INVESTIGANDO AS POTENCIALIDADES DE UM LABORATÓRIO EXPERIMENTAL ITINERANTE NACONSTRUÇÃO DO CONHECIMENTO: O PROBLEMA DA QUEDA DOS CORPOS E A INTERAÇÃO COM FLUIDOS

## INVESTIGANDO AS POTENCIALIDADES DE UM LABORATÓRIO EXPERIMENTAL ITINERANTE NA CONSTRUÇÃO DO CONHECIMENTO: O PROBLEMA DA QUEDA DOS CORPOS E A INTERAÇÃO COM FLUIDOS

Juciane Aparecida Martins 1 , Ulisses Azevedo Leitão 2

1 Escola Doutor Ernane Vilela Lima, juciane.martins@educacao.mg.gov.br 2 Universidade Federal de Lavras, ulisses@ufla.br

## Resumo

Este trabalho apresenta uma proposta que avança sobre as possibilidades do ERE 'Ensino Remoto Emergencial', propondo um 'Laboratório Experimental Itinerante', que permite ao estudante desenvolver atividades experimentais investigativas em casa, partindo do pressuposto da importância da experimentação e da vivência concreta do estudante com as situações reais do mundo Físico no processo de ensino e aprendizagem. O 'Laboratório Itinerante', montado a partir de materiais de baixo custo, foi enviado à casa do estudante por intermédio do professor, apresentando um projeto de aprendizagem, baseado nas atividades investigativas e nos ciclos de modelagem. O trabalho foi desenvolvido a partir de uma sequência didática investigativa para os estudantes do 3º ano do Ensino Médio e teve como objetivo instigar o estudante à observação e análise da queda dos corpos avaliando a interação entre eles. Durante a sequência didática, os estudantes foram confrontados com os modelos de força de arraste Newtoniano e Viscoso, e colocados, sempre, como cidadãos participativos no processo de ensino aprendizagem. Por meio dos resultados obtidos, constatou-se que o 'Laboratório Experimental Itinerante' a partir das atividades investigativas, contribuindo para uma aprendizagem crítica e criativa, agregando a construção do conhecimento e habilidades cognitivas por parte dos estudantes, dando destaque a um ensino de física para contemporaneidade em que novas mídias,tecnologias e estratégias fizeram parte da inovação no processo de ensino e aprendizagem em que os estudantes foram capazes de construir significados essenciais, por meio de um ambiente investigativo nas aulas de ciências, ampliando gradativamente sua cultura científica.

Palavras-chave : Laboratório Itinerante. Atividades Investigativas. Força de arraste.

## Introdução

O presente estudo investiga as potencialidades de um Laboratório Experimental Itinerante (LI) aplicado ao contexto de Ensino Remoto Emergencial (ERE) durante a pandemia de COVID-19. O foco está no ensino de Física, particularmente na análise do movimento de corpos em queda imersos em fluidos, abordando conceitos como a força de arraste e a resistência do ar. A implementação do LI teve como objetivo oferecer uma experiência prática, mesmo à distância, mantendo a qualidade do ensino e promovendo a construção do conhecimento de forma crítica e participativa.

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

## Objetivos e Contextos

Este estudo foi realizado com 12 estudantes do 3º ano do Ensino Médio de uma escola em Nepomuceno, MG. O principal objetivo foi avaliar a eficácia do Laboratório Itinerante na construção de conceitos físicos complexos como a queda de corpos sob a resistência de fluidos. Foram exploradas metodologias de ensino por investigação e ciclos de modelagem, adaptados ao ensino remoto. Além de fornecer suporte conceitual, o laboratório itinerante incentivou os estudantes a formular hipóteses, testar modelos e desenvolver habilidades de pensamento científico, dentro de um contexto desafiador de isolamento social.

## Física do Problema

No centro do estudo está a Física do movimento de esferas imersas em fluidos. Os fenômenos analisados incluem o arrasto viscoso e o arrasto newtoniano, cada um com sua respectiva influência sobre a queda dos corpos. O número de Reynolds é o parâmetro que distingue esses dois regimes de escoamento, sendo ele a razão entre a força de inércia e a força viscosa que atua sobre um corpo em movimento. Com base no número de Reynolds, os estudantes foram desafiados a distinguir situações onde o arrasto viscoso prevalece, o que ocorre em fluidos mais densos e velocidades mais baixas, e situações onde o arrasto newtoniano domina, em velocidades maiores.

A atividade visa a investigação experimental de esferas caindo em líquidos como óleo e glicerina, fluidos com diferentes viscosidades, Isso permitiu a visualização de como a força de arraste afeta a velocidade de queda. Foram feitas comparações entre o comportamento real das esferas e as previsões teóricas baseadas nos modelos de arrasto newtoniano e viscoso. Durante as atividades, os estudantes discutiram a equação da força de arraste newtoniano:

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e a equação da força de arraste viscoso, dada por:

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Segundo Leitão (2017), o arraste Newtoniano se origina no choque de partículas do fluido contra a esfera e depende da densidade e da velocidade ao ρ quadrado, . O arraste viscoso depende da viscosidade e do raio da esfera 𝑣 , 𝐸𝑞. 1 2 η r, Eq.2. Essas expressões permitem a compreensão da dinâmica de queda dos corpos, e os estudantes aplicaram os conceitos para calcular a velocidade terminal. A combinação de experimentação e modelagem matemática foi essencial para solidificar esses conceitos abstratos.

## Metodologia do Laboratório Itinerante

A metodologia do Laboratório Experimental Itinerante (LI) foi desenvolvida como uma solução inovadora para os desafios impostos pelo Ensino Remoto Emergencial (ERE), durante a pandemia de COVID-19. O LI permite que os

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estudantes realizem experimentos físicos investigativos em suas próprias casas, utilizando materiais de baixo custo, enviados pelos professores. Essa abordagem promoveu a experimentação prática e investigativa, elemento central no processo de ensino de Física, mesmo sem o acesso presencial ao laboratório escolar.

Mais detalhes sobre a proposta de atividades e a metodologia de análise podem ser verificadas em Martins (2022). A concepção de atividades investigativas e método de análise das interações discursivas seguem Suart e Marcondes (2008).

## Etapas do processo de Ensino com Laboratório Itinerante

O Laboratório Itinerante foi planejado para seguir uma sequência de etapas que guiaram os estudantes ao longo do processo investigativo, com foco no desenvolvimento de habilidades cognitivas, experimentais e de modelagem matemática. Abaixo estão as etapas principais:

## 1 - Planejamento do Experimento

Os estudantes foram introduzidos ao conceito de queda de corpos em fluídos e à força de arraste, tanto newtoniano quanto viscoso. A professora forneceu uma explicação teórica inicial, além de questionar os alunos sobre suas ideias prévias e hipóteses acerca de resistência de fluidos. A partir dessa introdução, os estudantes formularam suas próprias hipóteses sobre o comportamento de esferas de diferentes materiais e tamanhos ao cair em líquidos de diferentes viscosidades, como óleo e glicerina.

## 2 - O uso do Laboratório em casa

A professora enviou um kit experimental para cada estudante, contendo esferas de tamanhos e materiais variados, assim como recipientes com líquidos de diferentes viscosidades. Os materiais foram selecionados para garantir que o experimento pudesse ser feito de forma segura e eficiente em casa, sem a necessidade de equipamentos avançados. Instruções detalhadas foram dadas para que os estudantes montassem seus próprios 'mini-laboratórios', criando as condições para realizar os experimentos de forma independente.

## 3 - Execução do Experimento

Seguindo um roteiro investigativo proposto, os estudantes realizaram os experimentos em casa. Eles soltaram as esferas nos líquidos e mediram o tempo necessário para que cada esfera atingisse o fundo do recipiente.

Durante essa fase, eles observaram como a viscosidade do líquido e as propriedades das esferas influenciam a velocidade de queda, coletando dados sobre a velocidade terminal de cada esfera.

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## 4 - Análise dos Resultados

Com os dados coletados, os estudantes compararam suas observações com as previsões teóricas baseadas nas fórmulas de arrasto newtoniano e viscoso. Eles utilizaram as equações Eq. 1 e Eq.2 para calcular a velocidade terminal esperada e comparar com os valores experimentais. Nesse ponto, eles precisaram analisar possíveis discrepâncias entre os resultados observados e os teóricos.

## 5 - Discussão dos Resultados

Em sessões síncronas com a professora, os estudantes discutiram os resultados obtidos, levantando hipóteses sobre possíveis fontes de erro experimental e propondo maneiras de melhorar a precisão dos experimentos. Essa etapa foi fundamental para que os alunos refletissem criticamente sobre o processo e desenvolvessem suas habilidades de argumentação científica.

## 6 - Revisão e ajustes

Baseados nos diálogos com a professora e os colegas, os estudantes ajustaram suas hipóteses e refizeram partes dos experimentos, se necessário. Essa revisão reforçou a importância do ciclo investigativo contínuo e da modelagem matemática como ferramentas de validação científica.

## 7 - Apresentação dos resultados

Ao final do processo, os estudantes apresentaram suas conclusões em relatórios escritos, onde discutiram como a resistência dos fluidos influenciou a queda dos corpos e se suas previsões teóricas foram ou não confirmadas pelos dados experimentais.

O roteiro investigativo que orientou os estudantes seguiu o seguinte formato:

- 1. Questão Investigativa: Como a viscosidade de diferentes líquidos afeta a velocidade de queda de esferas de tamanhos variados?
- 2. Hipóteses: Os estudantes foram incentivados a levantar hipóteses sobre a relação entre o tamanho das esferas, a densidade dos líquidos e a velocidade terminal alcançada pelas esferas.
- 3. Planejamento Experimental: Montagem do experimento com base nas instruções fornecidas, utilizando as esferas e líquidos enviados.
- 4. Coleta de Dados: Medição dos tempos de queda das esferas em diferentes líquidos e observação da velocidade terminal.
- 5. Análise dos Resultados: Cálculos comparativos entre os dados experimentais e as previsões teóricas.
- 6. Discussão: Reflexão sobre os resultados obtidos e possíveis ajustes no experimento.

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A sequência didática foi desenvolvida para garantir que os estudantes seguissem um processo investigativo completo, no qual pudessem testar suas hipóteses, desenvolver habilidades analíticas e revisar seus modelos mentais, culminando na formulação de conclusões embasadas em evidências experimentais.

## Resultados

Os resultados demonstraram que a implementação do Laboratório Itinerante foi eficaz na promoção de um aprendizado ativo e investigativo. Durante o desenvolvimento das atividades, os estudantes enfrentaram diversos desafios na compreensão dos conceitos de resistência do ar e arrasto viscoso. Inicialmente, muitos apresentaram dificuldade em distinguir os efeitos do arrasto viscoso e do arrasto newtoniano. O diálogo a seguir ilustra essa dificuldade:

Estudante A: "Eu entendi que a esfera cai mais devagar no óleo, mas não sei por que isso acontece."

Professora: "Lembra da viscosidade? O óleo é mais viscoso que a água, o que significa que oferece mais resistência ao movimento da esfera. Como isso afeta a velocidade de queda?"

Estudante A: "Ah, então é por isso que a esfera demora mais para cair. A resistência é maior."

Com o decorrer das aulas, o uso de modelos matemáticos para prever a velocidade terminal ajudou os estudantes a superar essas dificuldades. Ao realizarem os experimentos em casa, eles começaram a aplicar os conceitos de maneira mais autônoma. Um exemplo de avanço significativo é observado no seguinte diálogo:

Estudante B: "Agora entendi que quando o número de Reynolds é pequeno, a força de arrasto viscoso é dominante. Isso acontece no óleo, porque o fluido é mais denso."

Professora: "Exato! E como você pode calcular a velocidade terminal a partir disso?"

Estudante B: "Usando a equação de Stokes para o regime viscoso, onde a velocidade terminal depende da viscosidade e do raio da esfera."

Essa interação evidencia o progresso cognitivo dos estudantes, que passaram a relacionar teoria e prática de forma mais integrada. Além disso, a mediação contínua da professora foi crucial para o sucesso do processo investigativo, incentivando os estudantes a formularem novas hipóteses e testar suas previsões.

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Outro aspecto importante foi a validação dos modelos propostos pelos estudantes. Em um dos experimentos, um grupo comparou os resultados teóricos com os observados e identificou uma discrepância significativa. Isso gerou uma discussão sobre possíveis fontes de erro:

Estudante C: "Nosso cálculo da velocidade terminal deu um valor maior que o observado. O que pode ter causado isso?"

Professora: "Podem existir várias razões, como a precisão na medição do raio da esfera ou até a presença de impurezas no fluido que não foram consideradas no modelo."

A partir desse diálogo, os estudantes refinaram seus experimentos, ajustando variáveis e desenvolvendo um entendimento mais profundo da relação entre teoria e prática.

## Conclusão

Os resultados indicam que o uso do Laboratório Itinerante, mesmo em um contexto de ensino remoto, foi bem-sucedido na promoção de habilidades investigativas e cognitivas avançadas entre os estudantes. O método permitiu que os alunos desenvolvessem uma compreensão sólida dos fenômenos físicos envolvidos na queda de corpos em fluídos, além de incentivá-los a participar ativamente no processo de aprendizagem, realizando experimentos e comparando dados reais com modelos teóricos.

Essa proposta pedagógica não apenas manteve os estudantes engajados durante o ERE, mas também ofereceu uma experiência rica de aprendizagem prática e colaborativa, que pode ser adaptada para o ensino presencial ou híbrido no futuro.

## Referências

LEITÃO, U. A. et al. A bullet fired in dry water: an investigative activity to learn hydrodynamics concepts. Physics Education , v. 52, n. 01, jan 2017.

MARTINS, J. A. Investigando as potencialidades de um laboratório experimental itinerante na construção do conhecimento: o problema da queda dos corpos e a interação com fluidos. 2022. 82 p. Dissertação (Mestrado Profissional Nacional em Ensino de Física) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2022.

SUART, R.; MARCONDES, M. Atividades Experimentais Investigativas: Habilidades Cognitivas Manifestadas por Alunos do Ensino Médio . Curitiba, 2008. Disponível em: &lt;http://www.quimica.ufpr.br/eduquim/eneq2008/resumos/R0342-1.pd.2008&gt;.

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