• Aprofundar os conceitos de pressão e densidade;

• Citar e saber utilizar o Princípio de Pascal e Teorema de Stevin em problemáticas que envolvam a hidrostática;
• Construir sistemas inventados para a medição de pressão, a saber: barômetro e manômetro;
• Aplicar e identificar as leis da hidrostática na montagem de um braço hidráulico e uma fonte de água.

16 horas/aula

- Noções dos conceitos de pressão e densidade.

PREPARAÇÃO DA AULA:

Esta aula utilizará a rede social Facebook como ferramenta pedagógica. Assim, o professor deverá criar uma conta para a turma nesta rede social e certificar-se de que todos os alunos sejam adicionados. Será necessário que todos os alunos possuam um email pessoal. Sugere-se, então, que esta etapa seja realizada junto com os discentes antes de iniciar as atividades dessa aula. O docente poderá utilizar um projetor data-show para que todos visualizem seus passos e participem deste processo. Tutorais para a criação de uma conta no Facebook são indicados nos recursos complementares.

 

ATIVIDADE 1: O Princípio de Pascal e sua aplicação na construção do braço hidráulico.

INSTRUÇÕES INICIAIS

Para a realização desta atividade será necessário um computador, projetor data-show, e os materiais para a realização dos experimentos especificados nas seções abaixo. São experiências com materiais de baixo custo como garrafas PET, balões, massa de modelar e seringas. Serão necessárias câmeras digitais ou celulares com câmera para que os procedimentos sejam registrados pelos alunos e depois compartilhados na rede social.

Alguns vídeos deverão ser exibidos na sala de aula. Para isto, eles poderão ser acessados na internet durante a aula ou salvos no computador para exibição posterior.

1.1 Exercitando o conceito de Pressão

O professor iniciará esta atividade apresentado aos alunos o vídeo “Cama de pregos – Encontro com Fátima Bernardes”, disponível no link http://globotv.globo.com/rede-globo/encontro-com-fatima-bernardes/v/fatima-bernardes-deita-sobre-cama-de-pregos/2288019/. Em seguida, conversará com os alunos sobre a definição de pressão, P = F/A, onde P = pressão, F = força e A = área e sobre a importância da área de contato.

Após este momento introdutório, os alunos serão convidados pelo professor a enfrentar outro desafio que representa o mesmo conceito apresentado no caso da cama de pregos. Para isto, os alunos serão divididos em grupos de seis integrantes e realizarão o experimento demonstrado no vídeo Subindo em balões, disponível no site http://www.numerofilia.com.br/2011/05/3-experiencias-de-fisica-simples.html. Uma cena do vídeo é mostrada na figura 1. Observe que os alunos NÃO assistirão ao vídeo Subindo em balões, mas sim o docente a fim de preparar a atividade proposta e o material necessário, como balões e a plataforma de madeira. Sugere-se que o professor realize o experimento antes da aula para testar se o material arranjado é adequado.

Figura 1: Cena do vídeo Subindo em balões.

Fonte: http://www.numerofilia.com.br/2011/05/3-experiencias-de-fisica-simples.html

 

Durante o experimento, um integrante do grupo ficará responsável por bater fotografias do passo-a-passo e das expressões faciais dos colegas ao subir na plataforma sobre os balões.

1.2 Exercitando o conceito de Densidade e conhecendo o Princípio de Pascal

Neste segundo momento, o professor convidará os alunos a realizarem mais um experimento. Desta vez, antes de iniciarem o procedimento, os discentes assistirão ao vídeo Experiência de Física para feira de ciências - Submarino na Garrafa ou Ludião, disponível no site http://cienciatube.blogspot.com.br/2011/06/ludiao-submarino-garrafa-feira-de.html, com a ajuda do projetor data-show na sala de aula (testar as caixas de som para que todos na sala possam escutar claramente). Uma cena do vídeo é mostrada na figura 2. Se julgar necessário, o docente poderá utilizar mais tempo relembrando o conceito de densidade e, em seguida, aprofundar o assunto “Princípio de Pascal” com os alunos, apresentando outros exemplos após a exibição do vídeo. Atenção para não usar os exemplos da seção 1.4, que serão discutidos via rede social.

 

Figura 2: Cena do vídeo Experiência de Física para feira de ciências - Submarino na Garrafa ou Ludião.

Fonte: http://cienciatube.blogspot.com.br/2011/06/ludiao-submarino-garrafa-feira-de.html

Mantendo os mesmos grupos formados anteriormente, o docente deverá distribuir o material previamente preparado (garrafas PET com água, massa de modelar e tampas de caneta BIC) e pedir que os alunos realizem o experimento. Novamente, um dos colegas será responsável por registrar o experimento. Desta vez, a equipe deverá fazer uma curta filmagem explicando o que é o Princípio de Pascal e o funcionamento do experimento. Todos do grupo devem participar!

 

1.3 Desafio: construindo o braço hidráulico

Neste terceiro momento, que finaliza a atividade 1 na sala de aula, o professor solicitará a atenção dos alunos para os seguintes vídeos:

Braço Hidráulico - Trabalho de Física - Colégio Chamberlain

http://www.youtube.com/watch?v=16eGFsd9hY0

Syringe Actuated Mechanical Arm (Braço mecânico feito por seringas)

http://www.youtube.com/watch?v=Qeg0y5AAmtI

Robô Mecânico Hidráulico

http://www.youtube.com/watch?v=_T4LKpPrjJo

 

Finalizados os vídeos, o docente deverá perguntar aos alunos em que princípio se baseia o funcionamento dos projetos apresentados. Neste momento, busca-se explicar o movimento do braço graças ao Princípio de Pascal.

Em seguida, o professor lançará um desafio: a construção de um braço hidráulico. Não apenas a construção, mas também uma competição que avaliará o braço com a melhor eficiência.

O braço:

Deverá ser construído com papelão, plástico ou madeira somente. Será desclassificado o braço que usar qualquer tipo de metal ou solda na sua montagem. Pode-se usar qualquer tipo de cola. O braço deverá ser montado e fixado sobre uma placa de madeira para facilitar o manuseio e translado durante a competição.

 A competição:

Após a avaliação dos materiais utilizados no projeto, os braços hidráulicos aprovados deverão realizar duas tarefas:

1.      Agilidade: Pegar uma bola de papel e jogar dentro de um balde, estando estes distanciados de pelo menos 30 cm. O tempo da tarefa será cronometrado por um juiz.

2.      Firmeza: Levantar cilindros na posição vertical com pesos diferentes e sustentar por 10 segundos. O objetivo é avaliar quanto em peso pode ser elevado pelo braço. Também deverá ser observado por um juiz. Sugere-se que os cilindros sejam feitos de papelão, como aqueles no interior de filmes de PVC para cozinha.

 

Vencerá o braço que obtiver as melhores performances. Deverá ser decidido pelo comité da competição o número de tentativas que cada grupo poderá realizar.

A competição poderá ser realizada tanto na sala de aula, com data marcada previamente, quanto durante a feira-de-ciências da escola. Entretanto, a construção dos braços hidráulicos deverá ser uma tarefa extrassala organizada pelas equipes.

1.4 Compartilhando na rede social - Extrassala

Os grupos deverão postar no Facebook da turma as fotos batidas durante o experimento assim como os vídeos em um prazo de três dias. Os alunos deverão compartilhar com os amigos suas impressões sobre as experiências e prestigiar as produções dos colegas através de comentários.

Durante este período, o professor deverá solicitar que os alunos justifiquem como os seguintes termos se relacionam ao que foi visto na atividade:

- Andar sobre o gelo - qual seria a maneira mais segura de andar sobre um lago congelado quando não se conhece a espessura da camada de gelo? Por que?;

- Pasta de dente e Garrafa de detergente – o que este dois utensílios tem em comum? (Busca-se identificar a aplicação do princípio de Pascal no modo de usá-los)

Sugestão: Também poderá ser compartilhado com a turma o website Densidade - Pressão - Princípio de Pascal, http://www.passeiweb.com/na_ponta_lingua/sala_de_aula/fisica/mecanica/hidrostatica/mecanica_hidrostatica.

 

ATIVIDADE 2: Como podemos medir a pressão? A invenção do barômetro e do manômetro e o Teorema de Stevin.

INSTRUÇÕES INICIAIS

A realização desta atividade ocorrerá no ambiente da sala de aula, extrassala e LIE. Serão necessários computadores com acesso a internet, e os materiais para a realização dos experimentos especificados nas seções abaixo. São experiências com materiais de baixo custo como garrafas PET, balões, tubos de borracha (tipo equipo de soro) e corante para água. Também serão necessárias câmeras digitais ou celulares com câmera para que os procedimentos sejam registrados pelos alunos e depois compartilhados na rede social.

2.1 Parando para pensar sobre a pressão atmosférica.

“... o ar tem peso. Em virtude disto, a camada atmosférica que envolve a Terra, atingindo uma altura de dezenas de quilômetros, exerce uma pressão sobre os corpos nela mergulhados.”

Fonte: Curso de Física 1, Máximo e Alvarenga, 3ª. Edição, Editora Habra – Capítulo 8, Hidrostática.

O professor indagará aos alunos como eles percebem a atuação da pressão atmosférica nas situações cotidianas. As respostas dos alunos deverão ser registradas na lousa. Em seguida o professor fará a seguinte pergunta: Qual a relação da pressão atmosférica com a vida no planeta Terra? Após ouvir opiniões dos alunos e conversar sobre elas, o docente apresentará aos alunos o experimento realizado com balões mostrado na figura 3 autoexplicativa abaixo:

Figura 3: Experimento com balão simulando o movimento respiratório devido à pressão atmosférica.

Fonte: Produzida pelo autor.

O docente deverá utilizar este experimento para relacionar a expansão sofrida pelos pulmões à pressão atmosférica. Sugere-se a visita dos alunos ao seguinte website: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Ar/Ar4.php. Permita que o experimento passe pelas mãos dos discentes para que eles mesmos o manuseiem e observem.

2.2 Equipamentos que medem pressões

Esta etapa iniciará com uma pesquisa na internet onde os alunos buscarão conhecer os dois equipamentos inventados para medir pressão, a saber: barômetro e manômetro. Abaixo é apresentada a sugestão de dois sites:

Medidor de pressão

http://www.rc.unesp.br/showdefisica/experimentos/medidorpressao/medidorpressao.htm

Manômetro e barômetro

http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/manometro-barometro.htm

 

Após a pesquisa, que poderá durar entre 10 e 15 minutos, o docente irá trabalhar os equipamentos um a um com os discentes da seguinte maneira:

Barômetro

O docente irá refazer na lousa passo-a-passo o experimento de Torricelli com a ajuda da turma. Ao final, deverá ser analisado o que ocorreria com o experimento no caso de utilizar líquidos de densidades diferentes do mercúrio, densidades maiores ou menores. Então, o docente sugerirá o uso da água no barômetro. Quanto seria a altura da coluna de água? Sendo, ao nível do mar, a densidade da água cerca de 13,6 vezes menor do que a do mercúrio, a altura seria 13,6 maior do que a apresentada por aquele material, ou seja 10,3 metros. Neste momento o docente irá convidar os alunos a realizarem este experimento. Para isto, a estrutura da escola deverá possuir três ou quatro andares com janelas em posições estratégicas, pois os alunos irão utilizar um tubo cheio de água colorida para medir a altura da água no barômetro caseiro. Os alunos poderão ser organizados em grupos e o experimento ser realizado por cada grupo. Ao final, pode-se calcular uma média dos valores encontrados.

Caso a escola não possua estrutura necessária para o experimento, o docente poderá sugerir que o experimento seja realizado como tarefa extrassala visitando um prédio com altura e janelas adequadas. O procedimento deverá ser registrado com fotografias ou vídeo e depois compartilhado na rede social juntamente com o valor encontrado.

Procedimento experimental:

1.      Esticar o tubo de aproximadamente 11 metros;

2.      Encher completamente o tubo com a água colorida. Cuidado para não deixar bolhas presas no interior, pois isto afetará o resultado;

3.      Dobrar as extremidades do tubo e prendê-las firmemente com barbante ou fita adesiva evitando que a água escorra;

4.      Enrolar cuidadosamente o tubo e se deslocar para o andar superior de onde será realizado o experimento (observe se a altura do andar é apropriada para a realização do experimento e também a segurança. Veja figura 4);

5.      Descer gentilmente uma das extremidades do tubo até o andar térreo. Tentar deixar o barômetro o mais reto/esticado possível, mas sem deformar o material;

6.      Enquanto um aluno sustenta a extremidade superior, outro colega coloca a extremidade inferior dentro de um reservatório de água e abre a extremidade até então fechada;

7.      Um terceiro colega observa o movimento da coluna de água e marca o tubo na altura em que a água parar;

8.      Um quarto integrante marcará a posição na mangueira que se encontra na altura da superfície do reservatório de água;

9.      Em seguida basta recolher o tubo e estica-la novamente no andar térreo para medir a distância entre os dois pontos marcados.

 

OBSERVAÇÃO: É proibido os alunos subirem em parapeitos ou se colocar em posição de risco a fim de realizar o experimento! Em caso de tarefa extrassala, será necessária a presença de uma pessoa adulta responsável. O docente deverá chamar a atenção dos alunos para a segurança durante o experimento.

Figura 4: A estrutura da escola deverá permitir a realização do experimento de uma maneira segura. Esta figura mostra duas possibilidades de acordo com a disponibilidade de janelas ou varandas.

Fonte: http://ensinar-aprender.blogspot.com.br/2011/05/diversos-tipos-de-moradias.html(modificada pelo autor).

Manômetro

Ainda divididos em grupos, os alunos receberão o material necessário para a montagem de um manômetro conforme mostrado na figura 5 autoexplicativa abaixo:

 

Figura 5: Esquema autoexplicativo para a montagem do manômetro.

Fonte: Produzido pelo autor.

O manômetro é formado por um pedaço de tubo transparente fixado em um suporte de modo a manter o formato em U, e será preenchido por água, glicerina e álcool (as densidades destes e outros materiais podem ser encontrados no site http://pt.wikibooks.org/wiki/Mec%C3%A2nica_dos_fluidos/Tabela:_densidade_de_algumas_subst%C3%A2ncias), permitindo os discentes observarem o comportamento de materiais diferentes, ou seja, desníveis diferentes. Será entregue uma régua ou escala impressa em uma tira de papel com a finalidade de se medir a altura h da coluna do líquido.

A pressão será aplicada em uma das extremidades do tubo utilizando uma seringa ou um balão inflado com pouca quantidade de ar. Caso contrário, o líquido será derramado na outra extremidade do tubo. Os grupos deverão encontrar o valor desta pressão aplicada no manômetro. O professor disponibilizará aos alunos os valores das densidades dos líquidos para que os valores das pressões sejam calculados. O docente deverá mediar os alunos durante o experimento. É importante para o entendimento do funcionamento do manômetro, que os alunos percebam que a pressão no lado A da figura 5 consegue equilibrar o desnível do líquido no lado B mais a pressão atmosférica atuando na extremidade aberta.

Também se deve salientar que o barômetro mede a pressão atmosférica, enquanto o manômetro mede a diferença de pressão entre dois pontos!

Importante: Pedir aos alunos que registrem suas experiências através de fotografias ou pequenos vídeos utilizando a câmera digital ou o celular. Este material será publicado no Facebook posteriormente.

2.3 O teorema de Stevin e o final trágico do submarino nuclear Kursk

O docente apresentará a turma o experimento exibido na figura 6 abaixo:

Figura 6: Experimento com garrafa PET para introduzir o teorema de Stevin.

Fonte: http://fisicaeeducacao.blogspot.com.br/2010/01/experimento-com-garrafa-pet.html

E perguntará aos alunos por que os jatos de água percorrem caminhos tão diferentes. Qual dos dois jatos chega mais longe? Partindo desta simples experiência, o docente deverá chegar ao teorema de Stevin, ou seja, que a pressão dentro de um meio líquido aumenta com a profundidade. O professor poderá expor outros exemplos para que o conceito do teorema fique mais esclarecido, se julgar necessário.

Em seguida, os alunos serão solicitados a fazerem a leitura dos seguintes artigos, disponíveis nos endereço indicados abaixo:

Pesadelo no fundo do mar

http://epoca.globo.com/edic/20000821/mundo1a.htm

Resgate de submarino é pesadelo naval

http://www.terra.com.br/mundo/2000/08/16/068.htm

O professor deverá levantar as seguintes questões para gerar uma discussão entre os alunos:

- Por que os marinheiros não abriram as escotilhas e tentaram escapar nadando?

- Como seria possível uma missão de resgate devido à alta pressão a esta profundidade?

- Quais cuidados um mergulhador deve ter em relação à diferença de pressão quando volta a superfície?

Ao final da discussão, deverá ser solicitado que os alunos elaborem um texto de 10 linhas sobre este trágico episódio e o teorema de Stevin. Este texto deverá ser elaborado em equipe e publicados no Facebook em um prazo de dois dias.

2.4 Laboratório Virtual: Experimentando hidrostática

Este momento será realizado disponibilizando o objeto educacional Experimentando Hidrostática nos computadores do LIE. Este recurso, que tem sua interface mostrada na figura 7, simula um laboratório virtual onde os alunos poderão aprofundar o conhecimento nos tópicos abordados até agora. O software está disponível para download no Portal do Professor no endereço http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=925. O docente deverá observar os alunos enquanto estes manuseiam o recurso e mediar sempre que houver o surgimento de dúvidas quanto ao software ou ao conteúdo abordado.

 

Figura 7: Interface do recurso Experimentando Hidrostática.

Fonte: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=925.

2.5 Compartilhando na rede social - Extrassala

Os grupos deverão postar no Facebook da turma as fotos ou vídeos que registraram os experimentos em um prazo de três dias. Os alunos deverão compartilhar com os amigos suas impressões sobre as experiências e prestigiar as produções dos colegas através de comentários.

Durante este período, o professor deverá solicitar que os alunos justifiquem como o seguinte fato se relaciona ao que foi visto na atividade:

- Tomando suco com canudinho: Por que o suco sobe pelo canudinho?

O professor publicará uma tarefa chamada “Vamos fofocar sobre Torricelli”, onde os alunos deverão postar comentários trazendo informações sobre a vida deste famoso cientista. Entretanto, os comentários não poderão ter mais de duas linhas! Estimule os alunos a pesquisarem!

Quando parte dos alunos já tiverem participado da tarefa anterior, o docente compartilhará o vídeo Aquário hidrostático, publicando o link http://cienciatube.blogspot.com.br/2008/08/aqurio-hidrosttico.html. Mais uma vez os alunos deverão ser solicitados a compartilharem suas impressões através de comentários relacionando o vídeo ao conteúdo abordado na atividade.

 

ATIVIDADE 3: Usando a hidrostática a nosso favor na construção de fontes.

PREPARAÇÃO DO AMBIENTE:

Para a realização desta atividade será necessário que o docente prepare o material listado adiante para a construção das fontes. Deverão ser acordadas com os alunos as seguintes regras para o desenvolvimento da atividade:

- Divisão da turma em cinco grupos;

- Cuidado ao manusear o material;

- Respeitar a opinião dos colegas.

DESCRIÇÃO DA ATIVIDADE:

Inicialmente, o professor deverá perguntar aos alunos se eles já viram de perto um aquário de grande porte. O que é necessário para manter o ambiente agradável para os peixes? Os filtros, além de manterem a água limpa, também a mantém em constante movimento. Isto facilita a oxigenação da água, o que é vital para os peixes. Suponha que uma pessoa que cuida de um aquário menor queira criar um sistema que movimente a água, mas sem o gasto de energia elétrica. Será possível? Em espaço amplo, o professor convidará os alunos a montarem uma fonte de água que resolveria o problema proposto. E para isto, basta apenas o conhecimento sobre hidrostática!

O professor disponibilizará o esquema autoexplicativo da figura 8 para as equipes junto com o seguinte material:

- Duas garrafas PET;

- pedaços de tubos;

- Fita veda-rosca (para evitar vazamentos);

- Tesoura;

- Chave estrela (para fazer os buracos nas tampas das garrafas PET e bacia);

- Vela e fósforo (para esquentar a ponta da chave estrela);

- Agulha de injeção;

- Água;

- Pequena bacia.

 

Figura 8: Esquema autoexplicativo da montagem da fonte com garrafas PET.

Fonte: Produzida pelo autor.

 

Após a montagem das fontes será realizada uma pequena competição surpresa! Todos os projetos serão postos para funcionar ao mesmo tempo com a mesma quantidade de água. O professor pedirá que os alunos observem qual delas jorrará primeiro a água na fonte. Após alguns minutos, será avaliado em qual delas o jato de água será mais forte.

O professor solicitará que os alunos reflitam e tentem explicar o funcionamento da fonte através dos conceitos aprendidos na atividade 1 e 2. Os alunos deverão fazer anotações das conclusões as quais chegaram.

OBSERVAÇÃO: 1. Sugere-se, para localizar vazamento de ar no sistema, que o professor tenha em mãos esponja e sabão para a produção de espuma. Locais onde tiver escapamento de ar formarão bolhas;

                             2. O professor poderá solicitar aos alunos que mudem a altura em que se encontra a bacia na parte superior da fonte. O que ocorre com o jato d'água ao aumentarmos esta altura?

MOMENTO DO ALUNO:

Este será o momento em que os alunos buscarão realizar a atividade proposta.

DISCUSSÃO:

As equipes compartilharão suas explicações para o funcionamento da fonte e o professor ajudará os alunos na formulação da justificativa correta. O docente poderá questionar:

- Quais ambientes possuem a pressão interna maior do que a pressão atmosférica? E como concluiu isso?

- Como medir a pressão dentro das garrafas? Os alunos poderão se dirigir a lousa e desenhar um diagrama representando suas ideias. O professor deverá estar atento para explicar aos alunos aqueles diagramas que não estiverem corretos.

- Existe mais alguma aplicação prática deste tipo de sistema?

SISTEMATIZAÇÃO:

O professor formalizará a atividade perguntando aos alunos como adaptar a fonte construída ao aquário apresentado no problema proposto no início da atividade. Sugere-se que os discentes respondam criando um esquema na lousa, o qual o professor aproveitará para sistematizar os conceitos trabalhados nesta aula.

Sugestões de links para alunos

Entenda como funciona o Facebook

http://g1.globo.com/Noticias/Tecnologia/0,,MUL1313595-6174,00-ENTENDA+COMO+FUNCIONA+O+FACEBOOK.html (Sugestão do Portal do Professor).

Como fazer vídeos:

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/conteudoJornal.html?idConteudo=387

 

Sugestões de links para professores

Facebook para Educadores                                             

http://educotraducoes.wordpress.com/2012/05/06/facebook-para-educadores/

Criar conta Facebook

http://www.criarblogs.net/criar-conta-facebook/

Tutorial: Facebook criar conta

http://www.youtube.com/watch?v=Zw7XHn0906E

Entenda como funciona o Facebook

http://g1.globo.com/Noticias/Tecnologia/0,,MUL1313595-6174,00-ENTENDA+COMO+FUNCIONA+O+FACEBOOK.html

Como usar as redes sociais a favor da aprendizagem

http://revistaescola.abril.com.br/gestao-escolar/redes-sociais-ajudam-interacao-professores-alunos-645267.shtml (Sugestão do Portal do Professor).

 

Links do portal que podem ser consultados pelo professor no planejamento de sua aula

Como fazer vídeos:

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/conteudoJornal.html?idConteudo=387

 

Observação: TODOS OS SITES DESTA AULA FORAM ACESSADOS EM 21/01/2013.

Na atividade 1, o docente poderá verificar se os alunos compreenderam o Princípio de Pascal através da relevância das publicações e comentários compartilhados na rede social, por exemplo, explicando sua aplicação no funcionamento do braço hidráulico. Na atividade 2, o professor poderá averiguar se os alunos entenderam a utilidade e funcionamento do barômetro e do manômetro ao empregarem estes aparatos na medida de pressão dos experimentos propostos. Além disto, também deverá ser avaliado se os alunos assimilaram o teorema de Stevin analisando a importância dos comentários ao discutirem o caso do submarino russo e o texto produzido. A partir da seção 2.4 da aula, o docente deverá conferir se as leis da hidrostática estão claras para os discentes ao manipularem o objeto educacional e explicarem o funcionamento da fonte d’água através destas leis.