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Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR

Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciência e Tecnologia - PPGECT

I Simpósio Nacional de Ensino de Ciência e Tecnologia – 2009 ISBN: 978-85-7014-048-7

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ENSINO SIGNIFICATIVO DE FÍSICA ATRAVÉS DE PROJETOS – UM RELATO DE CASO: “Torneio de

lançamentos de foguetes a água”.

Naylor Ferreira de Oliveira

Resumo

Este trabalho consiste em um relato de caso, onde é apresentada uma alternativa para o ensino de Física utilizando projetos educacionais, foi abordado com o presente trabalho um único projeto específico, que é o torneio de lançamento de foguetes, procura-se motivar e orientar o professor a ensinar Física dessa maneira empolgante e divertida.

Palavras-chave: ensino através de projetos, foguetes a água, torneio.

Abstract

This work is a case report, which is an alternative to the teaching of

physics using educational projects, was approached at work a specific project,

which is the tournament of launching rockets, aims to motivate and guide the

teacher to teach physics and more exciting and fun

Keywords: learning through projects, water rocket, tournament.




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Introdução

Desde 2003 o autor tem lecionado Física a alunos do ensino médio de escolas particulares

da região de São Carlos-SP e Ribeirão Preto-SP, durante todo esse período foi obrigatório o uso de

materiais apostilados que limitam o professor a ensinar muitas equações e repetir diversas vezes

exercícios de vestibular, deixando o aluno com a idéia de que Física não passa de uma matemática

aplicada em problemas artificiais e de difícil entendimento, gerando uma grande aversão a essa

disciplina, sendo considerada como uma das mais difíceis disciplinas do Ensino Médio, como

aponta (SILVA [et al.], 2007).

No intuito de buscar um ensino mais dinâmico em que os alunos possam interagir com as

informações e situações geradas no contexto em estudo, surge a proposta de ensinar Física

utilizando projetos educacionais concomitantemente com o material apostilado, essa pode ser

uma maneira mais efetiva de se buscar uma educação com mais qualidade e uma aprendizagem

mais significativa e relevante para a vida dos estudantes.

Uma alternativa que permite essa dinamicidade é o uso de recursos lúdicos (SOARES,

2004), que segundo esse autor ajuda na melhoria do interesse e motivação. Recentemente, (ELIAS

[et al.], 2007) detectou que aos alunos transpareciam serem as aulas expositivas sem nenhum

atrativo ou interesse.

Em 2007 o autor inicia o ensino através de projetos educacionais voltados a competições

ou torneios, foi escolhido esse tipo de abordagem, pois o jogo é capaz de prender a atenção dos

alunos conforme nos apresenta (Huizinga, 2007):

“... é uma atividade livre, conscientemente tomada ‘não séria’ e exterior à vista

habitual, mas ao mesmo tempo capaz de absorver o jogador de maneira

intensa e total. É uma atividade desligada de todo e qualquer interesse

material, com o qual não se pode obter qualquer lucro, praticamente dentro

dos limites espaciais e temporais próprios, segundo uma certa ordem e certas

regras.”

Buscando envolver os aspectos mencionados, tentando reverter o processo de apatia e

falta de comprometimento com o estudo de conceitos Físicos, buscou-se o tema foguetes, pela

sua relevância no contexto atual (Ano Internacional da Astronomia), além de possibilitar uma

abertura para falar de preservação ambiental, reutilização de materiais e reciclagem como

propõem (FELÍCIO [et al.], 2008) e também por ser um assunto de grande impacto entre os

jovens.




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Objetivos

Mostrar uma alternativa para ensinar conceitos científicos de forma significativa, de

maneira a possibilitar ao aluno uma autonomia para usar esses conceitos no desenvolvimento de

tecnologias, deixando de concentrar o ensino de Física na simples memorização de fórmulas ou

repetição automatizada de procedimentos em situações artificiais ou extremamente abstratas

para trabalhar esses conteúdos buscando relacionar com contextos e problemas reais

envolvendo, por exemplo, a questão do lançamento de um foguete.

Desenvolvimento do trabalho

A prática foi realizada no colégio COC de Ribeirão Preto-SP em 2007 e 2008, com a

participação de 900 alunos do segundo ano do ensino médio, para a realização da atividade foram

necessárias quatro aulas de 50min cada.

Antes da primeira aula o Professor construiu seu próprio foguete seguindo as orientações

de (MENEZES, 1999), não será detalhada a maneira de montar os foguetes, pois esse tema já foi

abordado por vários autores tais como (SOUZA, 2007), (SILVA [et al.], 2007), (BEZERRA [et al.],

2005) entre outros. É importante que o professor nessa etapa não ensine os alunos a construírem

o foguete, o próprio aluno terá que pesquisar e desenvolver seu próprio projeto.

A primeira aula foi realizada para a sensibilização dos alunos na qual era apresentado o

foguete em uma área grande e aberta da escola como mostra a Figura 1, os alunos ficaram

chocados com o belíssimo espetáculo apresentado pelo foguete, nesta mesma aula foi proposta

uma competição de lançamentos de foguetes onde venceria aquele que ficasse o maior tempo no

ar, foram formado grupos de quatro alunos e distribuído um roteiro onde estão definidas as

regras, este roteiro pode ser encontrado no APÊNDICE A, também foi feita uma explanação sobre

as questões ambientais de reciclagem e reutilização de materiais ficou definido que deveriam

utilizar o máximo de materiais que iriam para o lixo.




593

Figura 1 – Fotos da apresentação do foguete

No desenvolvimento do projeto optou-se por não ensinar os alunos a construir o foguete

na forma de oficina como foi feito por (SILVA [et al.], 2007) e sim pedir uma pesquisa bibliográfica

onde os alunos por conta própria desenvolvessem seus foguetes. Assim nas duas aulas

teóricas/práticas sobre o foguete empenhamos esforços em estudar conceitos que pudessem

aperfeiçoar o que já existia até então na internet.

Na segunda aula foram trabalhados os conceitos de Centro de Gravidade (CG) e Centro de

Pressão (CP) esses conceitos são de fundamental importância para a estabilidade de vôo do

foguete, primeiramente foi estudado o centro de gravidade de uma vassoura e mostrado que

seria possível achá-lo de olhos vendados simplesmente abrindo os braços, apoiando a vassoura

nas pontas dos dedos indicadores e aproximando-os vagarosamente até eles se encontrarem no

(CG), essa experiência pode ser encontrada mais detalhadamente no site:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_20.asp, depois discute-se qual a melhor posição

para o centro de massa de objetos no solo, é feita a pergunta quem tem mais equilíbrio o homem

ou a mulher? E para responder é feita a prática de dificuldades estáticas encontrada no site:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_10.asp. Por fim discutimos o CG e o CP do foguete

como sugere (SOUZA, 2007) usando papelão e régua.

Nesse ponto o aluno tem todas as informações necessárias para aperfeiçoar seu foguete,

eles colocam contrapeso nas pontas para mudar o CG, desenham vários formatos de aletas para

mudar o CP, acoplam várias garrafas, em fim fazem pesquisa como um jovem pesquisador.

Passada uma semana vem a terceira aula, para ganhar a competição o foguete tem que

ficar o maior tempo no ar, por isso é necessário ensinar conceitos de aerodinâmica e de força de

arrasto ou resistência do ar. Os alunos recebem um roteiro que pode ser encontrado no




594

APÊNDICE B, com esse roteiro é trabalhado a dependência da força de arrasto e o funcionamento

do pára-quedas, é realizada também uma oficina para cada grupo montar um pára-quedas, que

será lançado do terceiro andar da escola chamado de bloco E no APÊNDICE B, após lançar o pára-

quedas aberto é medido o tempo de queda, a altura do bloco E ao chão e a massa do conjunto,

também deve-se desprezar o tempo para atingir a velocidade limite e então determinado o

coeficiente de arrasto do pára-quedas de cada grupo. Com esses dados os alunos podem

aperfeiçoar os pára-quedas para a competição.

Na quarta aula ocorre a competição, cada grupo de posse de seu foguete com pára-

quedas, a base de lançamento e a bomba de ar entregam o relatório explicando a construção e o

funcionamento do foguete nos moldes de um trabalho acadêmico e posteriormente lançam os

foguetes Figura 2, sempre fazendo contagem regressiva para que os alunos entrem no “clima”, o

professor de posse de uma prancheta com o nome dos grupos e de um cronômetro mede e anota

os resultados e ao fim divulga o resultado.

Figura 2 – Fotos do torneio de foguetes

Considerações finais

Com as atividades de projetos voltadas para torneios foi possível perceber grande

empenho por parte dos alunos, eles deixaram a apatia da sala de aula e se divertiram aprendendo

conceitos científicos, noções de preservação ambiental, a trabalhar em grupo, a escrever relatório

científico e principalmente tiveram uma interação do indivíduo com o conhecimento como

estabelece (Ramos, 1990).

“Ao realizar atividades, tais como brincadeira e montagem, desejamos

ampliar o que chamamos de repertório de conhecimento do sujeito, e

não obrigá-lo a decorar uma explicação cientificamente coerente para o




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fato. Desejamos que se estabeleça, assim, uma interação da pessoa com

conhecimento, sem que se crie uma aversão.”

Como o objetivo foi de aperfeiçoar o que já existia na internet, foi possível observar vários

avanços, como por exemplo:

- Base de lançamento controlada por controle remoto;

- Diversas maneiras de lançar o pára-quedas;

- Descoberta de cola especial para acoplar várias garrafas ao foguete;

- Diminuição da área da boca da garrafa, para aumentar a velocidade da água;

Pode-se considerar que o trabalho está sendo bem sucedido, pois alguns professores da

região de Ribeirão Preto-SP estão de forma voluntária encorpando-se ao projeto, em 2009

teremos o apoio três professores totalizando sete escolas participando do projeto, o professor

Raphael Fernandes Corrêa comenta a aplicação do torneio em sua escola em 2008:

“Ensinar física em ambiente aberto, criando competições e aplicações

para o que estes alunos estudaram em sala foi extremamente

empolgante, pois então vemos que, ao contrário do que manda a

tradição, existem muitos alunos que adoram física! O foguete foi um

objeto de ensino onde pudemos observar as aplicações das leis de

Newton, colocando na prática o que eles haviam visto somente na

lousa”.

Em 2009 realizar-se-á o I Torneio Regional de Lançamentos de Foguetes, voltado aos

alunos de ensino médio da região de Ribeirão Preto.

Espera-se que este trabalho inspire outros professores a trabalharem a Física desta

maneira tão empolgante e quem sabe em um futuro próximo teremos escolas suficientes para

realizar um Torneio Nacional de Lançamento de Foguetes.

Agradecimentos

A Professora. Dra. Ducinei Garcia, do Depto. de Física da UFSCar, pela motivação para

escrever o texto, ao Professor Herbert Alexandre João, mestrando em ensino de ciências exatas,

pelas opiniões no desenvolvimento do trabalho e ao Professor Raphael Fernandes Corrêa, colégio

Objetivo (Centro de Educação Integrada), por comentar sua experiência com o projeto.




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Bibliografia

BEZERRA, J. P. F. Construindo e Lançando Foguetes,

http://www.aeb.gov.br/area/PDF/aebescola/veiculos_espaciaisV.pdf. Último acesso em: 07 mar.

2009.

ELIAS, A.A.K [et al.]. Concepções dos estudantes e professores de nível médio sobre o processo

ensino-aprendizagem em ciências (Física e Química) e a relação com o uso de atividades lúdicas,

In: XV ENCONTRO CENTRO OESTE DE DEBATES EM ENSINO DE QUÍMICA XV ECODEQ, Dourados,

MS, 2007.

FELICIO, C. M. [et al.]. Gincana Lúdica Ambiental Interdisciplinar: Analisando Interações e

Movimentos, in: Anais do I Congresso Goiano de Educação Ambiental, Goiânia, GO, 2008.

GREF: Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Física I – Mecânica. Edusp, 1993. pp 65-68,

320-323. http://cenp.edunet.sp.gov.br/fisica/gref/MECANICA/mec17.pdf. Último acesso em: 07

mar. 2009.

http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_10.asp. Último acesso em: 07 mar. 2009.

http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_20.asp. Último acesso em: 07 mar. 2009.

MENEZES, R. Foguetes a água, http://br.geocities.com/aafaa_br/index.htm. Último acesso em: 07

mar. 2009.

RAMOS, E. M. de F. Brinquedos e jogos no Ensino de Física, Dissertação de Mestrado em Ensino

de Ciências (modalidade Física), São Paulo: FE e IF USP, 1990.

SILVA. D. A. [et al.]. Oficina de Construção de Foguetes com Material de Baixo Custo, In: XVII

Simpósio Nacional de Ensino de Física, São Luiz, MA, 2007.

SOARES, M. H. F. B., O Lúdico em química: Jogos em ensino de química, São Carlos, Programa de

Pós Graduação em Química – UFSCar, 2004. Tese de Doutorado, 175p.

SOUZA, J. A. Um foguete de garrafas PET. Física na escola, v. 8;n° 2;2007.

Naylor Ferreira de Oliveira: Mestrando em Ensino de Ciências Exatas, Universidade Federal de

São Carlos/PPGCE-CCET e Professor do ensino Médio nos Colégios COC e COLAG de Ribeirão e

OBJETIVO de Jardinópolis. [email protected]




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APÊNDICE A – ROTEIRO DA AULA INTRODUTÓRIA

Foguete a água

Introdução:

O foguete a água é uma réplica de um foguete espacial, em pequena escala. Seu

funcionamento é muito simples e utiliza água e ar comprimido dentro de uma garrafa PET.

Inicialmente coloca-se uma determinada quantidade de água, depois coloca-se ar dentro

da garrafa até atingir uma pressão em torno de 80 Lb/in2 podendo variar para mais ou para

menos dependendo da vedação da base de lançamento.

Usado um sistema de lançamento libera-se a garrafa, a pressão gera uma força que

empurra a água para baixo que por reação lança a garrafa para o alto.

Apesar de simples o procedimento de lançamento e o funcionamento, para uma boa

eficiência é necessário um grande estudo das várias tecnologias que podem ser empregadas neste

foguete como, por exemplo:

Centro de Gravidade, Ângulo de Ataque, Arrasto e Pressão Aerodinâmica, dentre outras

coisas, muitas delas podem ser encontradas inclusive no site da NASA:

http://www.nasa.gov/audience/foreducators/topnav/materials/listbytype/Water_Rocket_Constr

uction.html

Objetivos:

- Entender a relação da pressão e da quantidade de água com o tempo de vôo do foguete;

- Estudar a dependência do centro de gravidade (CG) e do centro de pressão (CP) com a

estabilidade no vôo;

- Desenvolver estratégias para lidar com a resistência do ar e conseguir maior tempo de vôo;

- Trabalhar com o conceito de aerodinâmica;

- Aumentar o interesse pela Física através de competições.




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Procedimento:

- Construa um foguete com garrafa pet;

- Construa uma base de lançamento;

- Seu foguete deve conter apenas água e ar comprimido como “combustível”;

- A pressão só pode ser feita com bombas manuais;

- O foguete deve ter um sistema de pára-quedas para amortecer a queda;

- No momento do lançamento o aluno deve estar no mínimo a 3 metros de distância do foguete;

- No dia da competição cada grupo deve entregar um relatório completo, com introdução,

materiais, procedimento, esquema ou fotos do foguete, estimativa do tempo de vôo, conclusão e

bibliografia;

- Cada grupo terá no máximo duas tentativas, valendo o melhor tempo;

- Vence o grupo que atingir o maior tempo de vôo.

Premiação:

- O grupo vencedor poderá competir com os vencedores das outras salas.

- Os três primeiros colocados de cada sala ganharam 1 ponto a mais na média.

- Os grupos que conseguirem um tempo maior que a metade do tempo feito pelo foguete do

professor ganhará 0,5 ponto a mais na média.

- Os pontos serão válidos apenas com a apresentação do relatório antes da competição.

APÊNDICE B- ROTEIRO DA TERCEIRA AULA

Força de arrasto e o Pára-quedas.

Quem já andou dentro da água sabe que é necessário um esforço maior do que para

andar fora dela, porque a água resiste ao movimento. Fisicamente, interpretamos tal resistência

como uma força que a água aplica nos objetos, opondo-se aos movimentos dentro dela. Essa

força depende do formato do objeto que nela se move conforme a tabela 1. De modo geral os




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peixes e outros animais aquáticos são estreitos e alongados. Trata-se de uma adaptação

necessária para se mover mais facilmente dentro da água, pela diminuição da força de resistência.

Tabela 1- Dependência do coeficiente de arrasto com o formato do corpo

Animais como um hipopótamo não têm muita mobilidade dentro da água, pois seu corpo

bojudo faz com que sofra grande resistência. Os peixes possuem o formato ideal para se mover

dentro da água e sofrem um mínimo de resistência. O formato do casco das embarcações em

geral leva em conta essa dificuldade de movimento dentro da água; em geral é projetado para

“cortar” a água de modo a minimizar o atrito, figura 1.

Figura 1- simulação do peixe e do hipopótamo na água

Uma das causas da força de resistência da água é uma coisa chamada viscosidade. Cada

líquido tem uma viscosidade diferente, que indica o quanto o líquido é espesso. Você acha que é

mais fácil se mover dentro do mel ou dentro da água? Certamente o mel dificulta muito mais o

movimento do que a água, pois é mais “grosso” e “grudento” do que ela: dizemos que ele tem

maior viscosidade.

O ar e outros gases também resistem a movimentos realizados “dentro” deles. É graças a

isso que o pára-quedas funciona. Quando o pára-quedista salta, ele é submetido a uma força de

resistência exercida pelo ar. Ela se manifesta como um vento forte para cima, que vai

aumentando à medida que ele cai. A velocidade de queda também aumenta até atingir um valor

limite. Sabe-se que um pára-quedista em queda livre atinge uma velocidade de no máximo 200

Forma descrição Coeficiente de arrasto (Ca)

Forma descrição Coeficiente de arrasto (Ca)

Formato mais aerodinâmico

< 0,1

Esfera 0,47

Carro esportivo

0,2 – 0,3

Caminhão 0,8 – 1

Carro de passeio

0,4 – 0,5

Placa quadrada

1,2




600

km/h. Porém, sem a força de resistência do ar ele atingiria velocidades muito maiores: saltando

de uma altura de 1000 metros ele chegaria ao chão com uma velocidade de 508 km/h.

Quando ele abre o pára-quedas, a força de resistência se torna muito maior devido ao

formato e ao tamanho do pára-quedas. Com isso sua velocidade cai rapidamente, atingindo

valores menores que 10 km/h, seguros o suficiente para uma aterrissagem tranqüila. Se nesse

caso a força de resistência é útil, há outras situações em que procuramos evitá-la. É o caso do

projeto de carrocerias de automóveis. Talvez você já tenha ouvido frases do tipo “tal automóvel é

mais aerodinâmico”. O que quer dizer isso? Quer dizer que, dependendo do formato que um

veículo tem, ele sofre uma força de resistência do ar maior ou menor. Os veículos mais modernos

têm um formato mais aerodinâmico, ou seja, que corta o ar de uma maneira mais eficaz,

diminuindo a resistência. Isso melhora o desempenho do veículo (velocidade final atingida) e

economiza combustível, pois o motor não precisa de tanta força para manter a velocidade.

( GREF, 2003)

A força de resistência do ar também chamada de força de arrasto é calculada

segundo a equação:

2...

2

1vACF

aaρ=

r (1)

Ca = Coeficiente de arrasto

ρ= densidade, no ar ≈ 1,2 kg/m3

A= Área

V= velocidade

Nas questões de vestibular pode ser encontrada a seguinte expressão:

2.vKF

a=

r (2)

K= coeficiente aerodinâmico

Questões:

1- Usando o pára-quedas que vocês construíram resolvam os itens:

a) O peso do pára-quedista + pára-quedas;

b) A altura do chão ao bloco E;




601

c) O tempo de queda do pára-quedas (começando já aberto);

d) A velocidade limite (supondo que ele atinja esta instantaneamente);

e) A área da superfície do pára-quedas;

f) O coeficiente de arrasto (Ca);

g) O coeficiente aerodinâmico (K).

2- Se dobrarmos a massa do conjunto pára-quedista + pára-quedas, o que acontece com a

velocidade limite?

3- Se dobrarmos a área do pára-quedas, ele levará quando tempo para cair da mesma altura?

4- Com que velocidade o pára-quedista chegaria ao solo se não houvesse a resistência do ar?

5- Mostre uma situação onde a resistência do ar é benéfica e uma em que ela é maléfica.

6- Argumente segundo seus conhecimentos qual a diferença de cair sem pára-quedas de uma

altura de 1000m e de 2000m?

7- (Unicamp-SP) Abandona-se, de uma altura muito grande, um objeto de massa m, que então cai

verticalmente. O atrito do ar não é desprezível; sobre o objeto atua uma força resistiva

proporcional ao quadrado da velocidade, ou seja F=K.v2.

a) Faça um diagrama das forças atuando sobre o objeto durante a queda.

b) Depois de um longo tempo, o objeto atinge uma velocidade constante. Determine o

valor desta velocidade usando os seguintes dados: m=4kg, K=2,5kg/m e g=10m/s2.

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