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Guia do Professor
Vídeo
Os Curiosos - Mecânica
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Guia do Professor – Vídeo – Os Curiosos - Mecânica - Versão 1.1
IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em outubro de 2010
Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia
- Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT
Ficha de Catalogação
Tema: Mecânica.
Tempo de duração do vídeo: aprox. 10 minutos.
Tempo sugerido/previsto para utilização do vídeo: 1 aula de 50 minutos.
Pré-requisitos:
Equações e funções de primeiro grau;
Noções de trabalho, força e deslocamento;
Leis de Newton.
Objetivos da atividade:
Problematizar situações do cotidiano para a melhor compreensão
sobre energia mecânica;
Conhecer diferentes formas de energia;
Compreender a conservação da energia mecânica.
Introdução
Caro professor, este vídeo foi desenvolvido visando discutir e problematizar,
com os alunos do Ensino Médio, o tema Energia Mecânica.
O conceito de energia é fácil de ser ensinado, pode ser resumido em três ou
quatro pequenas fórmulas fáceis de serem decoradas. Mas será que esse
conceito é fácil de ser assimilado pelos alunos? Porque para nós, professores,
parece ser tão simples...
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IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em outubro de 2010
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Uma das principais dificuldades no processo de ensino e aprendizagem do
conceito de energia são as interpretações dos estudantes, frequentemente
baseadas em concepções do senso comum. O que é energia? Como é
produzida? Como é armazenada? Pode ser transformada e/ou conservada?
Alguns alunos, por exemplo, podem associar energia com a velocidade
desenvolvida por carros de corrida ou com o combustível utilizado por esses
carros, não havendo, portanto, distinção entre formas ou fontes de energia.
Outro exemplo, a associação de energia com eletricidade, onde muitos alunos
dizem “a energia que corre nos fios” não havendo, portanto, uma correta
distinção entre energia e corrente elétrica. Outros ainda consideram a energia
como uma substância que pode ser vista, manuseada e guardada. Essas
associações errôneas advêm, principalmente, do uso do termo energia no
cotidiano com um significado diferente do termo energia utilizado no domínio
científico.
Essa proximidade com o dia-a-dia do aluno pode propiciar o desenvolvimento
de conceitos prévios, que nem sempre correspondem aos conceitos científicos
relacionados, e que muitas vezes são difíceis de serem superados na sala de
aula.
Atividades em grupos, discussões, experimentos e exemplos do dia-dia são
caminhos que podem facilitar a assimilação do conceito de energia. De maneira
geral, a definição de energia não é algo trivial, porém, é imprescindível aos
alunos conhecer as formas de energia, como são produzidas, armazenadas e
principalmente sua conservação.
a) Energia
Apesar de não se restringir a isso, a energia pode ser entendida como a
capacidade de realizar trabalho, a capacidade de colocar as coisas em
movimento, e o movimento é algo fundamental no dia-a-dia do aluno.
b) Formas de energia
Podemos encontrar várias formas de energia, dos quais se destacam duas
categorias associadas ao movimento: energia potencial (energia de
posição) e energia cinética (energia do movimento), que somadas nos
dão a energia mecânica. Na categoria geral de energias do tipo
potencial estão as energias que representam um potencial de interação,
armazenado por uma determinada posição relativa. Estas energias podem
ser libertadas e convertidas em outras formas de energia, alterando o
estado do sistema. Dentro desta categoria encontramos:
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Energia gravitacional;
Energia elástica;
Energia eletrostática;
Energia térmica;
Energia química.
Na categoria geral de energias do tipo cinético estão todas as energias
relacionadas com um estado de movimento. Estas energias estão
associadas a uma velocidade e, naturalmente, também podem ser
convertidas em outras formas de energia. Fazem parte desta categoria:
Energia cinética do movimento;
Energia do som;
Energia elétrica;
Energia térmica;
Energia da radiação.
Pode-se perguntar por que a Energia Térmica surge tanto na lista das
energias tipo potencial como cinética? Isto se deve ao fato da energia
térmica estar associada com a estrutura interna das diferentes
substâncias. A temperatura é associada ao estado de vibração das
moléculas ou átomo que constituem o material e é responsável pela
passagem de calor (energia) do corpo aquecido ao corpo frio. Por outro
lado a distribuição espacial do átomo é função da energia potencial
decorrente das distâncias entre eles e varia com o inverso das distâncias
interatômicas. Essa energia potencial está armazenada no corpo e pode
ser liberada e produzir trabalho.
Existem outras classificações de formas de energia, como por exemplo, as
energias obtidas a partir de combustíveis fósseis e as energias renováveis
ou alternativas, que compreendem as formas de energia com um período
de vida muito grande (muito maior que o das energias convencionais), ou
com um período de renovação muito pequeno, perto da ordem de
grandeza do período de utilização, ou seja, formas de energia que sejam
alternativas às energias convencionais.
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c) Conservação
Em Física, a lei ou princípio da conservação de energia estabelece que a
quantidade total de energia em um sistema isolado permanece constante.
Uma consequência dessa lei é que energia não pode ser criada nem
destruída: a energia pode apenas transformar-se. Por exemplo, na
combustão da gasolina dentro de um motor, a explosão parte da energia
potencial associada às ligações químicas dos reagentes e transforma-se
em energia térmica, esta diretamente associada à energia cinética das
partículas dos produtos e à temperatura do sistema (que se elevam de
forma substancial). Pelo princípio da conservação da energia, a energia
interna do sistema imediatamente antes da explosão é, entretanto, igual
à energia interna imediatamente após a explosão. Outro exemplo de
conservação é o movimento de queda livre, onde a energia potencial é
transformada em energia cinética, exemplo esse que será tratado durante
a apresentação do vídeo.
Dicas para utilização do vídeo
Os vídeos do projeto “Acessa Física” foram desenvolvidos pensando em
problematizar situações físicas presentes no cotidiano dos alunos. Em cada
episódio, alguns jovens curiosos resolvem problemas e/ou vivenciam situações
inusitadas e curiosas, instigadas inicialmente por um professor de Física.
Todas as mídias têm por objetivo ser um meio de comunicação integrador e
motivador para os alunos. No entanto, a maneira como você, professor, irá
utilizá-lo pode variar.
O vídeo pode ser motivador – Nesse caso o professor poderá utilizá-lo antes da
discussão e explicação do tema do vídeo. As tramas podem ser utilizadas para
introduzir um novo assunto, já que objetivam despertar a curiosidade e
motivação para o tema a ser discutido.
Ou, o vídeo pode ser demonstrativo – Nesse caso deverá ser utilizado após a
discussão e explicação do tema do vídeo. O professor pode optar em abordar e
explicar a temática em questão antes de sua utilização, e assim a mídia ajudará
a mostrar e levantar novas questões referentes às explicações e discussões já
vividas em sala.
Há também a possibilidade do vídeo ser utilizado como suporte de ensino –
Nesse caso pode ser usado durante a explicação do professor, não antes ou
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depois. As tramas podem ser utilizadas para responder questões, assim como
para levantar outras.
Todos os vídeos têm duração de aproximadamente 10 minutos, mas é
importante que o professor se prepare e planeje suas aulas da melhor maneira
visando cumprir os seus objetivos específicos de ensino, levando em
consideração o tempo previsto para execução da atividade e discussão da
temática.
É importante destacar também, que cada turma reage de uma maneira frente à
exibição dos vídeos, o guia do professor traz algumas sugestões de como
utilizar e também se preparar para a aplicação da peça, dá subsídios para
questões prévias e desafios interessantes para que essa atividade atenda o
propósito para a qual você, professor, planejou.
Leia atentamente o guia a seguir, assista ao vídeo proposto e boa atividade a
todos!
Sinopse
Essa atividade irá abordar conceitos de Energia Mecânica. A contextualização
dessa temática ocorrerá mediante uma atividade proposta a duas equipes de
estudantes.
Os curiosos estudantes foram convidados a conhecer, pesquisar e trabalhar por
um dia em um parque de diversões. Os estudantes foram divididos em duas
equipes, a equipe azul ficou responsável por observar como a energia mecânica
atua no funcionamento da Montanha Russa Montezum. A equipe vermelha ficou
responsável por descobrir como as forças trabalham no percurso do looping
Katapul.
Os estudantes contaram ainda com o apoio de dois engenheiros do parque,
para os ajudarem em sua divertida tarefa. Ao longo do vídeo, serão discutidas
as formas e fontes de energia dos brinquedos, além das transformações e
conservações de energia que envolvem essas atrações.
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Preparação
Antes da exibição do vídeo, sugerimos ao professor que:
Assista ao vídeo antes para conhecê-lo – É importante que o professor assista
atentamente o material, atente-se as questões e situações levantadas, cheque
a qualidade da cópia e o deixe preparado no ponto exato para a exibição.
Conforme sugerimos na introdução desse guia, o professor, sem antecipar as
situações do vídeo, pode instigar os alunos a pensarem sobre o tema da
atividade com alguns questionamentos, como por exemplo:
Vocês já foram a um parque de diversão? Qual brinquedo vocês
mais gostaram?
Como funciona uma montanha russa? Por que os carrinhos descem
tão rápido?
Por que o carrinho e os passageiros não caem durante o looping?
Outra possibilidade é somente informar aos alunos do que trata o vídeo e pedir
que eles apresentem ideias e hipóteses sobre aquilo a que irão assistir. Estas
informações podem ser anotadas coletivamente ou individualmente pelos
alunos em um exercício de reflexão sobre “o que eu sei”. Nessa atividade, os
alunos poderão escrever o que sabem sobre o tema a ser abordado.
Durante a atividade
Atente-se para as cenas mais importantes e anote-as para uma posterior
discussão. É importante também observar as reações do grupo: como eles
reagem à exibição do vídeo. Se necessário, pause a exibição do vídeo para
esclarecer e discutir a(s) passagem(s) que julgar interessante(s).
Equipe azul (Energia mecânica)
A montanha russa que foi visitada pelos integrantes da equipe azul tem seu
funcionamento baseado em transformações e conservação de energia.
Primeiramente, o carrinho é elevado a uma determinada altura, ao subir está
aumentando sua energia potencial gravitacional. Após chegar ao ponto mais
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alto do seu percurso (energia potencial máxima) começa uma veloz descida
pelos trilhos da montanha russa, nesse momento, quando o carrinho está
aumentando sua velocidade, está ocorrendo uma transformação de energia
potencial gravitacional em energia cinética. Ao chegar ao ponto mais baixo do
percurso podemos dizer que o carrinho transformou toda sua energia potencial
gravitacional em energia cinética, momento esse em que o carrinho desenvolve
sua maior velocidade.
Energia potencial gravitacional Ep = m . g . h
Energia Cinética Ec = ½ m . v2
Energia Mecânica = Ep + Ec
Onde m é a massa do carrinho, g é a gravidade do local, h é a altura em que se
encontra o carrinho e v é a velocidade do carrinho naquele momento. Ao passar
do ponto mais alto do trajeto para o ponto mais baixo, dizemos que toda
energia potencial gravitacional foi transformada em energia cinética;
Ep → Ec
Quando o carrinho atinge o ponto mais baixo, dizemos que ele possui energia
cinética máxima (velocidade máxima). Quando surge uma nova subida em seu
trajeto, ocorre o processo inverso, agora parte da energia cinética é
transformada em energia potencial gravitacional suficiente para o carrinho
adquirir uma nova altura. Esse sobe e desce (energia cinética transformando-se
em energia potencial gravitacional e vice-versa) é o princípio de funcionamento
de grande parte das montanhas russas atuais. De maneira geral, podemos dizer
que a energia mecânica (Ep + Ec) se conserva durante todo o trajeto. Mas se
isso fosse verdade, o carrinho não deveria ficar se movendo eternamente? Sim,
se toda energia cinética se transformasse em potencial gravitacional durante o
trajeto. Porém, na prática isso não ocorre, durante o trajeto do carrinho, parte
da energia inicial é transformada em energia térmica (aquecimento dos trilhos),
energia sonora (barulho dos carrinhos sobre os trilhos), uma parte é perdida
durante a frenagem dos carrinhos no final do percurso e outra parte (em
algumas montanhas russas mais modernas) é armazenada em grandes baterias
elétricas. Em resumo, durante as transformações, parte da energia acaba sendo
dissipada e/ou “perdida” para o meio.
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Porém, como recuperar essa energia? Como fornecer energia para que o
carrinho recomece seu movimento? Nesse momento entram em ação motores
elétricos, que através de longas corrente elevam o carrinho novamente ao
ponto mais alto do percurso, para que ele possa recomeçar suas
transformações energéticas (subidas e descida).
A figura 2 resume a conservação da energia mecânica em um trecho da
montanha russa. No ponto mais alto (A) o valor da energia mecânica é obtido
através da soma de Ep + Ec. Ao longo do percurso, a energia mecânica se
conserva tanto nos pontos intermediários (B e D) quanto na parte mais baixa
(C). A energia mecânica se conserva, o que varia e/ou se transforma são as
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energias potencial gravitacional e cinética.
Epa + Eca
=
Ema
Epb + Ecb
=
Emb
=
=
Epc + Ecc
Emc
=
=
Epd + Ecd
Emd
Equipe vermelha (Força centrípeta)
O looping Katapul que foi visitado pela equipe vermelha possui algumas
similaridades com a montanha russa, porém o fenômeno a ser estudado nessa
atração é a força centrípeta, que surge durante o movimento circular do
looping.
O carrinho é acelerado com auxílio de um conjunto de contrapesos. Após atingir
certa velocidade, o carrinho percorre um looping, sobe até certa altura, desce e
repete o looping em sentido contrário, terminando seu percurso. A semelhança
com a montanha russa está no fato de que a energia cinética na saída do
looping é transformada em energia potencial gravitacional durante a subida,
após atingir uma altura máxima o carrinho volta a descer, transformando a sua
energia potencial gravitacional em energia cinética necessária para completar
novamente o looping. Conforme a figura 3, nesse momento foi possível aos
curiosos estudantes observarem novamente a conservação de energia
mecânica.
E as forças que atuam sobre o carrinho? Quais eram antes e durante o looping?
Antes de entrar no looping, desprezando-se o atrito do trilho e o arraste do ar,
as forças que atuam sobre o carrinho são o Peso e a Normal (que por terem
mesma intensidade e sentidos contrários se anulam), como mostra a figura 4.
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Ao entrar em um movimento circular surge uma aceleração na direção do
centro da circunferência (looping). Essa aceleração é chamada centrípeta, e é
responsável pela mudança da direção do carrinho. Essa aceleração, professor,
não pode ser confundida com a aceleração escalar, responsável pela mudança
da velocidade.
Aceleração centrípeta Acp = v2 / R
Força centrípeta Fcp = m . acp
Onde m é a massa do carrinho, v é a velocidade e R é o raio da circunferência
(looping). No ponto mais alto do looping as forças que atuam sobre o carrinho
são a Peso e a Normal, porém agora possuem mesma direção e sentido. A força
resultante (soma vetorial de P + N) é igual a resultante Força centrípeta, assim:
P + N = Fcp
m . g + N = m . v2 / R
A força Peso é constante, porém a componente Normal está relacionada com a
velocidade do carrinho. Quanto maior a velocidade do carrinho, devido à
inércia, maior a força que ele faz sobre os trilhos, consequentemente, maior
será o valor da força normal. Supondo que a velocidade seja reduzida, devido à
inércia, menor será o valor da força Normal, assim a velocidade pode ser
reduzida até um valor crítico (mínimo), onde a força Normal estará muito
próxima de zero (tendendo a zero), momento em que o carrinho começaria a
perder contato com o trilho.
m . g + N = m . v2 / R
g = v2 / R
(velocidade mínima para o looping) v = √ g / R
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Para finalizar, professor, fica uma sugestão para futuras discussões. A mínima
velocidade para que o carrinho possa percorrer todo o looping é a mesma
velocidade do carrinho fora do looping (fora do movimento circular)? Não, pois
ao entrar no looping e subir uma altura de 2R, parte da energia cinética é
convertida em energia potencial gravitacional. Olha a conservação de energia
mecânica novamente ai! Mas qual a diferença entre essas velocidades?
(Antes do looping)
Epa + Eca
m . g . h + m . vi 2 / 2
(no ponto mais alto do looping)
=
Epb + Ecb
m . g . h + m . vf2 / 2
=
vi2 / 2
=
g . 2R + vf2 / 2
vi2
=
g .4R + vf2
vi2 - vf2
=
g .4R
Depois da atividade
Depois da exibição do vídeo, professor, você pode rever as cenas mais
importantes ou que considerar de difícil compreensão, ou, ainda, se
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necessário, exibi-lo uma segunda vez, chamando a atenção para determinadas
cenas, diálogos e situações.
É importante que o grupo (professor e alunos) desenvolva uma conversa sobre
o vídeo, destacando questões, dúvidas, e comentários sobre a mídia.
Pode-se também resgatar a dinâmica em que os alunos refletem e escrevem
sobre “o que aprenderam”, ou seja, eles escreverão sobre algo novo que
tenham aprendido com o vídeo. Podem ainda trocar suas anotações com os
colegas. Com objetivo de aprofundar as discussões algumas perguntas e/ou
explicações podem ser feitas.
Avaliação
Avalie o efeito do segmento apresentado. Você pode perguntar aos seus alunos
o que eles aprenderam, se o vídeo lhes forneceu ideias claras, se ficaram
dúvidas ou ainda se eles gostariam de assistir outros vídeos sobre a temática.
Sugerimos como possibilidade de avaliação um momento em que os alunos
opinem e comentem a atividade, solicitando aos alunos que relatem e discutam
o vídeo vivenciado em sala de aula:
1. Como eles narrariam e resumiriam o vídeo e as discussões desenvolvidas em
sala de aula para os alunos que faltaram?
2. Que outras questões eles fariam sobre o assunto trabalhado?
3. Quais outras informações gostariam de ter?
4. Pesquisas entre os alunos sobre as demais questões e informações
solicitadas seguidas de apresentações por eles.
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Atividades complementares
Áudio do Projeto Acessa Física “Energia” – Programa Energia.
Áudio do Projeto Acessa Física “Forças e Movimentos” – Força Centrípeta.
Experimento do Projeto Acessa Física Energia - "Transformações de Energia".
Experimento do Projeto Acessa Física Vetores - "Introdução ao Estudo de
Grandezas Vetoriais".
Vídeo do Projeto Acessa Física “Energia” - Os Curiosos – Energia.
Vídeo do Projeto Acessa Física “Forças e Movimentos” - Os Curiosos - Forças
e Movimentos.
Vídeo do Projeto Acessa Física “Grandezas” - Os Curiosos – Grandezas.
Vídeo do Projeto Acessa Física ”Leis de Conservação de Energia” - Os
Curiosos - Leis de Conservação de Energia.
Software do Projeto Acessa Física Leis de Conservação de Energia Conservação de Energia.
Para saber mais
GASPAR, A. Física Volume Único, 1°Edição – São Paulo: Ed. Ática, 2008.
ALVARENGA, M. Curso de Física. Vol. 1. São Paulo: Scipione, 2006.
GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Leituras de Física 3. São
Paulo: IFUSP, 1996.
DANTE, L.R. Matemática. Volume Único. São Paulo: Ática, 2008.
GIOVANNI, J. R., BONJORNO, J. R. Matemática Completa. São Paulo: FTD,
2005.
http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xvii/sys/resumos/T0464-1.pdf
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Esse artigo propõe a elaboração de um seminário sobre geração de energia
elétrica e suas implicações sociais, econômicas e ambientais, para alunos do
Ensino Médio, a partir de uma abordagem em Ciência, Tecnologia e Sociedade –
C.T.S.
http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/mec28.htm
A ideia do experimento é mostrar que, quanto maior a energia potencial
gravitacional no início do movimento de queda de um objeto, maior será sua
energia cinética ao final da queda. A quantidade de energia cinética poderá ser
avaliada através de um mecanismo de frenagem do movimento do objeto em
queda.
http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/mec31.htm
A ideia do experimento é mostrar que, devido à conservação da energia
mecânica, quanto maior a energia potencial gravitacional no início do
movimento de queda, não forçada, de um objeto, maior será sua energia
cinética na parte mais baixa de sua trajetória. Esta quantidade de energia
poderá ser aferida através de um mecanismo de transferência do movimento do
objeto.
http://jersey.uoregon.edu/vlab/PotentialEnergy/index.html
Esta simulação pode verificar que quando um corpo cai de uma determinada
altura e na ausência de forças não conservativas, toda a energia potencial
gravitacional transforma-se em energia cinética.
http://www.walter-fendt.de/ph14br/carousel_br.htm
Esta simulação mostra os efeitos da força centrípeta sobre massas penduradas
por fios durante um movimento circular.
http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/mec16.htm
Esse experimento demonstra que a força para manter um objeto em rotação é
proporcional a sua velocidade.
http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xvii/sys/resumos/T0268-1.pdf
Este artigo tem como objetivo mostrar uma sequência didática da Lei de
Newton da Gravitação Universal para o Ensino Médio, que facilite na estrutura
cognitiva do aluno a ocorrência de uma Aprendizagem Significativa.
http://www.fisica.ufs.br/CorpoDocente/egsantana/dinamica/trabajo/bucle/bucle
.htm
Simulação para um looping e plano inclinado.
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Créditos
Projeto Acessa Física
Instituição Executora IBTF - Instituto Brasileiro de Educação e
Tecnologia de Formação a Distância
Parceiros CDCC - Centro de Divulgação Científica e
Cultural – USP
IEA - Instituto de Estudos Avançados - São
Carlos – USP
Concepção de Linguagem Cao Hamburger
Concepção e Revisão de Roteiros Prof. Carlos Alfredo Argüello
Prof. Dietrich Schiel
Prof. Yvonne Primerano Mascarenhas
Prof. Carolina Rodrigues de Souza
Prof. Paulo Roberto Mascarenhas
Prof. Márcio Leandro Rotondo
Prof. Naylor Ferreira de Oliveira
Prof. Ana Aleixo Diniz
Prof. Felipe Castilho de Souza
Prof. Herbert Alexandre João
Carolina Codá
Coordenador Pedagógico Hamilton Silva
Apresentação Professores – Márcio Miranda e Luis Nunes
Patrícia – Bruna P. dos Santos
Marina – Yasmim Karina Reis
Marcelo – Thomas Canton Miranda
Jana – Natália Belasalma
Edu – David Narciso
Jonathan – Renato Capella
Livia – Zoe Yasmine Miranda Sá Dall’igna
Luize – Ana Carolina Garbuio
Pietro - Bruno Garbuio
Iara – Letícia Ferreira
Maurício – Lauro De Paiva Pirolla
Fernanda – Nicole Santaella
Carol – Andressa Barbosa C. Gomes
Bruno – Lucas Matsukura
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Caio – Wesley Soalheiro de Souza
Pedro – Victor Casé de Souza Oliveira
Beto – Renato Augusto G. Rodrigues
Renata – Luiza Campos Martins
Felipe – Adans Paulo
Paulo – Rafael Augusto Montassier
Direção Glauco M. de Toledo
José Pinotti
Julio Peronti
Carlos Henrique Branco
Wagner Netto
Produção Danny Santos
José Pinotti
Paulo Mascarenhas
Taciana Previero
Wagner Netto
Roteiros Claudio Ferraraz Jr.
Francisco R. Belda
Glauco M. de Toledo
Luiz Salles
Renato Capella
Roger Mestriner
Direção de Fotografia Adriano S. Barbuto
Fabio Tashiro
Edição e Finalização Danny Santos
Elói Beltrami Doltrário
Fernando Rodrigues
Ivan M. Franco
Rodrigo Pio
Animação 3D André Fonseca Silva
Som Direto Wagner Netto
Adans Paulo
Sound Designer Alexey Rodrigo
Adans Paulo
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