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X V I SI M P Ó S I O N A C I O N A L D E EN S I N O D E F Í S I C A
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UMA USINA HIDRELÉTRICA COM MATERIAIS DE BAIXO CUSTO COMO INSTRUMENTO PARA A
ALFABETIZAÇÃO CIENTÍFICA DE ALUNOS DOS ENSINOS FUNDAMENTAL E MÉDIO
Jonny Nelson Teixeira1 ([email protected])
Luis Augusto Alves2 ([email protected])
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Laboratório de Óptica do Instituto de Física da USP
\ EE Brigadeiro Gavião Peixoto
Instituto de Física da USP- Departamento de Física Geral \ EE Brigadeiro Gavião Peixoto
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1. RESUMO
Atualmente vemos um crescimento da preocupação com a alfabetização científica dos
alunos, independente das disciplinas da área de ciências que eles têm na escola. Isso se
dá porque geralmente faz-se uma ligação do avanço da tecnologia ao avanço do
conhecimento científico, o que não é possível sem uma população plenamente
alfabetizada cientificamente.
A esta ligação do avanço do conhecimento científico ao crescimento tecnológico damos
o nome de tecnociência, sobre a qual há uma crescente mercantilização, isto é, a ciência
esta sendo utilizada como mercadoria nos grandes centros de produção de conhecimento
científico do mundo.
Apesar disso, vemos um grande número de centros de ciência e de universidades
trabalhando para que, com o grande crescimento do número de alunos das escolas,
principalmente as públicas, um número cada vez maior destes alunos seja atendido, de
forma a propiciar a alfabetização científica.
Pensando nisso, acreditamos que a alfabetização científica não é feita apenas com aulas
tradicionais, mas principalmente com a observação, análise e discussão dos temas da
ciência que estejam próximos aos alunos. Para tal, vimos a necessidade de se trabalhar
principalmente a Física como parte integrante do avanço da sociedade como um todo.
Assim, seguindo estas diretrizes, foi montada com os alunos de uma escola pública uma
maquete representativa de uma usina hidrelétrica, com o intuito de mostrar como
funciona uma turbina elétrica, suas partes principais e as leis físicas que, aplicadas nos
fenômenos que ocorrem com a maquete, ajudam a compreender a geração de energia
elétrica e porque há um impacto ambiental todas as vezes que uma usina desse porte é
construída.
Este trabalho tem por finalidade mostrar como esta simples maquete representativa pode
tratar de assuntos que podem afetar a vida de uma população, ensinando Física na
prática e discutindo assuntos como economia energética, geração de energia, meio
ambiente e, neste caso, a questão da escassez da água para a população.
2. ALFABETIZAÇÃO CIENTÍFICA, CULTURA E SOCIEDADE:
Atualmente podemos ver que diversos indicadores estatísticos apontam um grande problema
no ensino de ciências mundial. O que vemos é uma crescente polarização da produção de
conhecimento científico para os países de primeiro mundo, os quais, por causa disto, detêm o
desenvolvimento e a produção tecnológica. No caso dos países em desenvolvimento, podemos ver
que eles ainda têm uma produção científica pequena, se compararmos com os países desenvolvidos.
No caso do Brasil, esta produção científica está crescendo a cada dia, o que podemos ver pelo
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reconhecimento da produção científica brasileira tanto no palco do desenvolvimento científico
mundial, quanto no número de publicações em revistas científicas mundiais.
Entretanto, no cenário educacional, podemos ver por meio de indicadores nacionais e
internacionais (como o SARESP, o SAEB e o PISA) que o ensino de ciência no Brasil ainda
tropeça, apesar de haver uma preocupação muito acirrada com relação ao ensino, principalmente, de
física. Vemos que as avaliações aplicadas no ensino básico, tanto nacional (SAEB) quanto regional
em São Paulo (SARESP), convergem para um mesmo ponto quando analisamos o ensino de
ciência: os alunos do ensino básico (fim do ensino fundamental e início do ensino médio), na
maioria das vezes, não conseguem utilizar habilidades básicas de análise, discussão e síntese,
quando o assunto é ciência.
Isso poderia ser apenas uma falta de habilidades básicas (as quais os PCN indicam que os
professores trabalhem), mas não é. O déficit de conhecimento na área de ciência é grande nestes
alunos, e isso é que faz o seu aproveitamento ser tão pequeno.
Sendo assim, a procura dos professores por uma metodologia educacional que faça o que os
PCN indica tem sido grande. Para isso, é imprescindível que haja uma discussão nas salas de aula
sobre a ciência e a tecnociência, procurando sempre trazer para os alunos assuntos de importância
significativa, que façam parte efetivamente da vida dos alunos. Assuntos que, com a discussão,
possam relacionar o conhecimento científico e o seu papel na sociedade, deixando que os próprios
alunos tirem as suas conclusões, argumentando, propondo soluções para os problemas levantados,
etc.
Por isso, decidimos utilizar um instrumento que a maioria dos professores de artes usam
para inserir o conceito de escala para que, interdisciplinarmente, pudéssemos trabalhar a questão
política, social, biológica e científico-tecnológica da produção de energia elétrica e de sua eventual
falta em algumas regiões brasileiras.
Entretanto, antes de vermos as discussões, podemos discutir por que este trabalho pode ser
utilizado para ajudar na educação e na alfabetização científica. Podemos aqui tentar separar a
educação da alfabetização científica. No entanto, esta separação pode ser tratada como um ponto
negativo para o ensino de Ciências, porque uma pode estar separada da outra, mas as duas têm, ao
nosso ver, que se complementar.
Veremos como pode acontecer esta complementação. A educação vem sofrendo várias
mudanças desde que a universalização do acesso à escola começou a ser implantado no Brasil. Com
esta massificação ao acesso da população à educação era “previsto” que a grande maioria da
população escolarizada pudesse, além de aprender a interpretar suas leituras e se expressar
naturalmente utilizando as diversas linguagens expressivas, compreender fenômenos científicos e
expressar, com uma linguagem mais adequada, a sua interpretação desses fenômenos.
Assim, estas pessoas poderiam estar mais envolvidas com a ciência, mesmo quando não
mais estivessem dentro da escola. Mas isso não aconteceu, porque a educação científica, aquela
praticada nas escolas e em instituições formais de ensino (Barros, 1997), não se preocupava em
deixar no indivíduo uma tendência à curiosidade natural, para que este procurasse atualizações do
seu conhecimento por meio de reportagens científicas, livros, etc.
A partir da segunda metade do século passado, as metodologias e os materiais educacionais
foram melhorando e, a comparar com o fato do conhecimento científico ter aumentado
exponencialmente, a educação não conseguiu acompanhar o ritmo acelerado das produções
científicas, tanto nacionais como internacionais.
Então, com a criação dos PCN entra em vigor uma visão mais social do ensino de ciências,
que leva em consideração a preparação do estudante para usar, compreender e ter habilidades e
competências para entrar em discussões sobre ciência. Isso poderia preparar o estudante para se
atualizar quanto aos avanços científicos posteriormente à escola, ser crítico a ponto de discutir e
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opinar sobre os impactos dos avanços da tecnologia sobre a sua sociedade e aceitar ou não que estes
avanços façam parte do seu cotidiano.
Então, analisando os problemas que ocorrem no cenário da educação em ciências e vendo
que a grande maioria da população que sai da escola não se preocupa em entender e se atualizar em
assuntos da ciência, se não optar por continuar seus estudos em ciência. Assim surgiu um outro
conceito de educação, o qual foi chamado “alfabetização científica”, que engloba o ensino informal
de ciências, onde os protagonistas não são as escolas, mas sim os espaços informais de ensino,
como os museus de ciência, as exposições, as feiras de ciências e as publicações de divulgação
científica.
É neste contexto que se integra este material de exposição (que pode eventualmente ser
utilizado em uma feira de ciência, com o intuito de explorar partes interdisciplinares entre a física, a
biologia, as artes e as ciências sociais)
3. CONFECÇÃO DA MAQUETE:
Como a confecção da maquete foi feita por alunos de uma escola pública, os materiais
utilizados foram especialmente de baixo custo e, com isso, qualquer professor pode utilizar para
aplicar em sua escola, seja ela pública ou particular. Os materiais são:
• Uma prancha de madeira de 20x50 cm;
• Um garrafão de água de 10 litros;
• Dois registros de PVC comuns com entrada e saída de 0,5”;
• Dois pedaços de 1 m de mangueira cristal de 0,25”;
• Duas garrafas PET com a tampa;
• Dois conectores de mangueira de jardim comuns;
• Quatro braçadeiras para a mangueira;
• Dois bicos de pneu de caminhão (são mais longos);
• Réguas de plástico (para as turbinas);
• Duas tampas de cortiça grandes (com raio de ≈ 10 cm);
• Um LED e um pequeno motor CC;
• Madeira suficiente para fazer um suporte para as garrafas PET.
A maquete é constituída de duas partes: a parte da turbina e do gerador (que neste caso é
substituído por um motor CC, mas que pode ser feito com bobinas e ímãs presos pelo eixo), onde
temos a turbina construída com o garrafão de 10 litros, as réguas, presas nas tampas de cortiça, por
onde passa um eixo de rotação, que pode ser feito de madeira ou de alumínio, e o gerador, feito com
o motor CC.
A segunda parte é o reservatório de pressão de água, formado pelas duas garrafas PET
colocadas em seu suporte, tendo na parte de baixo de cada uma um bico de pneu de caminhão. As
garrafas devem estar hermeticamente fechadas. Para isso, foi utilizado silicone nos bicos de pneu e
uma borracha de vedação em cada tampa. Nas tampas foram colocados os conectores de torneira,
ligados às mangueiras. Para termos uma pressão grande da água que sai dos bicos e bate nas pás, o
que causa a movimentação da turbina, assim como as conexões da mangueira com os registros,
foram utilizadas conexões de mangueiras de compressores.
O funcionamento da maquete se dá quando, por meio de uma bomba (que pode ser manual
comum ou com um compressor de ar) é injetado ar para dentro das garrafas que já contêm água,
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pelo menos por um terço da garrafa. O ar é injetado com o registro fechado, o que possibilita a
pressurização do ar dentro das garrafas. O ar pressurizado empurra a água que está dentro das
garrafas quando os registros são abertos, que sai pelos bicos que contêm um certo estrangulamento,
o que faz com que a velocidade da água aumente, empurrando as pás da turbina e causando o
movimento que gera a eletricidade no motor CC.
(foto 3 - funcionamento)
4. DEMONSTRAÇÕES E DISCUSSÕES DA FÍSICA ENVOLVIDA:
Podemos ver que esta maquete pode ajudar aos professores de Física na abordagem de
diversos assuntos, variando desde a mecânica (hidrodinâmica, conservação de energia, movimento
circular, entre outros) até o eletromagnetismo (campo magnético, fluxo do campo magnético,
variação do fluxo formando campo elétrico, motores e geradores, etc), como veremos mais adiante.
Ao fazer a maquete funcionar, podemos começar com a discussão sobre a impenetrabilidade
da matéria. Quando é injetado o ar para dentro da garrafa, os alunos podem ver que o ar ocupa
espaço e empurra a água para fora. Isso é facilmente perceptível quando um aluno aperta a garrafa e
sente sua rigidez. Há uma possibilidade de começar a trabalhar a visão microscópica da matéria,
iniciando no aluno uma visão imaginária hipotética de como seriam as moléculas que formam a
matéria, podendo fazer uma ponte com seus outros estados, tratando-os também
microscopicamente.
Uma parte intuitiva é a necessidade da água ter mais velocidade quando sai do cano para
entrar em contato com as pás da turbina. Para isso, a diminuição do diâmetro do cão que sai do
registro se faz necessária, e é imprescindível que o aluno entenda isso e faça uma relação com o fato
de se tapar a saída de água de uma mangueira, para que ela tenha mais força ao atingir um obstáculo
(a sujeira acumulada, por exemplo). Podemos tratar, com isso, da hidrodinâmica, onde a velocidade
de escoamento das moléculas de água é inversamente proporcional à área de secção transversal de
saída do cano, dada pela equação:
A1 .v1 = A2 .v 2
Daí, os alunos podem ser incentivados a pensar como se consegue a mesma coisa nas usinas
hidrelétricas. Isso pode abrir uma brecha para discutir a conservação (ou não) da energia mecânica
nas barragens das usinas. Além disso, podemos tratar ainda da pressão da água em relação à colisão
das suas moléculas com as pás da turbina, utilizadas para causar um movimento rotacional das pás.
Por isso, o tratamento molecular do ar que entra nas garrafas se torna importante, pois a pressão
interna do gás que é injetado nas garrafas pode ser tratado da mesma forma que a pressão da água
que bate nas pás da turbina, com o choque entre as moléculas de ar nas paredes das garrafas.
Então, pulamos para a análise do gerador, estudando o eletromagnetismo na transformação
de energia mecânica de movimento em energia elétrica. Para isso, se o gerador utilizado é um
motor, deve-se ter um desses aberto para que os alunos vejam o ímã e as bobinas que formam o
sistema eletromagnético do gerador.
A primeira coisa a fazer é analisar o ímã e o campo magnético gerado por ele. Tratamos das
linhas de campo magnético e de como estas linhas estão divididas em um ímã, com ele sob uma
folha de papel, onde se espalha limalha de ferro (clássico). Existe a necessidade de se tratar com os
alunos da variação da intensidade desse campo no ímã, pois em alguns geradores é ele que é posto a
girar para termos uma variação desse campo magnético, criando um campo elétrico variável.
Depois, analisamos o fio de cobre esmaltado (condutores e isolantes) que forma as bobinas.
O tratamento microscópico da matéria feito anteriormente com o ar e a água pode ser citado agora,
quando falamos de ligações metálicas e de elétrons livres presente nos metais. Podemos falar sobre
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a corrente elétrica, movimento dos elétrons livres neste fio, que podem conseqüentemente gerar
também um campo magnético.
Ao colocar o ímã para girar dentro de bobinas feitas desse fio, ou vice-versa, podemos tratar
do fluxo do campo magnético formado pelo ímã e da variação do campo em um certo tempo, que
vai fazer com que se crie um campo elétrico no fio, induzindo nele uma corrente elétrica, utilizada
agora para fazer um pequeno LED brilhar. Assim, temos uma f.e.m. induzida nos fios por causa de
uma variação no campo magnético gerado pelo ímã, que gera um campo elétrico variável no tempo
no fio, que por sua vez imprime uma força elétrica aos elétrons livres do fio, fazendo-os entrar em
movimento pelo fio (corrente elétrica).
Entretanto, fazer um gerador desse tipo não é tarefa muito fácil, embora se consiga com um
pouco de criatividade e de insistência. Uma alternativa para quem não conseguir fazer um gerador
de energia elétrica seria colocar no lugar um pequeno motor de corrente contínua, como mostram as
fotos da maquete colocadas no trabalho acima. Para tal, há necessidade de se colocar um destes
motores abertos para que os alunos vejam como são as suas estruturas internas, como estão
dispostas as bobinas e o ímã que produz o campo magnético utilizado na produção da energia
elétrica.
É necessário que os alunos entendam que a produção desta energia se dá por conta da
variação do fluxo do campo magnético em relação ao tempo de variação, além de entenderem que,
quanto maior a velocidade de rotação do motos, menor é o tempo de variação do fluxo do campo
magnético, o que faz com que a força eletromotriz induzida nas bobinas do motor seja maior.
5. REFERÊNCIAS
MACHADO,Cleber D. Teoria do Eletromagnetismo, V. I. Editora UEPG, Paraná, 2000
GASPAR, Alberto. Física, V. 3. Editora Ática, São Paulo, 2004.
HAZEN, R. M, e TREFIL, J. Saber Ciência. São Paulo, Cultura Editores Associados, 1995.
CHASSOT, Attico. Alfabetização Científica: questões e desafios para a educação. São Paulo,
Editora Unijuí, 2003.