Instrumentos Históricos do laboratório de Física do Colégio Pedro II: O variador de Tom

## Instrumentos do laboratório de Física do Colegio Pedro II: O variador de Tom

## Jairo Freitas1 , Pedro Paulo Miranda de Freitas , Sergio Lima , Felipe 1 2 3 dos Santos 4

)

1 Colégio Pedro II, campus Centro, Dep. De Física/ EPSJV -Fiocruz, profjairofreitas@gmail.com

2 Graduando de Engenharia eletrônica e computação COOPE - UFRJ pedrofreitas@poli.ufrj.br

3 Colégio Pedro II, campus Centro, Dep. De Física, oigreslima@gmail.com 4 Colégio Pedro II, campus Centro, Dep. De Física

## Resumo

Neste trabalho apresentamos uma das primeiras incursões de um núcleo de memória de um dos laboratórios didáticos de nível médio de Física mais antigos do Brasil. O caminho escolhido foi o de aprofundar o entendimento de um dos objetos deste laboratório, o chamado variador de tom. Neste aprofundamento pudemos relacioná-lo a um significado histórico caro à Psicologia, ciência que ao final do século XIX e início do século XX se firmava como autônoma da Filosofia. O Variador de Tom foi desenvolvido pelo psicólogo Willian Stern especificamente para medidas acuradas da audição humana dentro do contexto da psicologia. Para desenvolver este trabalho, partimos de um breve histórico a respeito de como a Física tornou-se disciplina autônoma no Colégio Pedro II. Após isto discorremos sobre o inicio da constituição do atual laboratório de Física do Campus Centro. A seguir, caracterizamos o Ressonador ajustável (variador de tom) de Stern, seguida de uma sugestão de avaliação de sua precisão com suporte de gravação digital e análise de dados. Consideramos finalmente a pertinência desta prática experimental nas aulas de Física. Esta é vista como possibilidade de reinserção deste objeto no ensino da Física de modo contextualizado e articulado com outros campos do saber. Concluimos reafirmando o potencial de pesquisas do tipo para melhor compreensão da importância histórica do laborátorio didático de fisica e a pertinencia de reinserção destes objetos no ensino de física

Palavras-chave Introdução

: Ensino de Física, Objetos de C&T. História das ciências

Fundado em 1837 para oferecer ensino secundário, o Colégio Pedro II (CPII) é um marco na história da educação brasileira. Atravessou momentos históricos significativos para o país, tais como o período do Império e o surgimento da República.

O campus centro do Colégio Pedro II, onde se iniciou o colégio, possui um significativo acervo de equipamentos (objetos) destinados a aulas experimentais. Segundo Granato e Lourenço, (2010):

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As origens do Colégio Pedro II remontam a 1837, e esse conjunto de objetos, representativo dos procedimentos educativos em aulas experimentais de física, especialmente do início do século XX, talvez seja o testemunho mais significativo e importante no país nessa área. (Granato e Lourenço, 2010, p 12).

Entre os anos de 2007 a 2010 o Laboratório de Física do Campus Centro contou com o auxílio da equipe do MAST na preservação do conjunto de objetos históricos, onde 738 objetos foram inventariados (Ferreira et all, 2010). Essa aproximação se deu a partir do projeto Thesaurus de acervos científicos em língua portuguesa desenvolvido pelo MAST e pelo Museu de Ciências da Universidade de Lisboa. (Granato, 2013)

Com o objetivo pesquisar a História do Ensino de Física Experimental no Colégio Pedro II e no Brasil foi criado em 2017 o núcleo de memória dos laboratórios do colégio Pedro II. O núcleo tem ainda como objetivos a recuperação, conservação e desvelamento de artefatos experimentais históricos do Colégio Pedro II e o desenvolvimento de aplicações contemporâneas de equipamentos históricos no ensino de Física.

Segundo Meloni e Granato (2014), desde o início do século XIX até os anos de 1960, as escolas brasileiras empenharam-se na aquisição de objetos de educação em Ciências. Após este período, com a desvalorização das metodologias que davam suporte a experimentação, tais materiais foram esquecidos. No caso do colégio Pedro II não foi diferente, contudo uma parte expressiva desta 'memória' permanece. Dessa forma, vale inicialmente compreendermos em que contexto o laboratório de física foi instituído. A forma do atual laboratório constituiu-se após a separação definitiva entre as disciplinas quimica e física na década de 1920

## Física como disciplina autônoma

Desde sua inauguração (1938) até 1925, as disciplinas Física e Química do CPII foram apresentadas justapostas. Apenas a partir de 1925 é que, definitivamente, separam-se e a Física se firma como disciplina autônoma. Neste contexto e tendo como influência o modelo de ensino francês, o programa de ensino do ano de 1926, resultado da reforma de 1925, apresenta 'lições práticas' de física. Isto evidencia a importância da prática no ensino como parte integrante da disciplina (Vechia e Lorenz, 1998, apud Silva, 2014)

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A importância da reforma para o colégio Pedro II e para o ensino secundário do país pode ser expresso pelo decreto 16.782-A, A Reforma João Luiz Alves. Conhecida por Lei Rocha Vaz (1925) a lei faz constar que os colégios adequariam seu ensino ao do Colégio Pedro II, ' 16.782-A equiparação ao Pedro Segundo, mediante condições, aos estabelecimentos de ensino secundário oficialmente mantidos pelos Estados' ( Decreto Nº 16.782 A - de 13 de Janeiro de 1925)

Na esteira dos esforços em separar a física e a química destacam-se pari passu alguns períodos importantes para o estabelecimento do laboratório de física. Entre 1917 e 1925 tem-se as primeiras referências encontradas sobre o gabinete de Physica e Chimica do Colégio Pedro II (constam de um relatório apresentado pelo Diretor Dr. Carlos de Laet). Em1926 há a nomeação como diretor efetivo do Externato o Professor Euclides Roxo, no cargo como interino desde a Reforma Rocha Vaz, em 1925. A ele coube a realização das comemorações pelo centenário de nascimento de D. Pedro II, sendo inaugurada nessa ocasião uma placa comemorativa ao centenário do patrono. No ano de 1925, devido à Reforma João Alves, ocorre o desmembramento das disciplinas Física e Química, seguido de um maior desenvolvimento na abordagem educacional, com avanços mais significativos.

Entretanto, apenas em 1929 o Laboratório de Física passa por uma grande aparelhagem, contando ainda com mais obras físicas para sua estruturação. As obras realizadas para adaptação do novo Gabinete de Física remodelaram as dependências do antigo Gabinete de Historia Natural. Dória (1997), indica que no período de 1925 os professores já solicitavam que fosse adicionado o ensino prático da Física ao ensino teórico e aponta:

Crédito de 150 contos votado pelo Congresso para os gabinetes de ciências físicas e naturais, permitiu em 1927, no Externato, aparelhar os gabinetes de Física e Química. Sensivelmente alargado, o primeiro ficou possuidor do que requer o ensino moderno da Física, podendo, segundo o diretor Roxo, sofrer confronto com qualquer estabelecimento congênere nacional ou estrangeiro. Ao professor Dodsworth, aos seus esforços, ficou devendo a cadeira de Física do Externato importantes melhoramentos materiais, uma das salas do gabinete tendo recebido o nome daquele professor. (DÓRIA, 1997, p. 235)

Dessa forma, o laboratório de Física do Colégio Pedro II fora equipado com aparelhos, os mais modernos à época. Provavelmente, estes foram empregados de maneira produtiva nos anos subsequentes. Ferreira et all (2010) constatou que a coleção do Laboratório de Física do Colégio Pedro II é formada por fabricantes alemães e, em menor número, objetos de origem francesa como Maison J. Salleron;

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Jules Duboscq; Chales-Chevalier e Les Fils & Deyrolle e de outras origens com a italiana La Filotecnica e a americana E. Edelmann & Company. As fábricas francesas em Paris e as demais em Milão, New Jersey e Chicago (Ferreira et all, 2010, p 137).De nossa observação podemos ainda identificar empresas brasileiras como importadoras e ou fabricantes de alguns dos materiais.

Um dos aspectos importantes e que ajudariam a entender a formação do laboratório é o o critério de escolha dos objetos. Entretanto, antes disto nos deparamos com a dificuldade de identificar alguns desses objetos que parecem ter sido representativos, mas que perderam sua função. Hoje estes objetos necessitam ser redescobertos para daí compreendermos sua importância histórica.

## Um 'instrumento da Psicologia' : O Variador de Tom de Stern

A figura 1 apresenta o laboratório de Física em 1930. No centro está um modelo do chamado 'variador de Tom' de Stern. Este é um bom exemplo de articulação entre duas ciências, a Física e a Psicologia.

Figuras 1 - Gabinete de Física: Sala de depósito dos aparelhos (1929). ROXO, Euclides de Medeiros Guimarães. Relatório concernente aos anos letivos de 1927 a 1929 : apresentado ao Exmo. Sr. Diretor Geral do Departamento Nacional do Ensino pelo Prof. Euclides de Medeiros Guimarães Roxo. Rio de Janeiro: Colégio Pedro II, 1930, p.109-116. (Apud Ferreira, et all, 2010

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A sua centralidade na figura sugere que este aparelho foi importante à epoca. Concebido inicialmente por Willian Stern no final do século XIX para estudos

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de psicologia diferencial, O variador de tom é utilizado como fonte sonora (ressonador), com fluxo de ar e com ajustes, permitindo a variação do tom. Na parte superior (figura 2) o fluxo de ar entra e, com a variação do embolo dentro do pistão (corpo central), sintoniza-se as variadas frequências de som. Nosso modelo é do fabricante Max Kohl AG, Chemnitz, Alemanha. Vamos desenvolver uma breve contextualização histórica e também discutir aspectos da precisão do instrumento enquanto aferidor da sensibilidade auditiva.

Figura 2 Variador de Tom de Willian Stern foto: Laura Miranda

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William Stern nasceu em 1871, na cidade de Berlim, Alemanha. Psicólogo e filósofo, é apontado como um dos pioneiros da psicologia da personalidade e inteligência. Foi um dos formuladores do conceito de Quociente de inteligência, o QI, e integrou a geração inicial dos psicólogos responsáveis por torna-la autônoma da filosofia (stock, 2011). Segundo Horst Gundlach (2007) a pesquisa experimental em psicologia foi de capital importância para a afirmação desta ciência:

A fundação dos laboratórios psicológicos mencionados anteriormente e a conseqüente disseminação do termo 'instrumentos psicológicos' ocorreram durante um período de transição, quando os estados alemães consideravam a psicologia uma disciplina auxiliar da filosofia, e ainda não eram psicólogos autônomos formadores de disciplina. É dentro dessa disciplina auxiliar que encontramos as primeiras tentativas de práticas psicológicas cientificamente fundamentadas e o desenvolvimento de instrumentos de psicologia aplicada, que abriram caminho para uma disciplina autônoma de psicologia formando psicólogos profissionais. '(Horst Gundlach, 2007, p. 195) (tradução nossa)

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O psicólogo alemão William Stern inventou o variador de tom em 1897, para estudar a sensibilidade humana às mudanças de som. Ele avançou na pesquisa psicofísica tradicional de estudar a sensibilidade a diferenças em tons discretos. Para isto ele precisava de um instrumento mais preciso. O instrumento consiste em um ressonador de latão ajustável, funcionando a partir de um fluxo constante de ar que deve entrar através da abertura da parte superior. Na frente do aparelho consta um seletor graduado que ao girar eleva ou abaixa um pistão na parte inferior do ressonador, alterando-se com isto o comprimento de seu interior, alterando consequentemente o tom sonoro em uma faixa contínua. A parte interna do seletor tem forma de espiral (figura 5), fazendo com que ângulos de rotação iguais correspondam, aproximadamente, a mudanças iguais na frequência. O mostrador na frente do seletor indica a freqüência de ressonância atual e o tom musical do instrumento.

Stock (2011) descreve a evolução do instrumento desenvolvido por Stern até este chegar ao modelo final (figuras 3 a 5)

Figura3 : Estrutura do variador tom de Stern em torno de 1895. Um tanque de abastecimento M fornece o variador de V com fluido. O variador está ligada à garrafa por um tubo de X e gere o seu nível de água e, portanto, o campo. O W tubo liga a garrafa F ao fole soprando a F. A flutuar S significa o nível de água dentro do variador (Armin Stock, 2011

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Figura 4 : Versão otimizada, 1899 (Armin Stock, 2011

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Figura 5 : Principio de operação do novo variador de Tom , 1901 (Armin Stock, 2011)

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Segundo Stock (2014), não há duvida de que o variador de tom seria um instrumento bem projetado para a época. Teoricamente poderia apresentar cada tom no mesmo volume. Entretanto varias das grandezas deveriam ser ajustadas empiricamente, como a relação entre a frequência e o nível da coluna de ar. Em seu uso regular, o variador de tom deveria ser controlado e ajustado frequentemente

Do ponto de vista de nossa pesquisa, várias questões surgem com o conhecimento deste inestimável instrumento no laboratório de Física do Cólegio Pedro II. Teria sido ele obtido diretamente do fabricante, ou por doação?. Como um aparelho especializado torna-se objeto do catálogo de um dos mais importantes fabricantes de instrumentos didáticos? Haveria outros 'instrumentos psicológicos' no laborátorio?

## Avaliando a precisão do Variador

Da nossa parte, seguindo o artigo de Stock, consideramos verificar a precisão do variador de tom. Desenvolvemos a avaliação para compararmos com os resultados de Stock e avaliar a qualidade de nosso equipamento após estes anos todos sem uso. Consideramos também como possibilidade de inserção em uma prática experimental com nossos alunos. Os resultados serão apresentados a seguir e ainda possuem caráter preliminar.

Para proceder as medidas, ligou-se o variador a um compressor bc21b de pressão contínua . A gravação foi realizada por um microfone de alta classe Shure, modelo PGA57. O microfone foi escolhido devido a sua resposta de frequência

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linear dentro do espectro medido. O microfone foi posicionado a 20 cm do variador de tom. Foi utilizada uma interface da marca Behringer e, para a gravação, utilizamos o programa REAPER, de uso comercial. A análise dos dados foi realizada pelo programa Audacity, um software open source. Foram feitas varreduras de frequências do variador, movendo-se o seletor do mesmo entre seus extremos. Para facilitar a identificação dos tons, durante as varreduras, o seletor permanecia por alguns segundos nas indicações nominais do variador. Isto é traduzido pelos picos que aparecem no gráfico abaixo. O gráfico inclui o ruido ambiente de baixa frequência, como podemos atestar a partir da gravação do ruído de fundo.

Figura 6: Gráfico gerado pelo audacy. Resposta em frequência Variando entre 300Hz e 600 Hz a marcação do instrumento.

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A tabela abaixo compara alguns dos resultados de Stock com os obtidos pelo nosso grupo. Vale salientar que, diferente do trabalho de Stock, não procedemos qualquer regulagem ou ajustes no nosso variador. Ainda assim obtémse medidas que consideramos razoáveis, Medidas mais acuradas podem melhorar o resultado. Além disso um tratamento experimental mais acurado será objeto de trabalhos futuros.

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*Trabalho de Stock (2011) **Medidas Freitas et all

## Considerações finais

Este trabalho apresentou um aprofundamento histórico de um dos objetos representativos de um dos laboratórios didáticos de física de ensino médio mais antigos do Brasil. Um olhar mais detalhado sobre o objeto possibilitou-nos sugerir articulação entre saberes. No aprofundamento, pudemos relacionar o variador de tom a um significado histórico, caro à Psicologia que, no final do século XIX e início do século XX, se firmava como ciência autônoma da Filosofia. O Variador de Tom de Willian Stern foi desenvolvido especificamente para medidas acuradas da audição humana dentro do contexto da psicologia.

A criação do instrumento remonta ao nascimento da psicologia moderna, onde a base experimental foi importante para legitimar a nascente ciência. Stern é um psicologo do meado/ fim do século XIX que se dispõe a criar um instrumento requintado à época para analisar a correspondência entre a inteligência humana e a sensibilidade do sentido da audição.

Além da possibilidade de discussão histórica, sugerimos que a avaliação da precisão do instrumento, nos moldes apresentados no texto, pode viabilizar a reinserção do instrumento histórico nas aulas práticas. Sinalizamos com uma atividade experimental de aferição do aparelho através de recursos que podem ser

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obtidos com razoável facilidade e que integra aprendizagem de processamento de audio, manipulação de software e interpretação de dados.

Vislumbramos que a incursão histórica com o intuito de redescobrir os objetos do laboratório se mostra profícuo para se compreender um pouco mais sobre a constituição do laboratório e no futuro se entender melhor seu papel no ensino de física. O estudo indica possibilidades de se construir também novos significados a este e outros objetos históricos do acervo de nosso laboratório

## Referências

Stock, Armin: About the historical development and precision of psychoacoustic instruments. Part 1: William Stern's Tone-Variator Teorie &amp;modelli XVI(2):103-115 · January 2011 Disponivel em ttps://www.researchgate.net/publication/276963554\_About\_the\_historical\_developm ent\_and\_precision\_of\_psychoacoustic\_instruments\_Part\_1\_William\_Stern's\_Tone-Variator

Dória, Escragnolle. Memória histórica do Colégio de Pedro Segundo Brasília: Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais, 1997. XXVIII, 302 p.;

Ferreira, M A Marcus Granato, M. Brasil, Z F e Calvão, Alexandre: O Conjunto De Objetos De Ensino Do Laboratório De Física Do Colégio Pedro II . Disponivel em http://www.mast.br/ projetovalorizacao/textos/cole% C3%A7%C3%B5es%20lus obrasileiras/09%20O%20

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