Como age a pressão atmosférica? Algumas situações-problema ... ?· oferece matéria essencial para…

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  • Cad. Bras. Ens. Fs., v. 26, n. 1: p. 7-23, abr. 2009. 7

    COMO AGE A PRESSO ATMOSFRICA? ALGU-MAS SITUAES-PROBLEMA TENDO COMO BASEA HISTRIA DA CINCIA E PESQUISAS NA -REA+ *

    Marcos Daniel LonghiniFaculdade de Educao Universidade Federal de UberlndiaUberlndia MGRoberto NardiDepartamento de Educao UNESP Bauru SP

    Resumo

    Este artigo tem como proposta apresentar um conjunto de situa-es-problema sobre o tema presso atmosfrica , as quais fo-ram aplicadas a futuros professores de Fsica, em seu curso deformao inicial. Tais atividades, que podem ser desenvolvidascom estudantes de Ensino Fundamental e/ou Mdio, tm como ba-se a participao ativa do aluno no processo de aprendizagem.Sua organizao partiu de alguns resultados de pesquisas realiza-das na rea, alm de episdios da Histria da Cincia e so apre-sentadas em dois eixos principais, que tomam como ponto de par-tida algumas barreiras que os alunos devem superar para quecompreendam fenmenos relativos presso atmosfrica. Apre-sentamos, em cada atividade, os principais tipos de respostas ob-tidas na ocasio de sua aplicao com licenciandos em Fsica, eapontamos, a partir de tais resultados, alguns cuidados a seremtomados pelos professores no desenvolvimento do tema.

    + How does atmospheric pressure behave? Some problem-situations based on the History of Science and researches on the subject

    * Recebido: maio de 2008. Aceito: agosto de 2008.

  • Longhini, M. D. e Nardi, R.8

    Palavras-chave: Ensino de Fsica; situaes-problema; pressoatmosfrica.

    Abstract

    The aim of this article is to present the results of a seriesof problem-situations on the subject atmospheric pressure ,which were answered by Physics teachers-to-be during theirtraining program. Those activities, which could be developedwith Elementary School Students and/or High School Students,have as their basis the active participation of the students in thelearning process. The arrangements of the activities result fromsome data found through researches carried out on the subject,besides some occurrences in the History of Science and theactivities have two main axis, which take as starting points someobstacles students have to overcome in order to understand somephenomena related to atmospheric pressure. In each activity,the main types of answers obtained from the Physics teachers-to-be are presented. From the results some strategies to be usedby teachers, while developing the subject, are pointed out.

    Keywords: Physics teaching; problem-situations; atmosphericpressure.

    I. Introduo

    A vida em nosso planeta tem forte relao com a existncia de condiessem as quais no poderamos existir. Uma delas a presena da atmosfera, que nos oferece matria essencial para vida atravs de gases nela presentes e nos protegecontra radiaes nocivas nossa forma de vida.

    Apesar de sua importncia, a atmosfera e os efeitos a que estamos sujeitosdevido sua existncia, como a presso gerada pelos gases nela presentes, nemsempre so temas compreendidos por alunos e at mesmo por professores. Asatividades apresentadas neste artigo, elaboradas na forma de situaes-problema,fazem parte de uma pesquisa realizada com quinze licenciandos em Fsica (LON-GHINI, 2001), e so aqui apresentadas de modo que se tornem sugestes para oprofessor desencadear o desenvolvimento do tema, tanto no trabalho com alunosde nvel Fundamental, quanto Mdio.

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    De modo a explicitar os tipos mais comuns de explicaes para as situa-es em questo, apontaremos alguns dos resultados obtidos com os futuros pro-fessores de Fsica, quando estiveram sujeitos aos mesmos problemas. Isso porque,quando tais respostas foram comparadas com resultados de pesquisas realizadassobre o tema, observamos que elas no diferiam substancialmente daquelas dealunos da escola bsica.

    O eixo que norteou o processo de elaborao das questes a concepode que a tarefa de ensinar deve ter como foco o aluno, sendo que este deve terpapel fundamental no processo de construir seu conhecimento, auxiliado peloprofessor. Tal postura revela que nosso eixo de ao pautado por ideias centradas em discusses oriundas do construtivismo, e em desdobramentos que revelam aimportncia de se considerar as concepes espontneas dos estudantes e a Hist-ria da Cincia no processo de ensino e aprendizagem.

    O construtivismo assume, como ponto fundamental, que o conhecimentono transferido para a mente das pessoas, e sim construdo a partir de ideias pre-viamente estabelecidas por elas. Isso o que comumente as pesquisas, nas ltimasdcadas, vm apontando; ou seja, os alunos vm para as salas de aula com ideiasprvias sobre tpicos a serem trabalhados, ideias estas construdas espontaneamen-te atravs de sua interao com a natureza ou nas relaes sociais.

    Duarte e Faria (1997) nos apresentam algumas das principaiscaractersticas do pensamento e das concepes das crianas, de modo acompreendermos melhor o que so tais ideias. Segundo os autores, essasconcepes so fortemente influenciadas pela percepo, portanto, limitadas; soaplicadas em contextos especficos, mesmo que posteriormente haja contradiocom outras ideias, alm de possurem, muitas vezes, uma forte lgica subjacente.

    Por elas serem construdas espontaneamente, na maioria das vezes, estoem discordncia com o conhecimento cientificamente aceito, logo, tambmdiferenciado daquele ensinado pelos professores nas aulas de Cincias. Porm, isso no quer dizer que elas estejam totalmente incorretas e devam ser deixadas de ladono processo de ensino e aprendizagem, mas sim, que so o ponto de partida destemesmo processo.

    A Histria da Cincia tambm foi um pressuposto que subsidiou a elabo-rao das atividades, e isto porque ela pode se constituir em rica fonte de informa-es sobre como o tema em estudo se desenvolveu no decorrer dos tempos, osimpasses e as dificuldades experimentadas por outras pessoas em diferentes pocas para explicar fenmenos relacionados mesma temtica.

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    Uma justificativa para o uso da histria no ensino porque ela pode res-gatar certas partes do processo vivenciado pelos cientistas em determinadas po-cas, em contraposio viso meramente de produto que acabamos ensinando,muitas vezes reforada pelos prprios livros didticos que, via de regra, apresen-tam fatos histricos isolados de seu contexto ou cientistas em posio de descobri-dores do funcionamento da natureza (MARTINS, 2006).

    Com base em tais ideias, Medeiros e Bezerra Filho (2000) afirmam queaprender o processo como o conhecimento cientfico tem sido historicamente cons-trudo algo to importante de ser compreendido quanto os prprios contedos, oque acaba auxiliando os alunos a entenderem a Cincia no como um dogma in-questionvel, mas como um processo elaborado pelos homens, sujeito a erros,revises e avanos.

    Para Bastos (1998), a utilizao da Histria da Cincia no ensino tem sido enfatizada, basicamente, segundo dois aspectos: como contedo de ensino em simesma e como fonte de inspirao para definio de contedos e atividades deensino. na segunda vertente que ela foi empregada por ns, ou seja, algumas dasatividades apresentadas foram elaboradas a partir do estudo do desenvolvimentohistrico do conceito de presso atmosfrica (LONGHINI; NARDI, 2002).

    II. Categorias para organizao das atividades

    As atividades so propostas na forma de situaes-problema que podemser desenvolvidas pelos professores, em sala de aula. So situaes que utilizam,em sua maior parte, materiais do cotidiano, ou evocam os alunos a imaginaremsituaes diversas, nas quais a presso atmosfrica influencia.

    O emprego de tais situaes no desenvolvimento de um tema, segundoGasparin (2007), propicia ao docente o acesso aos conhecimentos que os alunos jtrazem sobre o tema, os quais se constituem, para ns, em elementos relevantes noprocesso de ensino e aprendizagem.

    As situaes-problema so divididas em dois eixos principais, sendo quecada um instigar o aluno a interpretar um diferente aspecto referente ao dapresso atmosfrica. Elaboramos os eixos com base em algumas barreiras queconsideramos que os estudantes precisam superar quando estudam o tema. Elasforam identificadas a partir de nossa experincia com os futuros professores deFsica e tambm de resultados de pesquisas na rea, os quais sero explicitadosmais a frente.

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    Alm dessas fontes de informao, a Histria da Cincia, conforme cita-mos anteriormente, tambm nos ofereceu pistas que indicam quais foram os prin-cipais entraves histricos para se chegar compreenso do conceito como o enten-demos hoje.

    Portanto, organizamos as situaes-problema com base nos seguintes ei-xos:

    Eixo 1Nele, apresentamos as atividades que instigam os alunos a perceber que,

    quando dois espaos (ou recipientes) esto sujeitos a presses distintas, a tendncia o equilbrio entre estas presses quando se estabelece um contato entre eles. Essaideia central se subdivide em duas outras que precisam ser compreendidas, que so alguns fatores que, dentre outros, causam desequilbrio na presso:

    A) A variao do volume de um recipiente fechado influencia na manifes-tao da presso atmosfrica sobre esse mesmo recipiente. A partir dessa ideia,apresentamos as seguintes situaes:

    - o problema da bureta;- o problema da garrafa com gua;- o problema da lata de extrato de tomate;- o problema do canudinho;- o problema das placas de vidro;- o problema da lata de extrato de tomate submersa em gua.

    B) O calor influencia na variao da presso interna de um recipiente, fa-zendo com que a presso atmosfrica manifeste seu efeito sobre ele. A partir dessaideia, apresentamos a seguinte situao:

    - o problema do ovo na garrafa.

    Eixo 2Nele, alocamos as atividades que instigam os alunos a pensar em fenme-

    nos que relacionem a presso atmosfrica com a gravidade, uma vez que os estu-dantes tendem a acreditar que uma influencia a outra. A partir desta ideia, apresen-tamos as seguintes situaes:

    - o problema da indicao do dinammetro;- o problema da balana no vcuo;- o problema da bexiga na nave espacial;- o problema do dinammetro sob alta presso.

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    III. Atividades propostas

    Eixo 1 A) a variao do volume de um recipiente fechado influencia na manifes-

    tao da presso atmosfrica sobre este mesmo recipiente.

    O problema da bureta

    Uma bureta um tubo de vidro graduado que possui uma torneira numdos extremos; e geralmente um instrumento usado para medio de pequenosvolumes. Imagine uma situao em que certa quantidade de lquido (gua, porexemplo) colocada em uma bureta mantida na posio vertical. Ao abrirmos suatorneira, a gua flui livremente pelo orifcio inferior, mas ao inserirmos uma rolhaem sua extremidade superior, a gua pra de fluir, mesmo com a torneira aberta. Apartir de tal situao, sugerimos apresentar o seguinte questionamento: por que olquido para de fluir quando a rolha inserida?

    Essa questo foi extrada da pesquisa de Berg (1992), e os resultados ob-tidos com futuros professores de Fsica no diferiram daqueles obtidos pelo pes-quisador quando a aplicou a alunos de dezessete e dezoito anos de idade. Apesardo termo presso ter sido empregado de maneira correta em duas das respostasdos quinze licenciandos, surgiu, na maior parte das respostas, de maneira confusa,da mesma forma que apontado por Berg (op. cit.)

    Alguns estudantes costumeiramente oferecem respostas do tipo o ar pre-cisa entrar para repor o espao do lquido, que sai. Se o ar no entra, o lquidono sai . Identificamos esse mesmo tipo de concepo no desenvolvimento hist-rico do tema, uma vez que, na Antigidade, essa ideia era concebida como umhorror ao espao vazio . Portanto, se algo sair, outro, logo em seguida, deve repor

    o espao livre. Berg (1992) tambm encontrou esse tipo de resposta entre os alunos pesquisados, conforme aponta resposta de um deles: O lquido para de escorrerporque o ar no pode repor o volume perdido .

    H, tambm, alunos que atribuem o fato verificado ao da rolha, e nes-se ponto, cabe ao professor o desafio de levar o estudante a deslocar seu foco deexplicao para a influncia do ar exterior, ou seja, da atmosfera. compreensvelque o aluno no atribua tal ao atmosfera, pois o fato de estarmos nela inseridosdurante toda nossa vida faz com que nem sempre tenhamos conscincia de suaao, ou at mesmo de sua existncia.

    Estamos mergulhados na atmosfera terrestre e a ao da presso provo-cada por ela age em todos os corpos, em todas as direes. O mesmo ocorre com a

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    bureta. Logo, a ao da rolha no prender a gua no interior do instrumento,numa espcie de suco, como costumeiramente se responde, mas impedir a aoda presso atmosfrica no lquido, a partir do orifcio superior da bureta. Agindo apartir da abertura inferior, a presso atua sobre a gua em direo contrria suaqueda, fazendo com que pare. , na verdade, uma situao de equilbrio entre aao da presso externa (atmosfrica) e da presso interna, provocada pela gua epelo ar no interior da bureta.

    A mesma situao pode ser explicada em termos da diminuio da presso no interior da bureta devido ao aumento de seu volume interno. Devido tendncia ao equilbrio entre a presso interna e externa, o ar procurar adentrar a bureta nabusca por este estado. No se deve entender aqui que a natureza no permite espa-os vazios e, sim, que busca o equilbrio entre a presso interna e externa, confor-me apontamos anteriormente.

    O problema da garrafa com gua

    O relato de uma passagem histrica acerca da presso atmosfrica, quasesempre presente em livros didticos, o da experincia de coluna de mercrio,cujo mrito se atribui a Evangelista Torricelli. Podemos repetir a ideia principal detal prtica, empregando gua ao invs de mercrio.

    Essa questo tem como foco principal investigar o pensamento dos alunosquando defrontados com uma situao envolvendo uma coluna de lquido suspen-sa. Esse problema busca traar um paralelo com o fato histrico da coluna de guaconstruda por Gasparo Berti e, posteriormente, a de mercrio, por Torricelli.

    Gasparo Berti, um italiano que viveu no sculo XVII, utilizando um tubode aproximadamente dez metros de comprimento, realizou a mesma experinciaproposta da garrafa. Tal prtica foi fonte de inspirao para, posteriormente, Torri-celli realiz-la empregando mercrio. Vale destacar que, devido densidade dagua ser aproximadamente dez vezes menor do que a do metal, a coluna de guaque possvel ser equilibrada pela ao da atmosfera maior que a coluna de mer-crio (aproximadamente 10 metros, utilizando gua e 76 cm, mercrio; ao nvel domar).

    Sugerimos colocar um pouco de gua em uma garrafa transparente e emuma bacia. Em seguida, essa mesma garrafa colocada, de ponta cabea, dentro da bacia. A gua que est no recipiente transparente no escoa para baixo para sejuntar com a da bacia; pelo contrrio, permanece na garrafa. O mesmo resultadofoi obtido com o tubo de Berti, na Itlia do sculo XVII, desde que a altura do

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    lquido no ultrapasse dez metros de altura, aproximadamente. A partir desta situa-o, sugerimos perguntar aos alunos: por que a gua no escoa para a bacia?

    Quando tal situao-problema foi apresentada aos licenciandos, a maiorparte de suas explicaes centrou-se no termo presso , porm, surgiram respostasantagnicas para o mesmo experimento, o que demonstra que nem sempre claroo mecanismo a respeito de como a presso atmosfrica atua numa situao dessetipo. O mesmo ocorreu com os alunos de Ensino Mdio, quando submetidos mesma questo. Longhini (1998) aponta que as respostas dos estudantes so base-adas em explicaes centradas na gua da bacia ou, ento, relacionadas a um tipode presso que fica presa na garrafa . O termo presso surge, assim como nasrespostas dos licenciandos, de maneira distante da cientfica.

    Os cuidados que se precisa ter para o entendimento de tal situao, assimcomo a explicao atual para o fenmeno, so anlogos ao problema da bureta.Quando a gua da garrafa escoa, o espao interno superior entre a gua e o fundodo recipiente aumenta gradualmente e, consequentemente, a pequena quantidadede ar ali presente fica menos concentrada (diminui a presso em relao ao exte-rior). O ar externo, ou atmosfera, que est mais concentrado (presso maior),tende a entrar pela boca do recipiente, empurrando, desse modo, a gua da baciapara dentro da garrafa, ou, em outras palavras, impedindo que a gua da garrafaescoe para fora (a presso externa, ou atmosfrica, mantm a coluna de gua nagarrafa). Sendo assim, novamente h uma situao de equilbrio entre a ao dapresso atmosfrica (externa) e a ao da presso da coluna de lquido e ar nointerior da garrafa.

    No decorrer da histria, verificou-se que o equilbrio do lquido no interi-or do tubo estava diretamente relacionado ao da atmosfera quando repetiram omesmo experimento (com mercrio) em diferentes altitudes. No sculo XVII j sesabia que a presso atmosfrica maior ao nvel do mar do que no alto de umamontanha; logo, a altura da coluna de lquido equilibrada ser diferente nesses dois locais.

    importante atentar novamente para o deslocamento do foco de atenodos instrumentos utilizados na prtica, como a bacia ou a garrafa, para a atuao da atmosfera, impalpvel e nem sempre compreensvel para os alunos. Episdioshistricos como o apontando anteriormente, presentes em Longhini e Nardi (2002), Martins (1989), dentre outros, auxiliam a compreender como se chegou interpre-tao atual dos fatos.

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    O problema da lata de extrato de tomate

    Atualmente bastante comum o uso de embalagens que recebem a desig-nao fechadas a vcuo , como por exemplo, aquelas que contm extrato de to-mate. Elas possuem, geralmente, um pequeno anel de borracha preso em sua tam-pa, sendo que s se consegue abrir facilmente o recipiente quando este anel reti-rado. Sugerimos solicitar aos alunos que respondam por que a lata se abre somentequando o lacre retirado.

    Quando uma amostra de alunos de Ensino Mdio e licenciandos, posteri-ormente, foram questionados sobre o mesmo problema, segundo Longhini (1998),apresentaram respostas desconexas e confusas em relao explicao cientficapara o fato.

    Atravs dos dados obtidos, verificamos que as respostas apontam para oar como o agente que faz a tampa se soltar; outros atriburam igualdade entre apresso interna e externa, mais condizentes com uma explicao cientfica.

    Quando o extrato de tomate acondicionado em embalagens deste tipo,retira-se praticamente todo o ar da lata, deixando s o produto em seu interior.Portanto, a presso no interior da lata menor que a externa, uma vez que exteri-ormente a lata est sujeita ao, por todos os lados, da atmosfera. O ar externo,desse modo, comprime a tampa ao tentar entrar na lata. Ao ser retirado o lacre, o ar entra, a presso interna se iguala presso atmosfrica e a tampa se solta facilmen-te.

    Trata-se de uma situao que pode ser realizada em sala de aula, uma vezque so utilizados materiais de fcil acesso. A compreenso que o ar entra na lata,ao invs de sair dela, nem sempre de fcil percepo para os alunos, o que difi-culta o entendimento do mecanismo de ao da atmosfera sobre o frasco. Paramelhor visualizar que algo entra no recipiente, ao invs de sair, que sugerimos aprxima situao-problema.

    O problema da lata de extrato de tomate submersa

    Colocamos uma lata de extrato de tomate1 fechada a vcuo, como propos-

    ta na situao anterior, imersa em um recipiente com gua. Em seguida, propomosretirar seu lacre. Antes, porm, indaga-se: a tampa vai se abrir, mesmo a lata es-tando submersa?

    1Alguns recipientes, depe

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