser que la pelota se caiga del todo. Hay una altura específica donde el aire va justo a la rapidez necesaria para sostener 2.7 gramos, y esa altura se mueve cuando cambias la velocidad. Anoten los dos números.

Paso 3 — Inclina el chorro y sigue

Inclina la secadora de a poco: 15°, después 30°, después 45°, midiendo con el transportador. Mantén el flujo igual.

Lo que deberías ver: la pelota se queda en el chorro mucho más allá de lo esperado, a veces hasta 40° o más, y se acomoda algo por debajo del eje. En algún ángulo escapa, y ese ángulo es un número repetible para tu secadora.

Paso 4 — Empújala afuera y siente la fuerza

Con la pelota flotando, presiona despacio con un dedo en su costado para sacarla del chorro. Después suéltala cuando todavía esté parcialmente dentro.

Lo que deberías ver: resistencia. Sientes a la pelota empujando de vuelta hacia el chorro, y al soltarla regresa al centro de golpe. Esa fuerza restauradora es lo que hay que explicar, y sentirla con un dedo vale más que verla.

Paso 5 — Prueba la versión del embudo con los pulmones

Pon la pelota dentro del embudo, inclina el embudo para que la boca apunte un poco hacia abajo, y sopla fuerte y constante por el tubo. Después deja de soplar.

Lo que deberías ver: mientras soplas, la pelota se queda en el embudo en vez de salirse, incluso apuntando hacia abajo. Dejas de soplar y cae de inmediato. Esta la puede hacer un niño sin ningún aparato, y es la demostración más limpia del efecto lateral.

Qué está pasando en realidad

Empecemos con la mitad fácil. Una secadora produce un chorro de aire que se frena al avanzar, porque se abre y arrastra consigo aire quieto del cuarto, un proceso que se llama arrastre o entrainment. Así que la rapidez del aire a 5 cm de la boquilla es mayor que a 25 cm. La pelota está en ese chorro y recibe un arrastre aerodinámico que la empuja hacia arriba, y el arrastre crece con el cuadrado de la rapidez relativa del aire. Demasiado alto y el aire va muy lento, así que cae; demasiado bajo y el aire va muy rápido, así que sube. El equilibrio es estable porque la retroalimentación tiene el signo correcto, y por eso el Paso 2 da una altura definida y medible.

Ahora la mitad difícil, la fuerza lateral, y aquí es donde las explicaciones populares se equivocan. La afirmación habitual es que el aire que pasa rápido junto a la pelota tiene menos presión, así que el aire quieto de alrededor la empuja de vuelta. La ecuación de Bernoulli sí relaciona más rapidez con menos presión, pero solo entre puntos de la misma línea de corriente dentro del mismo flujo estacionario. Un chorro libre soplando en un cuarto quieto no es un flujo por el que puedas trazar una línea de corriente desde el núcleo hasta el aire tranquilo de al lado: el chorro y el cuarto tienen presiones totales distintas, y además la presión estática a lo ancho de casi todo un chorro libre está cerca de la ambiente. Aplicar Bernoulli cruzando esa frontera es el error clásico, y el aerodinamicista Charles Eastlake hizo exactamente esa observación sobre la sustentación en The Physics Teacher en 2002, igual que la discusión de Bernoulli y Newton de la NASA Glenn, que existe sobre todo porque esta confusión está en todas partes.

La explicación honesta es un argumento de momento. Cuando la pelota se corre del eje del chorro, el chorro ya no la golpea de forma simétrica. El flujo se adhiere a la superficie curva de la pelota y se desvía lejos de ella, o sea que el momento del aire fue girado. Por la tercera ley de Newton, girar el aire hacia un lado empuja la pelota hacia el otro, que es hacia adentro, hacia el chorro. La curvatura del flujo alrededor de la pelota también exige un gradiente de presión transversal, con menos presión en el lado interno de la curva, así que hay una diferencia de presión genuina. Ese sí es razonamiento tipo Bernoulli bien aplicado, dentro del flujo y no cruzando su borde.

¿Y qué hay que decirle a un niño? Que la pelota va montada en aire que se mueve y la empuja, y que cuando se asoma fuera del chorro dobla el aire hacia un lado, y doblar el aire hace que el aire la empuje de regreso. Eso es correcto, no necesita ecuación, y no habrá que desaprenderlo después. Lo que no hay que decir es que el aire rápido succiona.

Cómo explicárselo a tu hijo

De 5 a 8 años

El aire está ahí de verdad, aunque no se vea, y una secadora lanza un río de aire hacia arriba. La pelota va sentada en el río como un corcho en una fuente. Que ponga la mano en el chorro a 5 cm y después a 30 cm para sentir que el empujón se debilita más arriba: por eso la pelota elige una altura y se queda ahí.

Después déjalo hacer el embudo. Soplar con el embudo apuntando hacia abajo y que la pelota se niegue a caer es un recuerdo mejor que cualquier cosa que haga la secadora.

De 9 a 12 años

Presenta el arrastre como el empujón que el aire le da a un objeto, y la idea de que crece cuando el aire va más rápido. Después usa sus dos mediciones del Paso 2: la pelota se quedó más abajo cuando el aire iba más lento, porque tuvo que bajar hasta donde el aire todavía era suficientemente rápido. Nuestra nota sobre cómo vuelan los drones usa el mismo tratamiento honesto del aire empujado.

De 13 en adelante

Esta es la edad de conocer una ecuación famosa junto con su letra chica. La relación de Bernoulli supone flujo estacionario, incompresible y sin viscosidad a lo largo de una línea de corriente, y el punto entero de este experimento es que una de esas condiciones falla en la aplicación obvia. Que escriba por qué, y después haga la versión de momento: estimar la velocidad del chorro cronometrando un trazador liviano, calcular el flujo de momento por la sección transversal de la pelota, y compararlo con el peso de 2.7 gramos. Los números salen del orden correcto, lo que es satisfactorio, y la diferencia es información honesta sobre cuánto del chorro realmente pega en la pelota.

La pregunta que debes hacer: “Si usáramos una pelota más pesada del mismo tamaño, ¿flotaría más alto o más bajo, y por qué?”

Por qué enseñar esto temprano vale la pena

El comportamiento de los fluidos está donde quiera que un niño mire y casi siempre se enseña mal. La misma frase imprecisa de Bernoulli explica alas de avión, cortinas de baño, efectos de pelota y chimeneas, y en varios casos da la magnitud equivocada. Conocer temprano una explicación correcta basada en momento evita llegar a la física de secundaria con una herramienta rota.

Hay un pago más amplio, de epistemología antes que de aerodinámica: es una oportunidad rara de mostrarle a un niño que una explicación muy repetida puede estar mal sin que el fenómeno esté en duda. La pelota de verdad flota. La razón de siempre es una mala aplicación. Sostener las dos a la vez es sofisticado, y esta es un lugar amable para practicarlo.

Kirschner, Sweller y Clark argumentaron en 2006 que dejar a los aprendices inferir principios sin guía no funciona, y aquí aplica con fuerza: nadie descubre el argumento de momento mirando una pelota rebotar. El adulto lo tiene que decir. El marco del National Research Council nombra “argumentar a partir de evidencia” entre sus prácticas.

¿Y en América Latina?

Primero una advertencia eléctrica que importa en la región más que en casi cualquier otra parte, porque el voltaje de red no es uniforme: México, Colombia, Perú, Ecuador, Venezuela y Centroamérica funcionan entre 110 y 127 V, mientras Argentina, Chile, Uruguay, Paraguay y Bolivia usan 220 o 230 V. Una secadora de 110 V enchufada en 220 V se quema o se incendia en segundos, y los adaptadores de viaje cambian la forma del enchufe pero no el voltaje. Revisa la etiqueta antes de conectar nada, especialmente si el aparato vino de otro país.

Los materiales son fáciles. Las pelotas de ping pong se venden en papelerías y tiendas deportivas de cualquier barrio, y para la versión liviana el material cambia de nombre por país: unicel en México, plumavit en Chile, telgopor en Argentina e icopor en Colombia. El embudo de plástico está en cualquier cocina. Si quieren ver la versión grande y bien hecha, los museos interactivos de la región tienen chorros de aire con esferas flotando: el Papalote Museo del Niño en Ciudad de México, el MIM en Santiago, Maloka en Bogotá y el Parque Explora en Medellín.

Para la escuela: en México el tema entra en Saberes y Pensamiento Científico de la SEP; en Chile las Bases Curriculares de Física tratan fuerzas y fluidos en 1° medio; en Colombia los estándares de Ciencias Naturales de 8° a 11° incluyen mecánica de fluidos; en Argentina los Núcleos de Aprendizajes Prioritarios del secundario trabajan fuerzas. Un proyecto de feria que compare la altura de flotación contra la masa de la pelota, con cinco puntos y una gráfica, es más fuerte que cualquier cartel, sobre todo si incluye la corrección sobre Bernoulli.

Antes de empezar: lo que los papás deben saber

Mejor edad	6 a 12 para la actividad. La explicación cuidadosa la entrega el adulto, y a los 13 ya se puede dar completa.
Supervisión	El adulto conecta y sostiene la secadora. Lejos de lavabos, tinas y cualquier agua. Nunca modifiques ni abras el aparato.
Peligros reales	Solo la opción de aire frío. El aire caliente ablanda y deforma la pelota, y la boquilla se pone lo bastante caliente para quemar. Una secadora es ruidosa, cerca de 80 decibeles de cerca, así que lejos de los oídos y sesiones cortas. No la apunten a los ojos. Las pelotas de ping pong son riesgo de asfixia para niños muy chicos y además son inflamables.
No hagas esto	No sustituyas con una pistola de calor ni una decapadora, como hacen algunos videos. No uses la secadora cerca de agua. No dejes que un niño sostenga la secadora y alcance la pelota al mismo tiempo.

Cuando no funciona

• La pelota sale disparada del chorro. Tu chorro es muy angosto o muy rápido para la pelota. Suéltala más alto, o usa la velocidad baja, o quita la boquilla concentradora para ensanchar el chorro.
• La pelota simplemente cae. Flujo muy bajo, o la boquilla es muy ancha y el chorro ya se abrió. Prueba velocidad alta y suelta la pelota más cerca.
• Flota un segundo y cae. Estás moviendo la secadora. Apoya la muñeca en una mesa o sujeta la secadora al respaldo de una silla; un chorro tembloroso pierde la pelota.
• La prueba de inclinación falla de inmediato. Inclina en pasos chicos y deja que la pelota se acomode entre uno y otro. Saltar directo a 45° la expulsa antes de que la fuerza restauradora actúe.

Para llevarlo más lejos

Altura de flotación contra masa. Mete pedacitos de plastilina dentro de una pelota por un agujerito, pesándola cada vez, y anota la altura de flotación. Grafica altura contra masa. Las pelotas más pesadas se quedan más abajo, y la curva te dice qué tan rápido se frena el chorro con la distancia: una medición real de mecánica de fluidos hecha con una secadora de pelo.

Encuentra el ángulo de escape. Mide la inclinación máxima a la que la pelota se queda en el chorro, cinco pruebas, y promedia. Después repite con una pelota de unicel del mismo diámetro. La más liviana debería aguantar un ángulo mayor, porque la fuerza lateral es parecida y el peso que debe vencer es menor.

Qué observar en los próximos 3 meses

• Semana 4: nota una hoja o un papelito sostenido por una rejilla de aire, o una esfera flotando en una fuente de tienda.
• Mes 2: la palabra arrastre o la idea del aire empujando aparece en una conversación sobre bicicletas, paracaídas o la forma de un carro.
• Mes 3: cuestiona una explicación de “aire rápido, baja presión” que escucha en otro lado, o pregunta qué exige realmente la ecuación de Bernoulli.

Preguntas frecuentes

¿Entonces no es Bernoulli?

La relación de Bernoulli es física correcta y sí participa, concretamente en el gradiente de presión a través de las líneas de corriente curvadas alrededor de la pelota. Lo que está mal es comparar un punto dentro de un chorro libre con un punto del cuarto quieto, algo que la ecuación no autoriza.

¿Por qué gira la pelota?

Porque el flujo a su alrededor nunca es perfectamente simétrico, así que siempre hay un torque chico. El giro produce después una fuerza lateral propia, el efecto Magnus, y por eso la pelota suele describir círculos en vez de quedarse quieta.

¿Se puede hacer sin secadora?

Sí. La versión del embudo y los pulmones del Paso 5 muestra la fuerza lateral sin ningún aparato, y es discutiblemente la mejor demostración. También funciona sobre un ventilador apuntado hacia arriba, aunque el chorro es más ancho y débil. El mismo arrastre de chorro aparece en el atomizador con dos pajitas.

¿Por qué aguanta inclinada pero se cae si inclino demasiado?

Porque la fuerza restauradora lateral tiene un máximo. Pasado cierto ángulo, la componente de la gravedad que saca la pelota del chorro supera la mayor fuerza hacia adentro que el aire desviado puede dar. Ese ángulo de cruce es una medición genuina, y el Paso 3 la encuentra.

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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 Glenn Research Center. “Bernoulli and Newton.” Beginner’s Guide to Aeronautics. https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/bernoulli-and-newton/
2. Eastlake, C. N. (2002). “An aerodynamicist’s view of lift, Bernoulli, and Newton.” The Physics Teacher, 40(3), 166–173. doi:10.1119/1.1466553
3. Smith, N. F. (1973). “Bernoulli, Newton, and dynamic lift, Part II.” School Science and Mathematics, 73(4), 327–335. doi:10.1111/j.1949-8594.1973.tb09040.x
4. Georgia State University. “Fluid Concepts.” HyperPhysics. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/fluid.html
5. The Physics Classroom. “Momentum, Collisions and Explosions.” https://www.physicsclassroom.com/tutorial/momentum-collisions-and-explosions
6. Kirschner, P. A., Sweller, J., & Clark, R. E. (2006). “Why minimal guidance during instruction does not work.” Educational Psychologist, 41(2), 75–86. doi:10.1207/s15326985ep4102_1
7. National Research Council. (2012). A Framework for K-12 Science Education. National Academies Press. doi:10.17226/13165
8. NASA Glenn Research Center. “Earth Atmosphere Model, Metric Units.” https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/atmosmet.html