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Conservação da quantidade de movimento em colisões

 

13/01/2011

Autor e Coautor(es)
Guilherme Andre Dal Moro
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CURITIBA - PR Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Eziquiel Menta

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Médio Física Movimento, variações e conservações
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula

A lei da conservação da quantidade de movimento para corpos com diversas massas;

Aplicação da lei de conservação da quantidade de movimento nas reações nucleares.

Duração das atividades
2 aulas de 50 minutos
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

- Estrutura atômica dos átomos;

- Cinemática;

- Definição de forçar resultante;

- Conceitos de energia.

Estratégias e recursos da aula

Estratégias de Ensino:

- Aula interativa com recurso multimeios;

- Aula conceitual.

Introdução a aula:

Inicie a aula apresentando os vídeos de testes de colisões realizadas entre carros e caminhões. Comente que as situações assistidas estão relacionadas com a conservação da quantidade de movimento de sistemas mecânicos e que este mesmo fenômeno também se relacionam à geração de energia em reatores nucleares através da colisão entre os nêutrons do material nuclear.

Vídeo 1: Colisão entre dois carro

Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=he6TL15pJtw&feature=related acesso em 08/12/2010. 

 

Vídeo 2: Colisão de um caminhão com diversos carro

Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=IsCX3H4U-Ok acesso em 08/12/2010. 

Atividade 1: Colisões elásticas e inelásticas

Nesta atividade serão explicados os tipos de colisões possíveis e serão sugeridos exercícios para a aplicação dos conceitos.

Inicialmente, deixe claro para seus alunos que a quantidade de movimento de um sistema permanece constante quando a resultante das forças é nula. Frise que nas colisões entre dois carros ocorre conservação da quantidade de movimento, visto que a força externa resultante é nula (considerando que a força peso é equilibrada pela força normal em um plano horizontal).

Explique que sempre que ocorrer a conservação da energia mecânica do sistema, a colisão será dita completamente elástica e, neste caso, a energia mecânica inicial será igual a energia mecânica final. Neste fenômeno, a energia mecânica é absolutamente conservada de tal forma que não há dissipação de energia em outros tipos de energia. É importante deixar claro aos seus alunos que na natureza não ocorrem colisões desta natureza (caso ideal). Apresente, como exemplo, a seguinte situação: ao soltar uma bola de basquete da altura de 1 metro, a bola pingará no solo e não voltará para a mesma altura mas, se a energia mecânica for plenamente conservada, a bola ficará eternamente pingando. Outra situação que evindencia a impossibilidade da conservação da energia mecânica é: ao soltar o balanço de um altura determinada, a cada oscilação ele retorna a uma altura cada vez menor até parar totalmente; o mesmo acorreria em um salto de bungee jump (video 3). Peça para que alunos observem que depois do salto, ele não retorna ao ponto inicial.

Vídeo 3: Salto de bungge jump

Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=uxw2J32fd1g&feature=related acesso em 09/12/2010. 

Quando ocorre a perda da energia mecânica em uma colisão, ela será dita inelástica. Na colisão vista no vídeo 2, quando o caminhão arrasta os carros que estão a sua frente, temos uma redução da energia cinética e a chamamos de colisão perfeitamente inelástica. Deixe claro para os alunos que neste tipo de colisão há o acoplamento dos corpos colididos.

Podemos determinar a energia mecânica do sistema através da seguinte fórmula:

Emf = Emi - Ed onde, Emf é a energia mecânica final,  Emi é a energia mecânica inicial e Ed a energia dissipada

Seguem alguns exercícios sobre o assunto:

1) Uma bola de futebol de 300 g é abandona de uma altura de 2 m. Em cada quique no solo, a cola perde 30% de sua energia. Qual é a energia da bola após 3 quiques?

2) Em um teste de colisões automotivas, um veículo de 1000 kg e a 60 km/h perde 90% de sua energia mecânica. Qual é sua velocidade final?

Atividade 2: Conservação da quantidade de movimento

Nesta atividade será definido o que é conservação da quantidade de movimento e apresentado um simulador, sobre o qual os alunos deverão responder um roteiro e elaborar um relatório.

Defina, agora, para seus alunos o conceito de quantidade de movimento, isto é: "a quantidade de matéria que se movimenta com determinada velocidade".

q = m . v onde q é quantidade de movimento de uma única partícula, m é a massa desta partícula e v sua velocidade.

Assim sendo, quanto maior a massa ou sua velocidade, maior será a sua quantidade movimento. Desta maneira, quando consideramos um carro e um caminhão com as mesma velocidade, o caminhão terá uma quantidade de movimento maior do que de um carro.

Deixe claro para seus alunos que em todas as colisões ocorre a conservação da quantidade de movimento de um sistema fechado e isolado.

Qtotal incial = Q total final         onde, Qtotal incial é a quantidade de movimento inicial do sistema e Q total final  é a quantidade de movimento final do sistema.

Separe os alunos em duplas e disponibilize no laboratório de informática o recurso 1. Neste recurso será possível simular colisões elásticas e inelásticas com corpos de massas iguais ou diferentes.

 

Recurso 1: Colisão elástica e inelástica

 

Disponível em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=27841 acesso em 108/12/2010 

Peça aos alunos que utilizem, inicialmente, que utilizem a massa de 1,4 kg para o segundo carrinho. Fazendo uma colisão elástica e outra inelástica. Após as simulações peça para que os alunos observem o que ocorreu em cada uma delas e respondam as seguintes questões:

1) Determine a quantidade de movimento antes das colisões nas duas situações.

2) Determinar a quantidade de movimento de cada objeto depois das colisões (lembre-se que a quantidade de movimento é uma grandeza vetorial).

3) Determinar a quantidade de movimento dos sistemas nas duas situações depois das colisões.

Com base nessas respostas, peça para que os alunos concluam se houve a conservação da quantidade de movimento e elaborem um relatório contendo, passo a passo, o que foi realizado e as conclusões obtidas.

Atividade 3: Reatores nucleares

Nesta atividade os alunos poderão verificar através de um simulador o funcionamento de um reator nuclear. Está explicação está diretamente ligada à transferência da quantidade de energia e da quantidade de movimento que ocorre dentro dos reatores nucleares.

É importante explicar que nestes reatores ocorrem dois tipos de colisões:

- A primeira na qual o nêutron atinge um átomo radioativo quebrando a molécula e gerando mais nêutrons. A consequência desse processo é uma reação de colisões em cadeia.

- Na segunda, nêutrons produzidos nessas reações colidem com átomos de hidrogênio da água e perdem energia para esses. A energia absorvida pela água é transformada em calor, elevando sua temperatura e mudando seu estado físico para vapor, que será utilizado na geração de energia elétrica.

Figura 1: Fissão nuclear

Disponível em: http://ciencia.hsw.uol.com.br/energia-nuclear.htm acesso em 08/12/2010. 

Deixe claro para seus alunos que após o disparo do primeiro nêutron ocorre uma reação em cadeia que sozinha, é impossível de controlar. Por isso, são utilizadas barras de cádmio ou boro para controlar o número de reações em cadeia, evitando assim que o reator tenha um superaquecimento, resultando em uma explosão de grandes proporções. Comente que também são utilizadas barras de grafite para desacelerar os nêutrons.

Para deixar esta situação mais clara, separe os alunos em duplas, disponibilize o recurso 1 no laboratório de informática. Este recurso permite simular uma reação em cadeia em um reator nuclear.

Recurso 2: Física nuclear

Diponível em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=10480 acesso em 09/12/2010 

 

Peça para que eles selecionem "Reator nuclear" e cliquem em "disparar neutrons". Avise-os que o controlador pode ser ajustado arrastando a barra verde para cima ou para baixo. Esta barra tem a finalidade de controlar as reações em cadeia.

Solicite para os alunos que produzam um vídeo abordando em forma de noticiário acidentes ocorridos em reatores nucleares. É importante que nesses vídeos os alunos abordem, também, as leis e regulamentações de construção de reatores nucleares.

Recursos Educacionais
Nome Tipo
Física nuclear Animação/simulação
Colisão Animação/simulação
Recursos Complementares

Seguem alguns sites que pode servir como material de apoio e pesquisa sobre o conservação da quantidade de movimento:

"Experimento 10 - Conservação da Quantidade de Movimento" disponível em http://educar.sc.usp.br/sam/quantidade_movimento_roteiro.html  acesso em 09/12/2010.

"Quantidade de movimento" disponível em: http://www.novafisica.net/conteudo/cont-1-qtde-mov1.htm acesso em 09/12/2010. 

Avaliação

Os alunos serão avaliados através das participações nas aulas, na resolução e correção dos exercícios da atividade 1, na elaboração de um relatório sobre a atividade 2 e na montagem de um vídeo sobre os acidentes e regulamentações da uso da energia nuclear.

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