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O coração da questão Fornecido pelo TryEngineering - www.tryengineering.org Clique aqui para dar seu feedback sobre esta lição Foco da lição A lição enfoca o projeto e funcionamento de válvulas cardíacas artificiais e a interface entre homem e máquina. Resumo da lição A atividade O coração da questão explora o conceito de operação de válvulas e como a engenharia adaptou válvulas para uso em um projeto de válvula cardíaca mecânica. Os estudantes aprenderão sobre diversas válvulas usadas em casa e na indústria e três projetos diferentes de válvulas cardíacas mecânicas. Os estudantes examinarão e operarão uma válvula de esfera e farão experimentos com uma válvula de gaveta. Então eles trabalharão como uma equipe de “engenheiros” para desenvolver e fazer desenhos de melhorias para a válvula cardíaca mecânica. Faixa etária 8-18. Objetivos Aprender sobre Aprender sobre mecânicas. Aprender sobre humanas. Aprender sobre da engenharia. válvulas. alterações de projeto de engenharia de válvulas cardíacas interface homem-máquina no atendimento a necessidades trabalho em equipe e o processo de projeto/solução de problemas Resultados esperados para os alunos Como resultado desta atividade, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Válvulas. Interface homem-máquina. O impacto da engenharia e da tecnologia na sociedade. Solução de problemas de engenharia. Trabalho em equipe. O coração da questão Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 1 de 11 Atividades da lição Os estudantes aprenderão como válvulas operam e as melhorias de engenharia que aperfeiçoaram o projeto de válvulas cardíacas mecânicas ao longo do tempo. Os tópicos examinados incluem solução de problemas, trabalho em equipe e o processo de projetos em engenharia. Os estudantes trabalharão em equipes para examinar e operar dois tipos de válvulas e então recomendarão alterações para melhorar a funcionalidade de válvulas cardíacas mecânicas. As equipes de alunos farão desenhos de seus novos projetos e apresentarão os mesmos à turma. Recursos/Materiais Documentos de recursos do professor (anexos). Folhas de recursos do aluno (anexas). Folha de trabalho do aluno (anexa). Alinhamento a grades curriculares Consulte a folha de alinhamento curricular anexa. Recursos na internet TryEngineering (www.tryengineering.org). O Franklin Institute on-line: o coração (http://sln.fi.edu/biosci/). Associação Cardíaca Norte-Americana - coração artificial (www.americanheart.org/presenter.jhtml?identifier=4444). Compêndio McREL de Padrões e Marcas de Referência (www.mcrel.org/standardsbenchmarks). Uma compilação dos padrões atuais do currículo K-12 (ensino fundamental e médio) dos EUA, em formatos pesquisável e navegável. Padrões Educacionais de Ciência dos EUA (www.nsta.org/standards). Grade Curricular de Ciência e Tecnologia/Engenharia de Massachusetts (www.doe.mass.edu/frameworks). Leituras recomendadas Robert Jarvik and the First Artificial Heart, de John Bankston (ISBN: 1584151161). Machines in Our Hearts : The Cardiac Pacemaker, the Implantable Defibrillator, and American Health Care, de Kirk Jeffrey (ISBN: 0801865794). Advancing the Technology of Bileaflet Mechanical Heart Valves (ISBN: 3798511004). Valve Surgery at the Turn of the Millennium (ISBN: 140207834X). Atividades escritas opcionais Escrever um ensaio ou parágrafo descrevendo como a engenharia substituiu ou permitiu o uso continuado de uma parte do corpo. Escolher dentre as seguintes partes: joelho, dentes, ouvido, bacia, pulmão. O coração da questão Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 2 de 11 O coração da questão Para professores: Alinhamento a grades curriculares Nota: Todos os planos de aula deste conjunto são alinhados ao National Science Education Standards dos EUA, produzidos pelo National Research Council e endossados pela National Science Teachers Association, e, se aplicável, ao Standards for Technological Literacy da International Technology Education Association e ao Principles and Standards for School Mathematics do National Council of Teachers of Mathematics. Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, séries K-4 (idades de 4 a 9 anos) CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia Como resultado das atividades da 5ª a 8ª série, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico. Compreensão de ciência e tecnologia. CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Propriedades de objetos e materiais. CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico. Habilidades de distinguir entre objetos naturais e objetos feitos pelo homem. CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Saúde pessoal. Riscos e benefícios. Ciência e tecnologia na sociedade. CONTEÚDO PADRÃO G: história e natureza da ciência Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: História da ciência. Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 5ª a 8ª séries (idades de 10 a 14 anos) CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Movimentos e forças. CONTEÚDO PADRÃO C: ciências da vida Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Estrutura e funcionamento de sistemas vivos. CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia Como resultado das atividades da 5ª a 8ª série, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico. Compreensão de ciência e tecnologia. O coração da questão Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 3 de 11 O coração da questão Para professores: Alinhamento a grades curriculares (continuação) CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Saúde pessoal. Riscos e benefícios. Ciência e tecnologia na sociedade. CONTEÚDO PADRÃO G: história e natureza da ciência Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: História da ciência. Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 9ª a 12ª séries (idades de 14 a 18 anos) CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Movimentos e forças. Interações entre matéria e energia. CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico. Compreensão de ciência e tecnologia. CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Saúde pessoal e comunitária. Ciência e tecnologia em desafios locais, nacionais e globais. CONTEÚDO PADRÃO G: história e natureza da ciência Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Perspectivas históricas. Padrões para a Educação Tecnológica - todas as idades A natureza da tecnologia Padrão 1: Os estudantes desenvolverão uma compreensão das características e do escopo da tecnologia. Padrão 2: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos conceitos fundamentais da tecnologia. Padrão 3: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos relacionamentos entre tecnologias e as conexões entre tecnologia e outros campos de estudo. O coração da questão Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 4 de 11 Tecnologia e sociedade Padrão 4: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos efeitos culturais, sociais, econômicos e políticos da tecnologia. Padrão 6: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do papel da sociedade no desenvolvimento e uso da tecnologia. Padrão 7: Os estudantes desenvolverão uma compreensão da influência da tecnologia na história. Projeto Padrão 8: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos atributos de projeto. Padrão 9: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do projeto de engenharia. Padrão 10: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do papel da busca de erros, pesquisa e desenvolvimento, invenção e inovação e experimentação na solução de problemas. Habilidades para um mundo tecnológico Padrão 11: Os estudantes desenvolverão habilidades para aplicar o processo de projeto. Padrão 13: Os estudantes desenvolverão habilidades para avaliar o impacto de produtos e sistemas. O mundo projetado Padrão 14: Os estudantes desenvolverão uma compreensão e serão capazes de selecionar e usar tecnologias médicas. O coração da questão Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 5 de 11 O coração da questão Para professores: Recursos do professor Propósito da lição Explorar como válvulas operam para controlar o fluxo de fluidos e, especificamente, como a válvula cardíaca mecânica funciona e como ela mudou ao longo do tempo, para melhorar a saúde de seres humanos. Os estudantes aprenderão sobre projeto de engenharia e examinarão e usarão dois tipos diferentes de válvulas. As equipes de alunos então discutirão e desenvolverão um desenho de uma melhoria para a engenharia de válvulas cardíacas mecânicas, que elas apresentarão à turma. Objetivos da lição Os estudantes aprenderem sobre válvulas. Os estudantes aprenderem sobre alterações de projeto de engenharia de válvulas cardíacas mecânicas. Os estudantes aprenderem sobre interface homem-máquina no atendimento a necessidades humanas. Os estudantes aprenderem sobre trabalho em equipe e o processo de projeto/solução de problemas da engenharia. Materiais • • • Folhas de recursos do aluno. Folhas de trabalho do aluno. Um conjunto de materiais para cada grupo de estudantes: o Uma válvula de esfera (válvulas de 1/4 de volta mostram a esfera girando e são bastante baratas). o Dois pedaços de cano galvanizado de ¾ pol. de 3045 cm de comprimento (podem ser também de outro material, mas estes costumam ser os mais baratos). o Válvula de gaveta de ¾ pol. o Duas tampas (“caps”) de mangueira de ¾ pol. o Um plugue de cano de ¾ pol. o Fonte de água e local para onde a água possa escorrer (pia ou ambiente externo). o Funil para derramar água no cano. Procedimento 1. Mostre aos estudantes as diversas folhas de referência do aluno. Elas podem ser lidas em sala ou fornecidas como material de leitura como lição de casa para a noite anterior à aula. 2. Divida os alunos em grupos de 3 a 4 estudantes; forneça um conjunto de materiais por grupo. 3. Peça aos estudantes para preencher as folhas de trabalho do aluno. Como parte do processo, os alunos montarão canos, válvulas, tampas e plugues para explorar como as válvulas operam. 4. Os estudantes então trabalharão como equipes de “engenheiros” para projetar uma nova melhoria para a válvula cardíaca mecânica. Eles planejarão e farão um desenho da melhoria proposta pela equipe. 5. Cada grupo de estudantes apresentará sua proposta à turma. Tempo necessário De uma a duas sessões de 45 minutos. O coração da questão Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 6 de 11 O coração da questão Recurso do aluno: Válvulas e hidráulica O que são válvulas? Uma válvula é um dispositivo que regula o fluxo de muitos tipos de fluidos, através da abertura, fechamento ou obstrução parcial de diversas passagens. Os fluidos podem incluir gases, sólidos fluidizados, pastas fluidas e líquidos. Exemplos são o sangue, gasolina e água. Válvulas podem ser encontradas em todos os lugares, em muitas aplicações em sua comunidade: desde o controle do fluxo de gasolina ou álcool em um carro à água em uma pia (torneira). Algumas válvulas são acionadas exclusivamente para pressão. Elas têm como principal finalidade a segurança como, por exemplo, em motores a vapor e aplicações de aquecimento doméstico e de cozinha. Existem vários tipos de válvulas: o Válvulas de esfera são abertas girando-se uma alavanca presa a uma esfera abrigada dentro da válvula. A esfera tem em seu interior um buraco que a atravessa, permitindo que o fluido passe quando ele está alinhado a ambas as extremidades da válvula. Se o buraco não estiver alinhado, o fluido não consegue passar. Existem também válvulas de esfera de três vias, onde a esfera tem um buraco em forma de T que a atravessa. o Válvulas de retenção ou “válvulas sem retorno” permitem que fluidos as atravessem em apenas um sentido. Alguns irrigadores e sistemas de irrigação por gotejamento usam válvulas desse tipo, para garantir que as mangueiras não fiquem totalmente secas quando o irrigador não está em uso. o Válvulas rotativas e válvulas de pistão podem ser encontradas em instrumentos de sopro de metal, sendo usadas neles para alterar a altura dos sons (mais graves ou agudos). o Uma torneira controla um fluxo de água. o Uma válvula de gaveta é aquela aberta levantando-se uma comporta redonda ou retangular e, assim, tirando-a do trajeto do fluido. o Válvulas de palheta são o equivalente mecânico das válvulas cardíacas. Elas normalmente consistem em tiras flexíveis finas de metal ou fibra de vidro, fixas em uma extremidade, que abrem e fecham em decorrência de alterações de pressão nos lados opostos da válvula - da mesma forma que as válvulas cardíacas. Elas são projetadas para restringir o fluxo a um único sentido, e são encontradas em motores de automóveis, para controlar a entrada do combustível (válvula de admissão). O que é hidráulica? A hidráulica é um ramo da ciência e da engenharia que estuda as propriedades mecânicas dos líquidos. Os primeiros mestres dessa arte foram Héron de Alexandria e Ctesíbio. Esses engenheiros antigos se concentraram em aspectos inovadores da hidráulica, em vez de em aplicações práticas. A maioria dos engenheiros lida com problemas de hidráulica, tais como fluxo em canos, projeto de barragens, circuitos de controle de fluidos, biomateriais, bombas, medição de fluxo e erosão. O coração da questão Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 7 de 11 O coração da questão Recurso do aluno: Como as válvulas cardíacas funcionam Válvulas cardíacas humanas Na anatomia humana, as válvulas cardíacas mantêm o fluxo unidirecional do sangue, abrindo e fechando de acordo com a diferença de pressão entre cada lado da válvula. As válvulas humanas funcionam cerca de 40 milhões de vezes por ano, ou dois bilhões de vezes ao longo de uma vida. Existem quatro válvulas no coração. Duas são válvulas atrioventriculares, que garantem que o sangue flua dos átrios para os ventrículos, e não no sentido oposto. As outras duas são válvulas semilunares, localizadas nas artérias que saem do coração. Sua função é impedir que o sangue flua de volta das artérias para os ventrículos. O som de batimentos cardíacos que todos conhecemos é causado pelas válvulas cardíacas, quando fecham. Nos Estados Unidos, a cada ano cerca de 80.000 adultos são operados para reparar ou substituir válvulas cardíacas danificadas. Válvulas cardíacas mecânica Uma válvula cardíaca mecânica é construída com materiais feitos pelo homem. A vantagem das válvulas mecânicas é que elas normalmente duram a vida inteira. Elas não se desgastam da mesma forma que as válvulas naturais ou biológicas. Elas são projetadas para duplicar a função natural das válvulas cardíacas em pessoas cujo coração não funciona apropriadamente, dado a defeito ou doença. Da mesma forma que as válvulas cardíacas naturais, as válvulas cardíacas mecânicas devem impedir que o sangue volte, depois de ter sido bombeado através das câmeras do coração. A desvantagem de uma válvula cardíaca mecânica é que ela exige que a pessoa tome remédios para afinar seu sangue. Isso impede que os componentes funcionais da válvula entupam ao longo do tempo, mas apresenta um risco para a pessoa. O sangue afinado leva mais tempo para coagular ou engrossar, no caso de um corte ou ferimento. Histórico A primeira operação conhecida em uma válvula cardíaca ocorreu em 1913, mas a substituição de válvulas doentes só começou a ocorrer a partir de 1952. As válvulas de bola foram o primeiro tipo de válvula cardíaca mecânica, tendo sido desenvolvidas aproximadamente na mesma época. Em 1952, o Dr. Charles Hufnagel implantou válvulas cardíacas de bola presa em gaiola em dez pacientes, dos quais seis sobreviveram à operação. Foi o primeiro sucesso em longo prazo de válvulas cardíacas artificiais. Atualmente, o único modelo de válvula de bola em gaiola aprovado para uso nos Estados Unidos é a válvula Starr-Edwards. Ela consiste em uma bola de silicone presa em uma gaiola formada por fios metálicos que saem do corpo da válvula. A bola se move com o fluxo e, assim, abre e fecha a válvula. O coração da questão Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 8 de 11 O coração da questão Recurso do aluno: Como as válvulas cardíacas funcionam(continuação) Projeto de engenharia Bola em gaiola: A bola em gaiola é um dos primeiros projetos de válvulas cardíacas mecânicas. Ele consiste em uma pequena bola mantida no lugar por uma pequena gaiola de metal. O projeto de bola foi inspirado pelas válvulas de retenção de bola usadas em aplicações domésticas e industriais que limitam o fluxo de fluidos em um único sentido. No entanto, a bola causava danos às células sangüíneas, exigindo que as pessoas usassem afinadores do sangue para limitar os danos a elas. Discos pivotantes: http://cape.uwaterloo.ca/che100projects/heart/files/convexo.jpg Em meados da década de 1960, foi apresentado um novo projeto para válvulas mecânicas, que reproduziam melhor o fluxo natural do sangue. Foram usados discos pivotantes que flutuavam entre duas barras, de forma que eles abriam à medida que o sangue avançava e fechavam quando o sangue começava a refluir. Este projeto tem vantagens e desvantagens. Os discos pivotantes causam menos danos às células sangüíneas, fazendo com que as pessoas não precisam tomar afinadores do sangue. Mas os discos ocasionalmente se desgastam e precisam ser substituídos. O projeto de bola é mais confiável. Válvula bicúspide: http://cape.uwaterloo.ca/che100projects/heart/files/bileaflet.jpg Em 1979, foi desenvolvida e apresentada uma nova válvula cardíaca mecânica. A válvula bicúspide consiste em dois folhetos de carbono semicirculares que pivotam ao redor de pequenas articulações. O projeto é muito confiável, mas a válvula não fecha completamente, o que permite algum refluxo do sangue. Esta válvula representa o substituto mecânico mais próximo da válvula cardíaca natural, que também permite, ocasionalmente, o refluxo do sangue. Quando uma pessoa tem esse problema em sua válvula mitral, diz-se que ela tem um “prolapso da válvula mitral”, o que causa alguma dor, mas nenhum risco de vida para a pessoa. Válvulas de tecido biológico Uma alternativa às válvulas cardíacas mecânicas é o uso de válvulas de tecido biológico, feitas de tecido humano ou animal. Essas válvulas de tecido biológico também incluem alguns componentes mecânicos, que proporcionam suporte estrutural e ajudam nos procedimentos cirúrgicos. O coração da questão Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 9 de 11 O coração da questão Folha de trabalho do aluno: Funcionamento de válvulas Passo um: Observe a válvula de esfera fornecida, vendo como a esfera gira para restringir o fluxo de fluidos. Perguntas: 1. O que você notou sobre a esfera dentro quando a borboleta ou alavanca é girada? Como isso afetaria o fluido passando por ela? 2. Que vantagens você viu neste tipo de válvula? 3. Em que aplicações você acha que é possível aplicar este tipo de válvula? 4. Que válvula pode ser melhor para controlar o fluxo da água “de torneira”? E da água de esgoto? Por quê? Passo dois: Como equipe, construam uma mini-válvula para água corrente, usando as peças fornecidas. Isso pode ser feito em uma pia ou ambiente externo. Montem a válvula fornecida nos canos e respondam às perguntas a seguir. Vocês devem ter uma válvula gaveta, dois pedaços de cano, duas tampas de mangueira, um plugue de cano, água e um funil. EM primeiro lugar, fixem cada extremidade da válvula gaveta a um pedaço de cano de ¾ pol. Fechem a válvula, de forma a impedir que a água flua, e então acrescentem água a uma extremidade e gradualmente abram a válvula, de forma que apenas uma ou duas gotas de água passem para o outro lado. Então experimentem diferentes combinações de componentes, observando o fluxo da água. Perguntas: 1. Vocês conseguiram bloquear totalmente o fluxo da água? Se sim, por quê? 2. O que ocorre se houver uma tampa de mangueira na ponta de um dos canos? Se os dois tubos estiverem completamente cheios de água, é possível fechar a válvula? 3. E se houver duas tampas de mangueira instaladas? A pressão muda? Por que ou por que não? O coração da questão 11 Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 10 de O coração da questão Folha de trabalho do aluno: Funcionamento de válvulas (continuação) 4. Como o funcionamento da válvula gaveta difere do da válvula de esfera? 5. Que tipo de válvula você acha que controla melhor o fluxo de água, se algum? Por quê? 6. Que tipo de válvula você acha que seria melhor para controlar o fluxo do sangue? Por quê? Passo três: Agora que já fizera experimentos com válvulas e leram sobre os pontos fortes e fracos dos três tipos principais de válvulas cardíacas mecânicas, trabalhem em equipe para projetar uma melhoria para as válvulas mecânicas futuras. Anexem um desenho ou esboço da peça componente proposta e respondam as perguntas abaixo: Que aspecto das válvulas cardíacas mecânicas vocês melhoraram? Por quê? Que materiais ou peças seriam eliminados ou acrescentados? Como este novo projeto resolveria a falha/deficiência identificada? Como vocês acham que seu novo projeto afeta a sociedade? Por quê? 4. Apresentem seu novo projeto proposto, incluindo desenhos do mesmo, à turma. O coração da questão 11 Desenvolvido pelo IEEE como parte do TryEngineering www.tryengineering.org Página 11 de
