•  O conceito de amortecimento de vibrações ou oscilações.
• Os efeitos do amortecimento na amplitude das oscilações.
• Os efeitos do amortecimento na energia que impulsiona a oscilação.

• Conceito de onda mecânica.
• Características de uma onda (frequência, amplitude, comprimento de onda).

Essa aula deve ser realizada num laboratório de Física. Além dos materiais necessários para a realização das atividades, o laboratório deverá conter recursos multimídia (projetor multimídia e computador com acesso à internet). A turma deverá ser dividida em equipes de, no máximo, cinco estudantes.

Inicialmente o professor deve explicar aos estudantes que oscilações amortecidas acontecem num sistema em que uma força resistiva ou dissipativa opõe-se ao movimento do corpo oscilante. Um sistema desse tipo, em oscilação e abandonado à própria sorte, terá sua energia mecânica diminuída com o passar do tempo. A amplitude das oscilações também diminui com o tempo, para um sistema oscilante com amortecimento. A seguir, serão realizadas três atividades em que os estudantes observarão como algumas propriedades de sistemas oscilantes variam com o amortecimento.

Atividade 1.

Com essa atividade será demonstrado aos estudantes o que é amortecimento de um movimento oscilatório e como a amplitude das vibrações são afetadas por ele.

Material

- uma régua de 30 cm (de plástico rígido);

- um recipiente com água (dimensões: 30 cm x 20 cm x 15 cm).

Observação: esse material é para uma equipe de estudantes.

Procedimento

- Os estudantes de cada equipe devem segurar a régua numa de suas extremidades e colocar a extremidade livre para vibrar;

- Os estudantes deverão observar como as vibrações se modificam com o tempo com a régua vibrando no ar.

- Os estudantes medirão o intervalo de tempo no qual as vibrações (mesmo diminuindo de amplitude) persistem com a régua vibrando no ar e o anotarão.

- Os estudantes devem discutir sobre o motivo da persistência limitada das vibrações da régua, anotando suas conclusões.

- O experimento deve ser repetido por cada equipe, mas, desta vez, com a extremidade livre da régua oscilando dentro d'água.

- Os estudantes devem medir o intervalo de tempo no qual as vibrações (mesmo diminuindo de amplitude) persistem com a régua vibrando na água e o anotarão.

- Os estudantes devem comparar os intervalos de tempo medidos nas duas situações de vibração da régua e discutir o motivo da diferença entre eles, anotando suas conclusões.

Para ajudar na discussão, o professor deve mostrar, através do recurso didático acessível por meio do ícone abaixo, esse experimento sendo realizado e comentado.

Experimento 6 - Formação, propagação e fenômenos ondulatórios - Amortecedores 

Após a realização do experimento, os estudantes devem responder às seguintes perguntas:

1)      Porque as vibrações não persistem indefinidamente?

Resposta esperada: Por que há amortecimento das vibrações devido ao atrito com o meio.

2)      Por que as vibrações persistem menos tempo na água?

Resposta esperada: Por que a água oferece maior amortecimento.

O professor deve pedir a um membro de cada equipe que leia as respostas dadas ás questões, de modo que elas sejam socializadas e que os estudantes possam complementar suas conclusões.

Atividade 2.

Nessa atividade, os estudantes irão verificar como a amplitude das oscilações varia com o amortecimento.

Material

- 01 mola de pequena rigidez (pode ser espiral para encadernação);  

- um recipiente com água (dimensões: 30 cm x 20 cm x 15 cm).

- 01 massa aferida de 100 g;

- 01 cronômetro.

- fita adesiva.

Observação: esse material é para uma equipe de estudantes. O professor deve distribuir molas de diferente rigidez para as equipes.

Procedimento

- Fixando a massa a uma das extremidades da mola com a fita adesiva, os estudantes irão montar um pêndulo de mola (ver figura 1);

- Colocando o pêndulo para executar pequenas oscilações no ar (amplitude máxima de 3 cm), os estudantes irão observar o movimento e estimar o quanto diminui a amplitude das oscilações num intervalo de 5s, anotando suas observações.

- Os estudantes deverão repetir o passo anterior colocando o pêndulo para oscilar com a massa dentro d'água. Eles deverão anotar suas observações.

Fig. 1. Pêndulo de mola. Imagem obtida no endereço:

http://plato.if.usp.br/1-2004/fap0151d/material/atividades/fotos/mecanica/imagens/pendulo_mola.JPG

Em seguida, o professor solicitará que os estudantes respondam às seguintes questões:

1)      Com o pêndulo oscilando no ar, ao final de 3s de, a amplitude das oscilações diminuiu quantos por cento?

2)      Com o pêndulo oscilando na água, ao final de 3s de, a amplitude das oscilações diminuiu quantos por cento?

      3)      Quantas vezes a água foi mais eficiente para amortecer a amplitude das oscilações do pêndulo de mola?

O professor deve pedir a um membro de cada equipe que leia as respostas dadas às questões, de modo que elas sejam socializadas e que os estudantes possam complementar suas conclusões. Ao final da atividade, os estudantes deverão comparar os dados obtidos para as diferentes molas e discutir os resultados obtidos.

Atividade 3

Nessa atividade, os estudantes irão verificar como a energia das oscilações varia com o amortecimento.

Material

- 01 tampa de panela de alumínio, tamanho médio.

- um recipiente com água (dimensões: 30 cm x 20 cm x 15 cm).

- 01 baqueta.

Observação: esse material é para uma equipe de estudantes.

Procedimento

- Os estudantes deverão segurar a tampa de panela pelo suporte e bater com a baqueta na sua superfície para produzir vibração e som;

- Com a tampa vibrando, eles deverão inserir parte dela no recipiente com água e observar o que acontece com o som que ela emite, anotando suas observações.

Fig. 1.Tampa de panela de alumínio. Figura obtida no endereço: http://www.nisbets.pt/product_images/detail/S363.jpg

Terminado o experimento, o professor explicará que a intensidade do som emitido pela tampa depende da amplitude das oscilações e que energia das oscilações está diretamente relacionada com o quadrado dessa amplitude.

Em seguida, o professor pedirá que os estudantes respondam às seguintes questões:

01)   O que acontece com o som quando parte da tampa é colocada dentro d'água?

Resposta esperada: diminui de intensidade.

02)   O que acontece com a energia das vibrações da tampa quando ela é colocada dentro d'água?

Resposta esperada: assim como a amplitude das oscilações, ela diminui.

O professor deve pedir a um membro de cada equipe que leia as respostas dadas ás questões, de modo que elas sejam socializadas e que os estudantes possam complementar suas conclusões.

Para encerrar a aula, o professor deve comentar que o amortecimento das oscilações é, muitas vezes, de grande utilidade para o ser humano. No Japão, os edifícios são projetados com sistemas para amortecimento de vibrações por causa da grande frequência de terremotos que ocorrem naquele país. Pontes e elevados são também projetados com sistemas semelhantes, para que oscilações de grande amplitude não ocorram e comprometam suas estruturas. Em seguida, exibirá o seguinte video, onde uma ponte, excitada pelo vento, executa oscilações enormes, até desmoronar.  

http://www.youtube.com/watch?v=qHpaQstDNbU&feature=fvwrel

Mais informações sobre amortecimento de oscilações podem ser encontradas nos seguintes endereços:

http://www.unesp.br/prograd/PDFNE2004/artigos/eixo10/osciladores.pdf

http://www.unicentro.br/editora/revistas/recen/v7n2/155-171.pdf

Após estudar essa aula o aluno deverá compreender o que é amortecimento de um pulso de onda e como esse fenômeno afeta a amplitude das vibrações e a energia que as impulsiona. O professor deve solicitar a cada equipe que faça uma pesquisa sobre as utilidades e os problemas causados pelo amortecimento, em diversos acontecimentos do nosso dia-a-dia.