Proposta de uma UEPS para o ensino do ultrassom no ensino médio

## Proposta de uma UEPS para o ensino do ultrassom no ensino médio

## Helcio Mezzetti de Souza 1 , Marcelo Oliveira da Costa Pires 2

1 Escola Estadual Oswaldo Catalano /Universidade Federal do ABC, email:helcio.mezzetti@ufabc.edu.br

## Resumo

A onda sonora é um fenômeno físico perceptível ao ouvido humano estando em uma determinada faixa de frequência. O ultrassom, por sua vez, é um som com uma frequência alta suficiente para que não seja reconhecido. Diferentemente do som audível, a propriedade de ser resistente à difração torna o ultrassom um instrumento eficaz para a detecção de distâncias e velocidades estando, portanto, presente em muitos artefatos tecnológicos do cotidiano. Porém, o estudo do ultrassom é comumente tratado de forma muito superficial nos conteúdos de física do Ensino Médio e havendo pouca referência ao uso tecnológico do fenômeno. Com o propósito de fazer a conexão entre o estudo do ultrassom no Ensino Médio e a tecnologia em que ele é embarcado, propomos uma sequência de aulas para essa ligação. A sequência proposta tem como metodologia uma unidade de ensino potencialmente significativa (UEPS) associada a: um vídeo sobre a utilização do ultrassom para detecção de falhas estruturais de objetos; e a um experimento para detectar o intervalo de tempo de um pulso ultrassônico refletido por um obstáculo. Pretendemos com essa proposta, diminuir a distância entre o conhecimento de ondas ultrassônicas e sua aplicação tecnológica em diversas áreas e os alunos do Ensino Médio.

Palavras-chave: ultrassom, aprendizagem significativa, Física no Ensino Médio

## Introdução

O som é uma perturbação de pressão do ar que pode ser detectada pelo ouvido humano. Para as flutuações harmônicas de pressão, o alcance típico de frequência em que o ouvido humano pode perceber é de (NUSSESZVEIG,2001):

Contudo, o escopo do significado do som é estendido para frequências maiores ou menores que o som audível (infrassom e ultrassom). Dessa forma, o infrassom é um som cuja frequência seja menor que 20Hz. Esse tipo de som pode se propagar por cerca de 100km sem diminuir consideravelmente sua amplitude pois sua atenuação em função da distância da fonte depende do quadrado da frequência

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23 a 27 de janeiro de 2017

na qual é um valor baixo. Dessa maneira, essa característica torna o infrassom importante para o monitoramento de explosões nucleares e eventos sísmicos (BLANC,2016).

Ondas sonoras com frequência acima de 20kHz são consideradas como ultrassom. Diferentemente do som audível, o som nessa frequência tem efeitos de difração minimizado pela relação entre o comprimento de onda e a largura dos obstáculos presentes em nosso cotidiano (ELMORE, 1969). Essa característica permite direcionar o ultrassom em um ângulo muito inferior ao que pode ser feito com o som audível. Dessa forma, podemos detectar pulsos ultrassônicos refletidos por alguma superfície a centímetros da fonte, sem que esse se deforme devido a difração.

Essa característica permite o uso do ultrassom de forma diferente do uso do som. O domínio da geração e detecção de ultrassom abriu diversas oportunidades de aplicação tecnológica nas diversas áreas da atividade humana, afetando o cotidiano do cidadão contemporâneo. A maior parte da aplicação do ultrassom em tecnologia consiste de gerar um pulso ultrassônico e captá-lo após ser refletido e/ou transmitido por um meio material.

Das diversas utilizações do ultrassom podemos citar: 1) na medicina: diagnóstico por ultrassonografia, por efeito Doppler; 2) na engenharia: detecção de falha de estrutura de concreto na construção civil, monitoramento de materiais e estruturas utilizados em projetos navais, aeronáuticos; 3) na biologia: instrumento de medição de tecidos biológicos; 4) na estética: redução de tecido liposo; 5) na indústria, limpeza de ferramentas e produtos, detecção de superfícies metálicas, controle de instrumentos robóticos, sensores de monitoramento no automóvel, entre outras.

Desses exemplos de aplicação, podemos destacar o monitoramento e inspeção de soldas em projetos de engenharia (ANDREUCCI, 2011). Com essa informação pode-se iniciar uma intervenção técnica em tempo adequado ao ponto de minimizar gastos com materiais e anular efeitos indesejáveis no projeto que possam acarretar em problemas de cunho social, pessoal e ambiental.

Partindo desse exemplo de aplicação tecnológica do ultrassom, podemos perceber o quanto é importante esse conhecimento para o cidadão, mesmo que

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esse seja de forma superficial. Acreditando que o Ensino Médio e a escola têm como função a formação do indivíduo, pressupomos ser necessária uma intervenção pedagógica do ensino da Física de ultrassom quando o aluno tiver contato com a parte de ondas mecânicas e/ou acústica.

Dessa necessidade, propomos um produto educacional baseado em uma unidade de ensino potencialmente significativo (UEPS), (MOREIRA, 2011). Essa unidade de ensino consiste de uma sequência de aulas potencialmente significativas e assistidas por um vídeo que informa ao aluno a importância do tema (TELECURSO 2000) e um experimento demonstrativo sobre o uso e a aplicação do ultrassom (DWORAKOWSKI, 2016).

## Metodologia

A metodologia aplicada nesse trabalho leva em consideração a Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel (MOREIRA, 2011). Baseado nessa teoria, Moreira (2011) apresenta as UEPS (Unidades de Ensino Potencialmente Significativas) cujas concepções da teoria são realizadas na construção de um planejamento para uma aprendizagem significativa. Dessa maneira, para o desenvolvimento da UEPS, são necessários princípios facilitadores. São eles: a diferenciação progressiva em que se parte de uma ideia geral para conceitos específicos de maneira progressiva; a reconciliação integradora na qual as diferenças e semelhanças entre os conceitos são explorados de forma a reconciliar suas inconsistências reais e aparentes, a organização sequencial pela qual os conteúdos são organizados sequencialmente e com um formato lógico e a consolidação que traz a persistência do domínio do conteúdo antes de se inserir novos conceitos e conhecimentos.

Construímos a UEPS com o tema de Ultrassom contemplando vários conceitos a serem trabalhados pelo método. Entre eles: oscilações, ondas mecânicas, ondas sonoras, acústica e velocidade do som, ultrassom, funcionamento do dispositivo eletrônico baseado na piezoeletricidade e as aplicações do ultrassom. A UEPS foi elaborada por meio dos seguintes passos:

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- 1. Tarefa inicial: os grupos são incentivados a elaborar em um mapa mental. Esse mapa constitui-se de diagramas associáveis livres de relações de conceitos, hierarquia e podendo até incluir coisas que não são conceitos. Os grupos farão o mapa mental usando fichas com as seguintes palavras : (Natureza) ondas eletromagnéticas -ondas mecânicas -(meio de propagação) sólido - líquido - gás - vácuo - (elementos) comprimento frequência - amplitude - período - energia - velocidade - (aplicação) medicina - engenharia - estética - (tipos de onda) - som - ultrassom - luz visível - (dispositivos de geração) - caixas acústicas - instrumentos musicais - lâmpadas incandescentes - (dispositivos de detecção) - ouvidos - olhos chapa fotográfica. Após realizar a tarefa, cada grupo explica seu mapa mental para os demais. A atividade envolverá 2 horas/aulas.
- 2. Situações-problema iniciais: Serão apresentadas as seguintes questões aos alunos: (a) O que você já leu ou ouviu sobre ultrassom? (b) Qual a física por trás do ultrassom? (c) Como podemos detectar falhas em sólidos usando ultrassom? (d). Dê alguns exemplos de implicações do ultrassom no cotidiano. Após a assistir ao vídeo (TELECURSO 2000), os alunos, em grupos, responderão as questões e apontarão trechos do vídeo onde encontraram dificuldades em entender o tema. A atividade envolverá 1 hora/aula.
- 3. Aprofundando conhecimentos: Com os dados coletados na atividade do mapa livre, nas respostas do questionário e nas palavras destacadas durante o vídeo, teremos elementos para uma diferenciação progressiva dos conceitos relacionados com ultrassom. Com o objetivo de reconciliar os conceitos, faremos um experimento demonstrativo de geração e de detecção de ultrassom baseado em um sensor acoplado em uma plataforma de Arduino. Após a experimentação, será proposta uma organização sequencial em que os grupos retomarão aos destaques feitos por eles em relação a trechos não compreendidos do vídeo e construirão um resumo para melhor entendê-los. A etapa se desenvolverá em aproximadamente 2 horas/aula.
- 4. Nova Situação-Problema: Os alunos, em grupo, pesquisarão uma aplicação do ultrassom e apresentarão aos colegas. A pesquisa será realizada como tarefa de casa e a apresentação envolve uma hora/aula. Com a assistência do professor, os grupos construirão um mapa conceitual sobre os conceitos

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trabalhados com as mesmas palavras chaves da tarefa inicial. Esta atividade ocupará 2 horas/aula.

- 5. Avaliação individual: para a consolidação da aprendizagem significativa, serão propostas individualmente aos alunos as seguintes questões abertas relativas ao vídeo e ao experimento: (a) Como é possível obter imagens do bebê na barriga da mãe usando ultrassom? (b) Como funciona o sensor de estacionamento dos carros modernos? O objetivo dessa avaliação será fazêlos ponderar sobre sua aprendizagem e o conhecimento de Física desde a construção do mapa livre. Essa avaliação fará parte de uma avaliação geral feita desde o início da aplicação da UEPS. A atividade será desenvolvida em 1 hora/aula.
- 6. Aula expositiva dialogada integradora final: o professor juntamente com os alunos, retomará os conceitos por meio de um mapa conceitual. Salientando a importância do ultrassom, sua utilização e recordando as explicações de cada grupo. Essa atividade necessitará de 1 hora/aula.
- 7. Avaliação da aprendizagem da UEPS: A avaliação será baseada nas atividades realizadas (na comparação entre o mapa livre e o mapa conceitual, na apresentação de uma aplicação do ultrassom, no material confeccionado para a apresentação e na avaliação individual consistindo das questões respondidas após o vídeo).
- 8. Avaliação da própria UEPS: o professor avaliará a forma em que foi abordado o tema ultrassom em função de seus resultados e da avaliação dos alunos, se necessário, serão reformuladas algumas atividades.

Todas as atividades desenvolvidas na UEPS contemplam o total de nove horas/aula. Recomendamos que essa UEPS seja aplicada a alunos do segundo ano do Ensino Médio que já tiveram contato com aulas formais sobre ondas.

## Descrição dos instrumentos auxiliares da UEPS

Usaremos como instrumentos auxiliares da UEPS, um vídeo e um experimento com o propósito de conectar o entendimento sobre o ultrassom como uma onda sonora acústica e o uso tecnológico desse fenômeno físico. O vídeo foi obtido das aulas do telecurso 2000 (Aula 21 Ensaio de Materiais). Optamos pelo uso do vídeo em relação a uma aula expositiva dialogada por três motivos. O primeiro é

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a facilidade de acesso. O vídeo pode ser revisto pelo estudante em qualquer lugar usando tablet, computador e smartphones. O segundo ponto que pesou na escolha é o apelo visual, pois são mostrados instrumentos de produção de ultrassom de difícil acesso em sala de aula. O último motivo é de provocar interesse àqueles que sejam mais entusiasmados pelo caráter técnico do ultrassom.

No vídeo vemos assuntos relacionados a ondas mecânicas e ao som que interagem com o conhecimento prévio dos alunos promovendo a aprendizagem sobre o ensino do ultrassom numa abordagem experimental. O vídeo começa com a pergunta: como podem ser determinadas descontinuidades nas superfícies das peças ou em seu interior? Dá como resposta um tipo especial de som e segue apresentando o conceito de ondas e seus elementos como frequência, período e comprimento, amplitude e velocidade, afirmando também que o som é um tipo de onda mecânica. Contextualiza o ultrassom como um som com frequência maior que 20kHz e que não são audíveis pelo ouvido humano. Ainda vemos no vídeo um comentário sobre os materiais piezelétricos e sua capacidade gerar tensão elétrica devido à pressão mecânica. No vídeo, a explicação do funcionamento do dispositivo é ilustrada por intermédio de uma animação em que um cristal piezelétrico quando submetido à tensão alternada começa a vibrar com frequência acima de 20kHz. Esse exemplo servirá de gancho para mostrar que, quando acoplados a transdutores, pode-se detectar descontinuidades por meio da reflexão dessas ondas sonoras.

O outro instrumento auxiliar que será usado consiste num sonar. Usamos como gerador e detector do sonar o sensor ultrassônico HC-SR04. Esse sensor constitui de dois alto-falantes um transmissor e outro receptor, feitos de um material piezoelétrico podendo gerar e detectar uma onda ultrassônica de 40kHz.

Para controlar o sensor usaremos a plataforma Arduino. Em termos práticos, o Arduino é um microcontrolador em que se pode programar para processar entradas e saídas de dispositivos conectados a ele. O esquema de montagem do sensor na placa de Arduino é mostrada na figura 1. A programação do microcontrolador contido na plataforma Arduino é feita por meio de uma porta USB conectada no computador de mesa ou em um smartphone. Após conectar o Arduino

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ao computador, usa-se um software de programação IDE baseado na linguagem C para instruir o Arduino.

Figura 01: Montagem do sensor com a placa de Arduino

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Para esse experimento usaremos o código que poderá ser encontrado em (MNPEF Ultrassom, 2016). Ao copilar e transferir o programa para a plataforma Arduino conectada com o sensor espera-se que no ambiente gráfico do IDE seja exposto o tempo em que o ultrassom sai do sensor, reflete no anteparo e volta para o mesmo senso. Esse resultado será exposto na saída gráfica do programa IDE.

Com esse modo de funcionamento do sensor, será proposto em sala de aula, um experimento para medir a velocidade do ultrassom que sai pelo sensor. Nesse experimento colocaremos o sensor posicionado no canto da mesa apoiado por uma folha de papel com marcas de distância com intervalo de 5cm em relação ao sensor. Ao ligar o sensor, colocaremos um obstáculo posicionado em uma das marcações da folha de papel. Ao medir o tempo em que o pulso ultrassônico percorre do sensor ao obstáculo e sua volta, podemos determinar a velocidade do som cujo valor estimado é de (343±20) m/s.

## Considerações finais e expectativas

A sequência de aulas proposta será aplicada numa turma do noturno de 38 alunos de 2º ano do Ensino Médio da Escola Estadual Oswaldo Catalano localizado no bairro do Tatuapé na cidade de São Paulo. A idade dos alunos está na faixa dos 16 aos 19 anos sendo que a maioria divide o seu tempo com a escola e com o trabalho. A aplicação se dará no terceiro bimestre de 2016, com isso, os alunos já

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tiveram contato com o conhecimento sobre ondas no segundo bimestre do corrente ano.

Esperamos que, após a aplicação da sequência de aulas, os alunos sejam capazes de vislumbrar e reconhecer as diversas aplicações do ultrassom. Outra habilidade que pretendemos oferecer com o uso desse método é a compreensão do fenômeno ondulatório como objetos físicos podendo estar além da percepção auditiva.

## Agradecimento

H. M. S. agradece a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Ensino Superior) pelo suporte financeiro na realização desse produto educacional.

## Referências

ANDREUCCI, R. Ensaio por ultrassom. São Paulo, Associação Brasileira de ensaios não destrutivos e inspeção - ABEND, 2011.

BLANC, E.; CERANNA, R. Infrasound. Science for Security, p. 11-16. Disponível em &lt; https://www.ctbto.org/fileadmin/user\_upload/pdf/ISS\_Publication/Infrasound\_11-16.pdf &gt;. Acesso em: 09 ago. 2016.

DWORAKOWSKI, L. A.; HARTMANN, A.; KAKUONO, E. M. ; DORNELES, P. F. T., Uso da plataforma Arduino e do software PLX-DAQ para a construção de gráficos de movimento em tempo real., Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 38, n. 3, p. e3503, 2016.

ELMORE, W. C.; HEALD, M. A. Physics of Waves. Nova York: Dover Publications, Inc., 1969.

MNPEF Ultrassom. Disponível em: &lt; https://sites.google.com/site/mnpefultrassom/ &gt;. Acesso em 16 Ago. 2016.

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MOREIRA, M. A. Unidade de Enseñanza Potencialmente Significativas UEPS (Potentially Meaningful Teaching Units - PMTU), Meaningful Learning Review vol. 1,p. 43-63, 2011.

NUSSENZVEIG, M. H. Curso de Física Básica - vol. 2- 4ª ed. São Paulo: Editora Blucher, 2002.

TELECURSO 2000. Ensaios de materiais: aula 21 Ultrassom. Disponível em: &lt; https://www.youtube.com/watch?v=ntyLNwHoxlw &gt;. Acesso em 09 Ago. 2016.

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