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sábado, 22 de septiembre de 2012

La geometría de chicle [ Alumnos ]

topologiaUno de los primeros artículos que escribieron mis alumnos del grupo "Catetos de la Geometría" fue sobre los aspectos más básicos de la geometría: la topología. A ellos les resultó curioso el concepto y, sin darse cuenta, estaban profundizando en los principales aspectos que configuran un sistema lógico axiomáticos geométrico: la continuidad.


Empezábamos la experiencia de innovación educativa introduciendo los blogs como herramienta dinamizadora del grupo y nos encontrábamos con esta perla. No dejaré de aprender de ellos.


Os dejo su artículo, tal y como lo escribieron. (Por cierto, el vídeo es genial)



LA GEOMETRÍA DE CHICLE


- ¿Cuántos lados tiene una circunferencia?
- Dos, el de dentro y el de fuera.

Aunque parezca un chiste matemático, a lo largo de esta entrada descubriréis que no lo es del todo.Hablamos de topología: es una rama de la geometría que estudia únicamente las propiedades de los cuerpos geométricos que permanecen invariantes cuando sufren transformaciones.

Es una geometría sin medidas, llamada también geometría de la membrana de goma o del chicle, puesto que las figuras siguen siendo las mismas aunque las sometamos a deformaciones (retorcer, distorsionar, estirar, contraer...) pero sin desgarramientos ni roturas: es como si estuvieran hechas de goma o plastilina.



Por ejemplo, el tamaño y la forma no son propiedades topológicas: un globo se puede hinchar o deshinchar, deformarse en un cubo o tomar la forma de una jirafa sin necesidad de desgarrarlo.
Sin embargo, una cuerda que está unida por las dos partes con un nudo o no, sería una propiedad topológica. Una de estas propiedades de las curvas en el espacio, es que una curva cerrada divide al plano que la contiene en dos partes: la interior y la exterior.
El número de dimensiones de una figura, la proximidad, el tipo de textura, el hecho de tener o no borde, el número de agujeros... son también propiedades topológicas.

El número de agujeros que presenta una figura es lo que se conoce como su género (es el número máximo de cortes que se le puede hacer sin partirla en dos trozos).

  • Una esfera maciza es de género 0, puesto que carece de agujeros y sólo es necesario un corte para romperla en dos partes.

  • Una rosquilla tiene género 1, pues tiene un agujero y se le puede hacer un corte sin romperlo en dos pedazos.

  • Unas gafas sin cristales tienen género 2, porque al tener dos agujeros se les pueden hacer dos cortes sin romperlas en dos partes.



Una esfera, un cubo y una pirámide son topológicamente lo mismo porque podríamos transformar uno en otro sin necesidad de romper ni unir sus partes.
Sin embargo, una circunferencia no es lo mismo que un segmento, puesto que habría que partirla por algún punto.Un ejemplo típico es el de la rosquilla y la taza de café, figuras topológicamente equivalentes, de género 1.



Y si lo pensáis, los seres humanos también somos de género 1.
Somos topológicamente equivalentes a las rosquillas: nuestro tubo digestivo correspondería al agujero de un donut.

Aquí os dejo un curioso vídeo:


La topología es por supuesto una disciplina matemática, y como tal, a menudo en el trabajo teórico no hace falta tener un método para encontrar la solución, sino que lo importante es saber que existe tal solución.
Por ejemplo, siempre hay un par de puntos diametralmente opuestos (antipodales) sobre la superficie de la Tierra que tienen exactamente la misma temperatura y presión. Estos puntos van variando y no hay manera de encontrarlos, pero podemos demostrar que existen siempre.

Históricamente, las primeras menciones a una geometría sin medidas proceden de Leibniz, quién la llamógeometría de la posición. Pero no es hasta la resolución del famoso problema de los puentes de Königsberg por parte de Euler, cuando se habla de "topología".

Aquí tenéis más temas relacionados en los blogs de nuestros compañeros: problema de los puentes de Königsberg y Cinta de Möbius .



martes, 7 de junio de 2011

Origami: Principios topológicos [TED]

origami

Todos hemos jugado en alguna ocasión con una hoja de papel para construir formas más o menos complejas, como las clásicas pajaritas o los típicos avioncitos que nos lanzábamos en el aula.


Estas construcciones basadas en unos cuantos y simples principios topológicos constituyen un arte que se cultiva especialmente en algunos países asiáticos.




El origami (折り紙?) es el arte de origen japonés También originalmente llamado papiroflexia que en el oriente se conoce por su nombre origami consiste en el plegado de papel, para obtener figuras de formas variadas. En español también se le puede decir principalmente papiroflexia o cocotología.(W)



Un fantástico vídeo que ilustra los principios de este arte puede ilustrarnos para concebirlo desde un punto de vista más científico o técnico. Descubriremos en él las principales leyes que rigen estas elaboradas construcciones.




Algunos ejemplos guiados:

jueves, 31 de marzo de 2011

Cortando una cinta de Moebius

Vamos a hacer una pequeña introducción a la topología de forma recreativa, mediante un juego que involucra una cinta o banda de Moebius.


Es un ejercício que hago en las primeras clases de geometría que doy a mis alumnos de aeronáuticos en la UPM y que sirve para explorar conceptos básicos a la vez que se estimula la curiosidad por la ciencia.




La banda de Moebius o cinta de Moebius (pronunciado /ˈmøbiʊs/ o en español a menudo "moebius") es una superficie con una sola cara y un solo borde, o componente de contorno. Tiene la propiedad matemática de ser un objeto no orientable. También es una superficie reglada. Fue co-descubierta en forma independiente por los matemáticos alemanes August Ferdinand Möbius y Johann Benedict Listing en 1858. (W)



[caption id="attachment_9415" align="aligncenter" width="640" caption="“El libro de las matemáticas. De Pitágoras a la 57ª dimensión. 250 hitos de la historia de las matemáticas”, Clifford A. Pickover, Librero, 2011."] “El libro de las matemáticas. De Pitágoras a la 57ª dimensión. 250 hitos de la historia de las matemáticas”, Clifford A. Pickover, Librero, 2011.[/caption]

La Topología es el estudio de aquellas propiedades de los cuerpos geométricos que permanecen inalteradas por transformaciones continuas. Es una disciplina matemática que estudia las propiedades de los espacios topológicos y las funciones continuas.


La Topología se interesa por conceptos como proximidad, número de agujeros, el tipo de consistencia (o textura) que presenta un objeto, comparar objetos y clasificar... (W)



Para la actividad necesitaremos tan solo los elementos que se ven en la imagen:


Hoja de papel

Lápiz

Tijeras

Cinta adhesiva

Es una actividad que sirve para motivar a los alumnos, a la vez de estimular el pensamiento y el análisis racional.


Se puede realizar en un corto espacio de tiempo, una media hora, siendo un tiempo invertido que aporta un alto rendimiento intelectual



Construir las bandas


En primer lugar deberemos construir dos bandas con dos tiras de papel, una en forma de anillo y la banda de Moebius.


Cortaremos una tira rectangular de papel y pondremos un poco de cinta adhesiva en uno de sus extremos.


La idea es unir los dos bordes más cortos del rectángulo para formar una banda circular.


Podemos realizar esta operación de dos formas diferentes, según queramos una banda normal o la cinta de Moebius.



Primero realizaremos una banda normal. Uniremos los extremos del papel por su lado más corto para obtener una forma cilíndrica, un anillo.


Esta superficie tiene dos caras, una interior y otra exterior.


Si recorremos una de las caras con un dedo, nunca tocaríamos la otra cara.



A continuación construiremos la banda de Moebius. En este caso cuando se pegan los extremos damos media vuelta a uno de ellos.


Este giro del papel hace que conectemos las dos caras de la superficie; obtendremos una superficie con una sola, ya que si repitiéramos la operación anterior, recorriendo la superficie con un dedo, pasaríamos por toda su superficie.


Esta idea nos permite hablar de un número de caras pares (2) o impares (1).



Hemos construido dos bandas diferentes que nos servirán para "jugar" con ellas y estimular el análisis básico que nos permita trabajar posteriormente con superficies de forma abstracta.



Superficies de las bandas


Los elementos necesarios para iniciar la exploración ya están preparados. Revisaremos el número de caras a la vez que preparamos las bandas para ser cortadas.

Con el lápiz dibujaremos, desde un punto cualquiera, una línea que recorra la cara por su zona central. continuaremos dibujando hasta que se cierre la línea al completar la vuelta a la banda.


Tendremos dividida la banda por una línea que "equidista" de sus extremos. Diremos que esta línea se encuentra a distancia 1/2 ( un medio).


Mientras que en la banda normal sólo se dibujará la mitad de la superficie (la cara de la que hemos partido), en la banda de Moebius tendremos la línea en toda la superficie, la única cara que hay.


También se puede llamar "línea media" de la cara.


Como ejercicio posterior, podemos dibujar líneas a otras distancias:en lugar de dividir el ancho en dos partes, lo haremos en tres, cuatro ...


Se deja abierto el ejercicio para motivar la exploración del ejercicio, planteando algunos interrogantes:


 

  • Si dividimos en tres partes, al dibujar las líneas en la banda ¿Podemos hacerlo sin levantar el lápiz del papel? es decir, con un solo trazo recorremos la cinta, completando las líneas.

  • Al construir la banda, si en lugar de girar una vez, giramos dos, tres, cuatro.... ¿Cuántas caras tendrá la superficie?


 

Cortar las superficies


La parte más interesante del juego viene cuando "cortamos" la cinta siguiendo la línea que hemos marcado previamente. Antes de comenzar a cortar, ¿ Somos capaces de predecir qué va a pasar?



Empezaremos por la cinta "normal", aquella que no tiene el giro.


Iremos siguiendo la línea dibujada hasta volver al punto en el que hemos empezado a cortar.


¿Será el mismo resultado con la otra cinta?


¿Tendremos una o dos cintas como consecuencia?


¿De una o dos caras en cada caso?



La anticipación de las respuestas es un interesante motor para el análisis. Vemos que al cortar la cinta obtenemos dos exactamente iguales a la primitiva, salvo en su ancho, que se ha reducido a la mitad.

¿Qué pasará al cortar la cinta de moebius?


Vemos que en este otro caso lo que se obtiene es una cinta también de la mitad de la anchura que la original, pero "sólo una cinta".


Su longitud ha pasado a ser el doble que la primitiva, al fin y al cabo "sólo teníamos una cara" !!!


¿Cuantas caras tiene la nueva banda?


Este ejercicio no termina aquí, ahora deberemos tratar de generalizar los resultados en el caso en que marquemos líneas en lugar de en la línea media, a un tercio de la distancia (ancho), o a un cuarto, o a un quinto .....



También podemos especular sobre qué pasaría si hacemos dos giros al construir la cinta, o tres, o cuatro....


Podemos construir unas cuantas cintas para experimentar y sacar conclusiones, el resultado puede ser sorprendente.


¿Obtendremos dos cintas enlazadas?


¿Es posible obtener tres? o "tres veces más larga" ???


Os dejo el análisis que bien puede daros una tarde de entretenimiento. Una tarde con vuestros amigos, hijos o alumnos.


Un ejercicio que, como dije al principio, es un buen tiempo invertido ya que la sorpresa agudiza el pensamiento crítico y creativo.


¿Te animas a experimentar?