FÍSICA E RAPEL: UMA PROPOSTA DE INVESTIGAÇÃO CIENTÍFICO-CULTURAL NO ENSINO DE FÍSICA

## FÍSICA E RAPEL: UMA PROPOSTA DE INVESTIGAÇÃO CIENTÍFICO-CULTURAL NO ENSINO DE FÍSICA

## PHYSICS AND RAPPELLING: A PROPOSAL FOR SCIENTIFICCULTURAL RESEARCH IN PHYSICS TEACHING

Alexandre Montbeller 1 , José Luis Ortega 2 , Fernanda Sodré 3 , Cristiano Mattos 4

1 Colégio Bandeirantes, amagno@colband.com.br 2 Colégio Bandeirantes, jose.ortega@colband.com.br 3 Colégio Bandeirantes, fernanda.sodre@colband.com.br 4 Universidade de São Paulo, Instituto de Física, crmattos@usp.br

## Resumo

Nesta atividade alunos da 2ª série do Ensino Médio vivenciaram a utilização de polias fixas e móveis no estudo de forças aplicadas em cordas, roldanas e corpos suspensos, por meio da prática de rapel nos vãos do pátio da escola. Os estudantes foram divididos em grupos, ocupando 'estações de trabalho', tendo como primeiro momento o contato com os equipamentos e instruções, em seguida a vivência do rapel e em terceiro discussões acerca de como modelar e representar forças para cada vivenciado. A proposição da sequência de ensino aprendizagem, pretendia a expansão do cronotopo escolar e teve como finalidade imergir os alunos em uma atividade, na qual, além de introduzir conceitos ligados às máquinas simples, pudessem vivenciar o rapel, manusear seus equipamentos (cordas, mosquetões, polias) e elaborassem modelos explicativos para a redução de esforço experienciada com o uso das polias. Os professores, previamente capacitados para o manuseio de equipamentos de escalada e rapel, conduziram a prática de modo que os alunos percebessem a redução do esforço para erguer um colega, em dois arranjos experimentais diferentes: um com polia fixa e outro com polia móvel. Separados em grupos, os alunos discutiam formas de modelar e representar forças em cada caso. Tais atividades foram elaboradas em conjunto pela equipe de professores de Física da escola com base na investigação científico-cultural para o ensino física. Esta abordagem tem como intuito expandir o espaço e as vivências tradicionais de sala de aula, trazer o cotidiano contextualizando o uso de diferentes dispositivos em seus contextos de aplicação, na perspectiva de possibilitar um engajamento mais significativo na aprendizagem dos conteúdos de dinâmica e complexificar o objeto de estudo, dando novos e mais complexos significados a ele. Para determinar os graus de complexidade apreendido pelos estudantes, no final do processo, os alunos foram submetidos a uma avaliação, na qual, além dos conceitos físicos introduzidos na atividades, eram avaliadas suas vivências na atividade investigativa. Os dados preliminares obtidos foram analisados e mostraram resultados positivos em relação ao desempenho acadêmico e à compreensão dos conceitos, além de novos aspectos de engajamento dos estudantes.

Palavras-chave : rapel; polias; mecânica; investigação científico-cultural

## Abstract

In this activity, students from the 2nd grade of high school experienced the use of fixed and mobile pulleys to study forces applied to ropes, pulleys, and suspended bodies, through the practice of rappelling in the openings of the schoolyard. The students were divided into groups, occupying "work stations", having as a first moment the contact with the equipment and instructions, then the experience of rappelling and in the third, discussions about how to model and represent forces for each experience. The proposition of the teaching-learning sequence intended to expand the school chronotope and aimed to immerse students in an activity in which, in addition to introducing concepts related to simple machines, they could experience rappelling, handle their equipment (ropes, carabiners, pulleys), and elaborate explanatory models for the effort reduction experienced with the use of pulleys. The teachers, previously trained to handle climbing and abseiling equipment, conducted the practice so that the students noticed the reduction in the effort to lift a colleague in two different experimental arrangements: one with a fixed pulley and the other with a movable pulley. Separated into groups, the students discussed ways to model and represent forces in each case. Such activities were developed jointly by the school's team of Physics teachers based on scientific-cultural research for physical education. This approach aims to expand the space and traditional experiences of the classroom and bring the daily life by contextualizing the use of different devices in their application contexts, in the perspective of enabling a more significant engagement in the learning of dynamics contents and making the object more complex, giving new and more complex meanings to it. To determine the degrees of complexity learned by the students, at the end of the process, they were submitted to an evaluation, in which, in addition to the physical concepts introduced in the activities, their experiences in the investigative activity were evaluated. The preliminary data obtained were analyzed and showed positive results in relation to academic performance and understanding of concepts, as well as new aspects of student engagement.

Keywords : rappel; pulleys; mechanics; scientific-cultural investigation

## Introdução

Neste trabalho apresentamos uma atividade de investigação científico-cultural (LAGO, et. al. 2019) para o ensino de forças, por meio do uso de polias fixas e móveis em situações concretas nas quais esses conceitos emergem, neste caso, a prática do rapel. Os estudantes do Ensino Médio utilizam instrumentos de rapel para experimentar a redução de esforço ao erguer um colega com diferentes tipos de polias, situação, posteriormente, tratada pela modelagem das forças em sala de aula e explorada nas avaliações, cujo desempenho discente foi medido.

## Marco teórico

Talvez uma das tarefas mais desafiadoras para professores de física seja estabelecer atividades que permitam aos estudantes ascender de um conhecimento

abstrato para uma vivência concreta dos conceitos aprendidos em sala de aula. Diagramas cuidadosamente desenhados ou apresentações sofisticadas de PowerPoint normalmente são pontos de partida para o ensino de conceitos, mas a atividade normalmente está determinada por ações em que os estudantes ficam dominantemente, sentados fazendo anotações e realizando cálculos mentais com a ajuda de contextualizações feitas pelos professores em sala de aula. Basicamente, os alunos são expectadores no processo de ensino-aprendizagem, apenas alguns deles se arriscam a fazer raciocínios um pouco mais elaborados, produzindo mediações com algum tipo de experiência anterior do seu próprio cotidiano, tão pouco, professores limitados por uma rotina escolar pouco flexível, arriscam-se a explorar outros espaços de aprendizagem para mobilizar esses conceitos. Aqui propusemos a expansão do cronotopo escolar (RAJALA et. al, 2013) para que os alunos ao mesmo tempo em que explorassem outros espaços escolares, tomassem contato com práticas e atividades em que esses conceitos ganham concretude em artefatos e enunciados determinados.

Assim, neste trabalho, tratamos o ensino-aprendizado de conceitos na perspectiva da Teoria da Atividade Sócio Cultural Histórica, em que a generalização é um processo de contínua complexificação de conceitos (MATTOS, 2019). Nessa perspectiva, o aprendizado de conceitos se dá pela contínua descensão de um concreto imediato, pouco mediado, para uma abstração, na qual se expressam relações fundamentais do conceito e a posterior ascensão do abstrato a um concreto complexificado (DAVIDOV, 1990; MATTOS, 2019; LAGO et al, 2020). Essa posição teórico-metodológica implica no movimento contínuo entre concreto e abstrato como forma de ampliar e complexificar as mediações entre sujeito e objeto. O contexto nessa situação é o elemento central que traz as mediações necessárias para o estabelecimento de novas mediações e permite aos estudantes identificar no objeto outros sentidos, até então não conhecidos. Assim, no processo educacional, não importa se apresentamos inicialmente uma situação concreta ou abstrata para os estudantes, pois o que importa é o movimento entre esses dois estágios do processo de generalização.

- O objetivo dessa sequência didática foi de, por meio de uma vivência, contextualizar de forma mais complexa o aprendizado de vários conceitos e instrumentos relacionados às máquinas simples (polias fixas e móveis). Do ponto de vista do conteúdo específico da física, dentro dessa contextualização mais complexa, procurou-se verificar experimentalmente a vantagem mecânica em cada arranjo experimental proposto, representar as forças envolvidas nestes sistemas, comparar as forças necessárias para suspender um corpo com polia fixa e com polia móvel, determinar a somatória das forças de sustentação na coluna (teto) e calcular a força de reação normal sobre o aluno responsável em erguer o colega de sala, por meio da balança de 'chão'.

## Metodologia

O marco teórico apresentado pressupõe que os estudantes manipulem os artefatos tecnológicos no contexto de uma atividade que sustente e explicite os sentidos e mediações dos conceitos e procedimentos ali abordados. Neste caso, foi desenvolvida uma atividade de rapel, em que vários conceitos da mecânica clássica, necessários à compreensão do conceito de máquina simples fossem abordados de forma contextualizada na atividade.

Nesse processo de imersão na atividade, os alunos tiveram acesso a formas enunciativas típicas da atividade,aproprindo-se delas para elaborar sua vivência. Por exemplo, os estudantes têm de ler e interpretar as informações sobre carga máxima, dos dispositivos que estão manipulando, em quilo Newton (kN) e relacioná-las tanto aos conhecimentos mobilizados previamente em sala de aula (conceitos básicos da mecânica) como as situações concretas específicas montadas previamente pelos professores (polia simples e polias compostas), como veremos a seguir. O diálogo com os professores é condição para estabelecer a melhor forma da montagem do equipamento para atingir os fins propostos, bem como a escolha das configurações das polias que minimizavam do esforço na subida e descida do rapel.

Entendemos que uma intervenção baseada na investigação científico-cultural, explicita e enfatiza a trama dos conteúdos científicos com outros elementos internos e externos à escola. Como exemplo dessa abordagem, à guisa de comparação, citaremos nossas investigações no ensino de astronomia (LAGO et al, 2020), no ensino de física aplicada (SODRÉ et al, 2020) e nesta nossa atividade de rapel, propriamente dita. Em todas elas, o aluno é estimulado a interagir com pessoas em outras atividades, fora do espaço escolar e problematizar essa interação na escola. No caso da astronomia, realiza observações do Lua na sua casa, durante o período da lunação, interferindo na dinâmica do lar durante o processo. Realiza também uma entrevista com as pessoas de seu entorno, levantando conceitos mobilizados por elas, sobre Lua, trazendo-os para o espaço escolar. No caso da física aplicada à medicina, aos esportes e às artes, os alunos conversam e interagem com diversos profissionais: engenheiros biomédicos, esportistas e bailarinas, tomando consciência da forma como aplicam os conceitos de física. Especificamente, na atividade de rapel, que estamos analisando, o professor e coordenador da disciplina de física é praticante e instrutor de rapel. Ele foi responsável por treinar e acompanhar os outros professores durante a aplicação da primeira aula, em todas as turmas. Sua atuação foi fundamental para compartilhar seus conhecimentos e procedimentos específicos dessa prática esportiva com os alunos. Muitos alunos que já praticaram rapel em outros espaços demonstraram e expressaram sua familiaridade com os materiais ali apresentados, coube aos professores direcionarem complexificarem seus olhares para as grandezas físicas ali envolvidas. Dessa forma, acreditamos estabelecer uma relação ensino-aprendizagem de ciências crítica e com mais mediações com o mundo, que aponta perspectivas para superação dos muros da escola como delimitadores dos sentidos do conhecimento. (LAGO et. al., 2019; MATTOS, 2019).

Nessa proposta específica, foram organizadas algumas atividades distintas, designadas de 'estações'. Em cada uma delas, havia arranjos de polias diferentes, de forma que os estudantes se revezavam para experienciar estes sistemas de polias na prática, exercendo forças nas cordas, erguendo e sustentando colegas, com técnicas de rapel e uso de polias. Posteriormente, em atividades de resolução de problemas, modelização e experimentação, os conceitos foram retomados de forma sistematizada para sintetizar a experiência vivida, construindo mediações e generalizações que o possibilitam estruturar relações conceituais mais complexas, expressando o movimento contínuo de descensão ao abstrato e o posterior retorno ao concreto, agora complexificado.

Dessa forma, a sequência didática foi desenvolvida em um colégio tradicional, de grande porte na cidade de São Paulo (Brasil), que tem reconhecimento por seu sucesso na aprovação da maioria de seus alunos em exames de entrada no ensino superior e que está passado por uma reformulação curricular na qual a equipe de

professores tem se engajado como produtores de conteúdos e currículos, podendo expressar sua autoria. Esta sequência foi realizada ao longo de quatro aulas de 50 minutos, em treze turmas do segundo ano do ensino médio, nas semanas iniciais do primeiro bimestre, quando retomam e aprofundam os conceitos de força da mecânica. As turmas, com aproximadamente 45 alunos, são compostas por jovens de 15 e 16 anos. Cada turma, organizada em grupos de cinco estudantes, foi deslocada da sala de aula para o pátio do colégio, onde os equipamentos foram previamente dispostos e instalados. A instalação foi montada na estrutura do prédio principal da escola, numa viga a uma altura de 10 m.

## Sequencia didática

As quatros aulas da sequência de investigação científico-cultural incluem: (i) a investigação cultural de imersão na atividade do rapel, (ii) a investigação conceitual na modelagem do fenômeno, na realização de exercícios, na avaliação em sala de aula e, finalmente, (iii) a prática científica no manuseio dos equipamentos e no registro de dados (LAGO et. al., 2019).

Na primeira aula, após instruções iniciais sobre a atividade, o professor de física com treinamento em escalada instruiu os estudantes especificamente sobre o rapel, e apresentou o desafio de erguer uma pessoa até o ponto mais alto de uma das maiores vigas do prédio da escola (em torno de 7 metros de altura). Pediu aos grupos que expressassem e registrassem livremente, quais formas conheciam e propunham para suspender uma pessoa até a altura referida. Após a fala dos alunos, o professor fez comentários breves introduzindo a ideia de máquinas simples e sua capacidade de reduzir o esforço e aprimorando a ergonomia na realização do trabalho de levantamento de pesos. Por fim, iniciaram as vivências de manuseio dos equipamentos, composição do sistema de polias e o levantamento de cada aluno com o equipamento de rapel.

Figura 1: Alunos erguem colega com equipamento de rapel e polias em duas situações experimentais.

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O professor-instrutor participou da atividade com todas as turmas e grupos, sendo auxiliado pelos professores de física de cada turma. Abordou com os alunos a importância da segurança e dos cuidados que envolvem a prática do rapel, indicando a importância da posição da polia, a conferência dos nós em cada corda, o fechamento da trava dos mosquetões durante a ancoragem, uso de capacetes, uso da nomenclatura de tração máxima suportável de cada aparelho em kN, assim como a importância do atrito na passagem da corda pelo dispositivo de segurança conhecido por 'descensor freio oito', no momento da descida.

Figura 2: Freio 8 (100kN) e mosquetão (25kN), exemplo de equipamentos de rapel utilizados pelos alunos. Detalhe da unidade de medida em kN.

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Foi dada autonomia aos alunos para que manipulassem os equipamentos, que realizavam registros das informações contidas nos equipamentos, apropriando-se dos instrumentos e regras da atividade e tomando consciência das condições de realização da atividade e de suas possíveis aplicações. Cada professor de turma, apresentou aos alunos uma polia real, que seria usada na atividade, dando a oportunidade de manuseio antes de cada ação da aula, para que os os alunos identificassem as duas formas de dispor o dispositivo, correspondentes aos arranjos nas polias fixa e móvel.

Para dar início ao rapel, alunos voluntários de cada grupo, auferiram sua massa e determinaram seu peso por meio de uma balança. Em seguida vestiram o equipamento de rapel para serem erguidos pelos colegas. Os colegas, alternadamente erguiam ou mantinham suspensos os voluntários, dessa foram todos puderam experienciar a redução do esforço de levantamento ou sustentação. Além disso, ao longo da atividade foram realizando registros de alguns aspectos pontuados pelo professor, como: unidades de medidas expressas nos equipamentos, massa e peso dos voluntários, intensidade da tração, sentido da força aplicada na corda e o esquema de cada arranjo experimental. De posse dos registros, o professor utiliza um ' flipchart ' para representar cada arranjo experimental e as forças atuantes, assim como suas direções, sentidos e intensidades. Um movimento que vai do concreto imediato das vivências descendo ao abstrato do modelo.

Num segundo momento, ascendendo do concreto ao abstrato, uma balança digital foi disposta, em cada arranjo montado, sob os pés do aluno responsável em erguer e manter suspenso cada colega. Essa medida da balança, permitiu aos alunos constatar a diminuição da reação Normal indicada pela balança no momento do levantamendo do aluno voluntário. Por fim, mediu-se com uma trena a altura atingida pelo voluntário, para comparar com o 'consumo' de corda necessária para erguê-lo.

Assim, numa nova descensão ao abstrato, discutiu-se o conceito de vantagem mecânica.

Finalmente, após essas várias ascensões e descensões, os pontos abordados e discutidos durante as atividades foram formalizados em sala de aula, nas três aulas seguintes, por meio discussão coletiva das observações e organização dos registros realizados pelos alunos, da modelização dos fenômenos nas situações analisadas e da elaboração dos conceitos de mecânica envolvidos. Finalmente, a formalização e aplicação dos conceitos foram aprimorados pela da resolução de exercícios e problemas.

## Conclusão

Os resultados preliminares permitem identificar o grande engajamento dos estudantes com a atividade extraclasse. Isso foi identificado pela forma espontânea com a qual manipularam o equipamento e pelo entusiasmo apresentado, seja ao serem levantados, seja ao levantarem os colegas. Nesse processo, o aluno se apropria dos termos técnicos expressos no equipamento e enuncia as situações valendo-se deles. Isso se refletiu nas avaliações no uso apropriado das unidades de medida e interpretação das grandezas envolvidas nos enunciados de exercícios e problemas. Outro aspecto foi aprimoramento na capacidade de representar as forças em situações que exigiam a modelização.

Realizada no pátio da escola, esta aula rompe com a rotina escolar, expande os espaços de aprendizagem e interfere em rotinas da escola, uma vez que atrai atenção de professores e alunos de outras séries, além de demais funcionários da escola. Em suma, esta sequência configura uma atividade perturbativa (SANTIAGO, 2019), já que exige transformação nas outras atividades escolares para coordenar a saída dos estudantes das salas de aula, durante o período letivo, sem que impeça o desenrolar das outras turmas ou das outras disciplinas. Como exemplo, podemos citar a participação dos inspetores e funcionários, não só na organização, mas como animadores do processo. O próprio bombeiro, funcionário da segurança da escola, participou de algumas aulas quando passava pelos espaços em que elas ocorriam. Nesse movimento, a própria interação dos estudantes com os conhecimentos é afetada em seus aspectos emocionais e vivenciais (na medida em que se mostram entusiasmados, percebendo-se envolvidos numa situação de risco, em que é necessário seguir critérios de segurança). A troca de ideias nos corredores da escola sobre a aula, motivaram amigos de outras séries a vir para o pátio, a fim de assistir e fotografar a atividade, favorecendo um engajamento maior por parte da turma. Alguns deles ousaram até de modo espontâneo, fazer manobras típicas do esporte.

De forma inovadora para a escola, na avaliação de física, foi introduzida uma questão que se referia ao conteúdo tratado na atividade e problematizado na situação extraclasse vivenciada pelos estudantes. Com uma análise estatística preliminar, podemos afirmar que o desempenho dos estudantes na questão foi bom, considerando uma pontuação média de 1,4/2 num universo de 462 respostas.

Nas aulas subsequentes, pelo diálogo com os estudantes e pelos seus registros, pelos relatos dos professores é possível identificar, preliminarmente, que houve um movimento entre o concreto e o abstrato, pois puderam reconhecer as relações entre os conhecimentos físicos sobre as polias, algumas atividades extraescolares e suas relações com outros conteúdos da física.

Pudemos identificar que apresentar situações vivenciais, no movimento entre abstrato e concreto, permite aos estudantes não só identificar alguns dos princípios básicos antes das discussões em aula, como pode fazer com que os eventuais modelos matemáticos, com suas equações, pareçam mais intuitivos. Além disso, como dissemos, os alunos foram capazes de participar e acompanhar os tópicos subsequentes confortavelmente por causa de sua propriedade e capacidade de ver relacionamentos devido ao seu envolvimento anterior. Atualmente, o colégio está em obras. Um prédio novo está sendo construído e, pode-se visualizar, de diversos locais da escola, homens trabalhando, pendurados em cordas, pilotando guindastes. Durante a aula das polias, um dos estudantes, reparou e identificou um conjunto de polias móveis, erguendo um homem, questionando se as polias usadas na obra possuem a mesma aplicação que as polias instaladas no pátio. Esse comentário propiciou uma discussão mais ampla sobre os conceitos de mecânica de polias em sala de aula.

## Referências

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SODRÉ, F. C., ORTEGA, J. L., ZEN, P., MATTOS, C.R. Perspectivas científicoculturais no ensino de física: a construção de uma disciplina eletiva de física médica . Anais do XVIII Encontro de Pesquisa em Ensino de Física - 2020

LAGO, L.; ORTEGA, J.L.; MATTOS, C.R. A investigação científica-cultural como forma de superar o encapsulamento escolar: uma intervenção com base na teoria da atividade para o caso do ensino das fases da lua. Investigações em Ensino de Ciências , v.24, n.1, p. 239-260. 2019. https://doi.org/10.22600/15188795.ienci2019v24n1p239

LAGO, L.; ORTEGA, J. L.; MATTOS, C.R. O modelo genético e o movimento dinâmico entre abstrato e concreto como instrumentos para o planejamento de sequências didáticas para o ensino de ciências. Alexandria , v. 13, n.1, p.123-153, 2020. https://doi.org/10.5007/1982-5153.2020v13n1p123

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