A motocicleta como objeto motivacional para o ensino da termodinâmica.

## TITULO A MOTOCICLETA COMO OBJETO MOTIVACIONAL PARA O ESTUDO DE TERMODINÂMICA

## Santos, Zanoni Tadeu Saraiva

1 IFRN/Licenciatura em Física -DIAC/, zanoni.tadeu@gmail.com

## Resumo

A proposição de novas abordagens que busquem aproximar o mundo experiencial do aluno e o mundo do conhecimento científico é uma tarefa constante para o professor, no processo de pesquisa que caracteriza uma prática docente que se pretende emancipadora. Neste trabalho sugerimos o uso da motocicleta como objeto motivacional para o estudo da termodinâmica básica. A abordagem aqui apresentada tem como base a ideia de trazer a ciência ao mundo do aluno, partindo-se de sua cultura experimental e vivencial. Sabemos do apelo que as motocicletas têm para os jovens desde os anos cinquenta do século passado com os filmes estrelados por Marlon Brando e James Dean até os dias de hoje quando as motos se tornaram objetos de desejo de muitos jovens. As motos estão ligadas a ideais de liberdade, a rebeldia e desafio dos limites, tão caros aos jovens de ontem e de sempre. A experiência de pilotar uma motocicleta é o que se pode ter de mais próximo à sensação de possuir o corpo motorizado. A abordagem parte de um experimento simples de queima de combustível em um recipiente fechado (cilindro), onde se pretende estudar o princípio básico do ciclo Otto. Em seguida propomos uma leitura/análise preliminar de "fichas técnicas" de alguns modelos de motocicletas, seguido do aporte teórico sobre o trabalho realizado na expansão de um gás. Pretendemos que o aluno seja capaz de relacionar o vocabulário corrente sobre as motos, como 'cilindrada', a conceitos com potência, taxa de compressão e a concepção de ciclo e tempos do motor. Relações devem ser feitas entre grandezas como potência, trabalho, rendimento, volume, pressão, força e velocidade tendo como alvo a introdução às leis da termodinâmica.

Palavras-chave : Ensino de Termodinâmica; Metodologia de ensino de Física; termodinâmica das motocicletas.

## Alma Selvagem

As motocicletas exercem forte apelo sobre os jovens de todas as idades. Elas representam ideias de liberdade rebeldia e desafio que são tão caros aos jovens de hoje e de sempre. Quem não traz na mente a imagem de Marlon Brando em 'O Selvagem' ao lado de sua moto com pose de 'bad boy'? Ou outra imagem icônica do filme 'Easy Rider' onde vemos três figuras emblemáticas, Peter Fonda, Dennis Hopper e Jack Nicholson em uma viagem de moto que se tornou um clássico da contracultura dos anos 60. A motocicleta é talvez o veículo que mais próximo reproduz a sensação de ter o próprio corpo motorizado. A pilotagem de uma moto exige que o corpo do piloto se adeque aos movimentos do veículo, que formem um objeto único, que haja perfeita interação entre homem e máquina, caso contrário consequências não muito agradáveis podem advir da experiência. Isso talvez explique essa 'paixão' que alguns sentem pelas aventuras em duas rodas.

Figura 01- Imagem dos viajantes, Peter Fonda, Jack Nicholson e Dennis Hopper em suas motocicletas no filme 'Easy rider' que se tornou símbolo da contracultura dos anos 1960. http://4.bp.blogspot.com/

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Nos dias atuais a motocicleta é um dos veículos motorizados mais acessíveis no Brasil. De acordo com dados do DENATRAN, a frota de motocicletas e ciclomotores é cerca de 19 milhões de unidades. No nordeste brasileiro ouvimos depoimentos nos quais pessoas argumentam sobre as vantagens do uso das motos como transporte de passageiros e de pequenas cargas em relação ao tradicional jumento. Em outras regiões, as pessoas nas grandes cidades discutem sobre a necessidade das motocicletas na viabilização de um extenso número de serviços essenciais. Existe, portanto já uma cultura experimental dos jovens estudantes que chegam às nossas escolas no que se refere ao conhecimento do funcionamento das motocicletas. Discute-se sobre as 'cilindradas' das, quantos CV's a moto 'possui' e o número de cilindros. Existem motos com injeção eletrônica de combustível, com tratamento de gases com catalisador, e motos FLEX. Dentro deste contexto achamos conveniente criar um objeto educacional que tivesse nas motocicletas sua principal ferramenta motivacional.

## Para além do Senso comum Pedagógico

Na obra ensino de ciências - Fundamentos e Métodos, obra que vem cada vez sendo mais reconhecida e estudada nos cursos de formação de professores em ciências, os pesquisadores, José A. Angotti, Demétrio Delizoicov e Marta Pernambuco fazem uma abrangente proposição de ensino de ciências no intento de conduzir elementos da pedagogia dialógica de Paulo Freire na direção do ensino das ciências. Os autores apresentam cenas do cotidiano escolar abrangendo aspectos ditático/pedgógicos, filosóficos, sociais e científicos. São ações e métodos que visam à superação do chamado senso comum pedagógico que se fundamenta na prática simplista de tratar o processo ensino/aprendizagem em ciências como uma 'mera transmissão mecânica de informações.'

Este tipo de senso comum está marcadamente presente em atividades como: regrinhas e receituários; classificações taxonômicas; valorização excessiva pela repetição sistemática de definições, funções e

atribuições de sistemas vivos e não vivos; questões pobres para prontas respostas igualmente empobrecidas; uso indiscriminado e acrítico de fórmulas e contas em exercícios reiterados; tabelas e gráficos desarticulados ou pouco contextualizados relativamente aos fenômenos contemplados; experiências cujo único objetivo é a verificação da teoria. (Delizoicov, Demétrio et al 2009)

Este tipo de prática didático/pedagógica, ainda na visão desses autores, favorece e reforça a concepção de uma ciência morta que se caracteriza basicamente pelo distanciamento dos modelos e teorias para compreensão dos fenômenos naturais e daqueles oriundos da ação humana, dos próprios fenômenos os quais estes modelos se propõem explicar.

'Estudar física pra que? Será que esses cientistas não tinham coisas mais interessantes para fazer?' Muitos de nós professores já ouvimos estas perguntas alguma vez no decorrer de nossas vidas na escola. Obviamente que os cientistas, ao realizarem seu trabalho estão motivados por alguns fatores, sejam 'meramente' intelectuais, ou políticos, financeiros, estéticos e tecnológicos. Estão inseridos em ambientes motivadores onde o fazer científico se constitui uma atividade interessante e desafiadora, na qual vale a pena 'gastar' valiosos anos de suas vidas.

Se o ensino de ciências não consegue fazer uma conexão mínima com os interesses e a realidade experimental dos estudantes, a ciência não consegue ser desafiadora nem interessante. Isso não é necessariamente, como quer o senso comum pedagógico, um problema dos alunos 'que não querem nada com o basquete'. A questão é que, para se jogar um bom basquete, entre outras coisas a bola deve passar por todos os jogadores, existe cooperação, motivação e competição. É consenso entre os estudiosos do ensino de ciências e profissionais da formação de professores que não basta ter o domínio do conhecimento técnico de área para ser um professor eficiente. A atividade de ensinar ciências envolve peculiaridades que vão além do domínio de teorias científicas e cálculos matemáticos. Não se trata de apresentar ao aluno uma nova forma de ler o mundo trata-se como diz Bachelard (2005, p. ) mas de 'mudar a cultura experimental do aluno', e isso convenhamos, não se pode fazer com uma mera transmissão de informações por mais bem elaborada que esta seja. Com base nesse ponto de vista, respaldado pela proposta metodológica expressa em (Angoti, Delizoicov, Pernambuco, 2009) dos Três momentos pedagógicos , (ESTUDO DA REALIDADE, ORGANIZAÇÃO DO CONHECIMENTO e APLICAÇÃO DO CONHECIMENTO), desenvolveremos a atividade didática de forma a contribuir para que o estudo de um elemento do cotidiano torne melhor a ligação entre as vivências experimentais dos alunos e os métodos característicos do mundo científico. Partimos de um experimento simples, mas com grande potencial didático, entramos no domínio da tecnologia dos motores, através dos conhecimentos trazidos pelos alunos e culminamos com a proposta de uma formulação científica que permeia todo o processo de construção e funcionamento dos motores de combustão interna. Neste percurso entre o conhecimento do senso comum do aluno até a formulação de um conhecimento científico se expressa a essência dos três momentos pedagógicos e de uma pedagogia crítica.

## Experimento e problematização inicial

A proposta do objeto motivacional não é uma proposta fechada como um receituário. Propomos elementos gerais para um procedimento didático, que pode ser aplicado em diferentes níveis de ensino (fundamental, médio e formação de professores) ou mesmo em cursos profissionalizantes. Como primeira etapa da proposta, sugerimos a realização de um experimento problematizador.

O experimento não tem nem caráter comprobatório nem demonstrativo. Ele visa criar situações problematizadoras que ajudem na aquisição do conhecimento físico sobre os motores de combustão interna. Trabalhamos nesta etapa a partir das explicações iniciais dos alunos sobre o fenômeno- explosões repetidas no tubo plástico - e principalmente com a descrição pormenorizada das etapas em que o fenômeno ocorre.

Experimento: Tubo explosivo

Materiais: 01 tubo usado de vitamina efervescente ou similar (com tampa de pressão/ não rosqueada)

- 01 acendedor (faiscador) de fogão piezoelétrico.

50 ml de álcool combustível ou gasolina

01 conta-gotas.

## Procedimento Experimental

Faz-se um furo no frasco onde o faiscador deve ser acoplado (usar uma cola tipo epóxi para fixação). Com o conta-gotas colocam-se duas ou três gotas do combustível no frasco movimentando-o em seguida para que se espalhe pelas paredes do recipiente. Tampa-se o frasco e espera-se por alguns segundos. Ao fazer 'click' com o faiscador ocorrerá a explosão com o lançamento da tampa. O procedimento é repetido algumas vezes tendo-se o cuidado de não apontar o dispositivo na direção de pessoas ou janelas de vidro, por exemplo.

Figura 02 Desenho esquemático do aparato experimental do 'tubo explosivo'.

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## Procedimento didático

O primeiro passo é pedir aos alunos uma descrição detalhada das possíveis fases do fenômeno com sua explicação para cada fase. Por exemplo, por que é necessário espalhar o combustível nas paredes do frasco, por que deve-se esperar alguns segundos antes de pressionar o faiscador?

Ainda sem referência direta, alguns conceitos vão sendo maturados na descrição pormenorizada da explosão do ar dentro do tubo. Esta etapa pode ser entendida como primeiro momento pedagógico de estudo da realidade.

Conceitos pretendidos que norteiam os questionamentos do professor: tempos e ciclos do motor, expansão térmica dos gases, trabalho realizado na expansão de um gás.

Os estudantes podem observar que depois de algumas explosões o dispositivo apresenta dificuldade de ignição. Por que isso ocorre? O que fazer para corrigir?

Conceitos pretendidos: produtos da combustão. A combustão produz dióxido de carbono e vapor de água.

Outra variável importante no estudo é a quantidade de combustível colocado, ou mesmo a diferença desta quantidade com o uso de álcool ou gasolina. Mais combustível significa necessariamente mais força na explosão? Existe diferença no efeito do experimento com a mudança de combustível?

Conceitos pretendidos; estequiometria da combustão; calor de combustão.

Tecnologias envolvidas: alimentação mecânica de combustíveis (carburador) e alimentação eletrônica; analisadores de gás da combustão. Tecnologia multicombustível (FLEX).

- O tamanho do recipiente e sua influência no efeito do experimento: Esse questionamento pode ser feito na forma de pesquisa experimental propondo-se a construção de um novo dispositivo usando um frasco maior. É importante pensar como esta variação no efeito pode ser avaliada.

Conceitos pretendidos: trabalho realizado na expansão de um gás na sua expressão matemática.

Tecnologias envolvidas: volume total dos cilindros dos motores de combustão interna (cilindrada), relação de compressão.

Como caracterizado no primeiro momento pedagógico, estão agora levantados dados da realidade suficientes para discussão de alguns princípios da termodinâmica. Muitas perguntas ficarão momentaneamente sem resposta para que em uma segunda etapa de análise, das fichas técnicas das motocicletas, sejam agregados mais elementos de estudo.

## Análise das fichas técnicas das motocicletas

Esta segunda etapa visa trazer propriamente o objeto tecnológico para a discussão tentando relacionar os conhecimentos sobre funcionamento dos motores de combustão interna, a explosão no tubo plástico e os conhecimento experimentais dos alunos a respeito das motocicletas. Ainda consideramos esta segunda etapa como um estudo da realidade onde os conceitos físicos não são ainda formalmente apresentados mas suas unidades começam a aparecer nas fichas técnicas. Uma apresentação de animações computacionais onde é mostrado o funcionamento de motores térmicos é conveniente juntamente com a leitura das fichas técnicas das motocicletas. Podemos encontrar animações em sítios como www.keveney.com que

são bastante didáticas ou animações mais realistas produzidas pelos fabricantes de veículos.

Como podemos relacionar a primeira experiência do tubo explosivo e o funcionamento de um motor de combustão interna? Podemos esperar que os alunos façam facilmente esta relação?

Em que a ficha técnica pode ser útil para compreensão do funcionamento e características de cada motor?

Roteiro de estudo das fichas técnicas das motos.

Quadro 01: Dados técnicos fornecidos pelo fabricante de diferentes modelos de motocicletas da marca YAMAHA.

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A seguir apresentamos algumas sugestões de procedimentos, perguntas e comentários para a leitura dirigida da ficha técnica.

- 1. Compare inicialmente as motos (1) e (3): quem tem maior cilindrada e maior potência.
- 2. Peça a atenção dos alunos para a taxa de compressão dos motores e a relação desta com a potência desenvolvida.
- 3. Peça para que eles calculem a cilindrada da moto a partir do item Diâmetro x curso. Esta informação refere-se ao diâmetro de cada cilindro e o curso (deslocamento máximo) do pistão no seu interior.
- 4. Como se justifica um motor de maior cilindrada desenvolver menor potência? Leve em conta o peso da moto, o número de cilindros e o modelo da moto.
- 5. Discuta a relação entre a potência desenvolvida e o número de rotações do motor.
- 6. As motos (2) e (3) desenvolvem torques com valores muito próximos, mas com rotações do motor bem diferentes. Discuta esta informação tendo em mente que a moto (2) é projetada para uso urbano e em estradas pavimentadas, já a moto (3) é projetada principalmente para uso fora de estrada podendo ser usada em trilhas, dunas e estradas não pavimentadas.

- 7. Durante esta análise é necessária a introdução dos conceitos de trabalho e potência, especificamente o trabalho realizado na expansão de um gás confinado. Podemos nos valer dos métodos e ilustrações dos livros didáticos para demonstração da equação W= p.dV. É importante ter a atenção dirigida ∫ para as grandezas Trabalho, potência e Força, nessa análise dos dados dos motores. A potência é uma relação entre Trabalho e tempo (P=W/t), portanto a potência está ligada á taxa de transferência de trabalho pelo veículo. Além disso, se usarmos a relação Potência = Força x velocidade vemos que diferentes modelos de moto podem privilegiar a força em detrimento da velocidade.
- 8. Outras informações adicionais podem ser dadas usando-se a equação do trabalho em função da pressão no interior do cilindro e do seu volume (W= p.dV). Estas não são aplicáveis necessariamente às motos, mas aos ∫ motores de combustão interna em geral. É no caso de termos um motor específico e queremos 'envenená-lo', ou seja, aumentar sua potência a partir de algum artifício ou acessório. Pela equação temos pelo menos três maneiras de aumentar a quantidade de trabalho realizado pelo motor: aumentar a pressão interna no cilindro ou o volume da mistura ar/combustível, o volume interno do próprio cilindro. a) para aumentar a pressão no interior do cilindro pode-se usar uma turbina de pressurização do ar do cilindro; é o conhecido 'turbo'. O uso do turbo por sua vez aumenta a quantidade da mistura ar/combustível no interior do cilindro. b) Pode-se aumentar a taxa de compressão diminuindo-se um pouco o tamanho da tampa do cilindro, conhecida como cabeçote. É o conhecido 'rebaixamento do cabeçote'. c) pode-se também usar 'extensões' dos cilindros, são kits que aumentam o tamanho do cilindro e seus componentes para aumentar a cilindrada da moto. Encontram-se facilmente nas lojas virtuais ofertas de kits para 'transformar' um motor 200cc em 230cc. (kit CRF)

## Considerações finais

- O desenvolvimento das atividades didáticas vai depender dos objetivos traçados pelo professor e pelos alunos. Pelos objetivos das respectivas séries em que a disciplina está sendo desenvolvida e pelos interesses específicos de um curso profissionalizante, por exemplo. Temos aqui os elementos experimentais e vivenciais necessários ao aporte teórico da relação que exprime o trabalho realizado na expansão de um gás. A conhecida demonstração de um cilindro hipotético preenchido por um gás qualquer quer ao ser aquecido desloca um êmbolo de certa distancia dx impulsionado por uma força F realizada pelo gás. Chegamos, portanto a expressão W= p. ∆ V ou W= p.dV em um intervalo determinado. Podemos, portanto ∫ observar diferentes situações de onde há variações de volume (cilindrada), taxa de compressão (pressão do gás) número de cilindros e sua relação com a potência das motos. Chegamos finalmente a uma expressão de validade científica a partir da experimentação e do estudo de elementos do mundo real. Muitos outros aspectos poderiam ainda ser explorados como a questão do rendimento dos motores considerando-se a forma de refrigeração do motor, o número de válvulas em cada

cilindro, a forma de alimentação de combustível e discutir a eficiência das motos monocilíndricas em relação às multicilíndricas. O trabalho é portanto aberto à realidade e as necessidades dos atores no processo ensino/aprendizagem como já foi dito. Em nossas experiências em sala de aula observamos que os alunos demonstram interesse imediato em realizar o experimento. Há dificuldade, por parte dos alunos, em identificar o tempo de compressão da mistura ar/álcool no tubo explosivo. Por outro lado eles associam a explosão à realização de trabalho de forma imediata e o tempo da exaustão fica bem caracterizado quando da observação do cilindro. Para iniciar um novo ciclo alguns alunos chegam a enxugar o interior do cilindro antes de colocar novas gotas de combustível. O conceito de potencia associada a o tamanho do cilindro é facilmente identificável apos o experimento e a introdução ao s modelos de motocicletas e suas respectivas cilindradas. A estequiometria da combustão também é perfeitamente identificável no experimento ainda que qualitativamente, quando pedimos aos alunos que mudem a quantidade de combustível injetado.

A discussão geralmente mais acirrada diz respeito ao fato de motos com maior volume de cilindros desenvolverem menor potencia que outras de menos volume. Geralmente nas aulas não temos dados técnicos suficientes para uma explicação satisfatória de como é feito a 'escolha' entre velocidade ou torque no processo de fabricação, ficando portanto um item para pesquisa posterior.

Neste trabalho não nos valemos resultados quantitativos de rendimento dos alunos após a apresentação desse experimento. Apenas consideramos que as atividades desenvolvidas são claramente elucidativas dos processos físicos envolvidos nos motores e contribuem de forma efetiva para a compreensão dos conceitos de trabalho e potencia exercida por um gás. Em termos de comparação com o formalismo mais comumente usado nos livros didáticos a atividade se mostra bastante promissora.

## Referências

Angotti, J.A. , Delizoicov, D. , Pernambuco M. , Ciências fundamentos e métodos , São Paulo, cortez, 2009.

BACHELARD, G., Epistemologia, Lisboa,Portugal Editora Edições 70, 2006.