Portal do Governo Brasileiro
Início do Conteúdo
VISUALIZAR CLASE
 


Efeito da força gravitacional sobre os movimentos

 

16/01/2014

Autor y Coautor(es)
HELDER DE FIGUEIREDO E PAULA
imagem do usuário

BELO HORIZONTE - MG COLTEC - COLEGIO TECNICO DA UFMG

Estructura Curricular
Modalidad / Nivel de Enseñanza Disciplina Tema
Ensino Médio Física Movimento, variações e conservações
Datos de la Clase
O que o aluno poderá aprender com esta aula

Objetivos da aula

  • Aprender a utilizar Tecnologias de Informação e Comunicação para modelagem de fenômenos físicos registrados em vídeo.
  • Aprender a interpretar, diferenciar e relacionar gráficos de posição versus tempo e velocidade versus tempo.
  • Analisar movimentos registrados em um vídeo para compreender que: (i) o estado de repouso ou de movimento dos objetos só pode ser alterado mediante a aplicação de forças; (ii) uma força é uma ação externa exercida sobre o corpo, cujo repouso ou movimento está sendo investigado; (iii) alterações nas características do movimento de um objeto são previstas e explicadas quando conhecemos a(s) força(s) que atua(m) sobre esse objeto.
  • Compreender o movimento parabólico de um objeto lançado sob um campo gravitacional como o resultado da realização de dois movimentos independentes: (a) um avanço horizontal proporcionado pela inércia; (b) um movimento vertical submetido à aceleração gravitacional em função da atuação da força peso.
Duração das atividades
100 minutos
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

Esta aula foi concebida e utilizada em turmas do 1º ano do Ensino Médio pelo mesmo autor das aulas “Introdução ao estudo dos movimentos” e “Força aplicada, força de atrito e força resultante”. A presente aula dá continuidade a essas aulas que tutoriais para o uso de um software livre, mencionado a seguir na lista de materiais. Apesar conter orientações complementares para o uso do software é importante que o estudante tenha realizado as aulas acima mencionadas.

 

Estratégias e recursos da aula

Materiais:

 

Estratégias e recursos da aula:

1ª Atividade – Leitura do texto de introdução que apresenta a estrutura da aula e os objetivos das atividades

Nesta aula utilizaremos novamente o Tracker para estudar movimentos registrados em vídeo de duas esferas idênticas. Para ver esses movimentos, inicie o software e abra o arquivo de vídeo “Lab 8.mov”, disponível neste link  <sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/materiais-de-apoio-1/videos-interessantes/03--dinamica-newtoniana>, que deve ter sido previamente salvo no computador que você estiver utilizando.

Após abrir o vídeo, após arrastar a linha de tempo situada abaixo da janela do vídeo lenta ou rapidamente, você poderá notar que uma das esferas se move ao longo de uma trajetória vertical retilínea, enquanto a outra realiza um movimento curvilíneo, deslocando-se ao longo de uma parábola.

O objetivo desta aula é analisar os movimentos exibidos no vídeo para compreender alguns dos princípios centrais da dinâmica newtoniana. A dinâmica é a parte da mecânica que estuda os efeitos das forças sobre os movimentos. Os princípios centrais da dinâmica são: (i) o estado de repouso ou de movimento dos objetos só pode ser alterado mediante a aplicação de forças; (ii) uma força é uma ação externa exercida sobre o corpo cujo repouso ou movimento está sendo investigado; (iii) alterações nas características do movimento de um objeto são previstas e explicadas quando conhecemos a(s) força(s) que atua(m) sobre esse objeto. Para analisar os movimentos exibidos no vídeo, a partir desses três princípios da dinâmica, você deverá interpretar, inicialmente, as afirmações apresentadas nos dois parágrafos a seguir (peça ajuda a seu professor para interpretá-las, caso necessário).

  • Nos movimentos das duas esferas, nós podemos desprezar a força de resistência exercida pelo ar. Um efeito conhecido dessa força é a limitação que ela impõe ao aumento da velocidade de queda de um paraquedista. Desprezar a força de resistência oferecida pelo ar nos movimentos exibidos no vídeo é uma opção legítima, pois, lidamos com esferas maciças e que caem de pequenas alturas.
  • Uma força de atração gravitacional (força peso) atua nas duas esferas, antes, durante e depois dos movimentos. A força peso tem direção vertical e sentido de cima para baixo. As esferas exibidas no vídeo têm a mesma massa e, portanto, estão sujeitas a forças de atração gravitacional idênticas (isto é, os pesos que atuam nas esferas são iguais em intensidade, direção e sentido).

O problema que nós apresentamos nesta atividade é o seguinte: a dinâmica afirma que as alterações nas características do movimento de um objeto dependem, exclusivamente, da(s) força(s) que atua(m) sobre o objeto; então, como as esferas do vídeo podem apresentar movimentos diferentes se elas estão sujeitas a mesma força gravitacional? Inicialmente, registre em seu caderno uma resposta a esse problema usando os conhecimentos que lhe estão disponíveis, nesse momento. Feito isso, siga as orientações deste roteiro para responder a esse problema usando o Tracker para analisar e comparar os movimentos das duas esferas, de modo a responder a duas questões: (a) para além da aparente diferença, o que há de comum entre os movimentos das esferas? (b) a diferença nos movimentos das duas esferas é provocada pela presença de outra força, além da força gravitacional, ou pode ser explicada de outro modo?

2ª Atividade – Adendo às orientações dadas na aula “Introdução ao estudo dos movimentos” para uso do Tracker

As ações a serem realizadas para realizar a análise dos movimentos das esferas com o auxílio do Tracker são: (a) abrir um arquivo de vídeo; (b) selecionar o intervalo do vídeo que será analisado; (c) calibrar a escala de medidas de posição; (d) definir os eixos do sistema de referência utilizado pelo Tracker na realização das medidas; (e) rastrear automaticamente ou manualmente o movimento de um dado objeto; (f) escolher e interpretar os gráficos de movimento mais adequados; (g) capturar as imagens dos gráficos escolhidos.

A maior parte dessas operações foi realizada na aula “Introdução ao estudo dos movimentos”, submetida ao Portal do Professor pelo mesmo autor desta aula. Assim, no breve tutorial apresentado a seguir, trazemos apenas informações complementares, de modo a atender as especificidades da atividade que agora está sendo realizada.

 
  • Após iniciar o Tracker, abra o arquivo Lab 8.mov e selecione o intervalo do vídeo a ser analisado. Para facilitar a visualização dos comandos e funções do Tracker, clique sobre a aba Ajuda e desmarque a opção Mostrar sugestão.
  • A montagem experimental exibida no vídeo foi colocada sobre uma mesa em que é possível perceber uma base feita de madeira. Calibre a escala de medidas do Tracker sabendo que a dimensão vertical dessa lateral de madeira vale 0,56 metros. Para dar essa informação ao Tracker, basta esticar o bastão de medição verticalmente ao longo da lateral de madeira e depois acrescentar o número 0,56 na janela Comprimento já em escala, que fica situada logo acima da área destinada à exibição do vídeo.
  • Na barra de ferramentas de acesso rápido, utilize a opção Mostrar ou ocultar os eixos de coordenadas para exibir os eixos. Depois, percorrendo com o mouse os dois sentidos dos eixos das abscissas (eixo horizontal) e das ordenadas (eixo vertical), identifique os sentidos positivo e negativo de cada eixo. Note que, inicialmente, ao cair, a esfera que se move apenas na direção vertical apresentará, ao longo do tempo, valores cada vez mais negativos de posição no eixo das ordenadas. Para evitar que durante o movimento das esferas os valores de posição mostrem-se negativos, faça o seguinte: (i) coloque o mouse sobre a pequena barra vertical que aparece à direita do cruzamento entre os eixos e note o surgimento do ícone de uma luva branca; (ii) clique sobre essa pequena barra e faça um giro com o mouse, de modo a promover uma rotação de 180o no eixo horizontal; com essa ação, a pequena barra vertical ficará situada à esquerda do cruzamento entre os eixos; (iii) por fim, clique sobre o ponto de encontro entre os dois eixos e desloque esse ponto, de modo que ele coincida com a posição de lançamento das esferas.
  • É possível rastrear automaticamente o movimento da esfera que se desloca apenas na direção vertical. Para fazê-lo: (i) oculte os eixos do sistema de referência acionando o mesmo botão utilizado para exibir esses eixos; (ii) na barra de ferramentas de acesso rápido, acione o botão Novo e depois a opção Ponto de massa; (iii) em seguida, aperte simultaneamente as teclas Crtl e Shift do teclado, enquanto clica com o mouse sobre a esfera que se moverá na vertical; (iv) na janela que se abrirá, clique sobre o botão Procurar (Search); (v) sempre que necessário, aceite as eventuais sugestões de correspondência quando a procura executada pelo Tracker enfrentar algum problema.
  • Ao final da operação anterior, note que o Tracker interrompe a busca automática das posições da esfera, antes de atingir o último frame do vídeo. Isso acontece porque a imagem das esferas no último frame está incompleta. Mas, você pode acrescentar uma marcação de posição para o último frame manualmente. Para isso, basta avançar o vídeo até esse frame e utilizar o procedimento de marcação manual que consiste em manter apertada a tecla Shift enquanto clica com o mouse sobre a posição da esfera.
  • Como padrão, o primeiro gráfico de movimento que o Tracker apresenta é um gráfico que mostra a evolução das posições no eixo X (horizontal) ao longo do tempo. Olhando para esse tipo de gráfico para a esfera que se move apenas na vertical notamos, o que parece ser à primeira vista, grandes oscilações nos valores de posição. Isso se deve à escala de medidas que o Tracker introduz, automaticamente, nesse tipo de gráfico. Com o mouse, você poderá notar que o espaço disponível para o deslocamento das esferas em relação ao eixo X é igual a 0,90 metros. Colocando o mouse no estreito espaço situado entre os valores que aparecem ao lado do eixo vertical e o próprio eixo, você poderá modificar a escala até que o valor máximo exibido nesse eixo seja igual a 0,8 ou a 1,0 metros. Ao fazer isso, você notará que para a esfera que se move apenas na direção vertical não há variações significativas de posição ao longo do eixo X.
  • Clicando sobre a letra X que aparece no lado esquerdo da área dedicada à exibição do gráfico, é possível mudar o tipo de gráfico exibido. Fazendo isso, escolha um gráfico de posição e tempo e um gráfico de velocidade e tempo que sejam adequados à caracterização do movimento da esfera que se move apenas na direção vertical. Cada gráfico escolhido deverá ser capturado para gerar um arquivo Jpeg devidamente nomeado e salvo em um lugar seguro. Esses gráficos devem ser, posteriormente, inseridos em um arquivo de texto. Consulte o professor para se assegurar que seu grupo fez as melhores escolhas.
  • No vídeo registrado no arquivo Lab 8.mov não é possível utilizar a ferramenta de rastreamento automático para marcar as posições ocupadas pela esfera que se move em uma trajetória curvilínea. Sendo assim, faça o estudo desse movimento utilizando a ferramenta de rastreamento manual. Note que você precisará acrescentar outro ponto de massa ao mesmo arquivo (ou projeto) do Tracker.
  • Depois de rastrear o movimento da nova esfera, escolha todos os gráficos que julgar relevantes para caracterizar esse movimento, bem como para poder compará-lo com o movimento da outra esfera. Consulte novamente o professor para se assegurar que seu grupo fez as melhores escolhas e, em seguida, salve arquivos com as imagens dos gráficos.

 

3ª Atividade – Interpretando as semelhanças e diferenças entre os movimentos

Como afirmamos na leitura realizada na 1ª Atividade desta aula, as duas esferas cujos movimentos estão sendo analisados se movem sob a ação de forças idênticas. Trata-se da atração gravitacional que apresenta, nos dois casos, a mesma direção (vertical), o mesmo sentido (de cima para baixo) e a mesma intensidade. Contudo, a esfera que se move em uma trajetória parabólica apresenta um movimento composto. Assim, além do movimento acelerado na direção vertical, que é provocado pela força de atração gravitacional, essa esfera também apresenta um movimento de avanço horizontal, que se mantém em função da inércia. Em outras palavras, essa esfera específica mantém-se em movimento na direção horizontal por inércia, enquanto sofre uma aceleração na direção vertical, sob a ação da força de atração gravitacional. Com base nessas afirmações, interprete os gráficos X (metros) em função do tempo e Vx (m/s) em função do tempo que foram produzidos para essa esfera.

Algumas consequências importantes da afirmação de que o movimento de avanço horizontal da esfera com trajetória parabólica é um efeito da inércia são as seguintes: (i) a inércia não é uma força, pois é uma propriedade dos objetos e não depende da ação de outros objetos; (ii) disso decorre que o movimento de avanço horizontal da esfera não pode ser atribuído à atuação de uma força; (iii) por conseguinte, nós podemos concluir que nenhuma outra força, além da força gravitacional, atua sobre a esfera com trajetória parabólica; (iv) a esfera que se move em queda vertical também está sujeita apenas a força de atração gravitacional; (v) ambas as esferas exibem aceleração ou variação de velocidade, apenas na direção vertical.

Avalie como verdadeiras ou falsas as seguintes afirmações elaboradas por um estudante a partir de todas as considerações anteriores: (a) a força de atração gravitacional atua apenas na direção vertical e produz efeitos sobre os movimentos das esferas apenas ao longo dessa direção; (b) a esfera com trajetória parabólica mantém um movimento de avanço horizontal com velocidade constante, já que não há nenhuma força atuando na direção horizontal capaz de impedir a continuidade desse movimento.

Recursos Complementares

Sugestões de links

  1. Portal público criado para difundir o uso de atividades práticas na educação em ciências e para promover a divulgação científica. http://pontociencia.org.br/
  2. Site criado pelo autor desta aula para permitir o acesso de seus estudantes a materiais criados para dar suporte ao ensino e à aprendizagem da Física. https://sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/
  3. Ovo em queda livre: parte 1: experimento prático. Experimento Prático http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/17102
  4. Ovo em queda livre: parte 2: vídeo. http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/17830
  5. O arco e a moeda: parte 2: vídeo http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/18356
  6. Forças em uma dimensão. Animação/Simulação http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/23342
Avaliação

A avaliação deve ser consistente com o que propõem os objetivos de aprendizagem descritos no item “O que o aluno poderá aprender com esta aula”. Alguns exercícios de lápis e papel similares aos que apresentamos a seguir podem ser usados tanto para transferir a responsabilidade aos estudantes pelo uso dos conhecimentos construídos ao longo da aula, quanto para identificar eventuais dificuldades de compreensão dos conceitos e relações que estruturam a atividade.

 

Questões:

Questão 1

Os gráficos mostrados na figura disponível neste link  <pontociencia.org.br/galeria/#/content/Fisica/Mecanica/Graficos%20Vy%20de%20esferas%20em%20queda%20vertical%20e%20parabolica.jpg> apresentam os valores de velocidade instantânea, na direção vertical, das esferas cujos movimentos foram registrados no vídeo analisado nesta aula. No referencial a partir do qual os dois movimentos são observados e estudados, o gráfico da esquerda refere-se à esfera que executa um movimento retilíneo; o da direita refere-se àquela que apresenta um movimento parabólico. Analisando os dois gráficos, responda:

a)    O que os gráficos revelam sobre as características dos movimentos exibidos pelas duas esferas na direção vertical?

b)    Considerando as medidas de velocidade instantânea exibidas nos gráficos, você diria que existe alguma força atuando na direção vertical? Explique.

c)    Explique como o software Tracker realiza as medidas que permitem a construção desses gráficos. Na explicação, refira-se ao referencial a partir do qual as medidas são realizadas e a estratégia usada pelo software para apresentar valores de velocidade dados em metros/segundo.

d)    No referencial a partir do qual os dois movimentos são observados e estudados, as trajetórias associadas a esses movimentos são diferentes: uma delas é retilínea enquanto a outra é parabólica. Os dois gráficos revelam essas diferenças entre os movimentos das duas esferas? Explique.

 

Questão 2

Os gráficos mostrados na figura disponível neste link  <pontociencia.org.br/galeria/#/content/Fisica/Mecanica/Graficos%20Vx%20de%20esferas%20em%20queda%20vertical%20e%20parabolica.jpg>, apresentam os valores de velocidade instantânea, na direção horizontal, das esferas cujos movimentos foram registrados no vídeo analisado nesta aula. No referencial a partir do qual os dois movimentos são observados e estudados, o gráfico da esquerda refere-se à esfera que executa um movimento retilíneo; o da direita refere-se àquela que apresenta um movimento parabólico. Analisando os dois gráficos, responda:

a)    O que os gráficos revelam sobre as características dos movimentos exibidos pelas duas esferas na direção horizontal?

b)    No gráfico da esquerda, vemos o registro de uma velocidade que permanece praticamente nula, ao longo do tempo. Como se explica a ausência de mudanças no valor dessa velocidade horizontal?

c)    No gráfico da direita, vemos o registro de uma velocidade praticamente constante. Nesse caso, as pequenas variações exibidas na velocidade decorrem, exclusivamente, de erros de medida. Considerando que a velocidade é realmente constante, você diria que existe alguma força atuando na direção horizontal?

d)    No referencial a partir do qual os dois movimentos são observados e estudados, as trajetórias associadas a esses movimentos são diferentes: uma delas é retilínea enquanto a outra é parabólica. Os dois gráficos revelam essas diferenças entre os movimentos das duas esferas? Explique.

 

Questão 3

Os gráficos situados no lado direito das questões 1 e 2 referem-se ao movimento de uma mesma esfera. No referencial a partir do qual o movimento dessa esfera foi observado, trajetória exibida foi uma parábola. Em relação a esse movimento e às informações contidas nos dois gráficos, responda:

a)    O movimento parabólico pode ser interpretado como o resultado da realização de dois movimentos simultâneos e independentes? Explique. Existe alguma força atuando sobre a esfera que explique as características do movimento horizontal apresentadas no gráfico de Vx (velocidade na direção horizontal) em função do tempo? Explique.

b)    Existe alguma força atuando sobre a esfera que explique as características do movimento horizontal apresentadas no gráfico de Vy (velocidade na direção vertical) em função do tempo? Explique.

Opinión de quien visitó

Cinco estrelas 1 calificaciones

  • Cinco estrelas 1/1 - 100%
  • Quatro estrelas 0/1 - 0%
  • Três estrelas 0/1 - 0%
  • Duas estrelas 0/1 - 0%
  • Uma estrela 0/1 - 0%

Denuncia opiniones o materiales indebidos!

Opiniones

  • Denise maria Braga, CE Prof. Izidoro Luiz Cerávolo _EFMP , Paraná - dijo:
    denisebraga@seed.pr.gov.br

    27/02/2014

    Cinco estrelas

    Sou Pedagoga e atuo com o Ensino Médio e Técnico. Sempre pesquiso atividades diferenciadas para auxiliar os professores em sua prática pedagógica. Também oriento os alunos a pesquisarem sobre os conteúdos das disciplinas em que encontram dificuldades em compreender e aprender o que os professores transmitem. Precisamos de professores que, assim como você, divulgam seus trabalhos e práticas pedagógicas, visando melhorar a aprendizagem e desempenho acadêmico dos alunos, bem como a troca de experiê


Sem classificação.
INFORMAR ERRORES
¿Encontraste algún error? Descríbelo aquí y colabora para que las informaciones del Portal estén siempre correctas.
CONTACTO
Deja tu mensaje al Portal. Dudas, críticas y sugerencias siempre son bienvenidas.