EXPERIMENTAÇÃO DE BAIXO CUSTO PARA APRESENTAÇÃO DO CONCEITO DE FORÇA DE ATRITO

## EXPERIMENTAÇÃO DE BAIXO CUSTO PARA APRESENTAÇÃO DO CONCEITO DE FORÇA DE ATRITO

## Thiago Wichan Loureiro¹, Luiz Renato Rocha², Marco Adriano Dias³

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

## Resumo

O presente estudo aborda um experimento de baixo custo que tem como objetivo apresentar o conceito de força de atrito utilizando videoanálise. Buscando a acessibilidade para os diversos públicos que estudam este conteúdo nas escolas, a experimentação é realizada com materiais baratos e comuns ao dia a dia dos alunos, visando assim alcançar maior familiaridade do estudante com os itens expostos e consequentemente, com o tema explanado. A partir das metodologias de construção do experimento e de ensino demonstramos como este trabalho pode ser apresentado em sala de aula de maneira que facilite a exposição dos conceitos de força de atrito. Utilizando um carrinho de metal, uma lixa, uma prancheta e filmando a partir de um celular, conseguimos demonstrar os diferentes comportamentos de um mesmo material (a borracha do pneu do carro) quando em contato com superfícies distintas, a lixa (mais áspera) e a mesa. Estes dados foram estudados por meio de videoanálise, utilizando o programa 'Tracker', gerando cronofotografias que com o auxílio dos gráficos de posição, velocidade e aceleração, todos em relação ao tempo, corroboraram matematicamente os conceitos físicos e dão sustentação ao conteúdo que será exposto posteriormente. Portanto, a observação do experimento, seja ela de maneira empírica ou por videoanálise atesta os conceitos atrelados à força de atrito e propõe uma perspectiva experimental, fugindo assim da aula tradicional.

Palavras-chave : Ensino de física, Experimentação, Atrito, Videoanálise.

## Introdução

Em geral, a apresentação dos conceitos de força de atrito em sala de aula tende a limitar-se à exposição teórica e aulas tradicionais, exigindo dos alunos um grande nível de abstração para compreender seu funcionamento na natureza e a utilidade deste conteúdo em seu cotidiano. Visando divergir desse quadro, apresentamos neste trabalho um experimento de baixo custo e contextualizado com o cotidiano, de fácil acessibilidade e reprodução por parte dos alunos.

O experimento consiste na representação de fenômenos diários em pequena escala, ressaltando pontos importantes que ajudem na compreensão da diferença entre atrito estático e atrito cinético como também a contextualização do conteúdo trabalhado em sala de aula com a realidade vivenciada e assistida pelo aluno em seu dia a dia.

- O estudo do comportamento do atrito tem seu precursor em Leonardo Da Vinci (1452 - 1519), que em diversos de seus escritos, trata do assunto no contexto da mecânica. Na visão de Da Vinci o atrito consiste em uma 'resistência ao movimento' que dependia de alguns fatores, entre eles, os materiais que estão em contato e se há um fluido entre as superfícies (SINATORA e TANAKA, 2007). Outros

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conceitos importantes do atrito foram propostos por Guillaume Amontons (1663 1705), que em complemento às formulações de Da Vinci, constatou a proporcionalidade da Força de atrito com a Força normal. Nesse período, pós Isaac Newton (século XVIII), o conceito de força passa a integrar as formulações sobre o assunto e a afirmação de que o atrito independe da área aparente de contato entre as superfícies também. Charles Augustin Coulomb (1736 -1806) veio a complementar estas leis afirmando que o atrito não está diretamente relacionado com a velocidade de deslizamento. Coulomb com essa afirmação diferenciou o atrito cinético do atrito estático. O estático, atuando entre as superfícies sem movimento relativo entre elas, será sempre maior que o dinâmico, que atuará quando as superfícies estiverem em movimento relativos entre elas (MONTEIRO, 2012).

A partir dessas ideias e observações de Coulomb e Amontons trabalharemos os conceitos de atrito estático a partir da inequação:

<!-- formula-not-decoded -->

onde, 𝑓 ௔௘ é a força de atrito estático, 𝑁 é a força normal exercida pela superfície sobre o corpo e 𝜇௘ é o coeficiente de atrito estático, que dentre diversos fatores, é principalmente caracterizado pela composição das superfícies em contato. Se considerarmos o coeficiente de atrito estático em seu máximo, poderemos reescrever (1) pela seguinte equação:

<!-- formula-not-decoded -->

Quando consideramos que há movimento entre as duas superfícies, passaremos a observar o atrito cinético. Este se caracteriza de forma constante (para os objetivos de estudo deste trabalho) e pela equação:

<!-- formula-not-decoded -->

onde, 𝑓 ௔௖ é a força de atrito cinético e 𝜇௖ o coeficiente de atrito estático e, assim como o coeficiente de atrito estático, é dependente das superfícies em contato.

## Metodologia de Construção do Experimento

Como o experimento tem o objetivo de ter um aparato simples, acessível financeiramente e de boa compreensão para alunos de diversos níveis de escolaridade, escolhemos materiais simples e de fácil montagem visando facilitar sua reprodução.

A montagem inicial consiste em escolher uma superfície plana onde prender a lixa de madeira, parte áspera voltada para cima, com fita adesiva, atentando-se para haver espaço na própria superfície, de maneira que seja possível o carrinho percorrer a mesma distância sobre as duas extensões (lixa e mesa lisa). Logo após, posicionar a prancheta (34 cm x 23 cm) sobre um apoio, aproximadamente 10 cm de altura, de maneira que fique levemente inclinada em relação à mesa (note na figura 1 que um dos seus extremos fica em contato direto com a mesa e também com a lixa). Com o carrinho posicionado no topo da prancheta (ponto A), primeiro em direção a superfície lisa, soltá-lo e observar o movimento até o ponto B, depois, repetir o mesmo procedimento, mas com o carrinho na direção da superfície em que a lixa está posicionada.

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Figura 01: Demonstração de como ficará o experimento depois de montado.

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## Metodologia de Ensino

O experimento consiste em abandonamos o carrinho do repouso em duas situações, com isso o professor propõe aos alunos que levantem hipóteses, conforme sugere Carvalho (2013) nas sequências de ensinos investigativos, sobre o tempo que o carro levaria para se deslocar entre os pontos A e B. Após o levantamento de hipóteses as cronofotografias (figuras 02 e 03) dos movimentos serão exibidas a fim de que os alunos obtenham dados para confirmar ou refutar suas hipóteses.

Figura 02: Cronofotografia do movimento sobre a lixa.

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Figura 03 Cronofotografia do movimento sobre a superfície lisa.

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Após a participação dos alunos, cabe ao professor apresentar os dados analisados aos estudantes e, através destes, explicar de maneira teórica se as hipóteses anteriormente apresentadas por eles eram coerentes ou não. A videoanálise servirá como meio de visualizar mais detalhadamente o movimento e extrair dados mais precisos para esta análise, de modo a corroborar as constatações da parte empírica. Dados importantes como a posição do móvel, a velocidade, a aceleração etc. podem ser estimados e mostrados aos alunos por meios de gráficos. Utilizando os gráficos como ferramentas visuais, os alunos serão capazes de entender melhor o que acontece em ambos os casos, comparar os movimentos e compreender suas diferenças.

## Resultados

O experimento foi gravado por uma câmera de celular, visando também na análise, a manutenção da ideia de o trabalho ser de baixo custo. O movimento foi estudado no software Tracker e utilizando a ferramenta de rastreamento de movimentos do mesmo, verificamos a posição do carrinho quadro a quadro gerando assim as figuras 02 e 03, compondo mais uma etapa de estudos com os alunos antes da apresentação gráfica e matemática dos resultados.

Após tratarmos as informações sobre o movimento, as relacionamos graficamente. E o resultado obtido foi:

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Figura 04: Gráfico relacionando à posição x tempo do carro nas duas situações apresentadas no experimento.

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No gráfico das posições (figura 04) temos um movimento acelerado, no qual o carrinho ganha velocidade ao descer da rampa, em direção à pista. A partir do momento que o carrinho deixa a rampa, ele começa a perder velocidade, de modo que o percurso na pista lisa é completado em menos tempo. Podemos ver na inclinação dos gráficos que as velocidades passaram a ser diferentes no momento em que o móvel deixa a rampa e passa a percorrer superfícies distintas.

Figura 05: Gráfico relacionando à velocidade absoluta x tempo do carro nas duas situações apresentadas no experimento.

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No gráfico da velocidade (figura 05), a partir do instante que o carrinho abandona a rampa (com o primeiro par de rodas), as velocidades apresentam

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valores diferentes, devido ao terreno dos percursos. Isso mostra que o carrinho na pista lisa (pouco atrito) desacelera menos e termina o percurso em menos tempo em relação à pista de maior atrito.

Figura 06: Gráfico relacionando à velocidade horizontal x tempo do carro nas duas situações apresentadas no experimento.

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Na figura 06 destacamos o trecho do movimento no plano horizontal, onde verificamos velocidades iniciais e desacelerações diferentes.

Depois do instante que o carrinho deixa completamente a rampa (com as quatro rodas), aos 0,7 segundos, ajustamos linearmente as funções y1 e y2 e obtivemos acelerações 𝑎 = -0,63𝑚/𝑠² 1 e 𝑎 = -0,53𝑚/𝑠² 2 . Comparando as duas acelerações obtidas, a pista lisa deu ao carrinho uma desaceleração de 0,53𝑚/𝑠², enquanto a pista com a lixa deu ao carrinho uma desaceleração de 0,63𝑚/𝑠² . Através dos dados, concluímos que a pista lisa possui menor dificuldade de ser percorrida em relação à pista com a lixa (figura 06).

## Considerações Finais

Este é um trabalho em fase inicial, pois ainda não houve tentativas de aplicálo em sala de aula. Entretanto, os resultados iniciais do experimento, sejam eles de cunho empírico ou a partir da videoanálise, se mostraram bastante satisfatórios dentro da proposta de realização do projeto. Através de sua simplicidade na reprodução e de seus dados expressarem claramente os conceitos físicos pretendidos em seu planejamento, a experimentação se torna viável para diversos públicos, em diferentes contextos educacionais, enriquecendo assim a exposição do conteúdo pretendido.

- O tema abordado através desta experimentação abre possibilidades para contextualização, com enfoque em CTS, como por exemplo, a apresentação do

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funcionamento de freios ABS e o motivo de as estradas se tornarem mais perigosas em dias chuvosos. Esperamos dessa forma introduzir a ideia deste experimento, de maneira que o aluno veja o conteúdo apresentado em sala mais presente em seu cotidiano, gerando maior curiosidade em relação ao assunto e contribuição para que a física seja ensinada com enfoque prático e da maneira mais ampla e acessível possível.

## Referências

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MONTEIRO, M. A. A.; MONTEIRO, I. C. C.; GASPAR, M. Abordagem experimental da força de atrito em aulas de física do ensino médio. Cad. Bras. Ensino Fís. , v. 29, n. 3, p. 1121-1136, 2012.

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SINATORA, Amilton; TANAKA, Deniol Katsuki. As leis do atrito: da Vinci, Amontons ou Coulomb? Rev. Bras. Ciências Mecânicas , Rio de Janeiro, v. 12, n. 1, p. 31-34, 2007.

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