AS MARÉS ATMOSFÉRICAS: UMA ABORDAGEM PARA O ENSINO MÉDIO A PARTIR DE UMA ATIVIDADE EXPERIMENTAL INVESTIGATIVA

## UMA ABORDAGEM PARA O ENSINO MÉDIO A PARTIR DE UMA

## AS MARÉS ATMOSFÉRICAS: ATIVIDADE EXPERIMENTAL INVESTIGATIVA

Luiz Raimundo Moreira de Carvalho 1 , Helio Salim de Amorim 2

1

ETE Henrique Lage (RJ), luiz.fisica.prof.etehl@gmail.com

2

IF-UFRJ, hsalim@if.ufrj.br

## Resumo

Apresentamos uma atividade experimental investigativa direcionada para alunos do Ensino Médio sobre as marés atmosféricas, comparando esse fenômeno com as marés oceânicas. Segundo o modelo newtoniano, as oscilações diurnas observadas no nível da água do mar (marés oceânicas) são decorrentes do efeito gravitacional provocado pela Lua e pelo Sol sobre a massa de água da Terra. Por outro lado, é um fato bem conhecido da meteorologia que a pressão atmosférica sofre uma leve variação diurna periódica (marés atmosféricas), um efeito fundamentalmente de origem térmica devido ao aquecimento da atmosfera produzido pela radiação solar. Para a detecção das oscilações barométricas, o professor de Física e seus alunos podem fazer uso da placa Arduino com sensores de pressão barométrica e temperatura. A proposta de uma atividade experimental investigativa sobre o tema das marés atmosféricas encontra-se disponível em um roteiro didático no qual procuramos estabelecer similaridades e destacar diferenças entre o fenômeno das marés atmosféricas e o fenômeno das marés oceânicas.

Palavras-chave : marés atmosféricas, Arduino, experimento investigativo.

## Experimento investigativo

De acordo com os PCN+ [BRASIL 2007, p. 84], 'é indispensável que a experimentação esteja sempre presente ao longo de todo o processo de desenvolvimento das competências em Física, privilegiando-se o fazer, manusear, operar, agir em diferentes formas e níveis'. As oportunidades que as atuais tecnologias de medição oferecem devem ser usufruídas por estudantes e professores do Ensino Médio, notadamente as tecnologias de automação dos experimentos, que permitem a execução de investigações em tempo real e possibilitam a investigação de fenômenos que envolvem grande número de variáveis ou que acontecem muito rapidamente para serem observados por meios convencionais [BORGES 2002].

Segundo as Orientações Curriculares para o Ensino Médio [BRASIL 2006, p. 45], '(...) há um aspecto para o qual os professores devem se voltar com especial atenção, relacionado com a característica fundamental da ciência: a sua dimensão investigativa , dificilmente trabalhada na escola (...)'. Uma metodologia de ensino por investigação deve buscar o exercício de uma postura investigativa, que ocorre com a imersão do estudante em um ambiente teórico-experimental no qual ele possa formular, articular, descartar ou reformular conceitos ou ideias ligadas à ciência.

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26 a 30 de janeiro de 2015

## Uma proposta de atividade experimental investigativa

O roteiro didático Variações diurnas na pressão atmosférica: um estudo investigativo baseado na utilização da placa Arduino (Figura 1), disponível na página 1 do Mestrado Profissional em Ensino de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro, apresenta uma proposta para alunos do Ensino Médio desenvolverem uma atividade experimental investigativa sobre as marés atmosféricas e oceânicas.

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Figura 1: Fragmentos do roteiro didático

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As investigações sobre a oscilação da pressão atmosférica ('marés atmosféricas') requerem um grande número de medidas da pressão. Entretanto, medições com o uso de um barômetro de mercúrio são especialmente complicadas, pois demandam uma dedicação à coleta de dados da qual estudantes e professores do Ensino Médio certamente não dispõem. Com o uso de um sensor de pressão e temperatura acoplado à placa Arduino, cerca de 10 medidas podem ser obtidas em 4 apenas uma semana. O conjunto é compacto e, com a programação adequada da placa Arduino [CARVALHO 2014, p. 160-164], opera de forma independente da conexão entre o Arduino e um computador, sendo alimentado por uma fonte de 9V (Figura 2). Os componentes são versáteis e apresentam pequenas dimensões (Figura 3); dentre eles contamos com um data logging shield que possibilita o armazenamento, em um cartão de memória, das medidas efetuadas pelo sensor.

Figura 2: Arduino Uno + data logging shield + sensor BMP085 + cartão SD + fonte 9V

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Figura 3: Dimensões dos componentes (Arduino Uno, shield, sensor BMP085)

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## As marés atmosféricas

Newton concebeu que as mesmas ideias que implicam o efeito de maré nos oceanos deveriam produzir também um efeito similar na atmosfera, mas concluiu que o efeito atmosférico seria muito mais difícil de observar. Como a atmosfera não tem uma superfície limítrofe bem definida, como é o caso dos oceanos, o efeito teria que ser observado indiretamente. Um dos parâmetros que pode se mostrar sensível a variações da 'espessura' da atmosfera é a pressão. Nesse caso, o efeito seria observado como uma leve oscilação diurna da pressão atmosférica, que poderia ser entendida como decorrente de uma espécie de 'alteração no nível do ar da atmosfera'.

O gráfico da Figura 4 mostra as oscilações de pressão registradas na cidade de Niterói/RJ no período compreendido entre os dias 11/09/2013 e 14/09/2013, enquanto que o gráfico da Figura 5 fornece os registros da pressão barométrica em Teresópolis/RJ no mesmo período. Por estar localizada ao nível do mar, Niterói apresenta uma pressão atmosférica média de aproximadamente 1 atm (101.325 Pa), ao passo que em Teresópolis a pressão média é menor do que uma atmosfera em virtude da elevação (altitude) da cidade, cerca de 900m acima do nível do mar. Para facilitar a comparação entre as oscilações registradas nos dois gráficos, as curvas de pressão foram superpostas, e para tanto a escala de pressão do eixo das ordenadas foi suprimida no gráfico da Figura 6. O mais notável é que observamos uma sincronia nas variações diurnas da pressão atmosférica, apesar do valor absoluto da pressão ser diferente nas duas localidades. Essa coincidência ocorre por causa da proximidade entre os dois locais de medição. No caso, a distância era de apenas 57km.

Figura 4: Pressão atmosférica: 11 a 14/set/2013 - Niterói / RJ

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Figura 5: Pressão atmosférica: 11 a 14/set/2013 - Teresópolis / RJ

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Figura 6: Oscilações na pressão atmosférica: Niterói e Teresópolis

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O experimento aqui proposto foi implementado e seus resultados foram analisados com a participação de estudantes da Escola Técnica Estadual Henrique Lage (Niterói/RJ). Dentre os diversos relatos registrados das impressões dos estudantes sobre a atividade experimental, destacamos quatro: 1º) 'Estou gostando do projeto porque com a placa Arduino conseguimos medir a temperatura e a pressão de uma forma prática, rápida e precisa. Com esse projeto, as aulas ficam mais dinâmicas também.' - aluno 2331-23, 18 anos; 2º) 'Estou aprendendo com mais facilidade. O experimento e os gráficos servem para introduzir o pensamento de que há variação. A leitura e estudo [ do roteiro didático ] explicam o porquê dessa variação e as discussões concluem o pensamento.' - aluno 2431-19, 17 anos; 3º) 'Nos gráficos temos dados reais com experimentos feitos com os alunos.' - aluno 1232-08, 18 anos; 4º) 'Gostei da linguagem utilizada [ no roteiro didático ], porque o autor conversa como se estivesse ao vivo comigo, e dá para entender o que se explica.' - aluna 2431-13, 18 anos.

Estaríamos tentados a identificar o efeito observado nos gráficos de pressão com o mesmo fenômeno gravitacional que provoca as marés oceânicas. Mas, como sabemos hoje, tal efeito não pode ser explicado simplesmente em função da ação gravitacional. Ele é na realidade decorrente principalmente da ação da radiação solar sobre a atmosfera terrestre. A ação gravitacional (lunar e solar) está presente, mas é muito menor do que a ação térmica do Sol.

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O período das oscilações barométricas pode ser obtido a partir da ocorrência dos máximos (ou dos mínimos) de pressão registrados. O gráfico da Figura 7 expõe a ocorrência das oito 'marés barométricas altas' (picos de pressão) registradas nas cidades de Niterói e de Teresópolis ao longo do período compreendido entre 11 e 14/09/2013.

Figura 7: Ocorrência da maré barométrica alta em Niterói e Teresópolis (11 a 14/set/2013)

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Os pontos do gráfico se distribuem linearmente e o ajuste, tomando por base os dados de Teresópolis, fornece um período de 11h55(4)min entre dois picos de pressão consecutivos. O resultado obtido sugere um padrão de 23h50(8)min para as marés atmosféricas. Esse padrão não coincide com o dia lunar (24h51min). Na realidade, parece coincidir com o dia solar (24h). Portanto, concluímos que as marés atmosféricas não são regidas pela Lua por um efeito gravitacional, mas têm relação com o Sol pois são um efeito de origem térmica. Esse fato pode ser corroborado através de uma análise da temperatura ambiente, cujas oscilações podem ser observadas no gráfico da Figura 8.

Figura 8: Oscilações na temperatura ambiente: Niterói e Teresópolis

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Assim como os máximos de pressão, os máximos de temperatura também se distribuem linearmente ao longo do tempo e o ajuste das retas proporciona um período de 24,2(4)h entre máximos consecutivos da temperatura em Niterói e de 23,4(4)h em Teresópolis. Esses intervalos de tempo, que de certa forma representam o dia solar (24h), efetivamente sugerem que o Sol (e não a Lua) rege as variações diurnas na pressão e temperatura atmosféricas, e que estas são decorrentes da ação da radiação térmica solar sobre a atmosfera terrestre. Sendo assim, a gravidade não chega a se constituir como uma causa para as marés atmosféricas da forma como esse fenômeno é observado.

## As marés oceânicas e a Teoria da Gravitação

O modelo gravitacional do fenômeno das marés oceânicas foi apresentado e discutido originalmente por Isaac Newton (1642-1727) em seu Principia Mathematica . As marés são uma consequência de forças gravitacionais exercidas pela Lua e pelo Sol em consonância com as leis da Mecânica. Sabemos que a Lua exerce uma influência bem mais importante que o Sol, principalmente em razão da distância Terra-Lua em comparação com a distância Terra-Sol. A diferença entre essas distâncias faz com que a força gravitacional da Lua sobre a massa de água da Terra seja maior do que a força gravitacional do Sol. Esta e várias outras propriedades importantes foram explicadas pelo modelo newtoniano, incluindo a ocorrência da segunda maré alta quando a Lua está no meridiano oposto.

Uma explicação simplificada sobre o fenômeno das marés oceânicas pode ser obtida considerando-se, primeiramente, somente o efeito gravitacional da Lua (e também o da própria Terra) sobre a água. Para facilitar a compreensão do modelo, pressupõe-se a superfície da Terra completamente coberta de água, como sugere a Figura 9 (fora de escala).

Figura 9: Modelo simplificado para explicar as marés oceânicas

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Aplicando-se a Mecânica newtoniana ao modelo simplificado representado na Figura 9, concluímos que a força das marés (força gravitacional da Lua responsável por produzir as marés oceânicas) medida no referencial não inercial xyz

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(fora de escala) apresenta a força das marés sobre diferentes pontos da superfície da Terra.

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Figura 10: Força das marés

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Sabemos que uma abordagem sobre as marés oceânicas, via dinâmica newtoniana, não é adequada para alunos do Ensino Médio, dada a complexidade do problema. Os resultados obtidos e, principalmente, a forma como chegamos a esses resultados (mesmo considerando apenas o caso do modelo mais simplificado) envolvem desenvolvimentos matemáticos que em geral são considerados muito complicados para os alunos do Ensino Médio.

## Uma análise das marés oceânicas a partir dos dados de maré

Para evitar um tratamento baseado na dinâmica newtoniana de referenciais não-inerciais, sugerimos e apresentamos como solução uma análise dos dados de maré. A obtenção de dados sobre as marés oceânicas pode ser feita através do Banco Nacional de Dados Oceanográficos (bndo@chm.mar.mil.br) do Centro de Hidrografia da Marinha do Brasil. Através do BNDO podemos obter dados de maré de diferentes estações maregráficas. O gráfico da Figura 11 mostra as oscilações no nível da água do mar conforme os registros realizados pela estação maregráfica da Ilha Fiscal, localizada na Baía da Guanabara, Rio de Janeiro/RJ, considerando o período compreendido entre os dias 01/09/2013 e 09/09/2013.

Figura 11: Medidas de maré: 1º a 09/set/2013 - Ilha Fiscal / RJ

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A partir da determinação dos instantes em que ocorre cada máximo (ou mínimo), é possível encontrar o período das oscilações das marés. Como os máximos ocorrem linearmente ao longo do tempo, o período das oscilações do nível

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da água do mar pode ser determinado através do ajuste via método dos mínimos quadrados, que fornece um período de 12h23(1)min entre duas marés altas consecutivas. Sendo assim, concluímos que o intervalo de tempo entre duas marés altas de mesma natureza (sublunar ou antipodal) corresponde ao dobro do período obtido, isto é, 24h47(2)min. Entretanto, o intervalo de tempo de 24h47min não se aproxima do período de um dia solar (24h). Na realidade, esse intervalo de tempo corresponde ao dia lunar, cuja duração aproximada é 24h51min. O resultado experimental de aproximadamente 24h47min, obtido a partir dos dados de maré fornecidos pelo BNDO, permite concluir que as marés oceânicas são regidas pela Lua. Com essa abordagem, os estudantes evitam as dificuldades inevitavelmente produzidas pela mecânica newtoniana de referenciais não-inerciais.

Sobre esse momento do trabalho didático experimental investigativo, em que analisamos não apenas as marés oceânicas mas procuramos também compará-las com as marés atmosféricas, destacamos três relatos dos estudantes da Escola Técnica Estadual Henrique Lage (Niterói/RJ): 1º) 'Os gráficos mostram as medidas reais e nos deram uma percepção mais realista [ dos fenômenos ].' - aluna 2431-12, 17 anos; 2º) 'Consegui compreender o motivo das linhas dos gráficos oscilarem tanto. (...) Sempre tive curiosidade em saber isso. Principalmente das marés oceânicas, que em um dia estão altas e no outro, baixas.' - aluno 2331-23, 18 anos; 3º) 'Os gráficos despertaram a curiosidade sobre o motivo das variações de temperatura, de maré e de pressão. Mas eu fui aprender mesmo nas discussões em aula.' - aluno 2431-19, 17 anos.

## Considerações finais

Esperamos que a aplicação desta atividade em outras escolas possibilite: 1º) Uma aprendizagem mais significativa de conceitos físicos; 2º) Maior participação, envolvimento e interesse dos estudantes nas aulas de Física; 3º) O desenvolvimento de uma postura investigativa por parte do estudante. O uso do roteiro didático e da montagem experimental com a placa Arduino, o sensor e o data logging shield também possibilita o intercâmbio de dados e informações obtidas por alunos e professores de diferentes instituições de ensino de nível médio ou superior.

## Referências

BORGES, A. Tarciso. Novos rumos para o laboratório escolar de Ciências . Caderno Brasileiro de Ensino de Física, vol. 19, n. 3, p. 291-313, dez/02.

BRASIL, Ministério da Educação. Orientações Curriculares para o Ensino Médio - OCEM: Volume 2 . 2006.

BRASIL, Ministério da Educação. Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN+ . 2007.

CARVALHO, Luiz Raimundo Moreira de. Variações diurnas na pressão atmosférica: um estudo investigativo baseado na utilização da placa Arduino . Rio de Janeiro: UFRJ, 2014. 234 p. Dissertação (Mestrado em Ensino de Física) Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2014.

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