MATERIAL DE SUSTENTAÇÃO E EXPERIMENTAÇÃO EM FÍSICA: SUPORTES SIMPLES, BARATOS E EFICAZES PARA O ENSINO.

## MATERIAL DE SUSTENTAÇÃO E EXPERIMENTAÇÃO EM FÍSICA

- SUPORTES SIMPLES, BARATOS E EFICAZES PARA O ENSINO -

João Bernardes da Rocha Filho , jbrfilho@pucrs.br a

Marcos Alfredo Salami , msalami@pucrs.br b

- a Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS
- b Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS

## Resumo

O artigo propõe uma solução eficaz para o desenvolvimento e para a sustentação mecânica de experimentos de física no ensino médio e superior, em contraposição aos caros produtos, com destinação semelhante, vendidos na forma de conjuntos de hastes, ganchos, presilhas, discos, pinos e morsas, feitos de materiais metálicos. Constituído de peças modulares simples, de madeira, executáveis com baixo custo e pouca mão-de-obra mesmo por marceneiros que dispõem de escassos recursos ferramentais, somado a uma porção de parafusos, porcas, arruelas e morsas, componentes baratos que podem ser encontrados na maioria das lojas de ferragens ou peças para automóveis, o conjunto serve de apoio às aulas experimentais de física. Com ele o professor e seus alunos tanto podem sustentar molas, dinamômetros, interruptores, recipientes, fios, termômetros, lâmpadas, réguas, lentes, tubos e outros instrumentos de ensino em experimentos tradicionais, como podem construir dispositivos próprios para certos experimentos, como carrinhos, balanças, roldanas e alavancas, entre outros. Este trabalho apresenta a criação do conjunto, sugere aplicações, apresenta algumas montagens didáticas e traz algumas conclusões e sugestões.

PALAVRAS-CHAVE: EXPERIMENTAÇÃO, BAIXO CUSTO, MATERIAL DE SUSTENTAÇÃO, INVESTIGAÇÃO, ENSINO DE FÍSICA.

## INTRODUÇÃO E APLICAÇÕES

Neste trabalho apresentamos uma alternativa econômica e tecnicamente viável, desenvolvida no Laboratório de Instrumentação da Faculdade de Física da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, e testado no Laboratório Especial de Física do Museu de Ciências e Tecnologia da PUCRS, em aulas experimentais no Colégio Santo Antônio, dos Irmãos Lassalistas, e no Instituto Santa Luzia, das Irmãs Vicentinas, todos na cidade de Porto Alegre, para ser utilizada primordialmente como material de sustentação em experimentos para ensino de física. Com características modulares, entretanto, o sistema proposto tem sido utilizado também como elemento central de alguns experimentos, se mostrando eficaz na promoção da aprendizagem experimental com exigência de poucos recursos extras.

O conjunto, composto por peças de madeira, parafusos, arruelas, porcas e morsas, foi desenvolvido visando maximizar a quantidade de experimentos possíveis, minimizando os recursos investidos, e teve uma concepção modular. Isto significa que não foram projetados elementos com destinação exclusiva (por exemplo: bases, tripés, ganchos e presilhas), mas sim peças básicas que podem ser combinadas, permitindo a construção de qualquer estrutura de suporte necessária à experimentação em física no ensino médio. Esta opção modular, aliás, tem se mostrado um incentivo à experimentação, pois exige o uso da criatividade e leva o aluno a um envolvimento psicomotor profundo com sua tarefa, como temos observado nas aulas de laboratório em que foi preliminarmente utilizado, nas três instituições citadas acima. As peças que constituem o conjunto de experimentação são descritas abaixo e também são dadas sugestões de experimentos que podem ser realizados com seu auxílio, baseadas na forma como o conjunto foi aplicado nos testes de campo

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realizados nas instituições de ensino envolvidas, especificamente nas aulas de Instrumentação I e II dos cursos de Licenciatura e Bacharelado em Física da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, no trabalho com alunos no Laboratório Especial de Física do Museu de Ciências e Tecnologia da PUCRS, nas aulas de Laboratório de Física do Colégio Santo Antônio, e nas aulas de Ciências do Instituto Santa Luzia. Entre nossos objetivos futuros estão a realização de pesquisas que permitam quantificar o efeito da aplicação deste conjunto de desenvolvimento de experimentos na aprendizagem, a difusão de seu uso e o treinamento de professores de física das escolas da rede pública estadual de ensino médio, por meio de projetos específicos.

Como material de apoio para aulas experimentais de Física o conjunto tem aplicações ilimitadas, como comprovamos nos testes de desenvolvimento e utilização. Nestas ocasiões observamos os alunos utilizando os conjuntos de madeira na criação de seus próprios experimentos ou realizando montagens dirigidas que objetivavam a repetição de um experimento em particular, e ficou evidente que o material pode ser utilizado com duas funções, relativamente distintas, que descrevemos a seguir:

- a) como material de sustentação, na realização de experimentos envolvendo outros equipamentos, instrumentos ou materiais, que constituem o foco central do conteúdo abordado. Podemos citar como exemplo:
- -no suporte de termômetros em experimentos de calorimetria;
- -na fixação de molas e cordas em experimentos de ondas e elasticidade;
- -no suporte de experimentos com aros girantes no estudo da dinâmica rotacional;
- -na construção de trilhos para determinação de forças de atrito sobre móveis em movimento quase uniforme;
- -no suporte de enrolamentos elétricos para a determinação do campo magnético terrestre;
- -na construção de suportes de alto-falantes para experimentos de ondas sonoras estacionárias;
- -na construção de motores elétricos experimentais, como sustentação dos enrolamentos e confecção do rotor;
- b) como material experimental, quando os conjuntos de madeira constituem a totalidade, ou são utilizados como elementos centrais do experimento, como por exemplo:
- -na construção de alavancas para estudo do torque;
- -na construção de peças girantes para estudo da composição de forças centrípeta e gravitacional;
- -na construção de tesouras de treliças móveis para estudo dos graus de liberdade;
- -na construção de balanças para estudo fundamental da gravitação;
- -na construção de máquinas simples com múltiplas polias e roldanas;
- -na construção de sistemas em rotação para o estudo do movimento circular uniforme;

## O desenvolvimento do conjunto

Em aulas que objetivavam a medição do campo magnético terrestre por meio do experimento de Oersted procurávamos oferecer aos alunos meios práticos de construir o suporte das bobinas e da bússola. Tradicionalmente, deixávamos que os problemas de sustentação fossem resolvidos pelos alunos como parte do trabalho experimental, embora não oferecêssemos conjuntos comerciais destinados para este fim. Apesar da imensa criatividade destes alunos, vínhamos percebendo a dificuldade que enfrentavam para implementar esta montagem relativamente simples sem material de apoio, e resolvemos prover algum substrato físico para as aulas. Como o laboratório em que estes conteúdos são trabalhados têm espaço de armazenamento restrito, a utilização de materiais de sucata nunca foi uma opção viável, inclusive porque a ênfase nas disciplinas de Instrumentação I e II é a utilização de instrumentos de medição de grandezas físicas

de tecnologia atual, sendo a experimentação didática o pano-de-fundo que permeia o processo. Com a aproximação da data da próxima aula envolvendo a medição do campo magnético da Terra, julgamos que era nossa obrigação providenciar material compatível com os objetivos do experimento e da disciplina e que, simultaneamente, envolvesse o uso da imaginação e da criatividade. E assim o fizemos.

Excluímos a compra de conjuntos de sustentação prontos, já utilizados em outros laboratórios da faculdade, devido ao seu alto custo inicial e de manutenção, e achamos que uma opção viável poderia ser a utilização de pequenas peças que pudessem ser associadas de múltiplas formas, conforme a necessidade. Após este despertar intuitivo, poucos dias foram necessários para que desenhássemos as poucas unidades básicas que hoje constituem o conjunto. Inicialmente planejamos apenas peças de perfil chato, furadas. Após alguma reflexão decidimos usar madeira e parafusos, porcas e arruelas de aço inoxidável ou latão, imunes à corrosão ambiental. Rapidamente percebemos que polias seriam necessárias para alguns dos experimentos, e as projetamos em três tamanhos distintos. Em seguida notamos que as montagens poderiam ser muito facilitadas se existissem também peças de perfil quadrado, também furadas e com porcas encravadas em furos nas extremidades. Encomendamos então um primeiro conjunto, composto por vinte peças de cada tipo, a um marceneiro das proximidades, que as construiu em dois dias, e compramos as porcas, arruelas, parafusos e morsas, em uma ferragem, com custo tão baixo que pôde ser assumido pessoalmente.

Tomamos o conjunto e o oferecemos aos alunos, solicitando que utilizassem as peças de madeira no desenvolvimento do experimento de Oersted, sem qualquer orientação adicional. Todos os grupos aplicaram com sucesso, embora com diferentes abordagens, as peças de madeira na confecção desta montagem experimental, o que nos motivou a continuar oferecendo-as aos alunos e encomendar mais conjuntos, agora às expensas da universidade. Em pouco tempo estas peças de madeira passaram a fazer parte das aulas experimentais, sendo utilizadas nas montagens para estudo da eletricidade, termologia, hidrostática, ondas e óptica, sempre que o experimento requer sustentação, e algumas vezes como centro da experimentação, o que ocorre, em geral, na mecânica.

## Algumas montagens

Ao longo de mais de dois anos de utilização do material de sustentação em madeira, seu uso proporcionou a solução de vários problemas na área de experimentação em física. O material se mostrou tão eficiente que foi adotado por outros laboratórios da PUCRS, na sustentação de experimentos. No Laboratório Especial de Física do Museu de Ciências e Tecnologia da PUCRS foram realizados vários experimentos relativos ao estudo da Mecânica dos corpos utilizando o conjunto de madeiras e metais. Como exemplo, foram realizadas montagens para o estudo de roldanas fixas e móveis, onde uma dupla de alunas do Ensino Médio da rede pública estadual pôde investigar as diferenças experimentais na suspensão de determinadas massas através de roldanas fixas, variando seu raio e medindo forças também com roldanas móveis. Outra experiência realizada envolveu a associação de várias engrenagens com raios distintos, com o objetivo de estudar seus movimentos, conforme mostra a fig.1.

Outra montagem realizada com o material em madeira pode ser vista na fig.2, desenvolvida para o estudo do período, da freqüência, da velocidade linear, da velocidade angular e do acoplamento de polias. Um plano inclinado também foi construído, e nele é possível variar o ângulo da rampa realizando investigações sobre o comportamento da força de tração que age sobre o móvel. Nessa mesma rampa pode-se substituir o carrinho por um bloco ou tijolo, estudando o atrito entre as superfícies rugosas. O plano inclinado desenvolvido pode ser visto na fig.3. Outra construção aparece na fig.4, e serve para investigações acerca do comportamento de um sistema girante em função da distribuição de massa, da força aplicada para realizar o movimento, e da distância da força aplicada ao eixo de rotação do sistema. Além disso, muitos outros temas foram alvo de pesquisas e montagens que tiveram por base o material já citado. Entre eles está a

independência dos movimentos, a variação da velocidade angular, o torque, a decomposição de forças no plano, e as colisões.

Fig. 1: Associação de engrenagens.

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Fig. 3: Plano inclinado.

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Fig. 2: Estudo de período, freqüência, velocidades em associação de polias.

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Fig. 4: Dispositivo para estudar dinâmica das rotações.

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## Conclusões

Nossas expectativas foram superadas com o uso do material de sustentação em madeira e metal. Este novo recurso mostrou-se próprio para a realização de montagens em laboratórios de ensino de dinâmica e cinemática, e a sucessão de experiências realizadas demonstrou que esse material tem vantagens sobre materiais metálicos ou plásticos comercializados para este fim. Entre estas vantagens está a de que qualquer escola ou professor pode solicitar a um marceneiro local que faça as peças, que são extremamente baratas e utilizam a madeira disponível na região, exigem pouco trabalho e são muito duráveis, e pode comprar as porcas, parafusos e morsas em qualquer ferragem ou loja de autopeças, também a um custo modesto. Além disso, um dos problemas mais graves dos conjuntos comerciais de experimentação didática - a dificuldade de reposição de peças perdidas ou quebradas - simplesmente desaparece. Em acréscimo, este conjunto serve de material de sustentação para o desenvolvimento de experimentos em todas outras áreas da física do ensino médio. Outro ponto que merece ser destacado é o aspecto lúdico da utilização do material, que exige grande envolvimento e criatividade dos alunos, o que torna muito agradável a realização das atividades experimentais.

## Referências

ROCHA FILHO, João Bernardes; SALAMI, Marcos Alfredo; PASTORINI, Rosaura Santos. Material de Sustentação e Experimentação em Física. Divulgação do Museu de Ciências e Tecnologia UBEA - PUCRS, Porto Alegre, n.7, p.1-208, ago.2002.