Guia do Professor – Submarino. Introdução

A hidrostática estuda o comportamento dos fluidos em equilíbrio. O termo fluido pode ser

aplicado indistintamente aos líquidos e aos gases. No nosso contexto iremos trabalhar apenas com líquidos, no entanto os conceitos, com algumas ressalvas, são válidos também para os gases.

Neste objeto de aprendizagem, iremos abordar algumas questões relativas a um submarino, explorando assim conceitos como empuxo, densidade, volume e outros conceitos envolvidos na emersão e submersão dos submarinos.

Trabalhar com os alunos questões como: Por que o submarino afunda e o navio não? Por que é mais fácil flutuar na água salgada do que na água doce? Torna o aprendizado da hidrostática mais prazeroso e instigante, fazendo com que o aluno, utilizando os textos, mapa conceitual e a animação interativa, aprenda de forma significativa as respostas para as indagações feitas anteriormente.

Este objeto, então, auxiliará o professor para instigar o aluno para o assunto que será aprofundado pelo professor em um momento posterior.

Objetivos

Baseando-se a teoria da aprendizagem significativa, este objeto de aprendizagem objetiva auxiliar o aluno na formação de conceitos sobre empuxo, densidade e outras propriedades envolvidas no estudo da hidrostática.

Permitir ao aluno: - Definir densidade de um corpo, relacionando assim, a massa de um corpo com o seu

volume. - Condições de flutuabilidade de um corpo imerso em um fluido. - Trabalhar o Princípio de Arquimedes e conhecer a lenda por traz deste princípio. - Conhecer o conceito de peso aparente.

Pré-requisitos

Esse objeto é destinado ao uso por alunos de Ensino Médio. Os fenômenos são modelados através da animação interativa que simula um acontecimento da vida real, através de equações aceitas pela comunidade científica, no entanto, essas equações matemáticas não aparecem explicitamente. Desse modo é necessário que o aluno tenha uma conceituação prévia sobre fluidos, flutuabilidade e peso. É necessário o domínio básico no uso do computador (operações com mouse, teclado, navegação na Internet). Tempo previsto para a atividade Não há um tempo específico indicado para o uso deste objeto de aprendizagem. No entanto sugerimos a utilização de no mínimo uma hora de exposição e interação com o objeto de aprendizagem. É importante deixar os alunos à vontade para elaborar seus próprios conceitos e interagir com o objeto reutilizando-o quando achar necessário. Na sala de aula

De acordo com clima sinérgico criado pelo uso do objeto de aprendizagem, o professor pode usar a aula posterior para resgatar os conceitos elaborados durante a interação com o objeto de aprendizagem, bem como, instigar a resolução de problemas relacionados ao tema abordado nesta ferramenta, e discutir outras situações cotidianas onde os conceitos adquiridos possam ser aplicados. Na sala de computadores

Preparação

O professor enquanto facilitador da aprendizagem significativa pode ajudar os alunos a interagir com o objeto e construir os significados.

As discussões entre aluno/professor, duplas ou trios de alunos a cerca da interação com o objeto de aprendizagem pode ser uma boa maneira de promover elaboração de conceitos sobre os temas abordados. Não há uma regra fixa para o número de usuários interagindo num mesmo objeto.

Material necessário

Caso o professor queira e disponha destes recursos, sinta-se livre para usar fichas para preenchimento, quadro negro, projetor, data show para enriquecer a atividade.

Requerimentos técnicos O uso deste objeto requer o Flash Player 6.0 ou superior instalado nos computadores.

Durante a atividade

Sugerimos que o professor provoque discussões sobre situações abordadas pela animação interativa, pelos textos, pelas questões desafio ou pelo mapa conceitual, e provoque ainda, discussões mais abrangentes sobre o cotidiano de modo que os alunos possam usar os conhecimentos adquiridos a partir do uso deste objeto. Depois da atividade

Quando a atividade acabar sugere-se que o professor incentive o aluno a responder a lista de questões contida neste objeto de aprendizagem e reservar um tempo para discutir e retirar as dúvidas que se apresentarem. Avaliação

A partir de uma boa interação com as diversas partes constituintes deste objeto, o aluno terá construído ou reconstruído conceitos a cerca dos temas abordados nesta ferramenta. Este é justamente o objetivo geral deste objeto de aprendizagem.

Para avaliar a formação destes significados sugerimos que a avaliação seja rica em questões conceituais que abranjam realidades cotidianas do conteúdo “submarino”.

Além disso, uma forma de avaliar a formação de novos conceitos é incentivar o aluno a produzir um mapa conceitual após o uso do objeto de aprendizagem. O professor pode sistematizar esta avaliação através da produção de um mapa conceitual antes do uso do objeto e outro após o uso do objeto. Se achar mais conveniente pode usar apenas a construção de um mapa após o uso da ferramenta. Outra sugestão é a construção de um mapa na lousa com a participação e interação de todos os alunos. Saiba Mais

Está contido neste objeto de aprendizagem um tópico denominado saiba mais, contém discussões mais elaboradas sobre o tema deste objeto e contém de forma sucinta a fundamentação matemática que está por trás deste objeto. O tópico saiba mais pode ser uma ferramenta usada pelo professor no momento em que elabora a aula com o objeto de aprendizagem.

Questões conceituais sobre o Objeto de Aprendizagem Hidrostática

1. A densidade de um corpo é dada em kg/m³. Se a densidade do ferro é igual a 7800 kg/m³, o que podemos entender dessa informação?

2. Em uma balança coloca-se um litro de água e um litro de óleo ilustrado na figura abaixo. Como

você explicaria o desequilíbrio da balança?

3. Observe a figura abaixo:

Todos os vasos estão com o água até o mesmo nível, e possuem bases de áreas diferentes. Pergunta-se: A pressão no fundo desses recipientes é igual?

4. Duas esferas metálicas, feitas de materiais diferentes, com o mesmo diâmetro, uma maciça e outra

oca, estão totalmente imersas e em equilíbrio num recipiente que contém água. Os empuxos nessas esferas são iguais ou diferentes? Justifique sua resposta.

5. (UFRJ) Numa experiência de laboratório, os aluno observaram que uma bola de massa especial

afundava na água. Arquimedes, um aluno criativo, pôs sal na água e viu que a bola flutuou. Já Ulisses conseguiu o mesmo efeito modelando a massa sob a forma de um barquinho. Explique com argumentos físicos, os efeitos observados por Arquimedes e Ulisses.

6. Como os peixes conseguem variar sua profundidade na água?

7. Observe a figura abaixo:

a. Qual o líquido mais denso? b. Qual o menos denso? c. Qual sólido mais denso? d. Qual o menos denso? e. Quais as substâncias mais densas que a água? f. Quais as substâncias menos densas?

8. Iceberges são imensos blocos de gelo que afundam no mar. Por que será?

9. Por que uma garrafa com água estoura quando a água congela?

10. É mais fácil aprender a nada na água do mar (salgada) ou na água de um rio (doce)?

11. Um copo esta com água até a borda e um bloco de gelo flutuando em sua superfície. Quando o

gelo derreter o que vai acontecer com a água?

a. Vai permanecer no mesmo nível. b. Vai transbordar um pouco. c. Diminui.

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Formulário de cadastramento

Não altere a formatação dos campos.

AUTORIA

Instituição: Universidade Federal da Paraíba Ano:2006

Autor(es): Mariel José Pimentel de Andrade

Título do conteúdo/objeto: Hidrostática

e-mail: marieljpa@hotmail.com marieljpa@gmail.com

Área(s) de Conhecimento: ( ) Geografia ( ) Matemática ( X ) Física ( ) Biologia ( ) Química ( ) História ( ) Línguas ( ) Outro: .......................................

Nível (is): ( )Ensino Fundamental ( X ) Ensino Médio ( ) Ensino profissionalizante ( ) Ensino Superior ( ) Atendimento às necessidades especiais

Série: Ensino Fundamental ( )1º ( )2º ( )3º ( )4º ( )5º ( )6º ( )7º ( )8º Médio (X)1º ( )2º ( )3º Ensino profissionalizante ( ) Ensino Superior ( ) Atendimento às necessidades especiais ( )

Tecnologia(s) utilizada(s): ( ) HTM ( X ) Flash ( ) Java ( ) PHP ( ) ASP ( X ) XML ( ) Outro: ................................

Conteúdo/objeto: ( ) Módulo RIVED ( ) Atividade RIVED ( ) Conteúdo produzido para o PAPED ( X ) Conteúdo produzido para o Prêmio RIVED ( ) Outro: .............................................

Documentação do conteúdo: ( X ) Arquivos completos do conteúdo ( X ) Guia do professor - PDF ou zipado

Licenciado: ( X ) Creative Commons ( ) Outro. Informar qual.................................

Identificação do conteúdo/objeto: ( ) Simulação ( ) Animação ( ) Animação e simulação ( X ) Site e animação ( ) Site e simulação ( ) Site e animação e simulação ( ) Outro: .........................

Caso o conteúdo/objeto de aprendizagem seja originado de outro conteúdo informar:...............................................

Tipo de conteúdo: (motivação, observação, reconhecimento, análise, experimentação, resolução de problemas,

previsão, prática, exploração, discussão etc).

O presente material foi construído como uma ferramenta didática com base nas novas tecnologias para motivar a aprendizagem significativa através do uso de textos eletrônicos, mapas conceituais e uma animação interativa. Foi abordada a temática “Hidrostática” por sua relevância na explicação de vários fenômenos cotidianos.

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Objetivos de aprendizagem: (habilidades e competências).

Baseando-se a teoria da aprendizagem significativa, este objeto de aprendizagem objetiva auxiliar o aluno na formação de conceitos sobre empuxo, densidade e outras propriedades envolvidas no estudo da hidrostática. Permitir ao aluno: - Definir densidade de um corpo, relacionando assim, a massa de um corpo com o seu volume. - Condições de flutuabilidade de um corpo imerso em um fluido. - Trabalhar o Princípio de Arquimedes e conhecer a lenda por traz deste princípio. - Conhecer o conceito de peso aparente.

Conceitos: (conceitos trabalhados na atividade).

São trabalhados conceitos como: densidade, volume, massa, princípio de Arquimedes e flutuabilidade.

Pré-requisitos: (conhecimentos prévios do aluno necessários para a atividade).

O aluno deverá conhecer as leis de Newton e conceitos como aceleração, velocidade e pressão.

Característica do conteúdo: (simulação, animação, site, etc).

O objeto consta de uma animação interativa envolvendo a funcionalidade de um submarino em seu movimento de submersão e emersão, mapa conceitual explicitando conceitos referentes a hidrostática, textos sobre Arquimedes e os submarinos além de questões conceituais sobre o tema abordado.

Contexto: (descrever em no máximo três linhas como deve acontecer esta atividade, se há materiais de suporte, se

a sala necessita de um arranjo especial de cadeiras, se deve haver preparação de algum material).

Não é necessário um arranjo especial de cadeira, mas, deve ser favorecido um ambiente que proporcione uma interação entre os alunos sobre o objeto trabalhado. É interessante que antes de iniciar a atividade seja realizada uma explanação do tema a ser discutido,

Tempo previsto: (indique o tempo previsto para esta atividade)

Não há um tempo específico indicado para o uso deste objeto de aprendizagem. No entanto sugerimos a utilização de no mínimo uma hora de exposição e interação com o objeto de aprendizagem. É importante deixar os alunos à vontade para elaborar seus próprios conceitos e interagir com o objeto reutilizando-o quando achar necessário.

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Método: Aluno: (descrever o que o aluno faz na atividade passo a passo. Ex: 1- aluno clica no menu 2- aluno explora ambiente 3- aluno escreve as respostas). Ao abrir o Objeto de Aprendizagem ele irá encontrar a tela do index, onde haverá links para a animação interativa, mapa e textos. O aluno deve cliar inicialmete no botão que corresponde a animação. Carregada a animação, o aluno interage escolhendo valores para a densidade do submarino e tira suas conclusões partindo dessa interação.

Professor: (descrever o que o professor faz na atividade passo a passo. Ex: 1- professor guia o alunos na atividade

2- professor observa aluno sem interferir 3- professor faz perguntas ao aluno após completar o passo 3).

O professor deve guiar o aluno, fazendo-o não apenas utilizar a animação, mas, também os outros recursos envolvidos, como textos e mapas. No final da atividade o professor pode levantar questões de nível conceitual sobre o que foi trabalhado e responder com os alunos as questões incluídas no Objeto.

Avaliação: (descrever estratégias de avaliação).

Uma forma de avaliar a formação de novos conceitos é incentivar o aluno a produzir um mapa conceitual após o uso do objeto de aprendizagem. O professor pode sistematizar esta avaliação através da produção de um mapa conceitual antes do uso do objeto e outro após o uso do objeto. Se achar mais conveniente pode usar apenas a construção de um mapa após o uso da ferramenta. Outra sugestão é a construção de um mapa na lousa com a participação e interação de todos os alunos.

Observações/Comentários:

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Título da animação: Hidrostática Autor: Mariel José Pimentel de Andrade

Tela 01

Texto: Tela inicial contendo todas as partes constituintes do objeto de aprendizagem que podem ser acessadas através de botões. No exemplo o botão destacado é o Guia do Professor.

Explicação sobre a ação: Clicando no botão “GUIA DO PROFESSOR” um arquivo com extensão pdf será aberto com um texto que especifica os objetivos, metodologia de produção e de uso do objeto de aprendizagem em questão. Título da animação: Hidrostática Autor: Mariel José Pimentel de Andrade

Tela 02

Texto: Tela inicial contendo todas as partes constituintes do objeto de aprendizagem que podem ser acessadas através de botões. No exemplo o botão destacado é o Saiba Mais.

Explicação sobre a ação: Clicando no botão SAIBA MAIS um arquivo com extensão pdf será aberto um texto que aprofunda a temática geral mais especificamente. No caso deste objeto será aberto um texto que fala sobre Arquimedes e a coroa do rei. Título da animação: Hidrostática Autor: Mariel José Pimentel de Andrade

Tela 03

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Texto: Tela inicial contendo todas as partes constituintes do objeto de aprendizagem que podem ser acessadas através de botões. No exemplo o botão destacado é o Texto Complementar.

Explicação sobre a ação: Clicando no botão TEXTO COMPLEMENTAR será aberto um arquivo com extensão pdf que discute qualitativamente o tema abordado no objeto, ou seja, nesse objeto, abrirá um texto sobre os submarinos. Título da animação: Hidrostática Autor: Mariel José Pimentel de Andrade

Tela 04

Texto: Tela inicial contendo todas as partes constituintes do objeto de aprendizagem que podem ser acessadas através de botões. No exemplo o botão destacado é o Mapa Conceitual.

Explicação sobre a ação: Clicando no botão referente ao MAPA CONCEITUAL, abrirá uma página com a imagem de um mapa conceitual referente ao conteúdo Hidrostática. Título da animação: Hidrostática Autor: Mariel José Pimentel de Andrade

Tela 05

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Texto: Tela inicial contendo todas as partes constituintes do objeto de aprendizagem que podem ser acessadas através de botões. No exemplo o botão destacado é o Questões e Desafios.

Explicação sobre a ação: Clicando no botão QUESTÕES e DESAFIOS será aberto um arquivo com extensão pdf que contém questões em um nível conceitual sobre o tema abordado. Título da animação: Hidrostática Autor: Mariel José Pimentel de Andrade

Tela 06

Texto: Tela inicial contendo todas as partes constituintes do objeto de aprendizagem que podem se acessadas através de botões. No exemplo o botão destacado é o Animação Interativa.

Explicação sobre a ação: Clicando no botão ANIMAÇÃO INTERATIVA, irá se abrir em outra janela a tela inicial da animação interativa. Título da animação: Hidrostática Autor: Mariel José Pimentel de Andrade

Tela 07

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Texto: A animação interativa na fase de abertura, nenhum parâmetro foi alterado nesta tela.

Explicação sobre a ação: Escolhendo os valores adequados para densidade o submarino começará seu movimento de subir e descer no seio do líquido. O painel acima do corte transversal do submarino mostra valores da pressão, profundidade, aceleração e velocidade vertical. Título da animação: Hidrostática Autor: Mariel José Pimentel de Andrade

Tela 08

Texto: A animação interativa destacando os gráficos da profundidade e velocidade do submarino, e os vetores peso e empuxo envolvidos no fenômeno físico modelado.

Explicação sobre a ação:Clicando no botão gráficos são apresentados representações gráficas mostrando como varia a profundidade e a velocidade do submarino. Os vetores vão mostrar direção, módulo e sentido do empuxo e da força peso. Título da animação: Hidrostática Autor: Mariel José Pimentel de Andrade

Tela 09

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Texto: Mapa conceitual interativo.

Explicação sobre a ação: Clicando no botão de Mapa Conceitual irá abrir a tela correspondente ao mapa conceitual interativo correspondente ao tópico Hidrostática. Título da animação: Hidrostática Autor: Mariel José Pimentel de Andrade

Tela 10

Texto: Mapa conceitual interativo. Conceito mais detalhado do mapa conceitual apresentado na tela anterior.

Explicação sobre a ação: Clicando em algum conceito do mapa abrirá um balão de diálogo explicando com mais detalhes o conceito escolhido.

Arquimedes e a coroa do rei.

Filho do astrônomo Fídias, Arquimedes (287 a.C. - 212 a.C.) foi um matemático e inventor grego, nascido em Siracusa, na Sicília. Foi o mais importante matemático da Antigüidade. Criou um método para calcular o número π (razão entre o perímetro de uma circunferência e seu diâmetro) com aproximação tão grande quanto se queira.

Embora na Antigüidade não houvesse clara distinção entre matemáticos

(geômetras), físicos (cientistas naturais) e filósofos, Arquimedes destacou-se principalmente como inventor e matemático, sendo considerado um dos maiores gênios de todos os tempos.

Construiu, segundo depoimento de Cícero (106 - 43 a.C.), um planetário que reproduzia os diferentes movimentos dos corpos celestes; e um aparelho para medir as variações do diâmetro aparente do Sol e da Lua

São atribuídas a ele algumas invenções tais como a rosca sem fim conhecida como

o parafuso de Arquimedes, a roda dentada, a roldana móvel, a alavanca. Teria dito: “dê-me uma alavanca e um ponto de apoio e eu moverei o mundo”.

Um dia Arquimedes recebeu uma missão quase impossível. O rei Hierão II, de siracusa encomenda uma coroa de ouro a um ourives, essa coroa seria entregue como oferenda a um templo. Entretanto surgiu uma denuncia que colocava em dúvida a honestidade do ourives. O rei então ficou na dúvida: Será que a coroa era de ouro puro ou adicionaram algum outro metal menos nobre?

O rei Hierão convocou seu amigo Arquimedes e lhe expôs a situação. Diante de tal problema Arquimedes sugeriu uma analise do metal que foi feito a coroa, mas infelizmente a coroa deveria ser fragmentada. O rei não permitiu que se destruísse a coroa; primeiro por ser uma obra prima e segundo pela possibilidade da denuncia ser falsa. Arquimedes deveria então desenvolver um outro modo de provar se a coroa era de ouro puro ou não.

Era costume dos gregos contemporâneos de Arquimedes apreciarem os banhos

tomados em estabelecimentos públicos, onde os amigos se encontravam para discutir assuntos como política e filosofia ou apenas por lazer. Foi em um desses banhos que Arquimedes observou que quanto mais ele imergia na piscina mais água ele deslocava, ele observou também que corpos maiores deslocavam mais água que os corpos menores. Então quando ele percebeu que a partir da quantidade de água deslocada ele poderia saber o volume do corpo que foi imerso no líquido, ele saiu correndo pelas ruas de Siracusa gritando “EUREKA,EUREKA”, que quer dizer “ACHEI,ACHEI”, segundo descreve o arquiteto romano Marcus Vitruvius Pollio ( Século 1, a.C.).

Quando mergulhamos um corpo qualquer em um líquido, verificamos que este líquido exerce, sobre o corpo uma força dirigida para cima, que tende a impedir que o corpo afunde no líquido. Você já deve ter percebido a existência desta força ao tentar mergulhar, na água uma bola, por exemplo. É também esta força que faz com que uma pedra pareça mais leve quando imersa na água ou em outro líquido qualquer, quando comparada com o seu peso no ar. Esta força vertical, dirigida para cima, é denominada EMPUXO do líquido sobre o corpo mergulhado.

Observe a figura abaixo:

Consideremos um corpo mergulhado em um líquido qualquer. O líquido exercerá forças de pressão em toda a superfície do corpo em contato com este líquido. Como a pressão aumenta com a profundidade, as forças exercidas pelo líquido, na parte inferior do corpo, são maiores do que as forças exercidas na parte superior. A resultante destas forças, portanto, deverá ser dirigida para cima. É esta resultante que representa o empuxo que atua no corpo, tendendo a impedir que ele afunde no líquido.

Então a causa do empuxo é o fato de a pressão aumentar com a profundidade. Se as pressão na partes superior e inferior do corpo fossem iguais, as forças de pressão seriam anuladas e não existiria o empuxo sobre o corpo.

Bem, voltemos ao desfecho da lenda sobre a coroa do rei Heirão. Arquimedes utilizou o método que acabara de descobrir, ele fabricou DOIS PESOS IGUAIS ao da coroa, sendo um de prata e um de ouro. Utilizando um vaso com água até a borda, ele mediu a quantidade de água deslocada pelo bloco e ouro e pelo bloco e prata. Chegando a conclusão de que o bloco de ouro desloca menos água que o de prata. Depois, ele fez outra experiência onde mediu o volume da coroa e descobriu que ela deslocava mais água que o bloco de ouro de mesmo peso. Este fato comprovaria então que o ourives tinha sido desonesto e misturado o ouro com prata. Conta-se que o ourives só não foi punido severamente por que Arquimedes pediu em seu favor, sendo então o ourives banido do reino.

Estudos recentes em história da ciência mostram que, apesar de bastante

divulgado, o método utilizado por Arquimedes não teria sido exatamente esse. Galileu teria notado que o método da medida de volume não seria o mais eficiente, tendo em vista diversas dificuldades operacionais, como por exemplo, as dimensões da coroa e a tensão superficial da água. Ele sugeriu que Arquimedes teria medido pesos e não volume.

Uma conseqüência do empuxo é a diferença de peso que um objeto tem quando

medido no ar e quando medido dentro da água. Tomando a coroa e um bloco de ouro de mesmo peso (medido no ar) e depois fazendo a medida dentro da água, será observado o seguinte:

Se os volumes forem iguais, os empuxos também serão iguais. Caso a coroa

contivesse prata na sua constituição, seu volume seria maior e o empuxo também, logo seu peso seria menor dentro da água, denunciando assim o ourives. Provavelmente esse teria sido o método utilizado por Arquimedes.

Referências: Martins, Roberto de Andrade. Arquimedes e a coroa do rei: problemas históricos.

Caderno Catarinense de Ensino de Física17 (2): 115-121, 2000. Halliday, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física 2-

Mecânica. 6. Ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 2002. Silva, Luiz Carlos Marques. Sala de física: Arquimedes. Disponível em:

http://br.geocities.com/saladefisica9/biografias/arquimedes.htm. Acesso em: 23 de agosto de 2006.

Tipler, Paul A. Física, V.2, LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., Rio de

Janeiro, 3a Edição (1995), pag. 152

Os submarinos

Leonardo da Vinci foi quem desenvolveu o primeiro projeto de uma embarcação

que pudesse submergir. Mas, devido a limitações tecnológicas da sua época, tal

empreendimento não foi possível ser executado.

Em 1771, foi construída a primeira embarcação capaz de operar submergido, o

submarino, que foi batizado com o nome de The American Turtle, ou A Tartaruga

Americana. De pequenas dimensões e movido pela força braçal dos tripulantes, foi capaz

de colocar um explosivo no barco britânico Eagle. O problema dos predecessores dos

modernos submarinos era que estes necessitavam da força humana para poder operar e

que rapidamente se esgotavam. Apenas após a invenção do motor de combustão interna

e dos motores elétricos é que o submarino se tornou viável.

Os submarinos têm a forma de um charuto com extremidades afiladas e um corpo

arredondado. Eles possuem grandes tanques de lastro (cascos duplos com espaços entre

eles que servem tanto como tanques de água como tanques de ar), que são inundados ou

esvaziados dependendo da situação.

Até a década de 50, eles utilizavam motores a diesel ou gasolina quando

precisavam operar na superfície e elétricos quando estavam na submergidos. Por isso

precisava-se gastar muito tempo na superfície para assim poder carregar as baterias

elétricas.

Com a construção do Nautilus, o primeiro submarino a funcionar com energia

nuclear, podia-se operar durante anos submersos e sem necessitar de reabastecimento,

pois utilizando energia nuclear, podia-se produzir ar e água potável para tripulação e

outros usos.

O principio de funcionamento de um submarino esta relacionado com conceitos

físicos conhecidos como empuxo e peso. Quando mergulhamos um corpo qualquer em

um líquido, verificamos que este exerce sobre o corpo uma força de sustentação, isto é

uma força dirigida para cima, que tende a impedir que o corpo afunde no líquido. Você já

deve ter percebido a existência desta força ao tentar mergulhar, na água um pedaço de

madeira, por exemplo. É também esta força que faz com que uma pedra pareça mais leve

quando imersa na água ou em outro líquido qualquer. Essa força é conhecida como

empuxo. A condição para que o corpo esteja submerso ou não vai depender da relação

entre o peso e o empuxo. Se o peso for maior que o empuxo, o submarino vai afundar. Se

o peso for menor que o empuxo, ele flutua e quando o peso for igual ao empuxo e ficará

no meio do líquido e estará num estado chamado de flutuabilidade zero.

Quando o peso (seta vermelha) é maior que o empuxo (seta verde) o submarino afunda.

Quando o peso (seta vermelha) é menor que o empuxo (seta verde) o submarino sobe em direção a superfície da água.

Para mergulhar os submarinos admitem água em seus tanques de lastro, fazendo

com que o ar seja liberado. Como o peso esta relacionado com a densidade e a

densidade da água é menor do que a densidade do ar, a densidade total do submarino

aumenta e consequentemente seu peso também adquirindo assim, flutuabilidade zero, e

navegará abaixo da superfície da água. Quando os motores do submarino são ligados, os

lemes horizontais, presentes em sua estrutura externa, possibilitam que ele mergulhe até

a profundidade adequada.

Na medida em que o submarino admite água em seus tanques, sua densidade fica maior que a da água e passa então a submergir.

Para voltar a superfície, os lemes horizontais são ajustados de forma a fazer o

submarino subir e a água dos tanques de lastro é expelida pela injeção de ar comprimido

nos tanques, como a densidade do ar é menor que a densidade da água, isso faz com

que o peso seja menor que o empuxo e assim ele consegue emergir. Nos primeiros

submarinos, a operação de remoção de água dos tanques era feita através bombas de

acionamento manual.

Os peixes também utilizam a relação entre empuxo e densidade para controlar sua

posição na água. A bexiga natatória é um órgão que auxilia os peixes a manterem-se a

determinada profundidade através do controle da sua densidade relativamente à da água.

É um saco de paredes flexíveis, e pode expandir-se ou contrair de acordo com a pressão;

tem muito poucos vasos sanguíneos, mas as paredes estão forradas com cristais de

guanina, que a tornam impermeável aos gases.

Nem todos os peixes possuem este órgão: os tubarões controlam a sua posição na

água apenas com a locomoção; outros peixes têm reservas de tecido adiposo para essa

finalidade.

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Design Pedagógico do módulo Escolha do tópico

Entender como um submarino consegue realizar o movimento de submersão e emersão bem como sua relação com os princípios físicos envolvidos, é disso que trata o Objeto de Aprendizagem Hidrostática.

O fenômeno da flutuabilidade é o ponto chave para a sobrevivem de

diversos animais marinhos, eles se utilizam de um órgão chamado de bexiga natatória que pode variar seu volume alterando assim a densidade total do animal. Dependendo da relação da densidade total do corpo e a densidade do fluído que o corpo está imerso, pode ocorrer a submersão ou emersão do corpo no líquido, assim os animais podem regular a profundidade que se encontra através desse mecanismo.

O submarino, em vez de variar seu volume, ele pode aumentar ou diminuir a quantidade de água presente em reservatórios especiais, fazendo com que a massa varie e assim variando também a densidade total. Da mesma forma que os animais, utilizando esse princípio de mudança de densidade, o submarino pode vária a profundidade, submergindo ou emergindo.

Os princípios como volume, densidade e massa são aplicados em

diversos aparatos tecnológicos, tais como: O submarino, o navio, em mergulho, etc.

A animação interativa permite o usuário alterar a densidade do

submarino. Assim o aluno pode entender como a densidade é a principal responsável pelo fenômeno de emersão e submersão do submarino.

Escopo do módulo Este material se propõe a discutir os conceitos listados abaixo:

- Densidade de um corpo. - Princípio de Arquimedes. - Volume, massa e peso. - Empuxo

Após o uso deste objeto ele deverá ser capaz de:

- Definir densidade de um corpo. - Enunciar e aplicar o princípio de Arquimedes - Entender o conceito de empuxo.

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- Através da animação interativa, perceber as conseqüências físicas no estudo de um fenômeno quando variamos entes a densidade do submarino. Interatividade Para facilitar o uso interativo deste módulo seria ideal uma sala climatizada, com computadores de configuração avançada, como acesso a internet, um projetor para que o professor faça algumas simulações para os alunos e lousa para demonstração das ferramentas matemáticas que estão envolvidas no desenvolvimento da animação interativa. Para aprender o assunto abordado no módulo, o aluno deverá navegar nas partes constituintes deste objeto: - Ler e discutir os textos apresentados. - Usar o mapa conceitual contido nele. - Fazer o maior número de simulações na animação interativa e discutir as conseqüências físicas.

- Aplicar conceitos em exemplos de vida real. - Resolver exercícios do livro texto adotado pelo professor para solidificar

os conceitos apresentados e reforçar o caráter quantitativo da física. - Para completar o aluno poderá fazer uma pesquisa na internet usando os diversos conceitos abarcados por este módulo. Atividades

Seguem algumas sugestões seqüenciais de atividades que podem ser feitas com este módulo. 1. Uso do texto complementar. O texto complementar contido neste objeto poderá ser lido no computados, ou impresso para que o aluno leia, destaque idéias importantes, anote dúvidas para tirar com o professor. 2. Uso da animação interativa. Apresentando o parâmetro densidade que pode ser alterado, os alunos poderão de forma suave, alterar os valores e perceber as modificações no movimento. O aluno pode perceber através da animação interativa a relação entre densidade e a flutuabilidade do submarino. 3. Mapa conceitual. O mapa conceitual contido nesse objeto poderá ser utilizado no próprio computador, impresso ou projetado em uma tela de forma a ser discutido coletivamente os conceitos relacionados no mapa.

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4. Questões. As questões conceituais podem ser trabalhadas antes e após a utilização dos outros componentes do objeto de aprendizagem. Essas questões visam trabalhar os conceitos envolvidos na temática do objeto e pode servir para o professor como um indicador do desempenho do aluno.

A utilização do computador possibilita uma série de vantagens em relação as aulas tradicionais e livros impressos devido a possibilidade de unir ferramentas multimídias capazes de produzir uma gama maior de interação do aluno com o conteúdo a ser estudado.

Esse objeto pode ser interessante não somente para a série designada

mas para professores e alunos de outras séries visto que o assunto envolvido também é utilizado em outros ramos da ciência e em outras fases da educação básica.