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Thais2015PRINCPIODEARQUIMEDES

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PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES: DO TREINAMENTO VIRTUAL A EXECUÇÃO
EXPERIMENTAL Principle of Archimedes: The Virtual Training for
Experimental Execution
Article · October 2015
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Pedro Malafaia
Frederico Cruz
Federal Rural University of Rio de Janeiro
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Vivências: Revista Eletrônica de Extensão da URI
ISSN 1809-1636
PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES: DO TREINAMENTO VIRTUAL A EXECUÇÃO
EXPERIMENTAL
Principle of Archimedes: The Virtual Training for Experimental Execution
Thaís Frutuoso MARTINS1
Fernanda Lima RODRIGUES2
Pedro Antônio Muniz MALAFAIA3
Frederico Alan de Oliveira CRUZ4
RESUMO
Uma grande dificuldade dos alunos em entender os princípios físicos apresentados a eles,
independente do nível escolar, é conseguir construir mentalmente o fenômeno estudado e as
relações matemáticas que permitem realizar as medidas quantitativas inerentes a elas. Uma
possibilidade de criar um ambiente favorável para a compreensão dos conceitos físicos pode ser
realizada pela utilização dos applets, que são aplicativos em linguagem Java que podem ser
operados em qualquer computador. Nesse trabalho, apresentamos uma possibilidade de utilização
de um applet, como elemento de treinamento para a determinação da densidade de um pedaço de
osso bovino. Os procedimentos realizados na atividade virtual e posteriormente aplicados na
atividade experimental permitiram determinar a densidade do material real, mostrando que uma vez
estabelecido o procedimento na atividade virtual ela pode, em certo nível, servir de etapa
fundamental e motivadora para a realização do experimento real.
Palavras chave: applet, atividade experimental, física
ABSTRACT
A major difficulty of the students in understanding the physical principles presented to them,
regardless of grade level, is to mentally construct the phenomenon studied and the mathematical
relationships that allow you to perform the quantitative measures in connection therewith. A
possibility of creating a favorable environment for the understanding of physical concepts can be
realized by use of applets, which are applications in Java that can be operated on any computer. In
this paper, we present a possible use of the use of an applet, such as training element for
determining the density of a piece of bovine bone. The procedures performed in virtual activity and
then applied to the experimental activity allowed to determine the density of the real material,
showing that once established the procedure in the virtual activity it can, at a certain level, serve as
the fundamental and motivating step for the realization of real experimental activity.
Keywords: applet, experimental activity, physical
1
Discente do Curso de Licenciatura em Física/Bolsista do PET–Física, Univ. Fed. Rural do Rio de Janeiro.
Discente do Curso de Licenciatura em Física/Bolsista do PET–Física, Univ. Fed. Rural do Rio de Janeiro.
3
Professor do Departamento de Zootecnia, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro.
4
Professor do Departamento de Física/Tutor PET-Física, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro.
2
Vivências. Vol. 11, N.21: p.199-205, Outubro/2015
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1. INTRODUÇÃO
A maior dificuldade dos alunos em entender os princípios físicos apresentados a eles,
independente do nível de escolarização, é construir mentalmente a imagem do que muitas vezes é
apresentado em aulas meramente expositivas. Isso ocorre devido à falta de laboratórios em muitas
escolas públicas brasileiras e/ou tempo disponível para a preparação de uma atividade ilustrativa
(SANTOS & CASTILHO, 2010).
No entanto, mesmo que não existam problemas como os mencionados acima, muitas vezes o
conteúdo abordado pelo professor em sala de aula é pouco aproveitado pelos alunos, visto que eles
não percebem as possíveis aplicações no cotidiano daquele conteúdo.
Um exemplo disso é o chamado princípio de Arquimedes, que diz que todo corpo imerso em
um fluido sofre ação de uma força cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo
(Empuxo), tal que o volume do fluido deslocado é o volume que caberia dentro da parte imersa no
fluido (HALLYDAY, 2008).
Sendo que a densidade do material submerso, pode ser obtido diretamente da expressão:
(1)
No caso dos cursos ligados à área de saúde humana e animal, por exemplo, a avaliação da
densidade óssea é fundamental para estimar a concentração de cálcio e fósforo existente neles e
assim diagnosticar a osteoporose e outras doenças ósseas em humanos e animais.
A osteoporose é considerada uma enfermidade osteopênica quantitativa, na qual ocorre uma
perda de material ósseo por unidade de volume. A consequência é o enfraquecimento generalizado
dos ossos, que podem se deformar ou fraturarem-se espontaneamente quando submetidos a traumas
que seriam suportáveis por ossos sadios (PEREIRA & CARDOSO, 2010).
O método mais usado, atualmente, para mensurar a densidade óssea de humanos, assim
também como em animais, é a Dual Energy X-ray Absorptiometry (DEXA) e o RX digital (CIEP,
2015). Esses métodos possuem grande eficiência, porém, são caros e não permitem que seja
realizada a medida da densidade óssea de animais de grande porte, como bovinos e equinos no local
de criação deles.
Assim, o método de determinação da densidade pelo principio de Arquimedes é uma
alternativa rápida e de custo reduzido, que em muitos casos fornece um resultado confiável para
estudar o que ocorre nos ossos dos animais de grande porte.
No entanto, apesar de sua importância prática, além da observação diária pelos alunos de
objetos boiando em líquidos, ou percebem que os corpos parecem mais leves quando mergulhados
em um líquido do que no ar (DARROZ & PÉREZ, 2011) o entendimento sobre o fenômeno do
empuxo é quase sempre relacionado a um conjunto de equações que fornecem um resultado, que na
maioria das vezes não faz sentido algum para o aluno.
Uma forma de contribuir para o processo de ensino desse, e outros conceitos, uma vez que a
prática de laboratório seja de difícil realização, é a utilização de atividades experimentais virtuais
que aliadas a uma atividade real simples podem produzir grandes efeitos didáticos.
Essas atividades experimentais virtuais, muitas disponíveis gratuitamente na rede mundial
de computadores (internet), são programadas em linguagem JAVA (applet), que podem ser
executadas, com seu referido “plugin”, nos navegadores (Web Browser) sem que o computador
esteja conectado a internet (off-line). Este programa permite simular muitas das ações que
ocorreriam num laboratório convencional (FELIX et al, 2013). A grande vantagem é que ele,
dependendo da complexidade do experimento, permite demonstrar aos alunos fenômenos que
muitas vezes estão fora de alcance, sejam pelas limitações já mencionadas, ou por oferecerem riscos
em sua realização.
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Além do que já foi mencionado anteriormente, a utilização do applet pode ter outro papel
importante na etapa de introdução dos conhecimentos apresentados nas atividades experimentais.
Ele pode preencher uma lacuna importante relacionada à falta de habilidade ou treinamento do
aluno para realizar a tarefa proposta, criando um ambiente onde essa etapa pode ser construída, mas
também pode permitir a reprodução da atividade realizada em laboratório em um momento
posterior.
Figura 1. Applet sendo usado em dois momentos possíveis, antes e depois do experimento realizado.
2. METODOLOGIA
A atividade aqui apresentada foi realizada com intuito de propor uma forma de abordagem
de conceitos importantes que sejam compreendidos de forma contextualizada, tornando a
aprendizagem simples e significativa. Ela foi dividida em duas etapas: a primeira, realizada
virtualmente, caracterizou-se pela determinação da densidade de um bloco presente em um applet;
na segunda, utilizou-se um pequeno pedaço de ossos animal, e, a partir de um conjunto de passos
necessários, realizou-se atividade experimental real.
2.1 METODOLOGIA VIRTUAL
Na primeira etapa da nossa atividade, utilizamos o applet denominado “Flutuabilidade” que
permite a determinação direta do peso aparente e empuxo sofrido por um objeto sólido qualquer ao
ser colocado em um tanque onde existe um líquido (PHET, 2015).
Figura 2. Applet utilizado na atividade (PHET, 2015).
O applet possui duas abas no canto superior esquerdo, onde identificados como “Intro” e
“Parque da Flutuabilidade”, que podem ser selecionados dependendo do interesse da atividade.
Escolhendo-se a aba “Intro”, Figura 2, é possível perceber a presença de dois blocos e duas
balanças, sendo que uma delas está localizada dentro do tanque, cheio de um líquido que pode ser
óleo ou água, e a outra fora do tanque.
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Figura 3. Detalhamento das abas do applet utilizado na atividade (PHET, 2015).
A atividade proposta aqui pretende determinar a densidade do bloco menor, de cor
avermelhada, definindo uma metodologia que será utilizada para a realização da atividade
experimental real.
Como a massa do bloco já está definida pelo programa, inicialmente anotou-se o volume
ocupado pelo líquido inserido no tanque e posteriormente o bloco foi colocado em cima da balança
localizada dentro do tanque, então anotou-se o novo volume do líquido.
Figura 4. Volume do líquido ocupado pelo líquido, sem e com o bloco no interior do tanque (PHET, 2015).
Finalmente, de posse dos valores, determinamos a densidade do bloco escolhido utilizando a
equação (1) e por fim buscamos informações tabeladas em livros ou na internet para se identificar o
material apresentado na simulação.
2.2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Para a segunda etapa, como já dito, foram utilizados ossos de dois animais: um bovino e um
caprino, com o objetivo de determinar suas densidades.
Figura 4. Amostra do osso bovino utilizadas no experimento.
Os procedimentos realizados em nosso experimento foram os seguintes: (a) inicialmente as
massas dos dois pedaços foram obtidas com o auxílio de uma balança digital, (b) em seguida, em
um béquer, com 25 mL de volume, foram adicionados 10,0 mL de água mineral; (c) em seguida,
com uma caneta “marca texto”, foi marcada, na parte exterior do béquer, a altura da água;
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Figura 5. Marcação da altura da água dentro do béquer.
(d) Em seguida o pedaço de osso bovino foi colocado no interior do béquer e após alguns segundos,
para que o sistema entre em equilíbrio, foi realizada uma nova marcação da nova altura da água;
Figura 6. Marcação da altura da água dentro do béquer com o osso presente no seu interior.
(e) Realizou-se então a medida, utilizando um paquímetro, da área interna do béquer e da diferença
de altura da água;
Figura 7. Detalhamento, no paquímetro, da medida realizada no béquer.
(f) De posse desses valores, foi determinado o valor do volume deslocado pela inserção do pedaço
de osso; (g) Com os valores da massa e do volume deslocado estimou-se, utilizando a equação (1),
o valor da densidade.
3. RESULTADOS
Na determinação da densidade do bloco, utilizado na atividade motivadora via applet, nos
forneceu o seguinte conjunto de dados:
• Massa do bloco: 5,0 kg;
• Volume do líquido no tanque sem o bloco: 100,00 L;
• Volume do líquido no tanque com o bloco: 102,50 L.
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O volume deslocado pela introdução do bloco no tanque foi de 2,50 L, que utilizando a
equação (1), fornece uma densidade de 2,0 kg/L. O valor obtido pôde ser conferido na aba parque
de flutuabilidade, que, segundo o applet, o material é classificado como “tijolo”.
Para a atividade experimental, o resultado esperado para a densidade do osso bobino estaria
entre 2,0 g/cm3 e 2,1 g/cm3 para um animal sadio, no entanto a amostra utilizada era de uma animal
que apresentava perda óssea por descalcificação, portanto espera-se um valor menor que o intervalo
apresentado (AERSSENS et al, 1998).
Os resultados obtidos na atividade experimental foram os seguintes:
• Massa do osso bovino: 16,44 ± 0,05 g;
• Volume do líquido no béquer vazio: 10,0 mL
• Volume do líquido no béquer: 18,886 ± 0,005 mL
Nessa atividade o volume deslocado foi de 8,886 ± 0,005 mL, que permitiu, com auxílio da
equação (1), determinar a densidade de 1,85 ± 0,01 g/cm³, valor esperado dentro das condições do
osso.
4. CONCLUSÕES
Consideramos que o applet pode ser utilizado como recurso de treinamento e apresentação
dos conteúdos científicos a serem desenvolvidos nas atividades experimentais, bem como auxiliar
na exposição do conteúdo em diversos níveis de ensino. A escolha de um material orgânico para o
experimento mostrou-se interessante, pois indica aos alunos a possibilidade da aplicabilidade dos
conceitos estudados nos diferentes campos do conhecimento, além de ser uma proposta
metodológica interessante para se incluir nos laboratórios dos cursos ligados a ciências agrárias de
forma geral, criando um ambiente favorável a aprendizagem dos conceitos fundamentais na
formação dos profissionais dessas áreas.
5. FINANCIAMENTO
O presente trabalho foi realizado com apoio do Programa de Educação Tutorial – PET, do MEC Ministério da Educação – Brasil.
6. AGRADECIMENTOS
Agradecemos também ao aluno Vinícius C. de Souza, mestrando em Zootecnia pela UNESP –
Jaboticabal, por ter cedido à amostra utilizada nessa atividade, e ao professor Francisco Antônio
Lopes Laudares, pelas sugestões na escrita desse trabalho.
7. REFERÊNCIAS
AERSSENS, J.; BOONEN, S.; LOWET, G.; DEQUEKER, J. Interspecies Differences in Bone
Composition, Density, and Quality: Potential Implications for in Vivo Bone
Research*. Endocrinology. v. 139, n. 2; p. 663-670, 1998.
CIEP - Centro em Integrado de Educação Profissional. Apostila de Densitometria Óssea, Disponível
em: http://goo.gl/s0yZ4H, Acesso em: 01 abr. 2015.
DARROZ, L. M.; PÉREZ, C. A. S. Princípio de Arquimedes: uma abordagem experimental Física
na Escola, v. 12, n. 2, p. 28-31, 2011.
Vivências. Vol. 11, N.21: p.199-205, Outubro/2015
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Vivências: Revista Eletrônica de Extensão da URI
ISSN 1809-1636
FELIX, J. S.; MELO, R. M. B.; CRUZ, F. A. O. ; LAUDARES, F. A. L. Experimentando em
Física: praticando no real e no virtual. In: XX Simpósio Nacional de Ensino de Física, 2013, São
Paulo. ATAS: XX Simpósio Nacional de Ensino de Física, 2013.
HALLYDAY, David; Fundamentos da Física, Volume 2: Gravitação, Ondas e Termodinâmica; 8.
Ed; 2008.
PEREIRA, W. L. A.; CARDOSO, E. C. Osteoporose em bubalinos em relação à idade, à condição
clínica animal e ao estado físico-químico ósseo e do cobre hepático. Brazilian Journal of Veterinary
Research and Animal Science, v.47, n.2, p.159-167, 2010.
PHET. Flutabilidade. Disponível em: https://goo.gl/DpI4w6, Acesso em 10 mar. 2015.
SANTOS, J. F.; CASTILHO, W. S. O laboratório de Física nas escolas publicas de ensino médio de
Palmas – Tocantins. In: Anais Eletrônicos - 1ª Jornada De Iniciação Científica e Extensão do IFTO,
2010.
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