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FATORES QUE INFLUENCIAM O ALCANCE E A ALTURA ATINGIDA POR UM FOGUETE

 

15/03/2013

Autor e Coautor(es)
CLEMENTINA VERGINIA ANDREOLLA
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PATO BRANCO - PR UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARANA

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
  •  Trabalhar a teoria de lançamento de foguetes;
  • Investigar como variar o alcance de um lançamento de foguetes variando o ângulo de inclinação ou a quantidade de massa a ser lançada na direção oposta ao movimento, em um lançamento oblíquo;
  • Analisar a relação entre altura e quantidade de combustível ejetado, durante o lançamento vertical de um foguete;
  • Trabalhar, na prática, o conteúdo de lançamento de projéteis a partir do lançamento de foguete didáticos, feito com garrafas PET, utilizando água e ar comprimido;
  • Levar o aluno a perceber que os conteúdos trabalhados em Física se relacionam diretamente com o seu dia a dia;
  • Integrar as disciplinas de Matemática e Física, levando o aluno a internalizar que o conhecimento não é compartimentalizado, a partir da compreensão do princípio de funcionamento de foguetes.
     
Duração das atividades
2h e 30 minutos
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno
Estratégias e recursos da aula

 

Esta aula utiliza como processo metodológico o Método Científico, que consiste em cinco etapas básicas, apresentadas no decorrer do desenvolvimento dessa aula, que são:
 
Etapa 1: Observação;
Etapa 2: Problematização;
Etapa 3: Formulação da hipótese;
Etapa 4: Experimentação;
Etapa 5: Conclusão.
 
O objetivo desta sugestão de aula é verificar as variáveis envolvidas no alcance e altura atingida nos lançamentos de foguetes. Por isso os foguetes e base de lançamento devem ser construídos anteriormente a execução desta sugestão de aula. O momento e a forma como os foguetes e a base serão construídos fica a critério do professor, que pode optar por construir ele próprio, ou em equipes entre os alunos, ou ainda de outra forma de acordo com cada realidade.
 
A execução da aula se dá com o lançamento de foguetes didáticos, feitos a partir de garrafas PET, utilizando como propulsor ar comprimido e água, conforme proposta de oficina do programa AEB Escola e que será detalhado adiante.
 
Durante a execução dessa sugestão de aula, os alunos realizam os lançamentos, cronometram tempos, medem distâncias e, a partir dos dados coletados, fazem medições e análises que serão utilizadas para desenvolver e concluir questões propostas, relativas a fatores que influenciam no alcance e altura atingida pelos foguetes, conforme estratégias sugeridas nesta aula.

A execução da aula se dá com o lançamento de foguetes didáticos, feitos a partir de garrafas PET, utilizando como propulsor ar comprimido e água, conforme proposta de oficina do programa AEB Escola e que será detalhado adiante.

Material Utilizado: Para realizar esta aula são necessários:

 Foguete de garrafa PET;

Base de Lançamento;

Compressor de ar ou bomba de ar (tipo de encher bola ou pneu de bicicleta);

Transferidor;

3 Cronômetros;

Água;

Metro ou trena.

As informações de como construir o foguete e a base de lançamento, bem como os materiais necessários, o professor encontrará, seguindo a proposta de oficina do programa AEB Escola. O passo a passo da construção do foguete e da base podem ser acessados nos endereço http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol8/Num2/v08n02a02.pdf, no material "Coleção Explorando o Ensino: Astronáutica" volume 11 do programa AEB Escola, o qual pode ser acessado em http://pt.scribd.com/doc/34218676/colecaoexplorandooensino-Astronautica e nos vídeos http://unbnasbpc.wordpress.com/2011/07/13/aeb-lanca-foguete-na-sbpc/ e http://www.youtube.com/watch?v=3SAsjM1PriM. Outra fonte que auxiliará na execução dessa atividade é o link http://educacaoespacial.files.wordpress.com/2010/10/projeto-foguetes-na-escola.pdf.

A sugestão aula, aqui proposta, está distribuída em três momentos.

MOMENTO 1 - DESPERTANDO A CURIOSIDADE

Uma das maiores curiosidades das pessoas, ao que se relaciona a astronáutica é compreender o funcionamento dos foguetes. Para contemplar a primeira etapa do método científico, que é a observação o professor deve levar a turma toda para um local aberto, com bastante espaço (como um campo de futebol, por exemplo) (Figura 1).

 
 
local de lançamento
Figura 1: Local apropriado para lançamento de foguete
 
Inicialmente, apresentar os foguetes aos alunos identificando suas partes e funções e, apresentar a base de lançamento, ressaltando o seu funcionamento, dando ênfase nas questões de segurança. Em seguida o professor faz lançamento de foguetes didáticos, proporcionando aos alunos a observação de movimentos realizados. Devem-se realizar no mínimo três lançamentos, com ângulos diferentes, conforme orientação nos links sugeridos anteriormente.
 
Solicitar aos alunos que observem a altura atingida pelos foguetes, durante o movimento dos mesmos. Os foguetes devem ser deixados nos locais, onde caíram para que possam observar a distância atingida pelos foguetes em relação ao ponto de lançamento (alcance).
 
Contemplada a etapa de observação, o professor reúne a turma toda e pede para que se organizem em equipes de cinco componentes. Cada equipe deve elaborar no mínimo três perguntas relacionadas ao que observaram. Essa atividade deve ser desenvolvida no local do lançamento e tem o objetivo de contemplar a segunda etapa do método científico que é a formulação de pergunta (problematização).
 
Além das perguntas formuladas pelos alunos, o professor deve incluir na problematização questões como:
 
  • Como podem "voar" se não possuem motores?
  • Porque os foguetes lançados atingiram alturas e alcances diferentes?
  • Quais fatores estão envolvidos na altura e no alcance atingido pelo foguete?
 
Após o lançamento dos foguetes, para simples observação, o professor, contemplando a etapa de formulação de hipótese, deve reforçar que o princípio do funcionamento de foguetes obedece as Leis de Newton, mais precisamente o princípio da ação e reação, caracterizado na terceira Lei. Explica o que é alcance (distância entre o ponto de lançamento e o ponto atingido pelo foguete ao tocar o solo) e altura bem como as grandezas físicas envolvidas em sua obtenção.
 
MOMENTO 2 - LANÇAMENTO DE FOGUETES DIDÁTICOS E COLETA DE DADOS
 
Na sequência leva ao conhecimento dos alunos que o objetivo da aula é verificar a variação sofrida pelo alcance do foguete e altura que o mesmo atinge, quando se altera a massa de água que será colocada dentro do foguete e no ângulo de lançamento. As atividades sugeridas na sequência, contemplarão a etapa de experimentação do método científico e os lançamentos serão realizados pelos alunos pertencentes a cada equipe.
 
Os dados obtidos nas atividades 1, 2 e 3, devem ser registrados na Tabela 1, para posteriormente realizar a avaliação.
 
Atividade 1: Com três foguetes idênticos, coloca-se em cada um a mesma quantidade de água (em torno de 1/3 do volume do foguete). Cada um dos foguetes são submetidos a mesma pressão (medida no manômetro do compressor, em torno de 40 libras) e lançados com ângulos diferentes, em relação a horizontal. Um é lançado com ângulo maior que 45 graus, o outro com ângulo menor que 45 graus e, o terceiro com ângulo de 45 graus. 
 
Devem ser distribuídos três cronômetros a cada equipe. Durante o lançamento de cada um dos foguetes, os membros da equipe devem cronometrar o tempo desde o lançamento até atingir o chão, usando os três cronômetros ao mesmo tempo, assim, terão três tempos o que, fazendo a média dos três tempos de cada lançamento, dará um valor de maior precisão aos tempos de duração do voo. Com os resultados dos três cronômetros os alunos devem fazer a média do tempo de voo do foguete, somando os três tempos e dividindo por três. 
 
Os procedimentos abaixo devem ser repetidos para cada um dos foguetes.
 
1- Coloque água na parte frontal do foguete, para deslocar o centro de massa do foguete e meça a massa do foguete com essa configuração;
2- Coloque, dentro do foguete, 1/3 de seu volume, de água;
3- Meça a massa do foguete, com a água nos dois locais (parte frontal e dentro do foguete) e anote na Tabela 1;
4- Incline a base de lançamento com um ângulo menor que 45º; Meça o ângulo e anote na Tabela 1;
5- Monte o foguete na base de lançamento, conforme a Figura 2. 
6- Coloque o gatilho (Figura 3) e insira pressão na parte interna do foguete (conforme Figura 1). Anote o valor da pressão na Tabela 1;
7- Faça o lançamento cronometrando (com três cronômetros serão utilizados ao mesmo tempo, cronometrando o mesmo lançamento, para que, fazendo a média dos três tempos tenha-se maior precisão) o tempo que cada um dos foguetes permanece no ar. Anote na Tabela 1. 
8- Meça o alcance horizontal (a distância, em relação a posição de lançamento, atingida pelo foguete) do foguete e anote na Tabela 1.
9- Repita os passos de 1 a 8 com ângulo de lançamento menor que 45 graus.
10- Repita os passos de 1 a 8 com ângulo de lançamento maior que 45 graus.
 
 
Foguete e Base gatilho foguete
Figura 2: Foguete e base de lançamento                                                 Figura 3:Colocação do gatilho de segurança

 

Tabela1: Anotação dos dados de lançamento oblíquo de foguete
Θ[º] (ângulo de lançamento) Massa inicial do foguete [kg] ∆t [s] Pressão               Alcance (x)[m]
   
 
 
 
tempo médio =
   
   
 
 
 
tempo médio =
   
   
 
 
 
tempo médio =
   
 
Esta atividade mostra que se obtém o maior alcance com ângulo de lançamento igual a 45º.
 
Atividade 2: Mantendo o ângulo de 45 graus e a mesma pressão no manômetro, agora varia-se a massa de água nos foguetes. Em um coloca-se a quantidade indicada (1/3 do volume interno do foguete) e, nos outros dois coloca-se, em um uma massa menor (lançado por segundo) e no outro massa maior (lançado por último). Anota os dados em nova tabela (Tabela 1)
 
Fazem-se os lançamentos e discutem-se os resultados encontrados relacionando a quantidade de massa a ser expelida com a reação sofrida pelo foguete e, que, consequentemente, ira fazer com que realize o movimento.
 
No final dos dois primeiros lançamentos a conclusão é que o foguete de menor massa terá alcance menor, pois teve menor quantidade de água expelida para trás, consequentemente menos reação.
 
Após lançar o terceiro foguete, questiona-se o porquê de o foguete com muita massa não teve alcance horizontal maior que o com a quantidade indicada, se a massa a ser expelida era maior? Porque, tendo muita massa, sobra pouco espaço para o ar comprimido, não sendo possível exercer a pressão necessária para que a água fosse expelida com a mesma força que no foguete com a massa de água indicada.
 
  Atividade 3: Para concluir a atividade, faz-se o lançamento dos três foguetes, variando a quantidade de água conforme a atividade 2, mantendo a mesma pressão, porém com ângulo de 90 graus. Ou seja, lançamento vertical. Completar a Tabela 2.
 
Lembrar aos alunos que o tempo de subida é o tempo que o foguete demora desde o lançamento até atingir a altura máxima (parar de subir).
 
É importante ressaltar, nessa atividade a atenção extra que se deve ter em relação a direção tomada pelo foguete durante o voo, para que não ocorra nenhum acidente como por exemplo, um foguete vir a atingir alguém.
 
Tabela 2: Dados dos lançamentos vertical de foguete
Θ[º] (ângulo de lançamento)              Massa inicial do foguete [kg]  ∆t [s] de subida Pressão   Altura (y)[m]
   
 
 
 
Tempo médio=
   
   
 
 
 
Tempo médio=
   
   
 
 
 
Tempo médio=
   
 
Para calcular a altura atingida pelo foguete, os alunos utilizarão as equações do Movimento Retilíneo Uniformemente Variado, adaptadas para o movimento vertical, abaixo.
Movimento de queda livre
Sabendo que a velocidade quando o foguete atinge a altura máxima é zero, utilizando a equação 2 calcula-se a velocidade de lançamento do foguete. Com esse dado, utilizando uma das outras duas equações encontram a altura atingida pelo foguete.
 
As equipes podem filmar os seus lançamentos, escolherem os melhores resultados e compartilharem seus melhores registros com a turma no YouTube ou no site da escola, se houver. Isso propiciará uma integração das tecnologias e será um incentivo a mais para a realização das atividades propostas. 
 
MOMENTO 3 -  ANÁLISE DOS RESULTADOS
 
Analisando os dados, contemplando a quinta etapa do conhecimento científico, a atividade 1 deve mostrar que o maior alcance é obtido com ângulo de lançamento igual a 45 graus. 
 
Na atividade 2 após o lançamento dos dois primeiros foguetes a conclusão obtida deve ser a de que o foguete de menor massa terá alcance menor, pois teve uma quantidade menor de água a ser expelida para trás, consequentemente menos reação. 
 
Após o terceiro foguete verifica-se que mesmo tendo maior massa o alcance não é maior a conclusão deve ser que, tendo muita massa sobra pouco espaço para o ar comprimido, não sendo possível exercer a pressão necessária para que a água seja expelida com a mesma força que no foguete com a massa de água indicada. Portanto, não é somente a quantidade de massa que influencia o alcance nesta atividade.
 
Na atividade 3, confirmam-se os resultados das atividades 1 e 2, indicando que a maior altura atingida é a do foguete com a massa de água indicada. 
 
Conclui-se que as variáveis que influenciam no alcance e altura atingida pelos foguetes dependem da massa, da pressão e do ângulo de lançamento.
 
Recursos Complementares

Uma simulação interessante, que ilustra o lançamento de projéteis e enfatiza os conceitos trabalhados nestas atividades é encontrada no site http://www.labvirt.fe.usp.br/applet.asp?time=17:53:56&lom=10707. Traz uma atividade interativa e gostosa de realizar.

O site da AEB escola também é um excelente subsídio para esta atividade. http://www.aeb.gov.br/mini.php?secao=aebescola

Outras sugestões de aula que ajudarão a complementar esta podem ser acessadas no site http://educacaoespacial.wordpress.com/recursos-2/planos-de-aula/

Avaliação

A avaliação será realizada através de instrumentos que identifiquem se os objetivos foram alcançados e elaboração de relatório, descritivo, das atividades.

 
Instrumento de avaliação 1: As equipes devem, utilizando os dados anotados na Tabela 1, para a atividade 1, responder:
 
a) Qual o tempo médio de voo do foguete lançado com ângulo de 45º? 
 
b) Qual o tempo médio de voo do foguete lançado com ângulo maior que 45º? 
 
c) Qual o tempo médio de voo do foguete lançado com ângulo menor que 45º? 
 
d) Qual o alcance de cada foguete?
 
e) Qual dos foguetes obteve maior alcance?
 
f) Comente a relação existente entre ângulo de lançamento, tempo de voo e alcance.
 
 
Instrumento de avaliação 2: As equipes devem, utilizando os dados anotados na Tabela 1, para a atividade 2, responder:
 
 a) Qual o tempo médio de voo do foguete lançado com 1/3 do volume do foguete sendo água? 
 
b) Qual o tempo médio de voo do foguete lançado com volume de água maior que 1/3 do volume do foguete? 
 
c) Qual o tempo médio de voo do foguete lançado com volume de água menor que 1/3 do volume do foguete? 
 
d) Qual o alcance de cada foguete?
 
e) Qual dos foguetes obteve maior alcance?
 
f) Comente a relação existente entre o volume de água, tempo de voo e alcance.
 
Instrumento de avaliação 3: As equipes devem, utilizando os dados anotados na Tabela 2, para a atividade 3, responder:
 
a) Qual o tempo médio de subida do foguete lançado com 1/3 do volume do foguete sendo água? 
 
b) Qual o tempo médio de subida do foguete lançado com volume de água maior que 1/3 do volume do foguete? 
 
c) Qual o tempo médio de subida do foguete lançado com volume de água menor que 1/3 do volume do foguete? 
 
d) Qual a altura atingida pelos foguetes?
 
e) Qual dos foguetes atingiu maior altura?
 
f) Comente a relação existente entre o volume de água, tempo de voo e altura atingida.
 
Instrumento de Avaliação 4: Apresentação do resultado de cada equipe, em sala
 
Em sala, as equipes devem elaborar uma tabela apresentando os resultados obtidos em seus lançamentos destacando a conclusão da equipe em relação as grandezas envolvidas no alcance e altura atingida pelos foguetes.
Opinião de quem acessou

Três estrelas 2 classificações

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Opiniões

  • Josélys, Albânia - disse:
    tsgouvea@gmail.com

    17/04/2013

    Cinco estrelas

    Lindo! buena experiencia guys!


  • Francisca Lucia vale, ESCOLA ESTADUAL MONSENHOR HONORIO ENSINO DE 1º GRAU , Rio Grande do Norte - disse:
    luciavale15@hotmail.com

    23/03/2013

    Duas estrelas

    muito boa, apenas precisamos de maiores detahamentos devido a falta de capacitação que não temos como professores de escoa estadual.


Sem classificação.
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