Nesta aula o aluno poderá  compreender e visualizar a conservação da Energia Mecânica e aprender que a conservação desta Energia (Mecânica) é a soma das Energias Cinética e Potenciais. Além disso, esta aula pode contribuir para aprimorar as capacidades crítica, analítica e argumentativa dos alunos relacionadas às temáticas de Dinâmica.

Aproximadamente 100 minutos, duas (2) aulas.

* Energia Cinética;

* Energia Potencial Gravitacional.

As estratégias utilizadas serão:

• Aula interativa;

• Aula conceitual;

• Desenvolvimento de um experimento. Observamos que o professor deverá solicitar previamente aos alunos os materiais (como segue na Tabela 1 abaixo) necessários para a realização do experimento nestas aulas.   

Tabela 1 – Lista de Materiais (Fig. 1)

Materiais	Comentários
Um pedaço de compensado de madeira.	Com 12 x 20 cm. Encontrado em madeireiras.
Dois Pedaços de madeira normais.	Com 2,5 x 20 cm. Encontrado em madeireiras.
Três Palitos de churrasco.	O mais fino possível.
Dois Pedaços de madeira normais.	Com 1,5 x 20 cm. Encontrado em madeireiras.
Rolha pequena.	Por exemplo, de garrafa de vinho.
Quatro rodas de carrinho de brinquedo.	Com no mínimo 2,5 cm de raio.
Polia de plástico pequena.	Usada em suportes de varal para permitir o deslocamento vertical do varal.
Pedaço de barbante.	De 40 cm.
Ferramentas	Pregos pequenos e finos, martelo, serrote, furadeira, broca fina e cola madeira.
Uma canetinha esferográfica – Preta	Para fazer marcações.

Item de segurança.

Luva, óculos e máscara.

Figura 1 – Ferramentas.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/dd5f11034456daa6e711080aa6d5e2ab.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

Motivação:

Sugerimos que o professor, após pedir para que os alunos formem grupos de quatro a cinco integrantes, instigue a curiosidade deles sobre o tema a ser estudado, perguntado se eles sabem o que é um bate-estaca (Fig. 2).

Neste momento, o professor poderá mostrar a figura 2 aos alunos, para que aqueles que não conheçam um bate-estaca, possam entrar em contato com este.   

Figura 2 – Bate-estaca.

Imagem disponível em: http://www.liebherr.com/catXmedia/mcf/Thumbnails/7da87097-e81d-40fd-bde4-3c18f0a48b0d_W300.jpg. Acesso em: 04 Mai. 2010    

Questione os alunos, se é possível visualizar a ação de alguma Energia no funcionamento de um bate-estaca. Após ouvir as opiniões dos alunos, o professor deverá dizer aos alunos que eles poderão, no decorrer desta aula, compreender se há a ação de alguma Energia no equipamento em questão (Bate-Estaca).

Atividade 1

Neste momento, o professor deverá apresentar o recurso “Conversão de Energia” (Fig. 3), conforme postado abaixo, o qual se trata de uma  atividade experimental.

Recurso: Conversão de Energia

Link do Recurso: http://www.pontociencia.org.br/experimentos-interna.php?experimento=9&CONVERSAO+DE+ENERGIA#top Acesso em: 04 Mai. 2010   

Figura 3 – Demonstração da Experiência "Conversão de Energia".

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/68a9104abde63ec0c00d4e5ef82f19be.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010

Sugestão: Para motivar os alunos para a realização deste experimento, sugerimos que o vídeo (Fig. 4), postado abaixo (que apresenta a realização desta experiência), com duração de 48 segundos, seja apresentado aos alunos.   

Link do Vídeo – Conversões de Energia http://www.youtube.com/watch?v=b5AvgdV5_wI&feature=player_embedded Acesso 04 Mai. 2010    

Figura 4 – Imagem do vídeo “Conversões de Energia”.   

Observação: O professor, se preferir, poderá gravar o vídeo em DVD e apresentá-lo aos alunos na Sala de Vídeo da escola, ou mesmo na sala de aula, de forma que todos possam assisti-lo ao mesmo tempo.   

No experimento, a ser desenvolvido neste momento, será demonstrado que a Energia Potencial Gravitacional é convertida em Energia Cinética.   

Em relação à montagem do experimento, o professor, após orientar os alunos a usarem o equipamento de proteção – óculos de segurança, luvas, máscara - e a tomarem cuidado para não se ferirem, deverá dar as seguintes instruções aos alunos:

• Usando a canetinha, marquem um retângulo de 4 x 9 cm, centrado a 1,5cm das laterais (Fig. 5).   

Figura 5 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/4405c34c6320f52520a5bf20c1d57b1e.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

• Com uma furadeira, façam vários furos seqüenciais e próximos sobre a linha marcada (Fig. 6). É importante que o professor supervisione os grupos e peça para que eles tomem muito cuidado neste momento, para não se ferirem.   

Figura 6 – Demonstração da experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/5925661311ab73c2ad791bbe41c970c5.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

• Usando um serrote, serrem as laterais do retângulo (Fig. 7). É importante que o professor supervisione os grupos e peça para que eles tomem muito cuidado neste momento, para não se ferirem.   

Figura 7 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/a0ee33309ef22690886676110c6152bd.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010 

• Forcem o retângulo para baixo separando-o da peça principal. Esta será a parte frontal do seu carrinho (Fig. 8).   

Figura 8 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/5834c958bdb24b668dacdeee5ca039c0.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

• Usando a furadeira, com uma broca de diâmetro igual ao do palito de churrasco que vocês irão usar no experimento, façam um furo nos dois pedaços de madeira de 2,5 x 20 cm, a uma distância de 0,5 cm de uma de suas extremidades. Repitam este procedimento para os pedaços de madeira de 1,5 x 20 cm (Fig. 9). É importante que o professor supervisione os grupos e peça para que eles tomem muito cuidado neste momento, para não se ferirem.   

Figura 9 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/1b961f1e2eb1fc20279ab804ff7b5279.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010 

• Passem uma camada de cola nos suportes dos eixos (pedaços de madeira de 1,5 x 20 cm furados nas extremidades) para que eles fiquem presos a lateral de 20 cm do chassi. Lembrem-se de colar um suporte de cada lado do chassi (base do carrinho).

• Os suportes verticais deverão ser pregados na face do chassi oposta àquela onde foram fixados os suportes das rodas. As extremidades que deverão ser fixadas no chassi são opostas às extremidades perfuradas (Fig. 10).   

Figura 10 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/28e417a545cfe20d5b571730d5f25879.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

• Cortem uma seção da rolha com aproximadamente 1 cm de largura (Fig. 11). Essa será a base da polia. É importante que o professor supervisione os grupos e peça para que eles tomem muito cuidado neste momento, para não se ferirem.   

Figura 11 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/81fb5721fb9db23a0052f32ff8ce4fc2.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

• Usando uma faca ou estilete, façam um corte no meio desse pedaço de rolha para fazer o sulco central da polia (Fig. 12). É importante que o professor supervisione os grupos e peça para que eles tomem muito cuidado neste momento, para não se ferirem.   

Figura 12 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/0836c2e70a630371d752b73c51f9add5.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

• Passem o palito de churrasco pelo furo do suporte das rodas preso ao chassi do carrinho (Fig. 13).   

Figura 13 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/9eb78438a09bcd8b960e19f46ff599a7.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

• Encaixem as rodas nas extremidades do eixo. Não se esqueça de passar o eixo dianteiro no centro da polia feita com rolha (Fig. 14).   

Figura 14 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/34c8901077a34a891055b0d09b503cb2.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

• Passem um palito de churrasco nos furos situados na extremidade superior dos pedaços de madeira utilizados como suportes verticais. Não se esqueçam de colocar a pequena polia nesse eixo (Fig. 15).   

Figura 15 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/177ee56c365bfbf02184cd7d5bd0d61f.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

• Agora é só colocar um peso qualquer no pedaço de barbante, e passá-lo pela polia superior, enrolando-o na polia do eixo da frente do seu carrinho (Fig. 16). Ao soltar o peso, seu carrinho se move.   

Figura 16 – Demonstração da Experiência.

Imagem disponível em: http://www.pontociencia.org.br/imgdb/experimentos/68a9104abde63ec0c00d4e5ef82f19be.gif. Acesso em: 04 Mai. 2010    

Peça para que os alunos expliquem o que acontece no experimento quando:

• Levantamos o peso no ponto mais alto e o abandonamos;
• Quando o peso chegar ao seu ponto mais baixo, a velocidade do carrinho é máxima?

Pergunte que tipo de Energia é evidenciada no decorrer da realização do experimento, nos momentos em que: 

• O peso está no ponto mais alto do barbante;
• O peso esta descendo, ou seja, após ele ser abandona.

Favoreça com que eles compreendam que o movimento do carrinho se dá devido à transformação de Energia Potencial Gravitacional armazenada no sistema carrinho-Terra (Força Gravitacional) em Energia Cinética das polias e eixos do carrinho. Essa Energia Cinética é transmitida às rodas, provocando o deslocamento horizontal do carrinho.

Ao se erguer uma determinada massa pelo barbante, armazenamos Energia Potencial Gravitacional no sistema. Quando a massa é abandonada, a Energia Potencial Gravitacional do sistema começa a ser convertida em Energia Cinética, uma vez que a massa começa a perder altura.   

Atividade 2

Na atividade anterior trabalhou-se a Conservação da Energia Mecânica, ou seja, a transformação da Energia Potencial Gravitacional em Cinética, ou vice-versa. Nesta atividade iremos analisar a existência das Energias - Cinética ou Potencial - levando em conta os referenciais.   

O professor poderá fazer o seguinte questionamento aos alunos: “Um avião (Fig. 17) está com velocidade de 900 km/h a 10.000 m de altitude. Qual a Energia Cinética e a Potencial Gravitacional de um passageiro em relação ao avião? E em relação à Terra?”.   

Figura 17 – Avião.

Imagem disponível em: http://oglobo.globo.com/fotos/2009/11/02/02_MHG_mun_aviao.jpg. Acesso em: 04 Mai. 2010    

É importante que o professor incentive a discussão entre os alunos a respeito desta pergunta, bem como medie esta, favorecendo a formação da construção do saber de que, a Energia Cinética, a Potencial Gravitacional e, por extensão, a Mecânica dependem do referencial. Em relação ao avião as duas Energias são nulas, pois o passageiro está em movimento junto com o avião; em relação à Terra, basta aplicar as respectivas expressões considerando a velocidade e a altura do passageiro iguais à velocidade e à altura do avião, ou seja, v = 900 km/h e h = 10.000 m de altitude ⁽¹⁾.

Atividade 3

Como nas atividades anteriores trabalhou-se o que é a Energia Mecânica, ou seja, a Conservação da Energia, nesta atividade os alunos irão representar como ocorre essa conservação.   

Finalizando a aula, retome, neste momento, a questão inicial (do bate-estaca) e explique aos alunos o seu princípio de funcionamento - o qual é muito simples: um motor eleva um bloco muito pesado a certa altura; quando ele atinge o ponto mais alto, é solto sobre a estaca de concreto que se pretende fincar no solo. A cada impacto a estaca entra um pouco, até que finalmente ela atinge a profundidade desejada.

Neste momento, o professor deverá promover uma discussão com toda a sala sobre o Bate-Estaca e sua relação com a Conservação da Energia Mecânica. Para esta atividade, sugerimos o roteiro abaixo.   

• O funcionamento do bate-estaca tem alguma semelhança com o experimento (do carrinho) realizado? Qual (is)?
• As Energias Cinética e Potencial Gravitacional estão presentes na ação do Bate-estaca? Por quê? Quais outros tipos de Energia e quais transformações de Energia estão presentes no uso de um bate-estaca? Por quê?  
• Nesta aula foi trabalhado o conceito de Conservação da Energia Mecânica, e foi visto a transformação de Energia Cinética em Potencial Gravitacional. Quais outros tipos de Energias podem ser evidenciadas em nosso cotidiano? Que outros tipos de Energia encontramos na natureza?

Com relação às transformações de Energia evidenciadas na ação de um Bate-estaca, deve ser destacado que, em primeiro lugar temos o motor, que pode ser elétrico ou pode ser a combustão. Nesse caso, há uma transformação de Energia Química em Energia Cinética, no caso de um motor a combustão, ou de Energia Elétrica em Energia Cinética se o motor for elétrico. Essa Energia Cinética é usada para realizar o Trabalho de erguer o bloco. Nesse Trabalho, a energia está sendo acumulada na forma de Energia Potencial Gravitacional. Essa Energia Potencial Gravitacional, quando o bloco for solto, transforma-se em Energia Cinética, à medida que vai descendo. Quando o bloco atingir a estaca, a Energia Cinética será usada para realizar o Trabalho de deformação do solo, que irá resultar na fixação da estaca.   

Referências Bibliográficas

1. Gaspar, Alberto. Física 1º Edição. p. 159, 2008.

Teoria e experimentos:

http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/energia-mecanica/energia-mecanica.php 

Avalie a participação dos alunos nas discussões, no experimento e peça para que cada grupo pesquise na internet e em livros cinco (5) exemplo de Conservação da Energia Mecânica, e explique todas as transformações visualizadas em cada exemplo.