CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO TUBO DE RUBENS COMO OBJETO DE APLICAÇÃO DE CONCEITOS DE ACÚSTICA NA DIVERSIFICAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA

## CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO TUBO DE RUBENS COMO OBJETO DE APLICAÇÃO DE CONCEITOS DE ACÚSTICA NA DIVERSIFICAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA

Rosielem Magalhães 1 , Wellington Fonseca , Vicente Aleixo 2 3

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Universidade Federal do Pará, rosielem.magalhaes@gmail.com 2 Universidade Federal do Pará, fonseca@ufpa.br 3 Universidade Federal do Pará, ferrer@ufpa.br

Resumo: No nível médio, os alunos apresentam dificuldade em absorver o ensino de física dado de maneira abstrata através do modelo tradicional, onde o conhecimento é apenas repassado ao aluno, sem que a metodologia aplicada proporcione uma interação. Diante disso, os integrantes do Programa de Extensão Laboratório de Engenhocas executaram a construção do protótipo Tubo de Rubens que se trata de um tubo com vários furos em linha na parte superior, com uma caixa acústica em uma extremidade e na outra, gás de cozinha que quando inflamado através dos furos permite a visualização e estudo de ondas estacionárias. Sua aplicação aconteceu na escola Ulysses Guimarães com o propósito de diversificar e facilitar o ensino de física para alunos de primeiro e segundo ano do nível médio, melhorando a qualidade do ensino de física utilizando os conceitos de acústica, o ramo da física que estuda a emissão e recepção da propagação de ondas sonoras. Além de estimular nos estudantes o interesse de entrar no nível superior.

Palavras-chave: Acústica, Tubo de Rubens, Física, Ensino.

## 1. Introdução

O som é considerado uma onda mecânica longitudinal proveniente de vibrações de corpos elásticos e possui determinados limites de frequências, segundo (COSTA, 2003) 'os limites de audição, quanto à frequência estão compreendidos para um órgão auditivo humano normal médio, entre 16 e 30.000 Hz'.

A produção do aparato experimental, abordado neste trabalho, com a aplicação de conceitos de acústica gera a oportunidade de um ensino de física diversificado e eficaz, segundo (SCOLARI et a l., 2007) 'tecnologias interativas possuem grande potencial para aplicações na área educacional, oportunizando mudanças em relação a situações de aprendizagem'.

Nesse sentido, o programa de extensão Laboratório de Engenhocas busca formas alternativas e interativas para difundir o conhecimento, despertando o interesse pelo aprendizado. O experimento construído Tubo de Rubens assume esse caráter, com o objetivo de servir de meio alternativo na aprendizagem de conceitos relacionados à acústica, mais especificamente sobre ondas estacionárias, com aplicação do mesmo em escolas públicas de nível médio da região. No presente trabalho, sua aplicação se deu na escola de nível médio Ulysses Guimarães, proporcionando um contato prático com o ensino de física, tornando

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23 a 27 de janeiro de 2017

acessível o conhecimento de nível superior aos jovens participantes, fomentando a entrada na universidade.

## 2. Considerações Prévias à Construção do Tubo

O tubo construído baseia-se no experimento de física Tubo de Rubens, do qual o autor Heinrich Rubens, um físico alemão em 1904 utilizou um tubo de 4 metros e ao longo de seu comprimento fez 200 furos espaçados um do outro enchendo-o de gás inflamável, depois colocou em uma de suas extremidades um auto falante à determinadas frequências, e inflamando o gás percebeu que as chamas tinham formas de ondas estacionárias.

Sabendo-se que uma onda estacionária é a superposição de ondas e em um tubo fechado essa superposição ocorre em sentidos opostos, causando uma interferência destrutiva. Neste trabalho supôs-se que o tubo é fechado, portanto exige o conhecimento das Equações (1) e (2) que regem os cálculos de ondas estacionárias em tubos sonoros fechados (HALLIDAY et a l., 2009):

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Onde:

λ é o comprimento de onda do som, em metros;

L é o comprimento do tubo, em metros;

ƒ é a frequência, em Hertz (Hz);

ν é a velocidade do som (m/s);

n é o número harmônico ímpar;

4 é uma constante da equação para tubo fechado.

Neste trabalho, as Equações (1) e (2) foram utilizadas para calcular frequências que podem gerar determinados harmônicos em tubo fechado, para este cálculo é necessário o conhecimento da velocidade através da Equação (3) conhecida como a equação da velocidade do som em gases ( ) (NUSSENZVEIG, v 1996):

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Onde:

T é a temperatura da região;

T0 é igual a 0°C (273K).

Segundo a equação acima e levando em consideração que a temperatura da região tem uma média de 26 GLYPH&lt;31&gt; (CLIMATE-DATA.ORG, 2016), a velocidade de propagação do som no gás a essa temperatura é de, aproximadamente, 347m/s.

A Figura 01 mostra os tipos de harmônicos esperados para tubos fechados, onde 'i' é o número de harmônico, que são somente ímpares para tubos fechados, e observa-se que sempre na parte fechada existe um nó e na aberta um antinó:

Figura 01: Ondas estacionárias dentro do tubo fechado

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## 3. Construção do Tubo de Rubens

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A construção do experimento requer cuidados e atenção, principalmente com relação ao manuseio com a furadeira, instalação adequada do botijão de gás e a posição dos furos no tubo, para que fiquem em linha reta o máximo possível. No Quadro (01) estão relacionados os materiais utilizados na construção do tubo.

Quadro 01: Materiais utilizados

## 3.1. Realização dos furos

Primeiramente calcula-se o comprimento do tubo e com o auxílio da régua e marcador de CD marca-se 0,08m de margem em cada ponta do tubo que não receberá furos, em seguida a marcação dos pontos para os furos espaçados a 0,01m entre si.

Após essa etapa, com a furadeira e a broca de 0,002m são realizados os furos ficando da forma mostrada na Figura 02.

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Figura 02: Tubo Perfurado

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## 3.2. Adaptadores de PVC e conexão

Com o adaptador de caixa d'água faz-se o contorno de sua circunferência no adaptador CAP que será cortado utilizando a furadeira e a broca de 0,005m, com a lixa 150 lixa-se o corte feito no CAP para que o adaptador de caixa d'água passe por dentro dele. Feito isso, é só rosquear a conexão para mangueira de gás de cozinha no adaptador de caixa d'água, o resultado é mostrado na Figura 03.

Figura 03: Junção dos adaptadores e conexão

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## 3.3. Montagem

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Os furos e as extremidades do tubo são lixados, depois em uma das extremidades já lixada passa-se fita crepe na margem deixada de 0,08m e coloca-se um pedaço de papel celofane fixado pela fita crepe. Na outra extremidade o CAP é colocado já com o adaptador de caixa d'água e a conexão para mangueira de gás, em seguida a mangueira de cozinha com registro e adaptador para botijão de gás instalado no botijão cheio é colocada na conexão com uma abraçadeira para apertar a mangueira na conexão. Por segurança faz-se testes para verificar se está vazando ou não o gás.

Devidamente montado o tubo, é só colocá-lo em um suporte (Figura 04). Neste trabalho utilizou-se um de compensado. Depois é posicionada uma caixa acústica na extremidade com papel celofane, acionando o gás e o inflamando com fósforo nos furos, para que seja feita a visualização das ondas estacionárias dependendo da frequência emitida pela caixa acústica.

Com o intuito de fazer com que o som se propagasse o máximo possível para dentro do tubo, improvisou-se neste trabalho uma marmita de isopor com circunferência aproximada à do autofalante da caixa acústica, para ficar na extremidade do tubo.

Figura 04: Tubo de Rubens finalizado

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## 4. Resultados e Discussão

No seminário aplicado na escola Ulysses Guimarães com estudantes de primeiro e segundo ano do Ensino Médio, utilizou-se a Equação (1) e Equação (2), onde os alunos escolhiam um harmônico para descobrir qual frequência era necessária para atingi-lo e qual comprimento de onda possuía, sugeriu-se harmônicos até o 9º para a escolha, adotando-se a velocidade de 347m/s da Equação (3). O Quadro 02 mostra os valores obtidos.

Quadro 02: Resultados da aplicação da Equação (1) e Equação (2)

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Os alunos notaram ao final da construção do Quadro 02 que, quanto maior era o harmônico, o comprimento de onda diminuía e a frequência aumentava. Através de um gerador de frequências pode-se fazer o caminho inverso, aplicando uma frequência conhecida para determinar o número de harmônicos, porém essa aplicação não foi possível por falta de boa intensidade sonora dos geradores testados.

A Figura 05 revela a presença do harmônico 9 na onda estacionária obtida a partir de uma frequência aproximada de 520 Hz, onde observa-se um antinó na extremidade aberta vedada com papel celofane e um nó na extremidade fechada.

Figura 05: Harmônico Número 9

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## 5. Considerações Finais

Para que a execução do experimento fosse possível, foi necessário o aprofundamento nos estudos sobre os conceitos de acústica e pesquisas sobre os modelos de Tubo de Rubens, agregando dessa forma conhecimento e contribuindo na formação acadêmica dos envolvidos no projeto.

No decorrer da aplicação do experimento foram trabalhados conceitos gerais de ondas, com ênfase em ondas sonoras, trabalhou-se também como uma onda é propagada em um tubo fechado e aberto, além dos harmônicos gerados. Esses conceitos foram trabalhados intercalando a visualização de forma prática e depois explicando o que estava acontecendo e os conceitos físicos envolvidos para que os alunos pudessem compreender melhor o experimento. Ao longo da aplicação os estudantes mostraram-se bastante interessados em entender ao máximo como

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funcionava o Tubo de Rubens, desvendando e aprendendo toda a física que o permeia. Percebeu-se, ainda grande interesse em aprender mais sobre experimentos acústicos. Os jovens relataram que não sabiam que o som era uma onda e nem como acontecia uma, e após o experimento conseguiram visualizar o som comportando-se como onda, além de aprender seus conceitos. Os alunos sentiram-se a vontade para interagir, escolhendo músicas de suas preferências para gerar diversas frequências identificando os harmônicos das ondas estacionárias formadas.

A extensão realizada através do experimento alcançou seus objetivos satisfatoriamente, proporcionando uma metodologia diferenciada aos alunos levando-os a perceber que estudar física é interessante e pode relacionar-se com assuntos de interesse de seus cotidianos como a música. Demonstraram notável interesse em ingressar no nível superior após a participação da extensão.

## Referências

CLIMATE-DATA.ORG. Clima: Belém. Disponível em:&lt;http://www.pt.climatedate.org/location/4299/&gt;. Acesso em: 10 jun. 2016 às 10:23.

COSTA, Ennio Cruz da. O som. In: Acústica Técnica. 1 ed. São Paulo: Ed. Edgard Blucher, 2003. P.[1] - 9. ISBN 978-85-212-0334-6.

DEPARTAMENTO DE FÍSICA DA FCTUC. Determinação da velocidade do som no

ar. Disponível em:&lt;http://www.fis.uc.pt/data/20032004/apontamentos/apnt\_115\_10.pdf&gt;. Acesso

em: 16 jun. 2016 às 18:09.

HALLIDAY, David; RESNICK, Roberto; WALKER, Jean. Ondas I e II. In: Fundamentos de Física 2: Gravitação, Ondas e Termodinâmica. 8 ed. Rio de Janeiro: Ed. LTC, 2009. p.[115]-181. ISBN 978-85-216-1606-1.

NUSSENZVEIG, H. Moysés; Som. In: Curso de Física Básica 2: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor. 3 ed. São Paulo: Ed. Edgard Blücher, 1996. p.[127]-128. ISBN 85212-0045-5.

SCOLARI, T. Angélica; BERNARDI, Giliane; CORDENONSI, Z. André. O Desenvolvimento do Raciocínio Lógico através de Objetos de Aprendizagem. 2007. Disponível em:&lt;http://www.cinted.ufrgs.br/ciclo10/artigos/4eGiliane.pdf&gt;. Acesso em: 7 jun. 2016 às 20:44.

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