Sismógrafo casero que dibuja el temblor en papel

Lo ingenioso de un sismógrafo no es que se mueva. Es que una de sus partes se niega a moverse. Cuelga un peso de unos hilos, pégale un plumón y sacude el marco: el marco se mueve, el papel se mueve y el plumón se queda más o menos donde estaba. La línea que dibuja es la diferencia entre algo que se movió y algo que no. Este sismógrafo casero toma unos cuarenta minutos de armado, y los dos detalles que hacen que funcione en lugar de rayar son la masa del peso y qué tan suave toca el plumón el papel.

Puntos clave

• Vas a colgar un vaso pesado con un plumón pegado dentro de un marco de cartón, jalar una tira de papel por debajo y registrar sacudidas reales.
• Enseña la inercia como principio de medición, y por qué las escalas de magnitud son logarítmicas.
• Funciona de 9 a 15 años.
• La falla típica es un plumón que presiona demasiado: arrastra el plumón con el papel y borra todo el efecto.
• Cada número entero de magnitud son diez veces la amplitud de la onda y cerca de 32 veces la energía.

Lo que vas a necesitar

Qué	Cuánto	Dónde conseguirlo	Si no lo tienes
Caja de cartón firme, abierta de un lado	1, de unos 30 por 30 por 40 cm	Caja de paquetería	Un banco con travesaño, o dos huacales encimados
Vaso de papel o plástico	1	Tu cocina	Un botecito de yogur
Monedas, piedritas o rondanas	300 a 500 g	Tu bolsillo y el patio	El arroz es muy liviano. Necesitas masa real
Plumón de punta fina	1	Papelería	Un lápiz suave con la punta plana. No un bolígrafo, que necesita presión
Hilo o cáñamo	1 m	—	Hilo resistente, doblado
Palito de brocheta o lápiz para cruzar la caja	1	—	Un palillo chino
Tira de papel	1 m de largo por 8 cm de ancho	Rollo de papel de caja registradora, o varias hojas pegadas	El revés de un retazo de papel tapiz
Cinta y tijeras	—	—	El adulto hace cualquier corte de la caja

Tiempo: preparación 40 min, experimento 20 min, limpieza 5 min Costo: todo está en tu casa Nivel de desorden: bajo

Haz el experimento

Paso 1 — Arma el marco y la ranura del papel

Para la caja de costado, con una cara grande abierta hacia ti. Corta una ranura horizontal de unos 10 cm de ancho en el panel de abajo, cerca del fondo, y otra al frente, para que la tira de papel pase de atrás hacia adelante por el piso de la caja. El adulto hace los cortes.

Paso 2 — Carga el vaso y cuélgalo de dos hilos, no de uno

Llena el vaso con monedas o piedritas hasta que pese entre 300 y 500 gramos. Haz dos agujeros en lados opuestos del borde, pasa un solo hilo por los dos y cuelga las dos puntas del palito atravesado en la parte alta de la caja, de modo que los hilos formen una V angosta. Este es el detalle que casi todas las instrucciones se saltan. Un solo hilo deja al vaso oscilar en cualquier dirección y el trazo sale un garabato; una V lo obliga a oscilar en un solo eje, y eso es lo que da un registro legible.

Paso 3 — Pega el plumón para que apenas toque

Pega el plumón bajo la base del vaso, apuntando recto hacia abajo, con la punta apenas rozando el papel. Cuelga el vaso de modo que toque casi sin presión. Con mucha presión, la fricción arrastra el plumón junto con el papel, y esa es la razón más común de que este armado falle.

Paso 4 — Toma la predicción

Pregunta: “Cuando sacuda la caja, ¿se va a mover el plumón o el papel?” Casi todos los niños dicen el plumón. Anótalo.

Paso 5 — Jala el papel a velocidad constante y sacude

Una persona jala el papel despacio y parejo, unos 2 cm por segundo, mientras otra golpea o mece la caja de lado a lado. Varíalo: golpecitos suaves, luego un mecido fuerte, luego un ritmo constante.

Lo que deberías ver: una línea ondulada. Mientras nada se sacude, el plumón dibuja una línea recta por el centro de la tira, porque el papel se mueve bajo un plumón quieto. Cuando sacudes la caja, la línea desarrolla ondas laterales cuyo ancho sigue qué tan fuerte sacudiste. Golpecitos suaves dan unos milímetros; un buen mecido da un centímetro o más.

Paso 6 — Calíbralo y vuelve a leerlo

Marca el papel cada cinco segundos mientras lo jalas, y después mide el ancho máximo de la onda para una sacudida suave, una media y una fuerte.

Lo que deberías ver: amplitud que crece con la fuerza de la sacudida, y un registro que puedes interpretar después sin haber visto el movimiento. Dale la tira a alguien que estaba fuera del cuarto y pídele que te diga cuántas veces sacudiste y cuál fue la más fuerte. Si puede, construiste un instrumento.

Qué está pasando en realidad

Un sismógrafo es un sistema de registro más un sensor de movimiento del suelo llamado sismómetro, y como lo dice la ficha del consorcio IRIS, los sismómetros funcionan con el principio de inercia. La inercia es la tendencia de una masa a seguir haciendo lo que ya estaba haciendo. Sacude el marco rápido y la masa colgada, que solo está conectada al marco por un hilo flexible, no tiene tiempo de seguirlo. Así que el marco se mueve, la masa no, y el plumón registra el movimiento relativo entre los dos.

Por eso importa la masa. Un vaso liviano lo empujan el hilo, las corrientes de aire y la fricción del propio plumón, así que sigue al marco en lugar de ignorarlo. Un vaso pesado se resiste a todo eso. No estás midiendo el peso del vaso: le estás comprando terquedad al plumón.

El péndulo tiene un periodo natural, y ahí está el límite real de tu instrumento. Para un péndulo simple el periodo es 2π por la raíz de la longitud entre la gravedad, así que una suspensión de 30 cm oscila con un periodo cercano a 1.1 segundos. Las sacudidas mucho más rápidas que eso se registran bien, porque la masa no alcanza a seguirlas y de verdad se queda quieta. Las sacudidas mucho más lentas hacen que la masa se mueva junto con el marco y no registre casi nada. Los instrumentos de investigación hacen esfuerzos enormes por conseguir periodos naturales muy largos, y así capturan los movimientos lentos de un sismo grande y lejano. Para comparar: IRIS señala que los sismómetros modernos de investigación detectan movimientos del suelo tan pequeños como una diezmillonésima de centímetro en sitios silenciosos.

Y ahora la magnitud, donde la versión popular está mal de dos formas. El USGS explica que las escalas de magnitud son logarítmicas: cada aumento de un número entero representa diez veces más amplitud medida en el sismograma y cerca de 32 veces más energía liberada. Un 7 no es un poco peor que un 6: sacude el suelo diez veces más lejos y libera unas treinta y dos veces la energía.

El primer error popular es la frase “escala de Richter”. Charles Richter presentó la magnitud en Caltech en 1935, y su definición solo valía para sismos de California dentro de 600 km de un instrumento particular, el sismógrafo de torsión Wood-Anderson. Para sismos muy grandes las escalas de amplitud se saturan, así que hoy los sismólogos usan la magnitud de momento, basada en el tamaño físico de la ruptura de la falla y no en la altura de un garabato. El segundo error es creer que la escala “llega hasta 10”. No tiene límite superior. El sismo más grande registrado por instrumentos es el de magnitud 9.5 de Valdivia, Chile, el 22 de mayo de 1960, que encabeza la lista del USGS de los veinte sismos más grandes desde 1900.

Cómo explicárselo a tu hijo

De 5 a 8 años

Pon una moneda sobre una tarjeta apoyada en un vaso y saca la tarjeta de un tirón: la moneda se queda y cae dentro. Misma idea. Dile que el peso del vaso es flojo y quiere quedarse donde está, así que cuando la caja se mueve, la caja va y el plumón se queda, y así se hacen las ondas. Después déjalo sacudir, que es el trabajo que todo niño quiere.

De 9 a 12 años

El gran truco del diseño es el papel que se mueve. Jalarlo a velocidad constante convierte la distancia a lo largo de la tira en tiempo, y por eso el registro se puede leer. Que marque el papel cada cinco segundos y después deduzca, de una tira terminada, exactamente cuándo ocurrió cada sacudida y cuánto duró. Después presenta el logaritmo: una magnitud 6 mueve la aguja diez veces más lejos que una magnitud 5.

De 13 en adelante

Dale T = 2π√(L/g), que calcule el periodo de su suspensión y lo compruebe cronometrando diez oscilaciones libres. Después que sacuda la caja mucho más rápido y mucho más lento que ese periodo y compare los trazos. Debería encontrar una respuesta en frecuencia clara: buena en alta frecuencia, casi sorda en baja. Y luego la pregunta de diseño: ¿qué cambiarías para hacerlo sensible al movimiento lento, y por qué eso es difícil?

La pregunta que debes hacer: “Si ocurren dos sismos y el segundo dibuja una línea cuatro veces más ancha en nuestro papel, ¿cuánto mayor es su magnitud? ¿Y cuatro veces más ancha es mucha o poca diferencia?”

¿Y en América Latina?

Pocas regiones del mundo tienen más razones para entender esto. El sismo más grande jamás registrado con instrumentos ocurrió en Chile: Valdivia, 22 de mayo de 1960, magnitud 9.5. El de Maule en 2010, también en Chile, llegó a 8.8, y el de la costa de Ecuador y Colombia de 1906 también fue 8.8. Las tres entradas están en la lista del USGS de los veinte más grandes desde 1900. Si vives en Santiago, Lima, Quito, Guayaquil o Ciudad de México, tu hijo está parado sobre el borde donde la placa de Nazca o la de Cocos se mete bajo Sudamérica y Norteamérica, y esa es la misma convección del manto que mueve las placas.

Esto convierte el experimento en una conversación de preparación, no solo de ciencia. Aprovecha para repasar en casa el plan sísmico: la zona segura, el punto de reunión, la mochila. En México, el sistema de alerta sísmica suena en radio y celulares porque las ondas de radio viajan más rápido que las ondas sísmicas; si tu hijo entiende la diferencia entre la onda P rápida y la onda S lenta y destructiva, entiende por qué esos segundos de aviso existen. En Chile, la norma de construcción antisísmica es una de las razones por las que un 8.8 causó muchos menos daños de los que habría causado en otro lado, y eso también es ciencia aplicada.

Materiales: la caja de cartón sale gratis en cualquier tienda; la tira de papel más barata es un rollo de papel para caja registradora, que venden en papelerías por poco dinero; el plumón de punta fina de agua funciona mejor que el permanente, que tiende a secarse en la punta cuando está colgado hacia abajo. Para seguir con el tema, mira la ingeniería antisísmica de Ciudad de México y el experimento de corrientes de convección, que muestra el motor que mueve las placas.

Por qué enseñar esto temprano vale la pena

Las escalas logarítmicas están en todas partes y casi nunca se enseñan como concepto antes de que hagan falta. Magnitud, decibeles, pH, brillo de las estrellas y el control de volumen de cualquier aparato son logarítmicos, y un niño que midió amplitud en una tira de papel tiene algo físico donde colgar la idea de que “un paso arriba son diez veces”.

El segundo beneficio es la idea de marco de referencia. Un sismógrafo funciona porque mantiene una cosa quieta y mide todo lo demás contra ella. Ese mismo movimiento está detrás de los acelerómetros de los celulares, los giroscopios de los drones, la navegación inercial de los aviones y la estabilización de una cámara. Es una de las ideas realmente reutilizables de la ingeniería, y un vaso de monedas en dos hilos la vuelve visible.

Alfieri y colegas encontraron que el descubrimiento guiado mejora el aprendizaje y la exploración sin guía no (Alfieri et al., 2011), y aquí importa: el armado es lo bastante delicado como para que un niño solo produzca un garabato y concluya que la idea no funciona. Quédate con él en el Paso 3. Y sé honesto con las expectativas: un sismógrafo de cartón no va a detectar un sismo lejano real, y ningún estudio dice que un armado así cambie resultados escolares.

Antes de empezar: lo que los papás deben saber

Mejor edad	9 a 15 años. Antes de los 9 la construcción frustra, aunque sacudir el terminado no
Supervisión	El adulto hace todos los cortes. El adulto también decide qué se sacude y dónde
Riesgos reales	Cortes con cúter al ranurar la caja. Las monedas y rondanas chicas son riesgo de atragantamiento para menores de 3 años: cuéntalas al salir y al guardar. Una pistola de silicón caliente causa quemaduras reales. Un vaso pesado que se cae lastima un pie: prueba los nudos con un tirón antes de cargarlo
No hagas esto	No sacudas una mesa con algo frágil, eléctrico o caliente encima, y no sacudas un estante. No llenes el vaso con agua en lugar de monedas: se bambolea, agrega su propia oscilación y arruina el trazo

Cuando no funciona

• El plumón no dibuja, o rompe el papel. Presión. La punta debe apenas tocar. Sube el vaso uno o dos milímetros y prueba con un golpecito suave.
• El trazo es un garabato con rizos. El vaso oscila en dos direcciones. Cámbiate a la suspensión en V de dos hilos del Paso 2.
• El plumón se mueve con la caja y la línea queda recta. La masa es muy liviana o el hilo muy rígido. Agrega monedas hasta llegar a 300 g y usa hilo suave en lugar de alambre.

Para llevarlo más lejos con el sismógrafo casero

1. Mide la respuesta en frecuencia. Sacude a un ritmo contado: una sacudida cada dos segundos, una por segundo, dos por segundo, cuatro por segundo. Mide la amplitud del trazo en cada caso y grafica amplitud contra ritmo. Acabas de medir la curva de sensibilidad de tu instrumento.
2. Cambia el largo del péndulo. Corre la misma sacudida con suspensiones de 15 cm y de 45 cm. Más largo significa periodo natural más lento y mejor respuesta al movimiento lento. Predice primero, mide después.
3. Compara edificios. Arma dos torres de papel de distinta altura en el piso de la caja, con una moneda pegada arriba de cada una, y sacude a distintos ritmos. Alturas distintas caen a frecuencias distintas, y ese es el corazón del problema sísmico de las ciudades construidas sobre suelo blando.

Qué observar en los próximos 3 meses

• Semana 4: describe bien una magnitud de las noticias, diciendo que un 6.8 es mucho peor que un 5.8 y no un poco peor.
• Mes 2: usa la palabra inercia sobre algo que no tiene nada que ver, normalmente en el carro o en el camión.
• Mes 3: pregunta cómo sabe un celular que lo voltearon. Esa pregunta lleva a los acelerómetros, que son el mismo principio reducido a unas micras de silicio.

Preguntas frecuentes

¿Esto va a detectar un sismo real?

Casi con certeza no. Tu instrumento no tiene amplificación, el plumón tiene fricción real y el periodo natural ronda un segundo, así que solo responde a sacudidas que de todos modos se sienten. Los sismómetros reales son electrónicos y amplifican enormemente. Lo que armaste es una demostración correcta del principio, no un instrumento sensible.

¿Por qué dos hilos y no uno?

Un solo hilo deja al vaso oscilar en cualquier dirección horizontal, y entonces el plumón dibuja rizos en lugar de una línea. Dos hilos colgados en V angosta restringen la oscilación a un solo eje. Los sismómetros horizontales reales también restringen su masa a una dirección y usan tres sensores para tres ejes.

¿Todavía se usa la escala de Richter?

No para sismos grandes. La definición de Richter de 1935 aplicaba a un instrumento y una región particulares, y las escalas de amplitud se saturan en eventos muy grandes. Las agencias hoy reportan magnitud de momento, basada en el tamaño físico de la ruptura. Las noticias siguen diciendo “Richter” por costumbre.

¿La escala de magnitud se detiene en 10?

No. No hay límite superior en las matemáticas. El límite práctico es cuánta falla puede romperse a la vez. El sismo más grande registrado con instrumentos es el de magnitud 9.5 de Chile en 1960.

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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. IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology). “How Does a Seismometer Work?” https://www.iris.edu/hq/inclass/fact-sheet/how_does_a_seismometer_work
2. U.S. Geological Survey. “Earthquake Magnitude, Energy Release, and Shaking Intensity.” https://www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards/earthquake-magnitude-energy-release-and-shaking-intensity
3. U.S. Geological Survey. “20 Largest Earthquakes in the World Since 1900.” https://www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards/science/20-largest-earthquakes-world
4. Kious, W. J., y Tilling, R. I. This Dynamic Earth: The Story of Plate Tectonics. U.S. Geological Survey. https://pubs.usgs.gov/gip/dynamic/dynamic.html
5. Alfieri, L., Brooks, P. J., Aldrich, N. J., y 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: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas. National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13165