O ENSINO DE FÍSICA À ARQUITETURA: DESAFIOS, LIMITAÇÕES E POSSIBILIDADES

## O ENSINO DE FÍSICA À ARQUITETURA: DESAFIOS, LIMITAÇÕES E POSSIBILIDADES

## THE TEACHING OF PHYSICS TO ARCHITECTURE: CHALLENGES, LIMITATIONS AND POSSIBILITIES

Letícia Rossetti Pereira , Tamiris Pereira Marcelini , Alcides Castro e Silva , 1 2 3 Michele Hidemi Ueno Guimaraes 4 , Everaldo Arashiro 5

1 Universidade Federal de Ouro Preto, Departamento de Arquitetura e Urbanismo, leticia.r.p@hotmail.com

2 Universidade Federal de Ouro Preto, Departamento de Arquitetura e Urbanismo tmarcelini@gmail.com

3 Universidade Federal de Ouro Preto, Departamento de Física, alcides@iceb.ufop.br 4 Universidade Federal de Ouro Preto, Departamento de Física, michele.ueno@iceb.ufop.br 5 Universidade Federal do Rio Grande, Instituto de Matemática, Estatística e Física, earashiro@furg.br

## Resumo

O ensino de física é importante na graduação de diversos cursos, inclusive para o de arquitetura. Entretanto, é grande a dificuldade de se aplicar tal conteúdo. Poucos são os materiais encontrados, com textos específicos, que auxiliam o professor a explicar e enfatizar a importância dessa matéria aos estudantes. Aliado a isto, existe certa relutância dos alunos aos conteúdos de física, que a consideram uma disciplina difícil e sem utilidade prática em sua formação. Entretanto, diferente do que se pensa, o papel do arquiteto não se baseia apenas na questão estética, mas também no conforto ambiental, o qual deve apresentar um estudo detalhado sobre conforto térmico, acústico e lumínico. Lembrando que todos estes utilizam conceitos físicos para serem estudados. Sendo assim, foi desenvolvido um projeto, cujo objetivo principal foi auxiliar aos professores, na aplicação do conteúdo teórico de física, por meio da prática específica na arquitetura. Buscou-se estimular o interesse dos alunos pela matéria e demonstrar, por meio de uma sequência de aparatos experimentais, a importância desse conteúdo para a sua formação, apresentando a arquitetura de forma funcional e não apenas estética.

Palavras-chave : Arquitetura, física, experimentos, conforto ambiental

## Abstract

The teaching of physics is an important matter in several courses, and architecture is not an exception. There is not too many references and materials that covers both architecture and physics in a way suitable for classes. Architecture is not a course where the students are comfortable with disciplines such as mathematics and physics, which brings an extra difficulty to this endeavor. Although many architecture students and professionals think of physics as a discipline not related to their work, physics became very important when the definition of

architecture is combined with thermal, acoustic and luminous comfort instead of just aesthetics principles. It is practically impossible to create a self-sustained ambiental friendly architecture without physical principles. To fill this gap between those two fields, a project was developed to help teaching physics concepts specifically in architecture. Using experimental devices developed just for architecture classes, this approach has the objective to stimulate the students showing them actual application of physics theory in architecture practice.

Keywords : Architecture, physics, experiments, environmental comfort

## Introdução

- O curso de arquitetura, onde foi aplicado o referido projeto, foi criado em 2008. A partir daí, houve uma demanda ao Departamento de Física, para que fosse elaborada a disciplina de física.

Porém, esta aponta alguns desafios, tanto aos docentes que a ministram, devido a pequena quantidade de materiais disponíveis que a aplicam à área (DONOSO, 2005, ACIOLI, 1994) bem como aos próprios estudantes, que nem sempre conseguem perceber a sua utilidade prática na futura profissão (DONOSO et. al., 2005).

- O projeto tem sido aplicado a alunos do segundo período do curso de Arquitetura e Urbanismo, desde o ano de 2015, os quais cursam a disciplina de Física Térmica e Ondulatória. As ideias principais são, ao longo do semestre, aplicar uma sequência didática de 4 experimentos e ao final, buscar um feedback dos alunos. O resultado dessa pesquisa com os alunos será apresentado mais adiante.

Os experimentos envolvem conceitos físicos sobre ressonância e conforto ambiental (conforto térmico, acústico e lumínico) e são aplicados por meio de temas, como a relação da ressonância com a altura dos prédios, o uso de materiais para o isolamento acústico, a investigação qualitativa da emissão, absorção e transmissão da radiação térmica por diferentes corpos e sua relação com os materiais construtivos e análises sobre o uso de diferentes fontes luminosas e sua eficiência energética.

- O trabalho tem como objetivo mostrar que é possível estimular o interesse, dos alunos do curso de Arquitetura, pela Física e demonstrar, de maneira aplicada, a importância dos conteúdos da Física, para a sua formação, apresentando a Arquitetura de maneira funcional e não apenas estética, apresentando um estudo detalhado sobre conforto térmico, acústico e lumínico.

## Importância dos experimentos para a arquitetura

## Radiação térmica

Em países tropicais como o Brasil, é importante o conhecimento do arquiteto sobre radiação térmica, afinal é por meio dela que pode-se evitar o desconforto térmico em construções (BARROS & SCHIFFER, 2001). Em regiões com temperaturas muito altas, como a região Norte e Nordeste do país, deve-se atentar aos tipos de materiais utilizados e ao posicionamento da construção. Será por meio desses requisitos que, possivelmente, se conseguirá amenizar a transmissão de radiação térmica, proporcionando um ambiente agradável a quem habita aquele espaço.

- A radiação térmica trata-se do transporte de energia através de ondas eletromagnéticas, sendo por meio da presença ou ausência de matéria. Ao incidir essa radiação sobre um corpo, parte dela é absorvida por este, outra parte é transmitida e outra é refletida. Quando o corpo absorve toda a radiação recebida, é chamado de corpo negro. Neste caso, toda a radiação eletromagnética recebida é transformada em radiação térmica, o que faz com que o corpo sobreaqueça.

Para que um corpo atinja o equilíbrio térmico, é necessário que ele emita a mesma quantidade de energia que ele recebe. Boas superfícies absorvedoras são as negras e ásperas, e consequentemente, as menos absorvedoras são as brancas e polidas.

## Ressonância

Os terremotos são causados pelos movimentos das placas tectônicas e podem acarretar muitos danos. Entre estes danos, pode-se citar os abalos causados nos edifícios, que podem ser perigosos, levando a queda dessas construções e afetando até mesmo outras.

- O fenômeno que acarreta esses abalos é chamado de ressonância. Nos sistemas físicos podemos emitir várias frequências, as quais gerarão oscilações e que geralmente terão pequenas amplitudes. O conceito de amplitude pode ser caracterizado pela movimentação do sistema, em relação a sua posição natural, ou seja, as vibrações. Sendo assim, quanto maior a amplitude, maior será o abalo do edifício. Quando dois sistemas estão em uma mesma frequência, as ondas de oscilações são sobrepostas, o que levará ao aumento drástico da amplitude, e é a esse fenômeno, que damos o nome de ressonância (WOOLFSON, 2014).

Os edifícios possuem sua própria frequência natural, já o solo e o vento frequências variáveis. Quando os ventos emitem uma energia nessa mesma frequência natural, ocorre uma alteração do sistema construtivo, fazendo com que ele vibre. No caso do solo, as vibrações são causadas pelos abalos sísmicos, porém ocorre da mesma forma que o vento, quando as vibrações do solo emitem a mesma frequência do sistema físico, a amplitude passa a aumentar. Em algumas situações essas vibrações podem fazer com que a estrutura não suporte os abalos e acabe rompendo.

- Os sistemas com capacidade de vibração possuem uma ou mais frequências naturais, o que aumenta as chances de abalos. Este fator é decorrente das características do sistema físico, ou seja, o modo como foi construído e os materiais que foram utilizados. É possível evitar muitos danos, quando o sistema construtivo é projetado de maneira racional, analisando não apenas o processo de construção do edifício, mas também o estudo do local a ser ocupado.

## Isolamento e absorção acústica

- O papel do arquiteto se baseia em adaptar o ambiente de acordo com as necessidades humanas, para um maior conforto do indivíduo. Porém, essa adaptação não é apenas na organização dos espaços. É muito comum, nos dias atuais, o desconforto acústico em grandes cidades. Como uma das principais poluições ambientais, a poluição sonora vem sendo muito discutida e soluções para esta são cada vez mais procuradas.

A produção em massa de casas e edifícios atualmente, pode causar a má qualidade das construções e insatisfação do usuário. Em apartamentos, existe um episódio extremamente comum, que retrata o incômodo com os ruídos vizinhos. Tal situação é causada pela falta de isolamento acústico e uso de materiais que possuem baixo índice de absorção acústica (CRUZ DA COSTA, 2003).

O isolamento acústico é relacionado à capacidade do material de impedir que um ruído seja transmitido de um recinto a outro. Esse processo ocorre com materiais mais densos, os quais não permitem a passagem da onda sonora e por isso isolam o som. Exemplos desses materiais são o concreto, o vidro, chumbo, madeira maciça, entre outros (DE SOUZA et. al., 2012).

A absorção acústica trata-se da capacidade do material do material de absorver o som, ou seja, o material é capaz de minimizar a reflexão das ondas sonoras em um certo ambiente. Com isso, o efeito de eco é diminuído; fisicamente diz-se que diminui-se o nível de reverberação, permitindo uma melhor inteligibilidade do som. Esse processo ocorre com materiais de baixa densidade, podendo ser fibrosos ou porosos. Exemplos deles são espumas de poliéster, lã de vidro ou de rocha, carpetes, isopor, tecidos, entre outros (DE SOUZA et. al., 2012).

## Iluminação

Durante a era das lâmpadas incandescentes, a escolha de fontes luminosas era feita com base no seu número de watts, porém esta é uma medida de consumo elétrico das lâmpadas e não propriamente de sua capacidade luminosa.

Um exemplo comum atualmente é a comparação de fluorescentes de 15 W à LED's de 9 W, as quais se igualam a incandescentes de 60 W. Com essas comparações, escolher uma lâmpada fluorescente compacta ou LED, a partir do número de watts deixou de ser algo imediato, tornando a tarefa até mesmo confusa.

Por isso a importância de se atentar à quantidade de lúmens que uma lâmpada possui. O lúmen (lm) é a unidade de medida de fluxo luminoso, o qual se refere à quantidade de luz visível, que atinge uma dada superfície.

Além da luminosidade que uma lâmpada fornece, a eficiência luminosa (lm/W) é outro parâmetro importante, o qual indica a capacidade de uma fonte luminosa de converter a energia que recebe em luz. A eficiência se refere ao fluxo luminoso emitido pela fonte, em relação à potência despendida para alimentá-la. O ideal é buscar os produtos com maior eficiência luminosa (MOREIRA, 1999).

Outra característica importante, é relacionada à gradação de cores das lâmpadas. Trata-se do espectro luminoso, cuja medida refere-se à intensidade das frequências ou cores emitidas, por uma determinada fonte de luz. Cada fonte luminosa possui um espectro próprio, e é usual se comparar tais espectros com o do sol, o que define o IRC, ou índice de reprodução de cor de uma lâmpada. Essa característica é essencial para a qualidade da luz de um ambiente (MOREIRA, 1999). Para cada ambiente e cada atividade a ser realizada neste, existe uma iluminação correta a ser aplicada. Quando uma fonte luminosa não exerce sua função com eficiência, pode causar um gasto energético desnecessário e o desconforto do usuário, devido à ofuscamentos. Isso acarreta fadiga visual, fazendo com que o usuário não desempenhe bem sua atividade.

## Metodologia

Quatro experimentos foram aplicados aos alunos. O primeiro deles foi da radiação térmica (Figura 1a), cujo objetivo era investigar qualitativamente a emissão, absorção e transmissão da radiação térmica em diferentes corpos.

- O segundo foi da Ressonância (Figura 1b), cujo objetivo era verificar a vibração de objetos, de diferentes tamanhos, quando submetidos à diferentes frequências.
- O terceiro foi do Isolamento/absorção acústica (Figura 1c), cujo objetivo era mostrar o funcionamento do isolamento acústico e o aumento de sua eficácia por meio do efeito massa-mola-massa.
- E o último foi da iluminação (figura 1d), cujo objetivo era analisar e comparar o espectro luminoso, o fluxo luminoso, a temperatura e a eficiência energética de diferentes tipos de lâmpadas.

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(a)

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(b)

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Cada experimento era composto por um roteiro, contendo título, objetivos, uma breve introdução teórica sobre o assunto a ser estudado, materiais utilizados, procedimentos experimentais e algumas questões ao final.

- O intuito, destas questões ao final de cada roteiro, era estimular aos alunos a participarem de cada experimento e a refletirem sobre aquilo que estavam realizando. Todos os experimentos possibilitavam, em menor ou maior grau, um nível de investigação acerca de determinado assunto.

Para dimensionar a maneira como os alunos estavam correspondendo à aplicação dos experimentos em sala de aula, foi realizado uma pesquisa, por meio de um questionário, composto por 4 questões, no qual os alunos informaram a satisfação e aprendizagem durante a execução dos experimentos. Foram elas:

- 1) Você acha que esse experimento se adequa ao conceito de conforto ambiental na Arquitetura?
- 2) Em que escala esse experimento te ajudará a entender melhor o conteúdo teórico aplicado em sala de aula?
- 3) O quanto esses conceitos físicos vão te ajudar na sua profissão futuramente?
- 4) Gostaria que outros experimentos do mesmo tipo fossem aplicados?

Nas questões de 1 a 3, os alunos tinham uma escala de 1 a 5, onde 1 corresponderia a discordo totalmente e 5 a concordo totalmente.

A última questão era apenas 0 para Não ou 1 para Sim.

## Resultados

Os resultados que foram obtidos, após a pesquisa realizada com os alunos, foram os seguintes:

Figura 1.: Fotos dos experimentos realizados. (a) Radiação térmica. (b) Ressonância. (c) Isolamento/absorção acústica. (d) Iluminação.

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Onde 1, 2 3 e 4 correspondem às respectivas perguntas, já mencionadas no item anterior.

Pode-se perceber que a maioria dos alunos (92 %) concordam totalmente, que os experimentos aplicados são adequados ao conceito de conforto ambiental na Arquitetura, ou seja, uma das aplicações da Física ao curso.

Com relação a questão 2, todos os alunos responderam que concordam, a maioria, totalmente, que os experimentos os ajudaram a entender melhor, os conceitos teóricos trabalhados em sala de aula. Deve-se ressaltar, a dificuldade que os alunos apresentam, quando a Física é vista somente na parte da teoria.

Com relação a questão 3, é possível dizer que todos os alunos acreditam, que os conceitos físicos que foram trabalhados em cada experimento, serão importantes em sua formação enquanto arquiteto.

A última questão, todos os alunos responderam, que gostariam de outros tipos de experimentos, análogos aos que foram aplicados durante o curso.

## Conclusões

A partir dos resultados mencionados, pode-se afirmar que a parte experimental da Física é essencial na compreensão dos seus conceitos. Porém, não se trata de quaisquer experimentos, nem tampouco, que sejam realizados de qualquer maneira.

Infelizmente, a maioria dos roteiros, que estão disponíveis aos alunos, não trabalha a parte conceitual, não estimula aos alunos a pensarem sobre o que estão fazendo e, em geral, são roteiros pré-estabelecidos, onde os alunos apenas precisam preencher tabelas e comprovar determinada teoria.

Dessa maneira, a disciplina de Física experimental parece contribuir muito pouco para um aprendizado efetivo por parte do aluno. Parece que o problema maior situa-se em relação a como esse conhecimento é transmitido ao aluno. Há um ciclo vicioso no processo de ensino. Tende-se a repetir o que e como foi apreendido determinado conteúdo.

Esse projeto traz uma inovação, no sentido de que auxilia os alunos a compreenderem melhor o que está sendo ensinado, bem como a aplicabilidade da Física à Arquitetura. O emprego correto dos conhecimentos da Física à Arquitetura pode propiciar além do conforto ambiental, uma diminuição de custos e um menor impacto ambiental.

Dessa maneira, pode-se dizer que alguns desafios foram superados, porém ainda há outros, como por exemplo, a aplicação de experimentos investigativos similares, trabalhando outros conceitos físicos e que tragam em seu bojo estimular a criatividade, a vocação e o perfil dos futuros arquitetos.

Do ponto de vista das possibilidades, a Física faz parte da cultura em que o aluno vive. Não há como dissocia-la do seu cotidiano. Então, o Ensino da Física deve ser contextualizado e problematizado, de modo que o aluno possa ter condições de apreender e aplicar a Física em sua prática.

Todas as ações que foram desenvolvidas no decorrer desse projeto, tal como o catálogo com os roteiros dos experimentos e os resultados da pesquisa quantitativa dessa nova experiência de aplicação, foram direcionadas a um portal na internet.

## Referências

ACIOLI, J. Física básica para arquitetura . 1. ed. Brasília: Editora UnB, 1994.

BARROS FROTA, A. e SCHIFFER, S. R. Manual de Conforto Térmico , 5a edição, São Paulo, Studio Nobel, 2001.

CRUZ DA COSTA, E. Acústica Técnica , Editora E. Blücher, 2003.

DE SOUZA, L. C., DE ALMEIDA, M. G. e BRAGANÇA, L. Bê-á-bá da acústica arquitetônica: ouvindo a arquitetura , 4a. edição, São Carlos, SP, EdUFSCar, 2012.

DONOSO, J. P. Apostila: Física (Arquitetura) , Instituto de Física de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2005.

DONOSO, J. P. e CARAM, R. M. ; RAMOS, A. Ensino de Física para o curso de arquitetura . In: XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física - SNEF, São Carlos , 2005.

MOREIRA, V. A. Iluminação Elétrica , 1a. edição, ed. Blücher, 1999.

WOOLFSON, M. M. Resonance Applications in Physical Science , Imperial College Press, University of York, UK, 2014.