Construindo um sistema hidráulico: uma proposta para o ensino do Princípio de Pascal no Ensino Médio

## Construindo um sistema hidráulico: uma proposta para o ensino do Princípio de Pascal no Ensino Médio

## Fernando Grillo Araújo 1 , Tassiana Fernanda Genzini de Carvalho 2

- 1 Secretaria de Educação e Esportes de Pernambuco/EREM Padre Zacarias Tavares, f ernandogrillo.1979@gmail.com

2 Universidade Federal de Pernambuco/Núcleo de Formação Docente - CAA, tassiana.fgcarvalho@ufpe.br

## Resumo

Na educação básica os conteúdos de física geralmente são considerados pelos estudantes como os mais difíceis a serem compreendidos. Uma das razões são as aulas que priorizam a memorização de fórmulas e a resolução de exercícios. Nessa perspectiva, o presente trabalho traz um relato de experiência em sala de aula, com turmas do primeiro ano do ensino médio, da rede pública estadual de Pernambuco, sobre atividades experimentais de hidrostática para abordar o Princípio de Pascal -, que reúne diferentes tipos de propostas experimentais. A atividade propõe aos alunos a construção de um sistema hidráulico. O objetivo deste trabalho foi apurar, a partir das atividades de laboratório didático, a compreensão e o envolvimento dos alunos sobre o conceito ensinado, pois acreditamos que, através desse modelo de atividade, pode-se desenvolver um aprendizado mais interessante, na medida em que ela possibilita relacionar a teoria e a prática, bem como favorecer o entendimento sobre como essa teoria ensinada é aplicada em situações análogas ao cotidiano. Nosso trabalho também se apoia nas ideias de Vygotsky, referente a teoria sociocultural na formação do conceito científico através do conceito espontâneo. Os resultados apresentados mostram que as atividades com laboratórios didáticos proporcionam maior envolvimento, compreensão e autonomia dos alunos sobre um conceito ensinado, possibilitando assim a formação dos conceitos científicos.

Palavras-chave : Sistema Hidráulico; Hidrostática; Princípio de Pascal; Experimentação.

## Introdução

Na educação básica os conteúdos de física são considerados, pelos estudantes, como os mais difíceis. Segundo Souza Junior et al. (2017) é necessário discutir a forma de ensino, apontando, entre os diversos problemas, as aulas que priorizam a memorização dos conteúdos, não fazendo adaptação à realidade dos estudantes e sem fazer relação entre o conceito ensinado e a sua aplicação no cotidiano, o que resulta em aulas tradicionais, que priorizam a resolução de exercícios, além de adotarem a prova escrita como único instrumento de avaliação.

Uma boa estratégia a ser utilizada, que pode contribuir com o trabalho docente, bem como ajudar os alunos na compreensão sobre os conceitos de física, são as atividades experimentais, que além de favorecer a compreensão, também pode fazer uma conexão entre a teoria e a prática. Gaspar e Monteiro (2005), apresentam razões positivas para se trabalhar com atividades experimentais de demonstração, tais como: a possibilidade de ser realizada com um único instrumento, dispensando a necessidade de mais instrumentos para o manuseio dos alunos; a atividade pode ser

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

executada dentro da aula teórica, permitindo que os alunos façam uma conexão imediata com a teoria; poder despertar maior interesse dos alunos pela ciência, predispondo-os a aprendizagem. Os autores também trazem um estudo sobre a fundamentação, estruturação e desenvolvimento de atividades experimentais demonstrativas, cujo embasamento teórico-pedagógico se apoia na teoria sociocultural de Vygotsky, que por sua vez, discute a formação de conceitos espontâneos e científicos na criança.

Considerando que a física estuda os fenômenos da natureza, a atividade experimental pode contribuir na apresentação dos fenômenos, junto com o seu respectivo conceito, bem como a sua aplicação no cotidiano. Araújo e Abib (2003) destacam a importância que diversos pesquisadores têm dado sobre as atividades experimentais, afirmando haver um consenso entre eles sobre o seu potencial em aprendizagem significativa.

Atividades experimentais de demonstração convergem à uma proposta de laboratório didático chamado laboratório demonstrativo. No trabalho de Alves Filho (2000) são apresentados diversos tipos de laboratórios, dos quais destacamos dois: laboratório demonstrativo, cujo objetivo é demonstrar os conceitos trabalhados em sala de aula, onde o aluno é apenas um espectador; laboratório divergente, onde os alunos têm liberdade de desenvolver o experimento do modo que jugar mais conveniente.

Sobre este cenário, o presente artigo traz um relato de experiência em sala de aula, com turmas do primeiro ano do ensino médio, da rede pública estadual de Pernambuco, sobre atividades experimentais de hidrostática - Princípio de Pascal -, que reúne os dois tipos de laboratórios didáticos citados e que propõe aos alunos a construção de um sistema hidráulico. O trabalho teve como objetivo, a partir das atividades de laboratório didático, apurar a compreensão e o envolvimento dos alunos sobre o conceito ensinado, pois acreditamos que através desse modelo de atividade, pode-se desenvolver um aprendizado mais interessante para os alunos, na medida em que a atividade possibilita relacionar a teoria e a prática, bem como favorecer o entendimento sobre como essa teoria ensinada é aplicada no cotidiano. Nosso trabalho também se apoia nas ideias de Vygotsky, referente a teoria sociocultural na formação do conceito científico através do conceito espontâneo - mencionada no trabalho de Gaspar e Monteiro (2005).

Segundo Vygotsky (2001), no conceito espontâneo a aprendizagem se dá por diferentes maneiras ao longo da vida da criança, diferente do que ocorre com o conceito científico, porém é ressaltado que os conceitos espontâneos em uma criança só ganham sentido quando compartilhados com um adulto, contribuindo assim para a formação do conceito científico, ou seja, tanto conceito espontâneo pode contribuir para a formação de conceito científico, como os conceitos científicos podem contribuir para dar significado aos conceitos espontâneos dos estudantes, que é o foco do nosso trabalho.

Durante as aulas de hidrostática são apresentados dois experimentos, além de um sistema de elevador hidráulico, a fim de ilustrar os conceitos trabalhados em aula (laboratório demonstrativo), após a demonstração os experimentos ficam à disposição dos alunos, para que possam manusear e compreender melhor o funcionamento deles, no final da aula é proposto que os alunos construam qualquer tipo de sistema hidráulico, para que seja apresentado posteriormente (laboratório divergente).

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## Ensino de Hidrostática

A hidrostática é um ramo da física que estuda o comportamento dos fluidos - os líquidos e os gases - no estado de repouso. Um corpo, imerso em um fluido, é submetido a uma força, que atua em todas as partes do corpo, cuja direção é sempre perpendicular a superfície do corpo. Essa força que o fluido faz sobre um corpo, aplicada a cada unidade de área do corpo, é chamada de pressão, cuja unidade de medida, entre outras, pode ser apresentada em Newtons por metro quadrado (N/m²) (Keller, 1997).

De acordo com o Currículo de Pernambuco (Secretaria de Educação e Esporte, 2021), o ensino de hidrostática deve contemplar as seguintes habilidades:

- · Coletar e interpretar resultados/dados e realizar previsões sobre atividades experimentais, fenômenos naturais e processos tecnológicos, com base nas noções de probabilidade e incerteza (baseado na teoria dos algarismos significativos), reconhecendo os limites explicativos das ciências e explorando possibilidades de novas teorias.

No que confere aos objetos do conhecimento, de acordo com o Currículo de Pernambuco (Secretaria de Educação e Esporte, 2021), os objetos de conhecimento são:

- · Aplicada à todas as outras habilidades como um componente experimental com ênfase em hidrostática (pressão hidrostática, teorema de Stevin, Experimento de Torricelli e Pressão Atmosférica, Vasos Comunicantes, Teorema de Pascal, Prensa Hidráulica, Teorema de Arquimedes).

Destaca-se, portanto, que proposta apresentada neste trabalho dialoga com as habilidades mencionadas no Currículo de Pernambuco, uma vez que os alunos, ao construírem um sistema hidráulico, também realizarão uma atividade experimental, fazendo medições, testando técnicas de procedimento, avaliando a viabilidade daquilo que pode ou não dar certo, além de estudarem a melhor forma de concluir o trabalho - material adequado, técnica mais eficaz, precisão na montagem, entre outros.

Fazendo um levantamento nos últimos cinco eventos do Simpósio Nacional de Ensino de Física (SNEF), sobre propostas didáticas relacionadas ao ensino de hidrostática, foram encontrados 9 trabalhos - considerando um total de aproximadamente 2980 trabalhos publicados, isto é, um percentual inferior a 0,5%, o que mostra a pouca presença dessa temática nos SNEFs.

Dos 9 trabalhos encontrados 5 trabalhos apresentaram uma proposta com o uso de experimentos (Vieira et al, 2015; Bezerra et al., 2015; Moura et al., 2017; Frassi et al., 2017; Monteiro et al., 2019), 2 trabalhos apresentaram uma proposta com o uso de Tecnologias Digitais de Informação e Comunicação (TDICs) (Borges, 2021; Rosa 2023), 1 trabalho apresentou uma proposta com o uso de metodologias ativas (Gonçalves et al., 2021) e 1 trabalho apresentou uma proposta com o uso de História da Ciência (Carvalho; Camelo, 2015).

Sobre os trabalhos que apresentam uma proposta com o uso de experimentos, Monteiro et al. (2019) se destacam ao apresentar uma proposta semelhante à deste trabalho, com o uso de um kit intitulado de braço mecânico, em que o professor pode discutir a parte prática relacionada ao conceito de hidrostática. Entretanto, o referido

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trabalho não propõe a construção de modelos de sistemas hidráulicos por parte dos alunos, ainda assim o trabalho se destaca por apresentar um modelo que demonstra a aplicação do conceito no cotidiano.

## Metodologia

O conceito de hidrostática foi abordado em uma escola de Ensino Médio do agreste de Pernambuco, com estudantes do 1° ano. A sequência de aulas foi desenvolvida em 8 aulas de 50 minutos, considerando 6 aulas para apresentação conceitual do tema e resolução de exercícios. Em uma dessas aulas, o professor apresentou dois experimentos demonstrativos e foi proposto aos estudantes desenvolver e apresentar um modelo de sistema hidráulico. Ao final, foram 2 aulas para desenvolvimento e aperfeiçoamento do projeto, que, por fim, foi apresentado em uma exposição para todos os estudantes da escola. Com isso, passamos ao detalhamento das aulas.

Inicialmente, nas duas primeiras aulas, o conceito de hidrostática foi discutido a partir do conceito de pressão, trazendo alguns exemplos de situações comuns do cotidiano. Com um lápis, pediu-se para que os alunos pressionassem a ponta na palma da mão, até o limiar da dor, em seguida pediu-se para que eles repetissem o processo com a parte oposta à da ponta. Os alunos perceberam que usando a parte oposta à da ponta podiam aplicar uma força maior, e, partindo daí, discutiu-se o conceito de pressão força aplicada por unidade de área, ou seja, a pressão aplicada a um corpo é inversamente proporcional a área de aplicação da força e diretamente proporcional a força aplicada. Em seguida, foram apresentados alguns exercícios de fixação referente ao conceito de pressão.

Nas duas aulas seguintes, iniciou-se a discussão sobre vasos comunicantes e o Princípio de Pascal, em que a pressão aplicada em um fluído estático em equilíbrio é igualmente distribuída nas partes do fluido, sem perda, inclusive nas paredes do recipiente em que o fluido está contido. Junto com a explicação teórica foi apresentada uma demonstração com dois experimentos, constituídos, cada um, de duas seringas conectadas a uma mangueira, contendo água em seu interior. No primeiro, as seringas são iguais (Figura 1A), já no segundo, as seringas possuem dimensões diferentes (Figura 1B), evidenciando, neste último, que, uma vez que a pressão aplicada pelas seringas é igual, a força é diferente, devido a área das seringas também serem diferentes.

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Figura 01: (A) sistema hidráulico constituído de água, com duas seringas iguais, conectadas a uma mangueira. (B) sistema hidráulico constituído de água, com duas seringas de tamanhos diferentes, conectadas a uma mangueira.

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Com o uso dos experimentos - mostrados na Figura 1 - foi possível proporcionar aos alunos uma compreensão melhor sobre o princípio de Pascal. No experimento

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apresentado na Figura 1A os alunos puderam observar que, na medida em que se pressiona o êmbolo de uma das seringas, o êmbolo da outra seringa se desloca simultaneamente, gerando o mesmo deslocamento. Já no experimento mostrado na Figura 1B, ao manusearem, os alunos perceberam que a força que eles imprimiam na seringa grande era muito maior, quando comparado com a força que eles imprimiam na seringa pequena, por consequência o deslocamento do êmbolo da seringa pequena era bem maior, quando comparado ao deslocamento do êmbolo da seringa grande.

Na sequência foi discutida a aplicação do Princípio de Pascal nos sistemas hidráulicos e pneumáticos, observadas em oficinas mecânicas, facilitando a compreensão do conceito, bem como a sua importância, na medida em que o ser humano se apropria do conhecimento em seu benefício. Em seguida, foi apresentado um modelo de um elevador hidráulico (Figura 2), para que os alunos pudessem ter uma clareza maior quanto a aplicação do conceito.

Figura 02: Elevador Hidráulico

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Os alunos observaram e manusearam o elevador hidráulico, compreendendo assim o seu funcionamento. A partir daí foi proposto aos alunos que construíssem, em grupo, um modelo de sistema hidráulico, de livre escolha. Inicialmente, o trabalho foi desenvolvido fora da escola, no levantamento dos materiais, escolha e elaboração do projeto, e finalização, sendo estipulado um tempo de 2 semanas para a sua conclusão. Neste período, os alunos tiveram mais duas aulas de resolução de exercícios, dando continuidade ao desenvolvimento do conteúdo. Para os ajustes finais dos modelos, os alunos puderam usar duas aulas, podendo contar com a ajuda e orientações do professor quando pertinente.

Com os projetos prontos, foi proposto um momento de exposição na quadra da escola, em que todos os estudantes puderam conhecer os modelos desenvolvidos e ouvirem as explicações sobre o seu funcionamento.

## Resultados

Os alunos construíram os modelos utilizando material de baixo custo: papelão, palitos de sorvete, seringa e mangueira de água (alguns alunos utilizaram mangueiras usadas em bombas de aquários domésticos). Também foi observado que alguns grupos utilizaram peças de aparelhos eletrônicos (carcaça de TV) e materiais

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reciclados (latas de refrigerante), evidenciando assim a autonomia dos alunos, o que corresponde com a proposta do laboratório divergente.

Durante o processo de construção foi possível observar o envolvimento dos alunos, com relação ao empenho, criatividade e trabalho coletivo. Muitos grupos tiveram dificuldade na montagem, como na vedação das seringas, preenchimento de água no sistema hidráulico sem a presença de bolhas de ar e até a própria montagem do projeto, o que, em alguns casos, comprometeu o funcionamento do modelo. Nesses momentos os alunos puderam contar com a ajuda dos demais colegas e do professor - observa-se aqui a construção do conhecimento científico, na medida em que ocorre a contribuição dos colegas e do professor sobre o conhecimento espontâneo do aluno. Alguns grupos ousaram no trabalho, construindo modelos bem sofisticados, como apresentados na Figura 3.

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Figura 03: Alguns dos modelos construídos pelos alunos: (A) Elevador Hidráulico; (B) Retroescavadeira; (C) Ponte Hidráulica.

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Na Figura 3 observam-se diversos modelos, alguns bem semelhantes ao modelo apresentado pelo professor - Elevador Hidráulico (Figura 3A). Neste caso, nota-se uma tendência dos estudantes a realizarem apenas o modelo semelhante ao que o professor mostrou em sala, evidenciando a influência do laboratório demonstrativo. Ainda que nestes casos não tenham figurado aspectos da criatividade dos estudantes, pode-se considerar que a construção do aparato os levou à aprendizagem sobre o manuseio dos materiais e a aplicação dos conceitos estudados, podendo também ser considerado como um processo promissor para a aprendizagem.

Outros estudantes permitiram-se inovar e apresentaram modelos mais elaborados retroescavadeira (Figura 3B) e a ponte hidráulica (Figura 3C), também foi observado modelos mais simples, porém eficientes, utilizando um sistema com apenas duas seringas (Figura 3C). A grande maioria, incluindo o modelo apresentado pelo professor, usou sistemas com quatro seringas ou mais. Nestes casos evidenciam-se novamente a proposta do laboratório divergente, que não apenas proporcionou a mobilização dos conhecimentos científicos para construção do experimento, como também possibilitou aos estudantes serem criativos. Além disso, a escolha por representar objetos da realidade, como a retroescavadeira e a ponte hidráulica, demonstram que os alunos conseguiram relacionar os conceitos estudados com exemplos e aplicações que foram além daquelas tratadas em aula.

## Considerações Finais

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Considerando as dificuldades dos alunos, sobre os conceitos de física, acreditamos que a atividade contribuiu para que os alunos compreendessem o conceito ensinado, na medida em que tiveram o auxílio do professor, evidenciando a teoria sociocultural de Vygotsky, sobre a formação do conhecimento científico. Ao associarem elementos teóricos à construção prática, eles puderam desenvolver uma compreensão que pode ser considerada até mais complexa do que se o conceito fosse abordado apenas a partir das aulas tradicionais.

Sobre as habilidades contempladas no Currículo de Pernambuco, a atividade permitiu aos alunos avaliarem a possibilidade de execução do projeto durante a montagem, observando assim os limites do projeto elaborado. Os alunos também puderam avaliar o resultado do projeto após concluído, tanto com relação as possíveis necessidades de melhora e possíveis falhas a serem corrigidas, quanto em comparação com os outros projetos desenvolvidos pelos grupos, estando assim em concordância com a proposta de autonomia do laboratório divergente.

A proposta de atividade, por fim, por meio da metodologia do laboratório demonstrativo, e do laboratório divergente e apoiando-se na teoria sociocultural de Vygotsky, permitiu que os alunos tivessem uma clareza maior quanto a aplicação do conceito de hidrostática em uma situação análoga ao cotidiano, bem como o entendimento do fenômeno na prática, uma vez que os alunos tiveram que construir os seus próprios modelos de sistemas hidráulicos.

De maneira geral, com base nos resultados observados e no relato da proposta apresentada, pode-se concluir que as atividades realizadas através dos laboratórios didáticos podem contribuir para o aprendizado dos estudantes, sobre os conceitos de física, promovendo o envolvimento e o interesse dos alunos sobre esses conceitos.

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