ENSINANDO FÍSICA COM FOGUETES DE ÁGUA E UTILIZANDO TECNOLOGIAS COMPUTACIONAIS ATRAVÉS DE UMA PROPOSTA MULTIDISCIPLINAR

## ENSINANDO FÍSICA COM FOGUETES DE ÁGUA E UTILIZANDO TECNOLOGIAS COMPUTACIONAIS ATRAVÉS DE UMA PROPOSTA MULTIDISCIPLINAR

Victor Sardinha Bexiga 1 Gentil César Bruscato 2 Luiz Carlos Gomes 3 Eliane Cappelletto 4

- 1 Polo FURG da SBF e Colégio Militar de Porto Alegre. e-mail: victorbexiga@bol.com.br
- 2 Professor do Colégio Militar de Porto Alegre. e-mail: gentil.bruscato@ufrgs.br
- 3 Professor do Colégio Militar de Porto Alegre. e-mail:luizcarlosg@gmail.com
- 4 Professora da Universidade Federal de Rio Grande. e-mail: dfscapp@furg.br

Resumo: A proposta deste artigo é discutir as possibilidades de se estudar Física de maneira lúdica e multidisciplinar através da atividade prática do lançamento de foguetes confeccionados com garrafas de PET recicladas utilizando como elemento propulsor água e ar comprimido. A realização desta atividade mostrou-se uma eficiente ferramenta para analisar e discutir assuntos relacionados à Cinemática, especialmente os movimentos retilíneo uniforme e uniformemente variado, bem como o lançamento oblíquo. A atividade ainda possibilita a multidisciplinaridade com a matemática, especificamente no estudo de funções e construção de gráficos, como também a utilização de recursos computacionais, através da construção de tabelas e gráficos com softwares próprios para o tratamento de dados como o Libre Office Calc, e programas livres como o Tracker, específico para análise de vídeos com tratamento matemático. O trabalho se articula no conceito da interação social de Lev Vygotsky e de aprendizagem significante centrada no aluno de Carl Rogers. Por fim, como forma de sugestão, vários desdobramentos são citados destacando as possibilidades multidisciplinares, em especial com as disciplinas de Geografia, História e Filosofia da Ciência, articulados na importância do desenvolvimento científico e tecnológico, na corrida espacial e tecnológica promovida no pós- guerra e no mundo bi polarizado e, por fim, as modificações epistemológicas na concepção do fazer ciência..

Palavras-Chave: Multidisciplinaridade, Física, Tecnologias Computacionais

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## 1. Introdução

O cenário moderno possibilitou uma irreversível inclusão digital que mudou definitivamente as relações humanas, entre elas, a tradicional relação professor - aluno. Poderosas ferramentas de pesquisas, aliadas a jogos cada vez mais realistas e interativos, além de redes sociais constroem um mundo completamente novo, onde os ditos 'nativos digitais' povoam com agilidade e eficiência cada espaço a eles destinado. Nesta realidade relativamente nova, o Brasil possui atualmente a 4ª maior população do mundo destes 'nativos digitais' , jovens de diversas idades que estão 5 matriculados nos diferentes níveis de ensino das escolas de nosso país.

Apesar de promissor, este novo mundo exige que os professores desenvolvam técnicas mais eficazes e atuais para conquistar a atenção do aluno frente a toda esta interatividade que estão acostumados. Promover uma aprendizagem significativa torna-se um desafio. Não menos desafiador é trazer para a realidade 'imperfeita' e 'analógica' este habitante do mundo virtual, possibilitando uma comunicação direta entre pessoas e a plena vivência da interação pessoal.

Neste contexto, o presente artigo traz uma proposta de se ensinar Física através do lançamento de foguetes de garrafa PET. A sugestão deste trabalho é explorar o desenvolvimento de uma atividade prática, lúdica e multidisciplinar, criando um ambiente onde seja possível uma aprendizagem significativa, utilizando as novas tecnologias disponíveis e também valorizando a interação social direta entre aluno - aluno e aluno - professor. A atividade também permite examinar o método científico através da obtenção e análise de dados, previsão de resultados, bem como a discussão de questões sociais relevantes vinculadas ao desenvolvimento tecnológico.

Primeiramente explicita-se o referencial teórico utilizado em que se articula com as concepções de interação social de Lev Vygotsky(1984) e de aprendizagem significante de Carl Rogers(1973). Em seguida são feitas breves considerações sobre a preparação e a montagem de todo o aparato necessário para o lançamento de foguetes de água. Num terceiro momento explica-se o funcionamento do dispositivo, explorando várias possibilidades de se discutir aspectos físicos e matemáticos relacionados a esta atividade.

No que tange ao desenvolvimento das habilidades e competências em Ciências da Natureza (em especial relacionados à Física), os estudantes trabalham na aquisição de dados dos lançamento realizados e propõem inferências a respeito de aspectos físicos relacionados à cinemática, em especial o movimento em duas dimensões e, mais importante, permite confrontar os resultados de uma experiência prática com uma previsão teórica.

Outro relevante aspecto que o trabalho traz à discussão é a utilização de softwares livres para análise de trajetória dos projéteis, incluindo altura máxima, distância percorrida, velocidade e aceleração, possibilitando a observação e análise de outros aspectos físicos normalmente desprezados nos problemas físicos tradicionais, tais como resistência do ar, por exemplo.

Por fim, discute-se a possibilidade do desenvolvimento de atividades multidisciplinares, com foco no contexto histórico e em aspectos relacionados ao desenvolvimento científico, inclusive a análise de aspectos de história da ciência, sua evolução e suas relações com geopolítica, domínio de tecnologia e desenvolvimento econômico.

## 2. Referencial Teórico

As relações humanas modificaram-se de maneira considerável com o desenvolvimento e a democratização das redes de comunicação virtual. As máquinas, que antes auxiliavam na concretização de processamento de dados, tornaram-se ferramentas de entretenimento, relacionamento e aprendizagem. No entanto, nos bastidores deste moderno e completo artefato, construímos um mundo perfeccionista, estético, transformando pessoas em vitrines, enfraquecendo o relacionamento interpessoal. O conhecimento disponibilizado pelos sites de busca é desprovido de qualquer tipo de crivo ou confirmação. As pessoas compartilham aquilo que consideram adequado, através de um processo de seleção próprio, criando imagens de si mesmas e se alinhando a um novo senso comum, rápido e implacável. Em meio a toda sorte de informações, encontramos o típico aluno do século XXI, bombardeado de estímulos virtuais e cercado de uma improdutiva interatividade. Nas palavras de Rüdiger (2004, p. 51):

A modernidade surge com a ruptura dos princípios de vinculação e a promoção de um individualismo em cuja base se afirma o conceito de sociedade. Agora, o movimento histórico se encarrega de projetar esse indivíduo num processo de fragmentação social e desintegração interior que, pouco a pouco, vai tornando difícil sustentar esse conceito.

Segundo Vygotsky(1984), o conhecimento humano se desenvolve a partir de relações sociais no decorrer da vida. Nesta perspectiva, o processo ensino-aprendizagem também se desenvolve tendo a sala de aula como um ambiente favorável para o êxito desta relação. Dentro de uma lógica direta, se considerar as relações interpessoais superficiais promovidas por um ambiente virtual, percebe-se um grande desafio na promoção de uma aprendizagem significante.

Vygotsky(1984) também enfatiza a característica construtivista do conhecimento humano, sendo necessário, durante o processo de ensinoaprendizagem, o desenvolvimento das potencialidades de cada indivíduo. Estas potencialidades, em contato com pessoas mais experientes e dentro de um quadro histórico-cultural, ativarão esquemas processuais cognitivos ou comportamentais possibilitando a reconstrução de novos conceitos e o desenvolvimento de mais potencialidades dentro de um ambiente ideal, chamado por Vygotsky de zona de desenvolvimento proximal(ZDP). A partir deste momento, com o aprendiz se apropriando de novos conceitos, a escola poderá promover a construção do ser psicológico e racional, capaz de interpretar as modificações decorrentes deste 'novo mundo', que na verdade é o mesmo, visto a partir de uma ótica mais refinada de conceitos e potencialidades. Só então esta pessoa dotada de um saber crítico estará apta a desfrutar e criticar a comunidade virtual a qual esta vinculada.

Outro direcionamento pedagógico pertinente para este trabalho é a necessidade de se produzir estímulos capazes de agregar os nativos digitais

para novas experiências capazes de despertar pensamentos e ações mais instigantes do que os encontrados no fascinante e plástico mundo virtual. De acordo com Carl Rogers(1973), o indivíduo é o grande centro do processo ensino-aprendizagem, cabendo, portanto, ao educador, construir pontes interativas capazes de promover uma relação de confiança que proverá os subsídios para se superar possíveis obstáculos para o processo de aprendizagem. Dentro desta analogia, o professor facilitador alimenta o aluno com os interesses necessários ao desenvolvimento das habilidades inerentes a uma formação cidadã, e este aluno se desenvolve criando responsabilidade por sua própria aprendizagem. Outro aspecto da pedagogia de Rogers relevante para este trabalho é a busca pela aprendizagem significante disponibilizada ao aluno, que, dentro de suas necessidades e curiosidades encontrará um ainda maior para formular seus conceitos, construindo seus códigos próprios e consistentes, cabendo ao professor alinhar este código ao pensamento científico vigente.

## 3. Metodologia

A proposta deste artigo é propor uma atividade que possibilite um ambiente propício para a aprendizagem significativa através de apresentações, montagem, lançamento e medições referentes ao movimento descrito por foguetes que utilizem como propulsores água e ar comprimido. Propõe também a utilização de Tecnologias Computacionais através de softwares livres como o Calc e o Tracker para análise de trajetórias, previsões e elaboração de gráficos. Por fim, aborda as possibilidades de discussões multidisciplinares atingindo plenamente o discente, favorecendo o desenvolvimento de diversas habilidades e competências.

## 3.1 Montagem

Foguetes de água são aparatos que podem ser facilmente montados utilizando-se materiais de baixo custo ou recicláveis. Neste artigo sugere-se um modelo baseado na MOBFOG - OBA (Mostra Brasileira d Foguetes Olimpíada Brasileira de Astronomia), onde mostra a utilização de garrafas de PET que, após uma breve adaptação que inclui o acoplamento de aletas de papelão ou filme fotográfico, terá uma aerodinâmica que permitirá uma diminuição dos efeitos aerodinâmicos descrevendo um movimento próximo dos modelos retilíneo e retilíneo uniformemente variado. As adaptações atenuam os efeitos de resistência do ar, possibilitando uma aproximação melhor da situação ideal em que a força resultante sobre o projétil após o lançamento seja somente o peso. O movimento do foguete se faz pela liberação de água pressurizada presente no interior da garrafa PET. O aumento da pressão interna da garrafa-foguete se dá através do bombeamento de ar para seu interior, por meio de uma bomba de encher pneu de bicicleta com manômetro. O foguete é fixado em uma base de montagem constituída de canos de pvc onde é permitido um ajuste do ângulo de lançamento. A fixação do foguete à base de lançamento será feita de modo a não permitir que o dispositivo alivie sua pressão interna antes do

momento adequado. A Figura 1 ilustra esta montagem. A próxima seção explica cada uma das partes. Maiores detalhes podem ser acessados no site oficial da OBA . 6

Figura 1 - Estrutura básica de montagem e lançamento de foguete de água.

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## 3.2 Funcionamentos do foguete

Uma garrafa PET (1) servirá de tanque de propulsão no qual será 7 colocado o líquido propulsor (água). Esta garrafa será fixada na base de lançamento (3) e travada por um sistema mecânico (6). A base pode ser confeccionada com tubos de PVC de baixo custo, assim como o sistema mecânico pode ser elaborado com luva de encanamento em conjunto com lacres de plástico (detalhes desta montagem podem ser encontrados no site da MOBFOG ). Percebe-se que foram adicionados à garrafa PET alguns 8 elementos aerodinâmicos (2), aletas e ponteira, para manter estável a trajetória do projétil. Após ser adicionada a 'água-combustível' ao interior do 'foguete', aumenta-se a pressão interna da garrafa pelo bombeamento de ar (5), o que pode ser feito com uma bomba comum de enchimento de pneus de bicicleta. Sugere-se que a bomba em questão possua manômetro para possibilitar análises baseadas na pressão interna atingida pelo artefato, bem como evitar que esta ultrapasse um valor pré-determinado e venha a colocar em risco os participantes da atividade. Por razões de segurança, acoplada a este dispositivo encontra-se uma mangueira plástica visando aumentar a distância dos participantes da atividade do foguete, que é uma verdadeira bomba de pressão. Após o sistema atingir a pressão interna necessária para a propulsão, pode ser liberado agindo-se sobre a trava (6). Ao liberar a trava, a água será ejetada para fora da garrafa-tanque (1) propelindo o foguete.

## 4. Princípios Físicos

Sabe-se que, pela primeira lei de Newton, para toda força de ação de um corpo A sobre um corpo B existe uma reação de mesma intensidade, direção e sentido oposto, atuando no corpo A. Logo, seguindo este princípio, a força de ação que o foguete aplica sobre cada partícula d'água através de sua elevada pressão interna possui mesma intensidade, direção e sentido oposto a que a força que a água aplica ao foguete. O aumento de pressão é feito pelo bombeamento de ar efetuado com a bomba de bicicleta. No momento em que o foguete é liberado de sua base, a água é expelida pelo gargalo da garrafa 'tanque', sendo acelerada para fora da garrafa, adquirindo velocidade de saída. Esta velocidade pode ser estimada com razoável aproximação utilizando-se a equação de Bernoulli. Considerando a garrafa PET com água como um sistema, temos, pelo princípio da conservação do momento linear, que o momento linear inicial é igual ao momento linear final:

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Como o sistema está em repouso antes do lançamento, a quantidade de movimento inicial é nula. Percebemos, assim, que a quantidade de movimento carregada por cada partícula d'água é a mesma transferida para a garrafa-tanque. Infinitesimalmente, cada partícula de água é responsável por um pequeno incremento na velocidade da garrafa-tanque, que se deslocará no sentido contrário ao da água.

## 5. Trabalhando com Cinemática lançando foguetes

Uma das principais motivações deste artigo é a possibilidade de estudar os movimentos retilíneos e retilíneos uniformemente variados de maneira lúdica, didática e prática. Para tal faremos alguns lançamentos mantendo o ângulo de inclinação da base em relação ao chão fixo. As previsões podem ser feitas aproximando-se o lançamento do foguete de água ao modelo do lançamento oblíquo de projéteis. A partir de uma velocidade considera-se que o movimento é retilíneo uniformemente acelerado no eixo vertical (sob a ação da força peso) e movimento retilíneo e uniforme no eixo horizontal (sem a ação de forças horizontais).

Sugere-se que o modelo a ser adotado para estimar estes dados despreza possíveis efeitos dissipativos uma vez que esta atividade tem como objetivo principal o estudo didático dos movimentos de projéteis, logo força de arrasto e determinação do coeficiente de resistência aerodinâmica poderão ser explorados em atividades futuras. As estimativas serão feitas a partir da medida do tempo de vôo de cada lançamento e da utilização das equações do movimento. Neste momento é essencial que todas as previsões sejam devidamente anotadas para serem analisadas em conjunto com os valores determinados através da análise do vídeo através de um software próprio, que no caso sugerimos o Tracker.

## 6. Utilização de softwares livres para análise da trajetória do foguete

Atualmente boa parte dos alunos de ensino médio possui contato frequente com a informática. Seja via redes sociais, e-mails , sites de pesquisa ou até mesmo jogos eletrônicos, cada vez mais o computador faz parte da vida do jovem, em especial, o brasileiro. No entanto, todo este contato com tecnologias computacionais não garante o pleno desenvolvimento de habilidades e competências direcionadas a um útil emprego desta poderosa ferramenta. Pensando nisto, o presente trabalho sugere a apresentação aos discentes do computador como uma ferramenta de análise científica. Surge como uma excelente alternativa o software ' Tracker'. Trata-se de software livre do grupo NSDL (National Science Digital Library) voltado para a divulgação científica. Este grupo desenvolveu um conjunto de programas didáticos voltados para educação científica e tecnológica denominado OPS (Open Source Physics).

Este software torna simples e prático o desenvolvimento de uma análise cinemática a partir de demarcações, estabelecimento de vetores e obtenção do tempo em um evento filmado. Para esta análise sugerimos que a filmagem seja realizada por qualquer máquina digital de razoável resolução (acima de 1Mpx) num plano perpendicular ao plano no qual o projétil irá se movimentar. Ao lado da base de lançamento é necessário o estabelecimento de um ou mais objetos de referência onde se conheça sua altura e largura. O Tracker disponibiliza a contagem de pixels através de uma fita virtual. A figura abaixo ilustra esta condição:

Figura 2 - Tela do Tracker com a determinação de objetos de referência

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Perceba que no eixo horizontal esta sendo utilizado como objeto de referência um banco, enquanto que no eixo vertical, uma pessoa. Os números se referem à quantos milhares de pixels (x10 ) corresponde cada 3 linha de referência. Conhecendo a altura da pessoa e o comprimento do banco pode-se analisar o movimento de projétil tomando seus deslocamentos em pixel e fazendo facilmente a conversão para metros com considerável aproximação. À direita podemos perceber a colocação de um eixo cartesiano sobre o vídeo. O programa permite que durante cada frame do vídeo seja demarcada a posição do projétil bastando um simples comando. Perceba a direita do vídeo a colocação de um eixo cartesiano

sobe a imagem gravada. As posições do projétil em relação ao tempo outrora demarcados terão como referência este eixo apresentando as posições medidas em pixel tendo este como a origem do sistema de coordenadas. Estas medições poderão ser posteriormente utilizadas em programas específicos de tratamento de dados matemáticos.

O programa Tracker ainda permite a análise do comportamento das diversas grandezas físicas envolvidas através de gráficos construídos a partir de posições demarcadas previamente como mostra a figura abaixo:

Figura 3 - Marcações colocadas no vídeo previamente gravado através do programa Tracker durante a análise da trajetória de um projétil

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## 7. Confrontando medidas experimentais, previsões teóricas e análises gráficas

Um dos momentos mais significativos proporcionado pela análise do lançamento dos foguetes de água é a confrontação das previsões teóricas com os dados obtidos na prática. A partir do tempo de lançamento e da análise cinemática se fazem estimativas para o alcance horizontal e vertical do projétil. Para alunos que estejam num grau de desenvolvimento cognitivo mais elevado pode-se começar estas previsões com os valores da massa de água adicionada ao foguete e com os cálculos envolvendo a equação de Bernoulli. Sugere-se para este trabalho um questionário de apoio, instigando o aluno a responder questões associadas ao formalismo matemático e físico, bem como uma preparação para responder sobre as discrepâncias encontradas em relação ao modelo adotado e o obtido pela tomada de medidas. Cabe neste momento uma intervenção com análise dos fatores que podem influenciar nos resultados e que foram desconsiderados (forças dissipativas diversas).

## 8. Desdobramentos Multidisciplinares

Tão importante quanto a atividade de lançamento de foguetes e sua análise física é trabalhar a associação existente entre desenvolvimento tecnológico, ciência e fazer ciência, poder econômico e controle geopolítico.

De acordo com a Pedagogia Libertadora de Paulo Freire, é possível propor uma educação crítica a serviço da transformação social. Segundo Saviani (1980), o professor deve mediar o aluno através da prática escolar para deixá-lo apto a interferir e transformar a sociedade da qual faz parte. Para tal, sugerimos a seguir alguns tópicos para serem trazidos à discussão, favorecendo uma compreensão mais ampla do mundo, capazes de despertar uma postura crítica nos discentes, reflexões e até mesmo possíveis inclinações vocacionais para as áreas do conhecimento ligadas a ciência.

Neste contexto citamos o possível emprego desta atividade com a disciplina de História da Ciência, desdobrando o assunto em conjunto com o estudo da história do pós guerra, guerra fria e corrida espacial. Esta discussão possibilita ao discente a compreensão do mundo moderno.

Outra discussão interessante é a relação da influência geopolítica e econômica com o controle tecnológico que as nações desenvolvidas desempenham. Neste momento é bom ressaltar a importância das ciências exatas utilizando esta atividade para difundir a necessidade que nosso país enfrenta para conseguir pessoas para esta importante área.

Por último, destacamos a importância de abordar temas relacionados ao desenvolvimento do fazer ciência, enfatizando que toda a construção humana esta baseada em modelos. A atividade poderia ainda se desdobrar num desafio aos discentes para a construção de um modelo que aproxime as medidas dos lançamentos realizados com a finalidade de considerar as forças dissipativas.

## 9. Considerações finais

Verificou-se, através desta investigação, que é perfeitamente exequível trabalhar diversos tópicos de Física de maneira multidisciplinar e lúdica, através do lançamento de foguetes de água confeccionados com materiais de baixo custo. Salienta-se que a prática descrita nesta obra já foi executada junto ao Colégio Militar de Porto Alegre no ano de 2013, com vários dos desdobramentos possíveis.

Os modelos apresentados são apenas uma sugestão de trabalho. O lançamento de foguetes confeccionados a partir de garrafas PET possibilita trabalhar diversos outros tópicos, como a hidrodinâmica, conservação do momento linear, entre outros. Este artigo contemplou apenas o estudo dos movimentos retilíneo e retilíneo uniformemente variado e a utilização de Tecnologias Computacionais.

Ao longo da prática observou-se um intenso envolvimento dos discentes, que fizeram várias perguntas relacionando seus conhecimentos prévios com os conhecimentos socializados de maneira não arbitrária, denotando as características de um ambiente adequado ao desenvolvimento da aprendizagem significativa, observados. Em trabalhos posteriores pode-

mbém desenvolver debates e, desta forma, evidenciar o pensamento crítico, bem como a compreensão da dinâmica da história do desenvolvimento tecnológico no período da Guerra Fria.

## 11. Referências

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