Construção de um trilho de ar linear de baixo custo para o ensino de Física inclusivo e investigativo.

## CONSTRUÇÃO DE UM TRILHO DE AR LINEAR DE BAIXO CUSTO PARA O ENSINO DE FÍSICA INCLUSIVO E INVESTIGATIVO

## Katherine Maslova 1 , Vitor Motta , Carlos Perez 2 3

1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro, katherinedefante@gmail.com

## Resumo

O trabalho a seguir faz a junção, em uma só proposta, de assuntos relacionados à Física, como a cinemática, e a sua inclusão e investigação do ensino, incluindo a construção de um trilho de ar linear como material de uso. Usaremos a construção de um trilho de ar linear como base para a realização de uma experiência e avaliar o desempenho dos alunos das escolas públicas ou escolas com poucos recursos, já que a construção dele foi feita com matérias de baixo custo e de fácil acesso. Com o experimento do trilho de ar, o aluno será capaz de observar na prática experimentos de cinemática em que o atrito pode ser desprezado, facilitando, assim, a compreensão do Movimento Retilíneo Uniforme (MRU) e Movimento Retilíneo Uniformemente Variável (MRUV), seja ele com ou sem inclinação. Utilizando a vídeo-análise, que pode ser feita com um aparelho celular e um computador com o aplicativo Tracker (TRACKER), o aluno consegue representar o gráfico e obter informações sobre as grandezas como posição, deslocamento, velocidade instantânea e média, aceleração. Os experimentos podem ser realizados pelos próprios alunos, assim como a construção, instiga aos mesmos à busca pela investigação permitindo-os construir o próprio conhecimento. Além disso, as atividades promoveram a interação social dos alunos com a comunidade, ao possibilitar que o aluno adquira material de baixo custo advindo de um depósito de reciclagem no entorno do Campus e a inclusão digital devido ao uso da vídeo análise para o estudo em sala de aula.

Palavras-chave : trilho de ar, inclusão, materiais de baixo custo, cinemática, ensino de Física.

## Introdução

- O mito de que a Física é uma das mais complexas matérias a serem estudadas faz com que já se crie uma impressão para o aluno ao ter seu primeiro contato com a matéria. Além disso, o ensino de Física tem se tornado mais mecanizado e tecnicista, tirando parte da experiência que o aluno pode ter em sala de aula, surgindo, assim, maiores barreiras para construir o conhecimento. A pouca presença da construção do conhecimento e do método investigativo por meio de materiais experimentais se dão por diversos motivos, uns dos principais dele é o alto custo de materiais de laboratório, fazendo com que a maior parte dos alunos sejam excluídos dessa vivência.
- O primeiro contato com a física nas escolas aborda assuntos iniciais a Cinemática. A Cinemática trata das definições e grandezas e relações utilizadas para descrição do movimento dos corpos: espaço, tempo, deslocamento, velocidade e aceleração. Existem diversas demonstrações concretas para facilitar a

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compreensão da Cinemática pelo aluno. Algumas dessas demonstrações utilizam um dispositivo chamado trilho de ar linear.

- O trilho de ar foi inventado na década de 60 pelos professores Nehr e Leighton (NEHER), do Instituto de Tecnologia da Califórnia. O equipamento permite realizar experimentos de mecânica em uma situação na qual a força de atrito pode ser desprezada, pois um objeto móvel, denominado 'carrinho', 'flutua' em uma espécie de colchão de ar ao longo de um trilho retilíneo.

Ao usarmos o trilho de ar, podemos desconsiderar o atrito e reproduzir um experimento de movimento Retilíneo e Uniforme, facilitando a compreensão das leis da Mecânica. A Lei da Inércia diz quando um objeto está livre de ação de forças externas, ou estará em repouso ou realizará um movimento denominado retilíneo uniforme (MRU). Quando, sobre o corpo livre atua uma resultante de forças diferente de zero, então o corpo realizará um movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV).

Por ser um equipamento caro (BUTLIN, 2013), o trilho de ar está disponível nos laboratórios de universidades ou nas escolas de nível médio que tem mais recursos e infraestrutura. Assim, os estudantes da rede pública, têm pouca chance de aprender/ensinar usando este dispositivo. Existem esforços no sentido de popularizar o trilho de ar (BUTLIN, 2013). No Brasil, SILVA et al. (2009) propuseram uma construção usando tubos de PVC.

Neste trabalho, construímos um trilho de ar com desenho simples, mas utilizando materiais provenientes de sobras de construção e materiais encontrados nos depósitos de reciclagem próximos ao Campus (IFRJ - Nilópolis). Escolhemos como base uma soleira de granito, obtido das sobras de corte de uma marmoraria próxima à região e um trilho de um perfil retangular de alumínio, obtido no depósito. Consideramos o granito um material com estabilidade dimensional diferenciada, que é importante para suportar o trilho e o alinhamento do conjunto quando é submetido aos esforços de flexão.

A análise e comparação de gráficos do MRU e MRUV com os dados obtidos na experimentação, usando o Tracker, permitirá que o aluno a construção dos gráficos e ajuste para funções lineares e quadráticas, entendendo o porquê do formato dos gráficos e perceba a diferença entre o MRU e o MRUV.

Utilizamos o programa Tracker para fazer a vídeo análise do movimento do carrinho no trilho de ar. O programa permite que o usuário calibre a escala de distâncias do vídeo, a partir de uma referência de comprimento contida na cena, escolha a orientação do sistema de coordenadas e marque as posições sucessivas do carrinho em cada quadro do vídeo. O usuário pode construir na interface do Tracker os gráficos de posição (m) versus tempo (s) e velocidade (m/s) versus tempo (s). No programa Tracker, as velocidades são calculadas a partir das posições sucessivas e do intervalo de tempo entre os quadros do vídeo.

Nos dois movimentos citados, a força de atrito poderá ser desprezada, para isso, a construção do material precisou ser pensada de modo que a mesma fosse diminuída ao seu máximo.

Para estabelecer um fluxo de capaz de gerar um colchão entre o carrinho e o trilho, realizamos uma série de furos de 1mm , espaçados por 25mm no topo e nas laterais do perfil retangular de alumínio, conforme mostrado na figura 2. Os furos no

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topo direcionam o fluxo de ar para fazer o carrinho 'flutuar' e os furos laterais geram forças opostas para estabilizar o carrinho, e permitir o movimento horizontal dele somente na direção do trilho.

## Material utilizado

- ● Furadeira;
- ● Broca de 1 mm;
- ● Peça de alumínio em formato de paralelepípedo com 1,30 m (± 0,05 mm) de comprimento, 0,013 m (± 0,05 mm) de largura e 0,025 m (± 0,05 mm) de altura;
- ● Fita isolante;
- ● Carrinho de alumínio com 10,5 cm (± 0,05 mm) feito com perfis de alumínio;
- ● Soleira de granito em formato de paralelepípedo com 1,205 m (± 0,05 mm) de comprimento, 0,145 m (± 0,05 mm) de largura e 0,02 m (± 0,05 mm) de espessura.
- ● Inflador elétrico de colchão;
- ● Tubo de PVC de ¾ polegadas;
- ● Conduíte flexível sanfonado.

## Metodologia de construção do experimento

A seguir, serão apresentados os passos da construção do trilho de ar linear.

- ● O perfil de alumínio foi obtido em um estabelecimento de reciclagem nas imediações do Campus Nilópolis do IFRJ;
- ● Com uma furadeira para brocas pequenas, foi utilizado uma broca de 1 mm;
- ● Na parte superior do trilho, foram feitos 50 furos na metade da largura ao longo do trilho, distanciados de 2,5 cm (± 0,05mm);
- ● Nas partes laterais do trilho, foram feitos 50 furos de cada lado a 0,5 cm da parte superior, distanciados de 2,5 cm (± 0,05 mm). Os furos das laterais ficaram intercalados com os furos da parte superior;
- ● Para acoplar o fluxo de ar proveniente do compressor, moldamos um pedaço de cano de conduíte elétrico de PVC com um alicate, esquentando-o em um aquecedor elétrico de forma a encaixá-lo no perfil retangular do trilho, conforme mostrado na figura 2.

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Figura 01: Imagem ampliada dos furos do trilho

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Figura 02: Imagem em perspectiva do trilho

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## Metodologia de ensino

O trilho de ar linear dá uma grande liberdade de experimentos que podem ser feitos para o ensino da Mecânica particularmente envolvendo cinemática e a Dinâmica de movimentos unidimensionais. A possibilidade de desprezar a contribuição das forças de atrito simplifica a compreensão do movimento dos corpos em condições próximas às idealizadas. A construção do trilho poderá ser inserida como parte do trabalho dos alunos, mostrando que a montagem de um equipamento é mais fácil do que se imagina, entusiasmando-os a obter resultados usando um equipamento totalmente produzido por eles mesmos. Após a montagem, pode-se propor à turma que façam previsões sobre o comportamento do sistema, como, por exemplo:

-  O que acontecerá com a velocidade do carrinho quando o trilho possuir inclinação de descida?

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- ● O que acontecerá com a velocidade do carrinho quando o trilho não possuir inclinação?
- ● Como será a aceleração nos dois casos?

Após a montagem e as previsões feitas pelos alunos sobre o que eles acham que deve acontecer com o movimento, é necessário que seja filmado o experimento para depois ser analisado pelo aplicativo Tracker.

A seguir, serão indicados dois tipos de análises que podem ser feitas a partir do material montado.

- ● Análise do movimento retilíneo uniforme (MRU) sem atrito: nessa situação, o trilho foi montado sem inclinação em uma mesa preferencialmente nivelada. Com o carrinho posicionado no início do trilho e o compressor ligado, é necessário que se dê um pequeno empurrão para que o carrinho inicie seu movimento, tendo, assim, uma velocidade inicial. Com a ausência do atrito, o carrinho deverá continuar seu movimento até o final do trilho em velocidade constante. Essa situação será filmada por um aparelho celular e analisada no aplicativo Tracker, que processará os valores de velocidade, aceleração, deslocamento a partir das medidas da posição e tempo.
- ● Análise do movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV) sem atrito: nessa situação, o trilho de ar precisará de uma inclinação qualquer que pode ser com um calço em uma das extremidades. Com o compressor já ligado, o carrinho deve ser colocado em sua posição inicial (parte mais alta do trilho) e, assim que for solto, iniciará seu movimento instantaneamente.

## Análise de dados e resultados

Os resultados da análise dos dados fornecidos pelo programa Tracker serão comparados com as previsões sustentadas pelos alunos e o resultado real dos movimentos. Foi feito no aplicativo Tracker os dois tipos de análises exemplificados na metodologia de ensino, o MRU e o MRUV.

Para o Movimento Retilíneo Uniforme, foi feita as análises da posição e velocidade relacionadas ao tempo.

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Figura 03: Gráfico correspondente à análise posição em função do tempo do MRU

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Figura 04: Gráfico correspondente à análise velocidade em função do tempo do MRU

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Como esperado, os resultados obtidos pelo programa foram compatíveis com o que se deveria esperar do MRU. Ao observarmos o gráfico que relaciona posição em função do tempo (Figura 03), vemos um gráfico de forma linear, ou seja, a posição aumenta na mesma proporção que o tempo, indicando, assim, velocidade constante, logo, ausência de aceleração. Os dados foram bem ajustados por uma função do tipo , que, melhorando a notação, é justamente a equação horária do MRU:

Na figura 4 é mostrado o gráfico da velocidade em função do tempo no MRU. A reta de ajuste, representada por uma função constante, está de acordo com os dados experimentais.

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Também construímos o gráfico do MRUV para a posição e velocidade do carrinho em função do tempo.

Figura 05: Gráfico correspondente à análise posição em função do tempo do MRUV

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Figura 06: Gráfico correspondente à análise velocidade em função do tempo do MRUV

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Assim como no MRU, os dados coletados da experiência do MRUV também foram compatíveis como o esperado para o movimento. No gráfico de posição em função do tempo (Figura 05), os dados experimentais foram bem ajustados pela função quadrática ,, que representa a posição em função do tempo no MRUV. Levando para os termos de MRUV, temos: S .

Da mesma forma, os resultados para a velocidade foram os aguardados. No gráfico, percebemos uma velocidade de ajuste de função linear que se altera em proporção com o tempo, demonstrando uma aceleração constante no movimento.

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Transformando a fórmula obtida no aplicativo para as constantes do MRUV, temos que .

## Considerações finais

Com esse trabalho, é importante reforçarmos que a construção do trilho de ar utilizou a maioria do material utilizado para a construção do trilho de ar foi obtido de um centro de reciclagem da região, o que demonstra que a inclusão não afeta apenas o âmbito escolar, mas social, reunindo saberes do cotidiano com saberes acadêmicos por meio de diálogos não hierárquicos. Por mais que a intenção seja criar esse vínculo de inclusão, ainda assim foi feita uma estimativa de quanto seria gasto para a produção do material que seria em média R$ 150,00.

Vale ressaltar que através do experimento com o trilho de ar o aluno é protagonista do seu aprendizado e o professor age como mediador do conhecimento, criando em sala de aula um ensino investigativo que parte do próprio aluno, acabando com a visão de que o aluno é um 'mero receptáculo bocejante do conhecimento', como diria Paulo Freire. Essas ações fazem com que se desenvolva maior interesse do aluno pelas ciências e passe a ver como algo próximo de seu cotidiano e não como algo longínquo e de grandes dificuldades.

Outro fator de relevância é a inclusão digital com o uso de um software livre, fazendo com que se capacite o aluno a usar novas ferramentas para estudo.

## Referências

BUTLIN, Chris A. An inexpensive linear air tracker . Apparatus. Páginas 96-100, Março de 2003.

DAHER, Alessandra Ferreira Beker. Aluno e professor: protagonistas do processo de aprendizagem. 2008. 12f. Artigo - 2008.

JESUS, Vitor L. B. de. Experimentos e Vídeoanálise - Dinâmica . Livraria da Física.

LIMA, Presleyson Plínio de. A importância da inclusão digital no processo de inserção social e educacional através da utilização de software livre . 2005. 59f. Monografia - PUC, Minas Gerais, 2005.

SILVA, José Carlos Xavier da. Trilho de ar de PVC para estudo dos movimentos retilíneo uniforme e retilíneo uniformemente variado . 2009. 8f. Artigo - UERJ, Rio de Janeiro, 2009.

TRACKER. Video analysis and modeling tool . Versão 5.0.5. Open Source Physics. Disponível em: &lt;http://physlets.org/tracker/&gt;. Acesso em: 03 de junho de 2018.

NEHER, H. V.; LEIGHTON, R. B. Linear Air Trough . American Journal of Physics, v. 31, n. 4, p. 255-262, 1963.

PIMENTEL, Jorge Roberto; Zumpano, Vitor Hélio e Yaginuma, Lucia Tamae. Trilho de ar- Uma proposta de baixo custo , Revista de Ensino de Física 11, 15 (1989)

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