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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

BACHARELADO EM DESENHO INDUSTRIAL

SARA BRISON PIRES DE SOUZA

KIT PARA APRENDIZADO DE MECÂNICA

Niterói

2016



Trabalho de conclusão de curso

apresentado ao curso de Bacharelado em

Desenho Industrial, como requisito parcial

para conclusão do curso.

Orientador:

Prof. Dr. João Carlos Lutz Barbosa

Niterói

2016



Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de

Bacharelado em Desenho Industrial, como requisito parcial para

conclusão do curso.

BANCA EXAMINADORA

_____________________________________________

Prof. Dr. João Carlos Lutz Barbosa (Orientador) - UFF

_____________________________________________

Prof.ª Regina Célia de Souza Pereira - UFF

_____________________________________________

Prof.ª Dr.ª Renata Vilanova Lima - UFF

Niterói

2016

Resumo

Este projeto propõe um kit didático para auxílio ao ensino-aprendizagem

de Física no Ensino Médio. Após identificação do problema enfrentado por uma

prática de ensino de Física exclusivamente teórica, o desenvolvimento do projeto

exigiu levantamento de dados em consultas a professores e na avaliação de

produtos similares e de laboratórios didáticos, executou pesquisa de materiais

alternativos para execução do kit e utilizou-se de modelagem virtual e de

modelagem física para testar o seu funcionamento. A ferramenta projetada é

voltada especificamente para o desenvolvimento de atividades relativas aos

tópicos Plano Inclinado, Lançamento Oblíquo e Lei de Hooke, conteúdos de

Mecânica que são parte do currículo previsto pelo Ministério da Educação para

a matéria. O kit permite a experimentação no ambiente escolar, vista como

metodologia adequada ao ensino de Física, e se justifica na carência de

laboratórios didáticos nas escolas, sendo construído com o menor custo possível

a fim de ser acessível às instituições que possuem poucos recursos. Para isso,

busca também apresentar portabilidade e facilidade de montagem e uso, fatores

fundamentais para a viabilidade da aplicação da ferramenta em sala de aula.

Palavras-chave: Kit didático – Mecânica – Física – Ensino Médio.

Abstract

This project proposes an educational kit to assist on the teaching and

learning of Physics on High School. After identifying the issue faced by an

exclusively theoretical Physics teaching practice, the project's development

demanded data collection by surveying teachers and evaluating similar products

and didactic laboratories. It also researched for alternative materials for the kit's

completion and used virtual and physical modelling to test its performance. The

projected kit aims specifically at developing related activities to topics such as

Inclined Plane, Non-Horizontally Launched Projectile and Hooke's Law, which are

Mechanics contents required by the Ministry of Education (MEC) for the subject.

The kit enables experimentation in an academic environment, which is seen as

the adequate methodology for the teaching of Physics and is justified by the

scarcity of didactic laboratories in schools and therefore built with the lowest

possible cost in order to be affordable for institutions that lack resources. To that

end, it also seeks to present portability and ease to set up and use, which are

fundamental factors to enable the application of the kit in the classroom.

Keywords: Educational Kit - Mechanics - Physics - High School

Sumário

1 Introdução ..........................................................................................

1.1 Problemas ................................................................................

1.2 Objetivo ....................................................................................

1.3 Público-alvo ..............................................................................

2 Problematização e sistematização.....................................................

2.1 Problematização ergonômica....................................................

2.1.1 Problema informativo/visual ..................................................

2.1.2 Problema cognitivo ................................................................

2.1.3 Problema acidentário ............................................................

2.1.4 Problema instrucional ............................................................

2.1.5 Problema natural ...................................................................

2.1.6 Problema psicossocial ..........................................................

2.2 Sistematização .........................................................................

3 Levantamento e análise de dados .....................................................

3.1 Análise de similares .................................................................

3.1.1 Experimentos virtuais ......................................................

3.1.2 Experimentos físicos ........................................................

3.1.3 Experimentos permanentes .............................................

3.1.4 Experimentos móveis ......................................................

4 Síntese e definição de requisitos .......................................................

4.1 Tabela PNI ...............................................................................

4.2 Tabela GUT ..............................................................................

4.3 Modelagem verbal ....................................................................

4.4 Requisitos de projeto ................................................................

5 Geração e seleção de alternativas ......................................................

6 Desenvolvimento da solução ..............................................................

6.1 Detalhamento do projeto ...........................................................

6.1.1 Sistemas ................................................................................

6.1.1.1 Plano Inclinado: Planos, Goniômetro, Bloco .......................

6.1.1.2 Lançamento Oblíquo: Lançador, Projétil, Receptor .............

6.1.1.3 Lei de Hooke: Planos, Bloco, Mola ......................................

6.1.2 Componentes ........................................................................

6.1.2.1 Plano ...................................................................................

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6.1.2.2 Goniômetro .........................................................................

6.1.2.3 Bloco ...................................................................................

6.1.2.4 Lançador .............................................................................

6.1.2.5 Componentes auxiliares .....................................................

6.1.2.5.1 Projétil ..............................................................................

6.1.2.5.2 Conector ..........................................................................

6.1.2.5.3 Gancho ............................................................................

6.1.2.5.4 Peso .................................................................................

6.1.2.5.5 Pino ..................................................................................

6.1.2.6 Manual ................................................................................

6.2 Construção de modelos ............................................................

6.2.1 Modelo virtual .........................................................................

6.2.1.1 Planos .................................................................................

6.2.1.2 Bloco ...................................................................................

6.2.1.3 Goniômetro .........................................................................

6.2.1.4 Lançador .............................................................................

6.2.2 Modelo físico ..........................................................................

7 Protótipo .............................................................................................

7.1 Plano .........................................................................................

7.2 Goniômetro ...............................................................................

7.3 Bloco .........................................................................................

7.4 Lançador ...................................................................................

7.5 Mola ..........................................................................................

7.6 Componentes auxiliares ...........................................................

8 Utilização e validação do protótipo pelo usuário ..................................

9 Conclusão ...........................................................................................

10 Desenho técnico ..............................................................................

11 Bibliografia ........................................................................................

ANEXO – Manual ..................................................................................

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Lista de Desenhos Técnicos

Desenho Técnico 1 – Vista explodida, Plano AA ..................................

Desenho Técnico 2 – Interno, Plano AA ...............................................

Desenho Técnico 3 – Externo, Plano AA ..............................................

Desenho Técnico 4 – Vista explodida, Plano AB ..................................

Desenho Técnico 5 – Plano, Plano AB .................................................

Desenho Técnico 6 – Goniômetro, Goniômetro ...................................

Desenho Técnico 7 – Vista explodida, Bloco ........................................

Desenho Técnico 8 – Lateral, Bloco .....................................................

Desenho Técnico 9 – Placa de fundo, Bloco ........................................

Desenho Técnico 10 – Fundo, Bloco ....................................................

Desenho Técnico 11 – Frontal, Bloco ...................................................

Desenho Técnico 12 – Vista explodida, Lançador ................................

Desenho Técnico 13 – Goniômetro, Lançador .....................................

Desenho Técnico 14 – Corpo, Lançador ..............................................

Desenho Técnico 15 – Lateral, Lançador .............................................

Desenho Técnico 16 – Parafuso, Lançador ..........................................

Desenho Técnico 17 – Porca borboleta, Pino ......................................

Desenho Técnico 18 – Pino, Pino .........................................................

Desenho Técnico 19 – Peso maior, Pesos ...........................................

Desenho Técnico 20 – Peso menor, Pesos ..........................................

Desenho Técnico 21 – Conector, Conector ..........................................

Desenho Técnico 22 – Gancho, Gancho ..............................................

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1 Introdução

Este projeto dedica-se à produção de material didático para utilização no

ensino de Física na sala de aula de Ensino Médio, recurso compreendido como um

produto auxiliar ao enfrentamento da problemática da falta de estrutura das escolas

brasileiras.

Para consecução do objetivo definido, partiu-se da constatação de que a

experimentação é meio adequado e necessário ao processo de ensino-aprendizagem

da matéria considerada. Segundo as Orientações Educacionais Complementares aos

Parâmetros Curriculares Nacionais:

”É indispensável que a experimentação esteja sempre presente ao longo de todo o processo de desenvolvimento das competências em Física, privilegiando-se o fazer, manusear, operar, agir, em diferentes formas e níveis. É dessa forma que se pode garantir a construção do conhecimento pelo próprio aluno, desenvolvendo sua curiosidade e o hábito de sempre indagar, evitando a aquisição do conhecimento científico como uma verdade estabelecida e inquestionável.”

Esse reconhecimento do valor pedagógico da experimentação para o processo

de ensino-aprendizagem também pode se amparar na compreensão de que existem

diferentes estilos de aprendizagem, entendidos como “preferências e tendências

altamente individualizadas de uma pessoa, que influenciam em sua maneira de

apreender um conteúdo” (AMARAL; BARROS, p. 2), pluralizando as situações de

aprendizagem que se podem oferecer a uma turma concreta e à diversidade de perfis

de estudantes que ela contém.

Como atendimento a diferentes estilos de aprendizagem e como oportunidade

de construção significativa de conhecimento, a experimentação pode contribuir para

provocar o interesse do estudante, fator não desprezível para o sucesso do processo

de ensino-aprendizagem. Afinal, é indiscutível a relação direta entre motivação e

aprendizagem, e “a experimentação tende a despertar, nos alunos, um forte interesse

devido a ter um caráter motivador, lúdico, essencialmente vinculado aos sentidos”

(BENITE et al, 2009, apud SOARES; MUNCHEM; ADAIME, p.1).

Outro pensamento sobre o qual este projeto pode se apoiar é o de PORTUGAL

e COUTO (2010), que partem do princípio de que a aprendizagem é resultado da

relação sujeito-objeto. Nessa concepção, o professor não deve impor o conhecimento

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como verdade, e sim auxiliar o aluno na busca por conhecimento, colocando o

estudante em um papel ativo na sua própria educação e aceitando a diversidade de

interpretações e ideias de cada indivíduo. As autoras reconhecem, então, o papel do

Design na Educação como ferramenta para aprimorar e renovar o processo ensino-

aprendizagem, possibilitando e favorecendo que ele se torne mais participativo,

prazeroso e multidisciplinar.

As observações para o projeto, que também encaminharam os esforços para a

experimentação como metodologia didática, foram realizadas no Laboratório Didático

de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro e na Casa da Descoberta, da

Universidade Federal Fluminense. Ambos os espaços recebem visitas de estudantes

de diferentes níveis de escolaridade e têm como objetivo despertar o interesse dos

alunos pela Física por meio de demonstrações práticas. Consultou-se também um

professor de física que leciona em um colégio público da rede federal para identificar

as necessidades do educador durante as aulas.

Ainda que de forma obrigatoriamente parcial, o kit didático proposto certamente

se justifica na relevância dos conteúdos para cuja aprendizagem poderá contribuir.

Cumpre ressaltar, portanto, a importância do conhecimento de Física e das demais

ciências no ensino médio, assim como, e sobretudo, do desenvolvimento do próprio

pensamento científico.

1.1 Problemas

A educação no Brasil é notavelmente problemática, e a falta de estrutura nas

escolas, tanto em relação ao seu aspecto físico e a materiais didáticos quanto no que

diz respeito a recursos humanos, é o indicador mais facilmente percebido dessa

situação. O baixo investimento, principalmente no setor público de ensino,

impossibilita o acesso de alunos e professores a recursos e condições ideais para o

aprendizado efetivo dos conteúdos.

Um dos problemas de estrutura mais comuns está na ausência de laboratórios

didáticos para o ensino de disciplinas como Física, Química e Biologia. Segundo o

Censo da Educação Básica de 2010, apenas 48,3% das escolas brasileiras de ensino

médio têm laboratórios de ciências a oferecer a seus estudantes (MINISTÉRIO DA

EDUCAÇÃO, 2011). Nesse contexto, a disciplina de Física, em particular, possui altos

índices de reprovação.

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A causa para o insucesso do ensino de Física é multifatorial e complexa, mas,

talvez, se possa apontar como um motivador a falta de interesse dos estudantes,

agravada pela forma abstrata com que é apresentado seu conteúdo na inexistência

de um laboratório: “Quando ‘o que ensinar’ é definido pela lógica da Física, corre-se o

risco de apresentar algo abstrato e distante da realidade, quase sempre supondo

implicitamente que se esteja preparando o jovem para uma etapa posterior”.

(MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO, 2010)

De fato, o formato tradicional das aulas somente teóricas, adotado pela maioria

das escolas brasileiras, favorece a rejeição pela disciplina, quase sempre percebida

como exigente de excessiva e intimidante abstração. Laboratórios, ou a

implementação de atividades práticas, representariam, então, uma ferramenta valiosa

para o estudo e a absorção da disciplina:

“A experimentação tende a despertar nos alunos um forte interesse devido a ter um caráter motivador, lúdico, essencialmente vinculado aos sentidos (BENITE et al, 2009), pois os alunos são envolvidos através de aspectos visuais como cores, texturas e odores o que faz estreitar o elo entre a motivação e aprendizagem. Espera-se então que o envolvimento dos alunos seja maior e leve a evoluções em termos conceituais.” (SOARES; MUNCHEM; ADAIME, 2012)

Apesar de a realização de experimentos no ambiente escolar se mostrar

extremamente relevante e ser incentivada pelos Parâmetros Curriculares Nacionais

(PCN), diretrizes que norteiam a educação no Brasil, a implantação de uma linha de

ensino que envolva os estudantes por meio da experimentação enfrenta grandes

obstáculos.

Essa resistência se dá tanto por parte das instituições educacionais, que

frequentemente não são receptivas a novos métodos pedagógicos, quanto dos

professores, que veem como inviável a prática de experiências em sala de aula. As

principais justificativas para a oposição, como foi constatado por RICARDO e FREIRE

(2006) são relativas à imensa carga de conteúdo programado para o ano letivo e a

cobrança de uma preparação para os exames vestibulares.

É necessário considerar, também, que alunos e professores vivem atualmente

uma rotina muito menos dinâmica da que o aprendizado por meio da experimentação

propõe, e que a mudança implicaria questões de organização e disciplina que

poderiam dificultar a adaptação dos envolvidos.

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Os valores significativos de instalação e manutenção de um laboratório

convencional de Física em instituições de ensino, por fim, justificam a conveniência

da oferta de material didático para experimentação que seja de baixo custo, sem que

se comprometa sua funcionalidade.

1.2 Objetivo

Almeja-se com este projeto desenvolver um produto portátil, de baixo custo e

de fácil montagem e manuseio que facilite o aprendizado de conteúdos Plano

Inclinado, Lançamento Oblíquo e Lei de Hooke, da área de Mecânica, ao permitir a

demonstração concreta dos principais fenômenos dessa parte da Física a ser

trabalhada no Ensino Médio. O kit proposto pretende colaborar com o trabalho do

professor, permitir a participação ativa dos estudantes em atividades experimentais e

lhes oportunizar a construção dos conceitos relativos a esses conteúdos.

1.3 Público-alvo

O público-alvo do kit didático aqui proposto consiste de professores de Física

do ensino médio e estudantes dessa disciplina, também nesse nível de ensino, entre

14 e 18 anos de idade.

13

2 Problematização e sistematização

Na abordagem do problema, fez-se necessária, como etapa do projeto, a

identificação e classificação dos fatores ergonômicos pertinentes ao desenvolvimento

de experimentos didáticos em diferentes ambientes e com variação de quantidade de

usuários.

2.1 Problematização ergonômica

O levantamento de questões ergonômicas relevantes ao problema estudado

pode ser observado nos itens abaixo.

2.1.1 Problema informativo/visual

Os experimentos, principalmente quando realizados sem os equipamentos

adequados, não oferecem uma fácil visualização dos resultados, o que aumenta a

imprecisão do experimento e pode acarretar a necessidade de repetição da atividade.

Quando demonstrado para um grupo grande de pessoas, o experimento pode não ser

devidamente visto por todos os observadores.

2.1.2 Problema cognitivo

Devido à precisão requerida para a execução dos experimentos, é frequente

que pequenos erros de posicionamento comprometam o sucesso da atividade.

2.1.3 Problema acidentário

As atividades realizadas durante os experimentos podem envolver projéteis

com peso e velocidade que, ao atingir o observador, podem causar lesões.

Alguns experimentos diretamente relacionados com termologia e eletricidade

oferecem o risco de queimaduras e choques elétricos ao usuário.

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2.1.4 Problema instrucional

Como os equipamentos são compostos por uma grande quantidade de peças,

sua montagem é complexa e requer muito tempo e atenção. A má compreensão da

estrutura pode ocasionar ainda a montagem incorreta dos sistemas e a perda de

peças.

Manuais pouco claros podem fazer com que o usuário tenha dúvidas sobre o

funcionamento do equipamento, fazendo com que ele danifique peças, ou não alcance

os resultados desejados.

2.1.5 Problema natural

Um ambiente com condições pouco adequadas para utilização ou

armazenamento do kit pode prejudicar a integridade do produto, criando mofo ou

deformando as peças.

O uso de materiais inadequados para a confecção das peças pode resultar na

baixa durabilidade dos elementos.

2.1.6 Problema psicossocial

Os observadores podem interferir no experimento, alterando seu resultado, ou

mesmo quebrando o equipamento. A interferência também pode causar lesões no

observador, por impactos, choques elétricos ou queimaduras.

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2.2 Sistematização

O sistema alvo do projeto é o aprendizado significativo da matéria.

Figura 1 - Caracterização e posição serial do sistema.

RESULTADOS

DESPROPOSITADOS

Resultados errados devido

à interferência

dos observadores

RESTRIÇÕES

- Falta de interesse no

aprendizado

- Dificuldade para atingir

as condições físicas

ideais para a experiência

REQUISITOS

- Equipamento

- Noção de

uso

SAÍDA

Aluno com o

conhecimento

ENTRADA

Aluno sem o

conhecimento

SISTEMA ALIMENTADOR

Escolas

META

Auxiliar o

entendimento da

matéria

SISTEMA

ALVO

Aprendizado de

Física

SISTEMA

ULTERIOR

Sociedade

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3 Levantamento e análise de dados

Observando o contexto ao qual o produto pertence, foi feita a identificação e a

análise da composição dos ambientes dos laboratórios didáticos e de produtos

similares ao material projetado.

3.1 Análise de similares

O Laboratório Didático (LADIF) situa-se no Centro de Tecnologia da UFRJ,

sendo administrado pelo Instituto de Física da universidade. Possuindo diversos

experimentos, entre os montados para exibição e os desmontados, o Laboratório

recebe até 40 visitantes por vez. A visita é conduzida por uma equipe de monitores

que são treinados para operar os equipamentos e explicar as propriedades de cada

fenômeno.

Figura 2 – Casa da Descoberta, UFF.

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A Casa da Descoberta é um projeto do Instituto de Física da Universidade

Federal Fluminense. Funcionando com o mesmo esquema de acompanhamento por

monitores, o projeto demonstra vários experimentos de diferentes eixos da Física para

grupos de 20 a 30 visitantes.

Para este projeto, reconhecem-se como experimentos didáticos os sistemas

utilizados para demonstrar propriedades estudadas em sala de aula.

Destacaram-se como ferramentas de auxílio no aprendizado de física os

experimentos virtuais e os experimentos físicos, sendo esses últimos divididos entre

permanentes e móveis.

3.1.1 Experimentos virtuais

Atualmente, é possível utilizar programas de computador para a realização de

experimentos virtuais. Existem programas, tanto pagos como gratuitos, e plataformas

online que possibilitam a demonstração de fenômenos por meio da geração de

gráficos ou de pequenas animações.

Depois de informados os dados da situação, o programa calcula os resultados

e mostra, graficamente, as reações ocorridas.

Na entrevista com o professor do colégio de aplicação da UFF, foi apontado um

programa com o qual é possível fazer simulações dos fenômenos físicos, o PhET.

Figura 3 – Demonstração do conceito de conservação de energia mecânica do Projeto PhET.

18

PhET é um projeto da Universidade do Colorado que consiste em um conjunto

de experiências nas áreas de Química, Física, Biologia e Matemática que podem ser

executadas online ou offline. Um aspecto positivo das demonstrações do projeto é a

quantidade de fatores que podem ser avaliados simultaneamente em um único

experimento.

Figura 4– Demonstração o lançamento de projéteis do Projeto PhET

O experimento virtual é particularmente vantajoso por depender apenas do

programa e de um computador compatível, ou de uma máquina com acesso à internet,

no caso de conteúdos online.

Porém, esse recurso mantém a abstração durante o ensino, visto que as

animações não são muito sofisticadas, e o contato dos alunos é reduzido e não

contribui para a captura da atenção.

3.1.2 Experimentos físicos

Os experimentos físicos são aqueles que contam com uma estrutura concreta

que demonstram as reações físicas ocorridas sobre a matéria.

Os experimentos analisados se dividem entre aqueles que permanecem

montados para demonstração, chamados aqui de Experimentos Permanentes, e os

que podem ser desmontados após as demonstrações, chamados Experimentos

Móveis.

19

Dentro dessa categoria, também devem ser citados experimentos caseiros,

realizados de forma improvisada, que não são construídos para exposições

continuadas ou recorrentes e costumam ser descartados após o uso.

3.1.3 Experimentos permanentes

As observações dessa categoria de equipamento foram feitas, como citado

anteriormente, no LADIF e na Casa da Descoberta.

Figura 5 – Experimento de Fibra ótica, LADIF.

20

Figura 6 – Gerador de Corrente Alternada para o estudo de campos quase estáticos, LADIF.

Os Experimentos Permanentes podem ser compostos por equipamentos

sofisticados, podem executar experiências mais complexas e oferecer resultados mais

precisos. Entretanto, esses mecanismos costumam exigir um investimento financeiro

alto, além de demandar um espaço fixo para sua ocupação.

Figura 7 – Experimento de pêndulos acoplados para o estudo da Oscilação, LADIF.

21

Alguns dos experimentos dos laboratórios considerados oferecem a

possibilidade de desmontagem, porém não são planejados para que isso seja

realizado de forma fácil, ou para que seu armazenamento ocupe um espaço reduzido.

A vantagem dos experimentos fixos em laboratórios é que, embora eles

impliquem um aumento de custo, o nível de sofisticação dos sistemas pode ser

consideravelmente mais alto que o oferecido por experimentos móveis.

3.1.4 Experimentos móveis

Os Experimentos Móveis não têm o propósito de ficar permanentemente

expostos. São, de maneira geral, menores e mais simples, podendo ser deslocados,

montados ou desmontados com facilidade.

Figura 8 – Experimento de movimento perpétuo.

Dentro desse conjunto se encontram os kits, que visam à mobilidade e à

praticidade de uso, sendo muitas vezes destinados para o uso fora da sala de aula

como um instrumento de lazer.

Apesar de serem de um porte menor quando comparados com os

Experimentos Permanentes, os Experimentos Móveis são capazes de demonstrar

diversos fenômenos de maneira mais prática.

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4 Síntese e definição de requisitos

A fim de organizar os dados colhidos e as inferências já realizadas, essas

informações foram distribuídas em tabelas que favorecem sua visualização e a

posterior definição de requisitos.

4.1 Tabela PNI

Para prosseguir com a projetação, foi feito um quadro comparativo

relacionando os diferentes tipos de experimentos, os experimentos virtuais, os

expostos nos espaços – e os experimentos em kits, através do levantamento dos

pontos positivos, negativos e interessantes de cada conjunto.

Similares P N I

Experimentos

Físicos

Permanentes

- Demonstram as

propriedades físicas

- Por permanecerem

montados, o risco de

erros na demonstração

é reduzido

- Imobilidade

- Podem causar a

dispersão do aluno pelo

ambiente diferente

- Dependem da

disponibilidade das

escolas em levarem as

turmas até as

instituições

- Os experimentos

podem ser mais

sofisticados

Experimentos

Virtuais

- Não demandam

espaço para a

realização das

demonstrações

- Ainda mantêm um

grau alto de abstração

- O material

necessário é de

fácil acesso

Experimentos

Físicos Móveis

- São práticos para

demonstrações em

sala

- Os experimentos ficam

sujeitos a erros na

montagem que podem

comprometer os

resultados

- Não dependem de

infraestrutura da

escola

Tabela 1 – PNI.

23

O cotejamento dos pontos positivos, negativos e interessantes das diferentes

categorias de experimentos indica que, para a proposta de contornar a falta de

recursos das escolas e ao mesmo tempo atrair a atenção dos alunos, os experimentos

físicos móveis são a melhor opção, por sua praticidade e simplicidade de uso.

4.2 Tabela GUT

Na tabela GUT foram analisados os principais problemas identificados no

questionário e na análise de similares listados na problematização ergonômica.

Problema Gravidade Urgência Tendência GXUXT

Dificuldade de averiguação dos resultados 5 5 3 75

Dificuldade de visualização por grandes grupos 3 3 1 9

Dificuldade de posicionamento dos elementos 4 5 3 60

Choque de projéteis nos observadores 4 5 1 20

Lesões por altas temperaturas e corrente elétrica 5 5 3 75

Conjunto de peças grande e de difícil montagem 5 4 3 60

Manuais pouco claros 5 4 3 60

Materiais inadequados 4 3 4 48

Interferência dos observadores 3 2 1 6

Tabela 2 – GUT

Identificaram-se como os problemas de maior relevância a Dificuldade de

averiguação dos resultados e a Dificuldade de posicionamento dos elementos,

visto que comprometem a demonstração. Os problemas instrucionais Conjunto de

peças grande e de difícil montagem e Manuais pouco claros também são

significativos, devido às dificuldades adicionais que se apresentariam ao professor, o

que implicaria a não adoção da ferramenta.

O problema acidentário de Lesões por altas temperaturas e corrente elétrica

foi notado durante as observações, porém ele não se aplicará aos experimentos que

o kit se propõe a demonstrar.

Os problemas instrucionais de Manuais pouco claros e Dificuldade de

montagem e o problema cognitivo da Dificuldade de posicionamento dos

elementos também aparecem como fortes.

24

4.3 Modelagem verbal

Para que se realizem demonstrações de fenômenos físicos selecionados,

evitando os problemas observados na análise de similares, é necessário que o kit

desenvolvido seja composto por um conjunto reduzido de peças simples e de fácil

montagem.

De forma esquemática, a modelagem verbal do produto se apresenta a seguir:

Campo de influência: Conhecer as instruções do equipamento

Fator de influência: Quantidade de observadores, experimentos a serem

demonstrados

Requisito: Demonstrar experimentos físicos

Características: Planos, Goniômetro, Molas, Bloco, Pesos, Lançador,

Projétil, Receptor

Restrições: Simplicidade de montagem e uso

Especificação verbal: Composto de materiais que resistam ao uso; fácil

montagem, fácil deslocamento

Critérios para seleção de alternativas: praticidade de uso, facilidade de

montagem, estética, custo

4.4 Requisitos de projeto

Baixa complexidade de montagem e uso (pouco tempo e esforço gastos para

armar a estrutura e posicionar os elementos)

Mobilidade (facilidade para transportar o kit)

Número reduzido de peças

Durabilidade (tendência de a peça resistir ao uso)

Estética (coerência visual entre as peças)

Dada a necessidade de montagem e desmontagem a cada experimento

realizado, os critérios de Complexidade de montagem e Mobilidade possuíram os

maiores pesos para a definição dos modelos.

A Durabilidade é fundamental para o produto, visto seu objetivo de suprir

carências nas escolas. É necessário, portanto, que o material não apresente grande

fragilidade, trazendo custos de manutenção ou reposição do objeto.

25

A Estética é justificada pela necessidade de se ter, em um kit, uma

compatibilidade visual entre os elementos que o compõem de forma que favoreça a

compreensão do funcionamento.

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5 Geração e seleção de alternativas

As alternativas foram produzidas a partir da definição dos conteúdos que

seriam abordados pelo kit. Pensou-se nos elementos que poderiam ajudar a simular

os exercícios.

Algumas das alternativas se mostraram pouco funcionais, sendo desprezadas

na seleção. Dentre elas pode ser destacada a proposta de um nivelador, que

proporcionaria um grau zero para o lançador. Como a utilização de uma superfície

razoavelmente plana para acomodação dos sistemas do kit é uma condição previsível,

a proposta do nivelador foi dispensada, em benefício da simplicidade do projeto.

Também foram consideradas polias para o sistema Plano Inclinado. Foram

descartadas com a mesma intenção de simplificação do material didático.

A maior parte dos materiais inicialmente selecionados para confecção do

protótipo se manteve. Foram considerados materiais como nylon e polietileno para o

revestimento dos Planos, a fim de minimizar o atrito nas atividades de Plano Inclinado.

Após alguns testes rápidos, concluiu-se que o atrito gerado pelo MDF não prejudicaria

os experimentos.

Também houve pequenas alterações formais nos componentes desde sua

concepção inicial. Elas se encontram registradas nas figuras a seguir.

Figura 9 – Esboço do Goniômetro

27

Figura 10 – Esboço do Plano

Figura 11 – Esboço do Gancho

28

Figura 12 – Esboço da Placa de Fundo

Figura 13 – Esboço do Bloco

29

6 Desenvolvimento da solução

A partir da definição da forma como os experimentos seriam realizados,

planejaram-se individualmente os componentes do kit. Esse processo envolveu a

confecção de modelos digitais e físicos, até a produção do protótipo.

,

6.1 Detalhamento do Projeto

O nome escolhido para o kit, Archimedes, faz deferência ao físico, matemático,

engenheiro, inventor e astrônomo grego, considerado um dos principais cientistas da

antiguidade clássica.

Nos exercícios de Física mecânica estudada no Ensino Médio, costumam ser

consideradas as variáveis de tempo, espaço, velocidade, força. Os componentes e as

atividades propostas foram planejados para excluir a variável do tempo, visto que,

para a sua medição precisa, seriam necessários sensores que encareceriam o

produto final e dificultariam a visualização dos efeitos pelos alunos.

Assim sendo, o kit vai abranger os conteúdos de Plano Inclinado, Lançamento

Oblíquo e Lei de Hooke. Nos experimentos de Plano Inclinado, são pedidas as

condições máximas para que o sistema permaneça em equilíbrio. Nos experimentos

de Lei de Hooke, a proposta é calcular previamente a deformação que a mola sofrerá

com o peso utilizado. No experimento de Lançamento Oblíquo, os exercícios propõem

que os alunos calculem a distância a ser percorrida pelo projétil de acordo com a

inclinação e com a potência do lançador.

Cada experimento conta com uma estrutura básica de funcionamento:

Plano Inclinado: Planos, Goniômetro, Bloco

Lançamento Oblíquo: Lançador, Projétil, Receptor

Lei de Hooke: Planos, Molas, Pesos

Para favorecer uma visualização clara e um fácil reconhecimento do sistema,

os componentes do kit possuem formas simplificadas, semelhantes aos elementos

representados nos exercícios.

A escala usada para produzir as peças foi determinada de acordo com as

dimensões de uma sala de aula padrão, de maneira que as estruturas montadas

pudessem ser vistas por uma classe, em ambiente de sala de aula, caso os sistemas

sejam utilizados para demonstrações.

30

Os materiais para a produção do kit foram escolhidos pela facilidade de

confecção e pelo preço acessível, estando relacionados também ao peso ideal para

cada elemento, considerando a massa mínima para que o sistema fique estável e a

máxima que o conjunto pode ter para ainda ser de fácil locomoção e durabilidade.

O kit possuirá poucas cores, a fim de manter um visual limpo: azul, cinza e

branco.

O kit é acompanhado por um manual em formato de brochura que contém as

instruções de montagem, com desenhos esquemáticos, e sugestões de exercícios e

atividades a serem realizadas em aula.

6.1.1 Sistemas

Os sistemas, que compartilham peças entre si para poupar material e espaço,

são três: Plano Inclinado, Lançamento Obliquo e Lei de Hooke, em correspondência

evidente com os conteúdos disciplinares.

6.1.1.1 Plano Inclinado: Planos, Goniômetro, Bloco

O conteúdo de Plano Inclinado é apresentado ainda no início do ano letivo e

seus exercícios são normalmente representados pelo desenho de um corpo sobre

uma aclividade. Podem pedir que o aluno calcule a velocidade com que o corpo

desliza, o atrito da superfície em que ele se encontra, a massa do corpo de acordo

com a situação dada e outros.

O exercício planejado para as atividades de Plano Inclinado no kit é calcular a

massa máxima que o Bloco pode ter e ainda se manter estático. Para esse exercício,

o usuário deve considerar o atrito oferecido pelas superfícies utilizadas, fazer os

cálculos e seguir com a experimentação, montando o sistema conforme o exercício

proposto e adicionando os pesos para verificar o resultado achado.

6.1.1.2 Lançamento Oblíquo: Lançador, Projétil, Receptor

Os exercícios previstos na utilização desse sistema têm o objetivo de prever,

através das fórmulas, o fim da trajetória do Projétil. Além de alternar os Lançadores

com diferentes potências e os ângulos de lançamento, a variabilidade das situações

31

apresentadas pode ser aumentada ao variar as alturas em que o Lançador e o

Receptor se encontram. É possível também calcular a altura máxima que o Projétil

atingirá em cada situação.

6.1.1.3 Lei de Hooke: Planos, Bloco, Mola

Para utilização desse sistema, o usuário deve predizer a deformação sofrida

pela Mola de acordo com o peso aplicado. Também é possível realizar o cálculo

inverso, prevendo a quantidade de Pesos necessários para atingir uma determinada

deformação. O sistema permitirá a confirmação e conferência desses cálculos por

meio das experimentações.

A deformação da Mola é medida pela diferença entre o comprimento da peça

em repouso e o comprimento da peça tensionada.

6.1.2 Componentes

Cada sistema é construído a partir de um conjunto de peças, concebidas para

simular os fenômenos físicos abordados nos exercícios.

6.1.2.1 Plano

O componente Plano serve de base para os experimentos de Plano Inclinado

e Lei de Hooke. Os Planos apresentam duas formas diferentes: uma mais longa, com

50 cm de comprimento, um encaixe A e um B; e uma menor com 22 cm de

comprimento e dois encaixes A.

32

Figura 14 – Sketch dos Planos

Os Planos possuem furos passantes em suas extremidades que permitem a

conexão com outros componentes do kit.

O Plano menor tem também um furo central, por onde o Conector irá passar

nos sistemas de Lei de Hooke.

33

Figura 15 – Sketch encaixe e ajuste do Plano.

Os Planos maiores são usados nos exercícios de Plano Inclinado. Unidos por

um parafuso que atravessa as suas pontas, eles formam uma inclinação que pode ser

definida com precisão através do Goniômetro.

Possuindo uma superfície de MDF lisa e emparelhada, o atrito apresentado

pela peça é desprezível, facilitando o cálculo dos corpos.

Inicialmente os planos foram planejados para apresentar um atrito desprezível

e facilitar o cálculo, porém, nos testes de material, foi constatado que a superfície lisa

do Plano não possuía aderência suficiente para manter o Bloco estático sobre ele.

Para solucionar essa questão, foi acrescentada ao Plano uma capa para aumentar o

atrito entre as peças.

6.1.2.2 Goniômetro

O Goniômetro tem como função alinhar os planos e definir os ângulos entre

eles. Ele possibilita inclinações de até 180° em relação ao chão, com marcações em

0°, 30°, 45°, 60° e 90°, que são os principais ângulos encontrados nos exercícios.

34

A peça estará presente no kit em duas partes do conjunto – utilizada para

alinhar os planos, nas atividades de Plano Inclinado, e como parte do lançador, usado

nas atividades de Lançamento Oblíquo.

O Goniômetro do Plano tem sua estrutura composta por um arco com 10cm de

diâmetro e apresenta um rasgo que acompanha a circunferência, através do qual é

possível visualizar e ajustar a inclinação desejada. No centro da circunferência, há um

orifício pelo qual se atravessa a barra de parafuso que, quando atarraxado, fixa os

elementos na posição correta.

O Goniômetro que acompanha o Lançador é um pouco menor, com um arco

de 7cm e altura total de 10cm, e funciona por meio do mesmo princípio.

6.1.2.3 Bloco

Esse componente é utilizado nas atividades de Plano Inclinado e corresponde

aos corpos que sofrem deslocamentos nos exercícios.

Figura 16 – Sketch estrutural do Bloco.

35

O Bloco é composto por placas de MDF e apresenta uma estrutura oca,

possibilitando que a peça receba adição de pesos, o que fará variar a massa do

componente.

O fundo do bloco, parte que entra em contato com a superfície do plano, é

cambiável; dessa forma, é possível alterar o coeficiente de atrito apresentado pela

peça.

Essas alterações de massa e atrito aumentam a quantidade de exercícios que

podem ser realizados com a menor quantidade de componentes no kit.

6.1.2.4 Lançador

Esse componente é utilizado para as atividades de Lançamento Oblíquo. Sua

estrutura é dividida em Corpo, onde se encontra o sistema que impulsiona o projétil,

e os Goniômetros, que são presos às suas laterais.

Figura 17 – Esquema de montagem do Lançador.

36

Os parafusos que atravessam os Goniômetros e os fixam ao lançador definem

o eixo de sua rotação e, a partir deles, é traçada uma reta no corpo do Lançador que

serve como guia para ajustar o lançador no ângulo desejado.

Figura 18 – Mecanismo do Lançador

Figura 19 – Esquema de disparo do Lançador

37

Seu mecanismo de disparo funciona a partir de uma mola fixada ao corpo do

lançador e a uma pequena plataforma que fica em contato com o projétil. Para dar

início ao lançamento, traciona-se a plataforma por meio de uma corda até que esteja

visível a trava de disparo. Em seguida, passa-se a corda pela parte mais estreita do

orifício no corpo do lançador, e a trava impede que a corda recue. Para efetuar o

disparo, empurra-se delicadamente a trava em direção à parte mais larga do orifício.

Para alcançar a eficiência do sistema, foi necessário incluir, entre a plataforma

e a trava, uma haste rígida, que diminui o esforço empregado para soltar a trava e

evita que a trave agarre no orifício.

Entre as alterações estruturais, inclui-se também o estreitamento do túnel do

Lançador, para impedir que a mola arqueie ao ser comprimida e altere a trajetória do

projétil.

O kit possui três Lançadores com alcances diferentes, nomeados de L1, L2 e

L3. Os três são construídos de maneira semelhante, alterando apenas a mola de

compressão em seu interior, que define a potência dos lançamentos, e o comprimento

do corpo da peça.

Figura 20 – Posicionamento da identificação dos Lançadores.

38

Cada Lançador possui uma identificação a partir da qual é possível identificar,

no manual, a força com que é impulsionado o projétil de acordo com a mola em seu

interior.

6.1.2.5 Componentes auxiliares

Os componentes auxiliares – Projétil, Gancho, Conector, Peso, Pino - são

peças que complementam os sistemas ao conectar os elementos e alterar as variáveis

consideradas nos exercícios.

6.1.2.5.1 Projétil

Este componente é o corpo impulsionado nas atividades de Lançamento

Oblíquo. O conjunto contém duas unidades dessa peça com propriedades diferentes.

A variação de massa aumenta a quantidade de variações que podem ser feitas

durante a experimentação.

6.1.2.5.2 Conector

O Conector tem como função ligar a Mola ao Plano no Sistema de Lei de Hooke.

O kit contém uma unidade deste componente que consiste em uma peça de aço com

uma das extremidades roscada e outra com uma curvatura.

O lado roscado atravessa o furo no centro do Plano e é preso por uma porca

na outra face da peça. O lado curvado recebe os outros componentes que

proporcionarão peso ao sistema.

6.1.2.5.3 Gancho

Este componente é utilizado no sistema de Lei de Hooke e tem como objetivo

ligar a mola aos pesos. O kit contém três unidades dessa peça que, assim como o

Conector, apresenta uma extremidade roscada e outra em curva.

Sua extremidade roscada atravessa os Pesos que permanecem ligados ao se

apertar uma porca, e sua extremidade curvada se prende à curvatura do Gancho,

deixando os componentes suspensos.

39

A sua massa de 10g também deve ser considerada ao se calcular o peso

colocado na Mola.

6.1.2.5.4 Peso

O Peso é o componente que proporciona o aumento de massa às peças dos

sistemas. Composto por discos de aço com centro vazado, o peso pode ser

adicionado diretamente ao Bloco, no sistema de Plano Inclinado ou por meio do

Conector no sistema de Lei de Hooke.

O kit possui 60 unidades deste componente, estando dividido entre Pesos

maiores, de 30mm de diâmetro e 13g, e menores, de 18mm de diâmetro e 1,2g. Os

Pesos menores são utilizados para causar diferenças mais sutis na massa.

6.1.2.5.5 Pino

O Pino é a peça responsável por ligar os Planos e os Goniômetros. Sua

estrutura é composta por uma barra roscada, que atravessa os componentes, e duas

porcas borboleta, que travam os componentes na posição desejada. O kit possui 4

unidades desse componente.

6.1.2.6 Manual

Com uma encadernação em grampo canoa e formato A5, o manual que

acompanha o kit tem as informações necessárias para identificação dos componentes

e montagem dos sistemas, além de explicar o funcionamento de cada peça por meio

de ilustrações.

O livreto contextualiza ainda, de maneira resumida, o conteúdo da matéria

abordada, apresentando os esquemas gráficos e listando as fórmulas normalmente

utilizadas nos exercícios tradicionais.

Além de explicitar o local das identificações, nas peças maiores, para as peças

pequenas que precisam ser diferenciadas na montagem, o manual utiliza o recurso

de reconhecimento pela forma do componente. Nas páginas, há as silhuetas em

escala real das peças sobre as quais é possível posicioná-las e conferir se o

componente manuseado corresponde ao indicado pelo manual.

40

Em uma versão estendida, o manual poderia conter também as instruções para

a confecção de cada peça do kit, os materiais e os processos que poderiam ser

utilizados, além de orientações para recalcular as propriedades de cada componente,

como o coeficiente elástico das molas e o coeficiente de atrito dos blocos. Isso torna

possível replicar o conjunto de peças, fornecendo às instituições que não têm como

comprar o kit informações para fabriquem os seus próprios.

6.2 Construção de modelos

Os modelos construídos – um modelo virtual e um modelo físico executado com

materiais alternativos – permitiram a avaliação do funcionamento do kit projetado.

6.2.1 Modelo virtual

As peças do conjunto foram modeladas com o software de desenho assistido

por computador, SolidWorks.

Durante a produção do modelo, foi possível confirmar a compatibilidade entre

as medidas previstas para cada peça.

41

6.2.1.1 Planos

Figura 21 – Modelagem digital do Plano.

Figura 22 – Modelagem digital do Plano.

42

6.2.1.2 Bloco

Figura 23 – Modelagem digital do Bloco

6.2.1.3 Goniômetro

Figura 24 – Modelagem digital do Goniômetro.

43

6.2.1.4 Lançador

Figura 25 – Modelagem digital do Lançador.

6.2.2 Modelo físico

A estrutura do modelo físico foi construída com papelão e cartão couro,

utilizando parafusos de aço inox nas junções. Os principais objetivos desse modelo

foram verificar as dimensões planejadas para cada peça e testar os mecanismos de

encaixe.

44

Figura 26 – Modelo em papel do Bloco

Figura 27 – Modelo em papel do Plano

45

Figura 28 – Modelo em papel do Plano

Figura 29 – Modelo em papel do sistema de Plano Inclinado

A escala escolhida se mostrou adequada para a visualização de um grupo de

pessoas a uma certa distância, que seria a situação de uso na sala de aula.

46

7 Protótipo

O protótipo foi confeccionado em MDF, utilizando ferramentas básicas, para

corte, perfuração e lixa, para o acabamento.

Outra opção para a fabricação seria o corte a laser. Apesar de as peças não

apresentarem formas muito complexas e difíceis de serem alcançadas manualmente,

o corte a laser agilizaria a produção e aumentaria as opções de materiais a serem

utilizados.

Figura 30 – Sistema de Plano Inclinado montado

Figura 31 – Peças do sistema de Plano Inclinado

47

Figura 32 – Sistema de Lei de Hooke montado

Figura 33 – Peças do sistema de Lei de Hooke

48

Figura 34 – Sistema de Lançamento Oblíquo montado

Figura 35 – Peças do sistema de Lançamento Oblíquo

49

7.1 Plano

A partir de uma placa de MDF com 15mm de espessura, foram retirados nove

sarrafos com 4cm de largura e diferentes comprimentos. As nove peças, depois de

niveladas e lixadas para ter suas extremidades boleadas, foram perfuradas com uma

broca de 5mm em sua lateral para abrir passagem dos Pinos.

Feito isso, as ripas foram coladas lado a lado, com cola de madeira, formando

os Planos.

Figura 36 – Detalhe do encaixe do Plano

Figura 37 – Plano AA

50

Figura 38 – Plano AB

7.2 Goniômetro

Da mesma placa de MDF que deu origem aos Planos, foram tirados os

Goniômetros. As dez peças, sendo quatro maiores, utilizadas junto aos Planos, e seis

menores, usadas junto aos Lançadores, foram cortadas com auxílio de uma serra tico-

tico de bancada e lixadas a mão até atingirem uma superfície suficientemente regular.

Posteriormente, foram feitos os furos em seus centros com uma broca de 5mm.

Em suas laterais, foram feitas ranhuras, nos pontos das marcações dos ângulos, por

entre as quais a tinta branca se fixa.

Figura 39 – Goniômetro

51

7.3 Bloco

As cinco partes do Bloco e os fundos foram confeccionados com placas de MDF

com 6mm de espessura e colados com cola epóxi. Aos fundos removíveis foram

fixados retalhos de diferentes materiais – feltro, carpete, courino e emborrachado –

que proporcionam maior ou menor atrito.

Figura 40 – Bloco e Placas de fundo

7.4 Lançador

Os Lançadores foram extraídos de pequenas placas de MDF com 6mm de

espessura. As sete partes que compõem o corpo foram cortadas e lixadas até atingir

a inclinação necessária para realizar o encaixe planejado.

52

Figura 41 – Detalhe do interior do Lançador.

Figura 42 – Furo do Lançador.

53

Figura 43 – Detalhe da traseira do Lançador.

Em suas laterais, foram feitos furos cegos para acomodar os parafusos que

fazem a ligação com os Goniômetros.

Figura 44 – Detalhe lateral do Lançador.

Para o seu mecanismo de disparo, foi utilizado um cordão de algodão como

puxador, cilindros plásticos, hastes metálicas com comprimentos correspondentes aos

das molas comprimidas, prismas de face quadrada para a plataforma de lançamento

e molas de compressão de aço compradas avulsas.

54

Figura 45 – Mecanismo de disparo do Lançador.

As marcações dos ângulos e as identificações dos Lançadores foram feitos com

uma tinta branca opaca permanente de secagem rápida. A cor branca se destaca

sobre o MDF e a tinta utilizada é resistente a arranhões e ao atrito com outras peças.

7.5 Mola

Foram testadas diversas molas de compressão e tração até se encontrarem os

modelos com as propriedades adequadas para os sistemas de Lançamento Oblíquo

e Lei de Hooke.

Figura 46 – Molas de compressão

55

Para o funcionamento dos Lançadores, as molas mais rígidas se mostraram

como as melhores opções ao impulsionar com maior potência o Projétil.

Figura 47 – Molas de tração

As molas de tração selecionadas para o sistema de Lei de Hooke foram as mais

maleáveis possíveis para que a deformação fosse a mais acentuada possível para o

peso utilizado.

7.6 Componentes auxiliares

Para esses componentes foram aproveitadas peças de aço comuns no

mercado, acrescentando pouco custo ao conjunto e permitindo fácil reposição em

caso de perda ou dano.

56

Figura 48 – Componentes auxiliares.

Como Projétil, optou-se por usar duas bilhas de aço com diâmetros de 15mm e

18mm e massas de 14g e 24g, respectivamente. O peso relativamente alto da esfera

evita que a sua trajetória sofra interferências causadas por correntes de ar, e a sua

superfície uniforme reduz as imprecisões referentes à resistência do ar.

Para o Conector, foi utilizada uma peça padrão do mercado, ajustada para o

comprimento de 12cm.

Semelhante ao Conector, o Gancho apresenta uma extremidade roscada e

outra em curva, porém com uma haste mais curta, tendo um comprimento total de

120mm. Assim como o Conector, é uma peça padrão do mercado. A sua massa, junto

à porca que o acompanha, é de 10g.

Para o peso, foram utilizadas arruelas de 30mm e 18mm de diâmetro. O kit

contém 60 unidades deste componente, que se dividem entre Pesos maiores, de

30mm de diâmetro e 13g, e menores, de 18mm de diâmetro e 1,2g. Os Pesos

menores são utilizados para causar diferenças mais sutis na massa.

O Pino é a peça responsável por ligar os Planos e os Goniômetros. Sua

estrutura é composta por uma barra roscada, que atravessa os componentes, e duas

porcas borboleta, que travam os componentes na posição desejada. O kit possui 4

unidades desse componente.

57

Para o Receptor, foi feito um colchão de areia revestido com malha para

amortecer e reter o Projétil ao final da trajetória. O colchão fica contido em uma caixa

de MDF com dimensões de 15cmx15cmx2cm.

A Esteira foi um componente incluído no kit após iniciados os testes com o

protótipo. Observou-se que, com as suas bases mais afastadas para atingir as

inclinações menores, o sistema de Plano Inclinado não se sustentava. Esse problema

foi solucionado com a inclusão da nova peça, que aumenta a aderência dos

Goniômetros à superfície de montagem.

Figura 49 – Kit completo

58

8 Utilização e validação do protótipo pelo usuário

Os testes de utilização e validação foram realizados com um grupo de cinco

estudantes com idade entre 14 e 19 anos, faixa etária que se aproxima daquela

prevista para as três séries do Ensino Médio. O local escolhido para as avaliações foi

um ambiente interno, fechado e silencioso, com uma mesa sobre a qual os

experimentos foram montados. Sob supervisão do projetista, os testes incluíram as

fases de montagem e desmontagem dos sistemas com auxílio do manual, a realização

de cálculos e o desenvolvimento das experimentações propostas pelo kit.

O quantitativo de cinco estudantes mostrou-se bem dimensionado para a

manipulação do kit e para a execução das atividades de experimentação previstas,

uma vez que os participantes puderam operar individualmente o equipamento e

discutir sobre o seu funcionamento sem tumultuar a atividade. Dessa forma, essa é

uma configuração recomendável para a utilização de Archimedes na sala de aula,

salvo situações em que ele for usado para simples demonstração.

Figura 50 – Teste com usuários.

O primeiro sistema testado foi o de Plano Inclinado. Foi solicitado aos usuários

que eles montassem as peças de acordo com o ilustrado no manual e escolhessem

uma das possíveis ordenações de ângulo e atrito para iniciar a experimentação.

59



60

Finalizados os experimentos de Plano Inclinado, seguiu-se para a avaliação do

sistema de Lei de Hooke. Os usuários selecionaram uma das Molas e a quantidade

de Pesos para realizar os cálculos e, após concluí-los, montaram o sistema

correspondente.



61


O sistema de Lançamento Oblíquo foi o último a ser testado. Dado o tamanho

limitado do espaço utilizado no teste, não foi utilizado o Lançador com maior potência

do kit. Durante o ajuste de ângulo do Lançador, o parafuso em sua lateral se soltou,

devido ao excesso de força aplicado.

Figuras 56 e 57 – Teste com usuários.

62



63

O ambiente de realização das atividades de validação do protótipo, entretanto,

não foi uma sala de aula, assim como os cinco estudantes participantes não formavam

uma classe escolar. É desejável, portanto, que se realizem testes subsequentes para

uma avaliação mais completa da ferramenta proposta.

Os componentes principais e auxiliares de cada um dos sistemas mostraram-

se bem dimensionados e em número suficiente para o adequado funcionamento na

realização dos experimentos previstos. Alguns pesos não foram utilizados durante os

experimentos de Plano Inclinado e de Lei de Hooke, o que não comprometeu a

experimentação.

O material utilizado no protótipo resistiu bem aos testes. Ocorreu somente um

dano na ferramenta, já mencionado, quando um dos pinos, colado ao lançador,

descolou-se dessa peça durante sua manipulação. O reparo foi simples, já que bastou

recolocar o pino e reaplicar cola.

Os sistemas foram montados com rapidez, tendo cada um deles exigido cerca

de 5 minutos para conclusão dessa etapa. O tempo utilizado por cada experimento foi

variável, mas não ultrapassou 10 minutos, desprezado o intervalo dedicado aos

cálculos.

As informações do manual foram suficientes e claras na orientação das etapas

de montagem e utilização de Archimedes. Os usuários foram orientados a se limitarem

ao manual durante essas etapas, mas fizeram uma pergunta sobre a intensidade da

força que poderia ser empregada no uso das porcas borboleta. Houve também

bastante conversação entre os usuários durante a identificação das peças e nos

momentos de conferência dos cálculos relativos à Lei de Hooke. Essa última

ocorrência pareceu se relacionar à amplitude de resultados encontrados,

perfeitamente cabível em experimentos concretos. Os estudantes mais velhos

auxiliaram um dos estudantes mais novos que manifestou dúvida sobre os cálculos

realizados durante a utilização do sistema da Lei de Hooke.

Além disso, foi confirmado que a estética do kit favoreceu o reconhecimento

intuitivo de peças, bem como de formas e mecanismos de sua montagem e utilização.

64

9 Conclusão

O processo ensino-aprendizagem de Física no Ensino Médio das escolas

brasileiras enfrenta vários problemas, destacando-se dentre eles sua limitação a uma

abordagem teórica, que pode ser associada às dificuldades na disciplina e ao

desinteresse manifestados pelos estudantes. Nesse contexto, e considerando as

indicações de que a experimentação possa funcionar como metodologia apropriada

para a aquisição de competências e para a construção de conhecimentos nessa área

das Ciências, o kit Archimedes possibilita ao professor, no espaço da sala de aula, a

promoção de atividades experimentais significativas para a abordagem de conteúdos

de Mecânica, a um baixo custo, de forma segura e prática.

A oportunização dessas atividades não apenas configura um método de ensino

que pode alcançar bons resultados como também enseja novas organizações do

espaço da sala de aula, já que tende a garantir ao aluno papel mais ativo no processo

de ensino-aprendizagem e facilitar ao professor o desempenho de seu papel de

orientador e facilitador nesse mesmo processo. Ressalte-se que o produto é

adequado também a demonstrações, pelo professor, de situações estudadas.

Outro aspecto positivo do produto é a interação entre os alunos, e entre estes

e o professor, que seu uso é capaz de proporcionar. Durante os testes, pôde-se

observar que os alunos com melhor domínio da matéria contribuem para que os

colegas com dificuldade de compreensão acompanhem e absorvam o conteúdo

Esse contato pode ser favorecido pela organização dos alunos em grupos que

reúnam alunos de diferentes níveis de conhecimento, o que certamente levaria a

organizações alternativas e talvez mais produtivas do espaço da sala de aula.

Por fim, os testes realizados ratificaram a facilidade de montagem e utilização

dos sistemas que compõem o kit, ainda que de forma preliminar. Embora a avaliação

da fragilidade dos materiais propostos para sua confecção ainda careça de mais

testes, assim como a avaliação da estética do produto, essa facilidade certamente

contribuirá de forma positiva para a durabilidade da ferramenta projetada.

Dentro dos limites de um trabalho de conclusão de curso, convém destacar que

seria desejável pesquisar mais sobre os objetivos do ensino de Física, sobretudo no

que diz respeito ao desenvolvimento de competências. De forma semelhante, seria

recomendável pesquisar formas de expandir o conjunto de atividades permitidas pela

65

utilização de Archimedes, obedecidos os requisitos de baixa complexidade de

montagem e uso, mobilidade, número reduzido de peças, durabilidade e estética

Os testes realizados na etapa de validação do produto parecem confirmar o

apelo proporcionado pelas atividades experimentais previstas para sua utilização. Os

usuários mostraram-se interessados em executar as atividades. É válido ressaltar, no

entanto, que, no ambiente real da sala de aula, o sucesso da aplicação da ferramenta

dependeria do perfil disciplinar dos alunos, dentre outros fatores. Além disso, os

planos de curso de Física tradicionalmente estabelecem o conteúdo programático

para o ano letivo, e o professor é cobrado para que esses planos sejam cumpridos.

Essa circunstância poderia ser um empecilho para a adoção da nova ferramenta.

Sendo assim, a utilização efetiva do kit nos horários das aulas dependeria do diálogo

entre professor e escola e, num âmbito mais geral, dos órgãos responsáveis por definir

os currículos escolares e rediscutir os objetivos do ensino de Física na Educação

Básica.

66

10 Desenho Técnico

Esta seção contém os desenhos técnicos das peças componentes do kit

didático Archimedes.

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

LANÇADORVISTA EXPLODIDA

2016

1ºDIEDRO

TURMA 1A ESC.: 1/2

TDT TCE

1

1

2

2

2

2

2

3

4

5

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

UNID.: mm

3

2

4

5

1

LATERAL

CORPO

GONIÔMETRO

PARAFUSO AÇO ZINCADO

AÇO ZINCADO

MDF

MDF

MDF

PORCA BORBOLETA

VISTA EXPLODIDA 1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

BLOCO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2

TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

UNID.: mm

ESCALA 1/5

1

4

3

2

1

2

1

1

2

2

3

4 PLACA DE FUNDO

FUNDO

FRONTAL

MDF

MDF

MDF

MDF

LATERAL

VISTA EXPLODIDA

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

PLANO AB

2016

TURMA 1A ESC.: 1/5


SARA BRISON

UNID.: mm1ºDIEDRO

VISTA EXPLODIDA

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

PLANO AA

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2

ESCALA 1/2


SARA BRISON

UNID.: mm

1

2 1

2

INTERNO

MDF

MDF

EXTERNO

1

2

1ºDIEDRO

25

40

60

16

5

5

UFF

PROJETO VIII

LATERAL LANÇADOR

2016

1ºDIEDRO

TURMA 1A ESC.: 1/1JOÃO LUTZ


SARA BRISON

UNID.: mm

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

PINOPORCA BORBOLETA

2016

TURMA 1A ESC.: 2/1


SARA BRISON

UNID.: mm

5

9

1,7

9

R 4 1

0

10

8

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

PINOPINO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/1


SARA BRISON

UNID.: mm

170

6

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

LANÇADORPARAFUSO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/1


SARA BRISON

UNID.: mm

40

6

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

CORPO LANÇADOR

2016

TURMA 1A ESC.: 1/1


SARA BRISON

5

5

16

25

16

74

40

6

20

UNID.: mm

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

PLANO PLANO AB

2016

TURMA 1A ESC.: 1/5


SARA BRISON

40

465

R7,50

15

UNID.: mm

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

EXTERNO PLANO AA

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2


SARA BRISON

220

40

8 R7,50

UNID.: mm

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

GONIÔMETROGONIÔMETRO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/1


SARA BRISON

8

R30 R40

100

25

15

UNID.: mm

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

GONIÔMETRO LANÇADOR

2016

UNID.: mm

TURMA 1A ESC.: 1/1


SARA BRISON

80

30

8

R25

R30

R40

15

70

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

FRONTAL BLOCO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2


SARA BRISON

150

80

5

UNID.: mm

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

CONECTOR CONECTOR

2016

TURMA 1A ESC.: 2/1


SARA BRISON

UNID.: mm

R10,35

90

120

6

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

GANCHOGANCHO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/1


SARA BRISON

UNID.: mm

22

70

42

3

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

2016

TURMA 1A ESC.: 2/1


SARA BRISON

UNID.: mmPESO MAIOR PESOS

33

ESPESSURA: 1,7mm

7

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

PESO MENOR PESOS

2016

TURMA 1A ESC.: 2/1


SARA BRISON

UNID.: mm

18

7

ESPESSURA: 1,2mm

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

LATERAL BLOCO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/1


SARA BRISON

70

80

5

UNID.: mm

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

PLACA DE FUNDO BLOCO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2


SARA BRISON

80

150

10

60

10

5

5

30 30 40

25 25

UNID.: mm

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

INTERNO PLANO AA

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2


SARA BRISON

180

40

R7,50

UNID.: mm

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

FUNDO BLOCO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2


SARA BRISON

UNID.: mm

20 30 40 30 20

5

60

5

5

89

11 Bibliografia

AMARAL, S. F.;BARROS, D.M.V. Estilos de aprendizagem no contexto educativo de

uso das Tecnologias digitais interativas. Disponível em:

<http://www.lantec.fe.unicamp.br/lantec/pt/tvdi_portugues/daniela.pdf> Acesso em:

abr. 2016.

BAXTER, M. Projeto de produto: guia prático para o Design de novos produtos.

2. ed. rev. São Paulo: Edgard Blücher, 2000.

BLÜMKE, Roseli Adriana; AUTH, Milton Antonio. Significação conceitual e

experimental no ensino de física. Unijuí. Disponível em:

<http://www.portalanpedsul.com.br/admin/uploads/2004/Poster/Poster/07_04_08_SI

GNIFICACAO_CONCEITUAL_E_EXPERIMENTAL_NO_ENSINO_DE_FISICA.pdf>

Acesso em: mai. 2016.

HEINECK, Renato. O ensino de física na escola e a formação de professores:

reflexões e alternativas. Disponível em:

<https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/6811/6295> Acesso em: mai.

2016.

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO - Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas

Educacionais Anísio Teixeira. Resumo técnico – Censo escolar 2010. Brasília, 2010.

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO. Orientações Educacionais Complementares aos

Parâmetros Curriculares Nacionais: Ciências da Natureza, Matemática e suas

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<http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/CienciasNatureza.pdf> Acesso em: abr.

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OMOTE, N. Física: 2º grau. 3. ed. São Paulo: Editora Moderna, 1982.

90

PORTUGAL, Cristina; COUTO, Rita. Design em situações de ensino-aprendizagem.

Estudos em Design, Rio de Janeiro, v. 18, n. 1, 2010. Disponível em:

<https://estudosemdesign.emnuvens.com.br/design/article/view/42/39> Acesso em:

jul. 2016.

RICARDO, Elio C.; FREIRE, Janaína C.A. A concepção dos alunos sobre a física do

ensino médio: um estudo exploratório. Disponível em:

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SOARES, A.B.; MUNCHEM, S.; ADAIME, M.B. Uma análise da importância da

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em: <https://www.revistas.unijui.edu.br/index.php/edeq/article/view/2807/2381>.

Acesso em: abr. 2016.

91

ANEXO – Manual

universidade federal fluminense bacharelado em … · diferentes estilos de aprendizagem,...

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