LEVITAÇAO ELETRODINAMICA - O ENSINO DE FISICA, BASEADO NO ENFOQUE CTS, NA DISCUSSAO PARA MELHORIA DA QUALIDADE DO NOSSO AR.

## LEVITAÇÃO ELETRODINÂMICA - O ENSINO DE FÍSICA, BASEADO NO ENFOQUE E CTS, NA DISCUSSÃSÃO PARA MELHORIA DA Q QUALIDADE DO NOSSO AR .

Anderson Gomes de Paula , agpaula@if.ufrj.br Deise Miranda Vianna , deisemv@if.ufrj.br Universidade Federal do Rio de Janeiro

## Resumo

É apresentada uma abordagem de parte do conteúdo do magnetismo para o Ensino Médio com ênfase em CTS -Ciência, Tecnologia e Sociedade. Em particular será tratado o fenômeno da levitação eletrodinâmica, que fundamentado na indução magnética, fornecerá suporte científico necessário para a compreensão de tecnologias correlatas.

Os conteúdos científicos e tecnológicos serão abordados de maneira integrada e ambos com a questãtão social que os envolvem. Desta maneira o aluno também será estimulado a desenvolver um senso crítico que o permitirá agir, tomar decisões e compreender o que esta em questão no desenvolvimento tecnológico e científico. Assim estaremos desenvolvendo a chamada "Alfabetização Tecnológica".

A motivação desta proposta será a poluição do ar que por sua vez é efeito da utilização de algumas tecnologias, por exemplo, os motores a explosão utilizados nos meios de transporte. Tendo como orientador o professor de físísica, será proposto que os alunos correlacionem as várias causas da poluição dor ar, entre as quais destacaremos a proveniente dos meios de transportes, que é de interesse deste trabalho.

Em relação aos meios de transporte, educando e professor podem discutir que medidas devem ser tomadas para a diminuição desta poluição. Uma delas poderia ser a adoção de meios de transportes que possuam uma capacidade maior de passageiros e que não poluam tanto quanto os automotores. Entre estes meios de transporte encontram -se os trens.

Neste contexto surge a oportunidade de se discutir as tecnologias de trens de levitação que podem transportar um grande número de passageiros com velocidade superior a 400 km/h e não poluem. A partir de então será tratada a levitação eletrodinâmica, tecnologia que envolve alguns conceitos necessários para o entendimento de outras tecnologias como a levitação magnética. Os conteúdos tecnológicos serão abordados juntamente com os conteúdos de Física, fornecendo assim ao aluno o suporte mínimo o e suficiente para que ele possa compreender tecnologias correlatas.

Palavras -chave: CTS, Levitação Eletrodinâmica, Meio ambiente, indução magnética, Poluição do ar .

## Introdução

Em 1950, a população mundial era de 2,5 bilhões, em 2000 cresceu para 6 bilhões e é estimado que em 2030 o número de habitantes do planeta chegue a 8 bilhões. Estes números, que impressionam, significam uma demanda cada vez maior por transporte, seja para movimentar bens ou pessoas. Evidentemente que esta atividade irá gerar uma sérérie de impactos no meio ambiente (RIBEIRO, 2003). * *

De acordo com o capitulo 7 da AgAgenda 21nacional , o transporte responde por cerca de 30% do consumo comercial de energia e por cerca de 60% do consumo total mundial de combustíveis líquidos. No Brasil, à à rápida motorizarão e a insuficiência de investimentos em planejamento de transporte, manejo e infra-estrutura do trafego estão criando problemas cada vez mais graves, causando acidentes, ruído, congestionamento e poluição atmosférica. Esta poluição provoca dadanos à fauna e a flora, a biosfera, prejuízos à saúde, e perda de produtividade, semelhante a paises desenvolvidos (RIBEIRO, 2003; NOVAES, 2005; DIAS E BALESTIERI, 2006).

Assim fica a questão: Será que o cidadão possui a formação suficiente e necessária para avaliar as " soluções " propostas pelos governantes, tal como construção de novos viadutos, túneis, implementação de sistemas de integração, a inserção de novas tecnologias; e avaliar se estas medidas irão de fato solucionar a questão da degradação ambiental , ou apenas irão suavizá-á-las?

O trabalho proposto é motivado e se desenvolve a partir do surgimento de novas tecnologias para os meios de transportes, em especial o transporte de massa, que possuem o objetivo da não poluição ou sua mitigação. Desta formama , além de relacionar a questão da poluição atmosférica pela emissão de gases dos veículos automotores e avaliar quais os meios de transporte seriam os mais inteligentes, quando se objetiva preservar a atmosfera . Também visa compreender as novas tecnologias as e terminologias que surgem, geralmente acompanhadas das inovações tecnológicas, como por exemplo, o trem MAGLEV (magnetic levitation). Para esta compreensão serão abordados conteúdos de eletromagnetismo para o ensino médio com a utilização de um protótipo experimental para a levitação eletrodinâmica (BRASIL, 2002; GASPAR, 2000; <http://odia.ig.com.br >).

Apesar desta proposta ser bastante abrangente, optou-s-se por um assunto específico do campo do eletromagnetismo e do meio ambiente. Cabe ainda ressaltar que não é do escopo deste trabalho esgotar os conteúdos de Física ou u Meio Ambiente, mas apenas propor r uma das possibilidades de abordagem para tais conteúdos.

Com a utilização do protótipo experimental poder-se-á direcionar o debate de maneira a relacionar as características dos atuais trens para o transporte de massa, e os trens de levitação. Será possível ainda abordar conceitos de Física tais como interação à distância, campo magnético, corrente de Foucault, lei de Faraday, lei de Lenz, ação e reação e energia a entre outros (MENEZES, 2002; GASPAR, 2000; HALLIDAY, 1995; 5; DIAS E BALESTIERI, 2006).

Ainda que abordando apenas um pequeno tópico no ensino médio, pretende-e-se que o aluno possa compreender tecnologias correlatas e avaliar questões que o afetem

diretamente, tal como as ambientais. Em resumo, o projeto busca, identificando com os princípios do enfoque Ciência Tecnologia e Sociedade - - CTS, trazer para as aulas de Física, discussões que favoreçam o desenvolvimento de uma alfabetização científica, tecnológica e social mínima; que ajude o aluno a se desenvolver e criar condições efetivas para que ele possa participar como cidadão crítico, e não como mero espectador, de discussões sobre assuntos ligado aos setores de transporte e meio ambiente (BRASIL, 2002; RIBEIRO, 2003; DIAS E BALESTIERI, 2006).

## Os problemas ambientais e o ensino de Física

Este projeto não só envolve o estudo de diversos conceitos físicos, como promove a associação destes conceitos com o cotidiano, e com a problemática econômica e ambientntal de forma contextualizada, uma vez que permite discutir conteúdos científicos e tecnológicos associados a questões como combustíveis alternativos menos poluentes que os combustíveis fósseis, ou ainda alternativas de otimização dos meios de transporte. Desta maneira os custos ambientais poderiam ser avaliados e incorporados no planejamento do setor de transportes, penalizando aqueles modos ou interferências mais agressivas ao meio ambiente (B(BRASIL, 2002; RIBEIRO, 2003; DIAS E BALESTIERI, 2006).

A relação entre educação e cidadania, encontrada nos documentos oficiais e nas pesquisas didáticas, determina influência no ideário pedagógico e deve estar presente na prática pedagógica de nossos professores.

Para MENEZES (2000), a partir da Lei de Diretrizes e Basases de 1996 - LDB/1996 (Brasil, 1996), houve uma definição legal para um novo Ensino Médio. Este novo ensino deve desenvolver competências e habilidades para a cidadania, para a continuidade do aprendizado e do trabalho sem pretender-se profissionalizar ou simplesmente preparar para o ensino superior.

Os Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio -PCNEM (BRASIL , 1998), principal referência curricular no território brasileiro , incorpora essa tendência. No documento, está explicitado, em sua página de apresentação, que as transformações que ocorrem no Brasil, em função da consolidação do regime democrático, a inserção de novas tecnologias e demais mudanças que impactam o cenário contemporâneo " exigem que a escola possibilite aos alunos integrar-r-se ao mundo contemporâneo nas dimensões fundamentais da cidadania e do trabalho".

Segundo RICARDO (2003), a LDB/1996 aponta para a necessidade de uma reforma em todos os níveis educacionais, que se inspira, em parte, nas visíveis transformações por que passa a sociedade contemporânea. No entanto KAWAMURA e HOSOUME (2003) alertam que a implementação das novas diretrizes que estão sendo propostas, ou seja, sua tradução em práticas escolares concretas, não ocorrerá por decreto, nem ocorrerá de forma direta. Desta foforma a implementação destas diretrizes depende do trabalho de incontáveis professores.

Nesse sentido, os PCN's procuram oferecer subsídios para os professores para a implementação das reformas pretendidas. Estes são divididos por área de conhecimento a fim de facilitar, conforme as DiDiretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino MéMédio (BRASIL,1998), um trabalho interdisciplinar r (RICARDO, 2003).

Temos ainda nas Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais de 2002 -PCN+ (BRASIL, 2002), material dirigido aos

professores, em que se busca aprofundar, através de exemplos e estratégias de trabalho, a proposta inicial que foi apresentada nos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM).

Considerando o enfoque CTS, o ensino de Física pode estar relacionado a um dos aspectos do cotidiano do aluno, por exemplo, a poluição do ar. Neste contexto, apresentam-s-se, a seguir, alguns aspectos relacionados à poluição do ar.

A poluição do ar no perímetro urbano das grandes cidades é resultado, principalmente, da queima de combustíveis fósseis como, por exemplo, carvão mineral e derivados do petróleo o ( gasolina e diesel ). A queima destes produtos tem lançado uma grande quantidade de monóxido e dióxido de carbono na atmosfera. Tais combustíveis são responsáveis pela geração de energia que alimenta os setores industriais, elétricos e de transportes, de grande parte das economias do mundo (RUSSO, 2002; NETO, 2005.; <http:p://ptsoft.net>; DIAS E BALESTIERI, 2006).

Para diminuir este problema, temos como exemplo a cidade de São Paulo, que:

" Em 1996, a restrição à circulação de veículos foi estabelecida por lei, vigorando sempre nos períodos considerados necessários pela SMA e e CETESB. O rodízio de circulação de veículos, que vigorou de maio a setembro de 1998, evitou o lançamento de 55 toneladas de CO na atmosfera" a" (RUSSO, 2002).

A poluição também tem prejudicado os ecossistemas e o patrimônio histórico e cultural em geral. Fruruto desta poluição, a chuva ácida mata plantas, animais e vai corroendo, com o tempo, monumentos históricos. Exemplo disto está a Acrópole de Atenas que teve de passar por um processo de restauração, pois a milenar construção estava sofrendo com a poluição o da capital grega.

O clima a também é afetado pela poluição do ar, o fenômeno do efeito estufa está aumentando a temperatura em nosso planeta. Isto ocorre por que os gases poluentes formam uma camada de poluição na atmosfera, bloqueando a dissipação do calor, desta forma, o calor fica concentrado na atmosfera, provocando mudanças climáticas (RIBEIRO, 2003).

Em vista disto, fica evidente que para preservar o meio ambiente, saber avaliar os impactos de novas tecnonologias é fundamental. O trabalho proposto é motivado e se desenvolve a partir do surgimento de novas tecnologias para os meios de transportes, em especial o transporte de massa, que possuam o objetivo da não poluição ou sua mitigação. Desta forma além de relacionar a questão da poluição atmosférica pela emissão de gases dos veículos automotores e avaliar quais os meios de transporte seriam os mais inteligentes, quando se objetiva preservar a atmosfera, também visa compreender as novas tecnologias e terminologias que surgem, geralmente acompanhadas das inovações tecnológicas, como por exemplo, o trem MAGLEV (magnetic levitation). Para esta compreensão serão abordados conteúdos de eletromagnetismo para o ensino médio com a utilização de um protótipo experimental para a levitação eletrodinâmica (BRASIL, 2002; GASPAR, 2000; <http://odia.ig.com.br >).

Com a utilização do protótipo experimental poder-se-á direcionar o debate de maneira a relacionar as características dos atuais trens para o transporte de massa a e os os trens de levitação. Será possível ainda abordar conceitos de Física tais como interação à distância, campo magnético, corrente de Foucault, lei de Faraday, lei de Lenz, ação e

reação entre outros (MENEZES, 2002; GASPAR, 2000; HALLIDAY, 1995).

## APRESENTAÇÃO DA PROPOSTA DE TRABALHO DIDÁTICO

Os conteúdos de Física e Meio Ambiente ao serem correlacionados através do uso da tecnologia dos meios de transporte, e orientados pelo professor de Física, fornecerão ao aluno acesso a uma compreensão conceitual e formal consistente e essencial para sua cultura, tornando seu desenvolvimento intelectual crítico, reflexivo e questionador, de maneira que ele poderá exercer plenamente sua cidadania (BRASIL , 2002).

Cabe ainda alertarmos que alguns conceitos de física e questões ambientais, citados ao longo do trabalho, serão considerados já compreendidos pelos educandos em etapas anteriores do curso de ensino médio, casaso contrário, dever-se-ia elaborar um trabalho que abrangeria grande parte do eletromagnetismo, da Química, Biologia e Geografia. Sempre que tais considerações se fizerem necessárias, as as s indicaremos por um (*).

Faz -se necessário que o professor possua conhecimento e entendimento dos principais prejuízos ocasionados pela poluição do ar, tais como o buraco na camada a de ozônio, o efeito estufa, a chuva ácida, inversão térmica, algumas alergias, doenças respiratórias e ainda tome conhecimento de assuntos polêmicos, tal como o aquecimento global. Estes fenômenos podem ser encontrados em sítios da internet e livros. Acreditamos que o professor de física possa compreendê-los tanto quanto o necessite para o desenvolvimento deste trabalho e quando não, possa solicitar a inferência ou cooperação do profissional adequado.

- O trabalho será apresentado em unidades didáticas, assim como a parte experimental do projeto.

## UNIDADE 1: A Questão ambiental

- 1 - - Em princípio o professor deverá questionar os alunos sobre quais problemas são mais comuns em grandes cidades, São Paulo e Rio de Janeiro por exemplo, advindos da poluição do ar. Evidentemente haverá vários, tais como chuva ácida, efeito estufa, inversão térmica, problemas respiratórios e de alergia. Caso contrário, o professor poderá optar por citar os principais, como efeito estufa e inversão térmica e explicá-á-los.
- 2 - - O professor deverá selecionar alguns, por exemplo o efeito estufa, e pedir que os alunos expliquem tais fenômenos. O professor pode intervir, se necessário, para orientar as idéias, validando-as ou não.
- 3 - - Após as discussões anteriores procure indicaras causas que e ocasionam os efeitos da poluição do ar. r.
- 4 - - Evidentemente a emissão de gases estará em pauta. Este momento é oportuno para se questionar: Quem são os principais responsáveis pela emissão destes gases? 5 - - Identificados as industrias e os veículos como os principais responsáveis pela emissão dos poluentes, surge a questão: É possível extinguir ou suavizar a emissão destes gases?
- 6 - - Que medidas seriam necessárias? Citar exemplos de medidas que são tomadas em relação à indústria? E quais medidas são tomadas em relação aos veículos?

7 - - Enfatizando a poluição veicular, quais os meios de transporte menos poluentes? Quais as vantagens e desvantagens de cada um deles?

Entre os meios de transporte que devem ser citados, o trem receberá uma abordagem especial pelo o professor, caso os alunos não o evidenciem como um dos mais vantajosos meios de transporte de massa. Esta especial atenção aos trens se deve ao fato de que uma nova tecnologia vem sendo implementada , neste meio de transporte , e poucas pessoas têm conhecimento para se referir a ela ou fornecer algum esclarecimento sobre a mesma. Segundo OSTERMANN e PUREUR (2005), uma das mais charmosas aplicações da supercondutividade são os veículos levitados magneticamente, em que se pode citar o trem MAGLEV (magnetic levitation) - um trem de levitação que opera experimentalmente no Japão.

- 8 - - Os trens seriam uma boa opção para diminuir a emissão de gases? Existem novas tecnologias para este meio de transporte? Quais?
- 9 - O que são trens de levitação?

## UNIDADE 2: A Indução Eletromagnética

- 10 - - Neste momento o professor apresentará o protótipo experimental aos alunos, conforme descrito no item seguinte, e pedirá para que eles identifiquem o que compõe o protótipo. Somente após a identificação dos elementos constituintes, o o professor ligará o mesmo.
- 11 - - Chamando a atenção dos alunos para que inicialmente o conjunto imã-forma permanece em contato, e que, após a forma adquirir movimento, o imã levita, e é possível formular a seguinte questão: Por quê o imã levita?

A partir deste momento o professor poderá discutir e esclarecer o fenômeno básico da levitação magnética empregada no chamado MAGLEV, se fundamentando na repulsão magnética por dois imãs * * . Cabe ainda trabalhar os conceitos de interação à distância * e linhas de campo o magnético * . Após a recordação destes conceitos, devese propor aos alunos se é possível relacionar tais conceitos com o fenômeno da levitação eletrodinâmica. Após as discussões anteriores, pode-e-se trabalhar as seguintes questões:

- 12 - - Qual a natureza destas forças?
- 13 - - A força exercida sobre o imã é igual à força exercida na forma?
- 14 - - Por que não há levitação quando não há movimento?
- 15 - - O que deixa de existir na interação do imã com a forma?

## O aparato experimental

O protótipo experimental é simpleses, de baixo custo, de fácil montagem e translado; Ele permite ao aluno a interação direta, familiarizando-o com os vários componentes constituintes do experimento. Este é um aspecto de grande importância, pois ao identificar os elementos do aparato, o aluno terá um ponto de partida para as proposições posteriores ao fenômeno de levitação, que se verificará após o

funcionamento do experimento.

Ele é constituído de uma forma (de cozinha) de alumínio, parafusos, imã, fios de nylon, uma caixa de madeira e um motor de máquina de costura. A representação abaixo indica os componentes deste protótipo.

Figura 1- Esquema do aparato

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- O imã fixado pelos fios permite, por exemplo, que o aluno mova-o para cima e para baixo, possibilitando a percepção de uma força de repulsão. Pode-se ainda desligar e ligar o motor e observar se ocorre alguma mudança.
- O experimento real é apresentado abaixo, em seqüência, Isto é, inicialmente o aparelho está desligado (figura 2). Observe que o imã está totalmente apoiado na forma de alumínio.

Figura 2 - Vista do aparato desligado

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Ao se iniciar o movimento o da forma, o imã começa a ser repelido (figura a 4). Esta repulsão é gradual e tende a aumentar à medida que a forma vai adquirindo maior velocidade.

Figura 4 - - Experimento em funcionamento

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Na figura 5, a seguir, a forma alcançou sua velocidade máxima e por conseguinte o imã sofre a repulsão máxima.

Figura 5 - - Repulsão máxima

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Além do caráter ilustrativo do experimento, ele posossui também um caráter interativo, pois o aluno pode tocar no imã e perceber a força de repulsão, além de movê -lo verticalmente e verificar se ocorre alguma mudança.

Este aparato experimental proporciona a visualização da levitação eletrodinâmica. Esta ocororre devido ao movimento relativo de imãs nas proximidades de placas metálicas condutoras de materiais não ferromagnéticos, por r exemplo, o cobre e o alumínio, que faz surgir correntes induzidas ou correntes de Foucault. Estas correntes induzidas geram um camampo magnético que se opõe à variação do fluxo de campo magnético que as induziu, que neste caso é proveniente dos ímãs (figura 6). Devido a esta interação surge uma força resultante sobre o imã. Uma das componentes desta força repulsiva é responsável pela levitação do imã, a outra componente é contraria ao movimento da forma de alumínio, conforme apresenta a figura 7(HALLIDAY, 1995).

Figura 6 - - Repulsão máxima

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Figura 7 - - Repulsão máxima

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A compreensão deste fenômeno é dada a partir das Leis de Lenz e de Faraday. A primeira justifica o surgimento de um campo magnético oposto ao campo magnético do imã, e a segunda o surgimento da indução que gera forças eletromotrizes circulares na superfície da forma metálica (HALLIDAY, 1995).

## CONCLUSÃO

Nosso projeto possui como objetivo central possibilitar ao professor, de acordo com LDB e orientações dos PCN's e PCN + , uma abordagem para trabalhar com conteúdos do eletromagnetismo e suas aplicações tecnológicas no dia a dia, preferencialmente com alunos da terceira série do ensino médio. Procuramos dar ênfase às questões fenomenológicas, experimentais e reflexivas que se entrelaçam com as novas tecnologias, a ciência e o meio ambiente, sem nos preocuparmos com o rigor matemático.

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