ABORDAGEM NÃO-FORMAL PARA O ENSINO DE MECÂNICA: PÊNDULO DE NEWTON

## ABORDAGEM NÃO-FORMAL PARA O ENSINO DE MECÂNICA: PÊNDULO DE NEWTON

Abner Raian D. Moura 1 , Marcus S. Carrião 2

Pátio da Ciência, Instituto de Física, Universidade Federal de Goiás 1 abner\_raian@discente.ufg.br 2 mscarriao@ufg.br

## Resumo

A Base Nacional Comum Curricular (BNCC) orienta o ensino de Ciências e Física, propondo uma abordagem prática e investigativa para conceitos como a conservação de energia e do momento linear. Esses conceitos são introduzidos no ensino fundamental e médio, com ênfase em atividades experimentais que conectem teoria à prática, desenvolvendo habilidades críticas e analíticas nos estudantes. No entanto, o ensino de mecânica enfrenta desafios, como a falta de materiais e infraestrutura, dificultando a aplicação de métodos dinâmicos e interativos. Museus e centros de ciências podem complementar a educação formal, proporcionando experiências práticas que facilitam o entendimento dos conteúdos, como exemplificado pelo Pátio da Ciência da UFG. O projeto desenvolveu um experimento com o Pêndulo de Newton, ilustrando a conservação de energia e do momento em colisões elásticas. Através da fabricação e uso didático desse dispositivo, busca-se demonstrar os princípios físicos de forma clara e prática, adaptando o conteúdo aos diferentes níveis educacionais. A experimentação é essencial para um ensino mais ativo e eficaz, e parcerias entre escolas e museus podem enriquecer o aprendizado, promovendo a curiosidade científica e a interdisciplinaridade.

Palavras-chave : conservação de energia, momento linear, ensino de Física.

## Introdução

A Base Nacional Comum Curricular (BNCC) define diretrizes gerais para o ensino de Ciências e, consequentemente, da Física, abrangendo áreas como a mecânica e conceitos fundamentais como a conservação da energia e do momento linear. Em linhas gerais, a BNCC orienta que os conteúdos sejam ensinados de maneira a facilitar a compreensão dos princípios físicos, utilizando práticas investigativas e contextos aplicados. sendo assim, quando tratamos de abordagens para os conceitos de conservação de energia e momento, devemos nos atentar para o período em que tais conceitos são introduzidos durante o processo educacional, de forma geral, em ambos os casos, a BNCC sugere que os conceitos sejam explorados através de atividades práticas, experimentos e resolução de problemas para desenvolver habilidades analíticas e críticas dos alunos. O ensino deve promover a capacidade dos alunos de conectar a teoria com a prática, e entender a relevância desses conceitos não só na vida cotidiana mas no que diz respeito ao conhecimento tecnológico. Além disso, analisando cada caso separadamente, temos que o conceito de conservação de energia, introduzido no ensino fundamental, deve enfatizar a importância de entender que a energia pode se transformar de uma

forma para outra, mas a quantidade total de energia permanece constante em um sistema isolado, utilizando-se de exemplos práticos e cotidianos para facilitar o entendimento dos estudantes. Já no ensino médio, tais conceitos são vistos de forma aprofundada ,desenvolvendo uma análise de diferentes formas de energia (cinética, potencial, térmica, etc.) e a aplicação dos princípios de conservação da energia em diferentes contextos. Quando tratamos de momento linear, cujo momento introdutório é o ensino médio, os conceitos são abordados de forma mais avançada, enfatizando exemplos de sua conservação em colisões e interações entre corpos. Os estudantes devem ser capazes de aplicar as leis da conservação do momento linear para resolver problemas envolvendo sistemas de partículas e corpos em interação.

Porém, mesmo com o auxílio da Base Nacional Comum Curricular, ainda é perceptível a dificuldade existente em abordar os conteúdos de mecânica no ensino médio, em especial, a conservação de energia e o momento linear, uma vez que esta etapa do aprendizado exige um maior aprofundamento dos conceitos, e consequentemente, necessita de uma didática mais elaborada com o uso de experimentos que auxiliem os estudantes. No entanto, é notável que em muitas instituições de ensino este material didático, bem como os recursos laborais, se encontram em falta ou em um estado precário. Na falta destes, o processo de ensino-aprendizagem se torna cada vez mais difícil, tanto para o aluno, que precisa muitas vezes utilizar da imaginação para compreender o conteúdo, quanto para o professor, que necessita recorrer a meios alternativos para realizar, se possivel, representações práticas dos fenômenos, a fim de auxiliar os estudantes a compreendê-los. Além disso, é possível citar a falta de preparo de alguns desses profissionais em situações como essa em que não existem materiais suficientes para se realizar aulas mais dinâmicas, pois métodos para se lidar com tais situações são pouco trabalhados nas universidades em geral.

Tendo em vista os problemas citados acima, torna-se perceptível como os espaços de educação não formal, bem como os centros e museus de ciência desempenham um papel crucial, não só para a educação não-formal dos estudantes, mas também para a formação de professores, apresentando uma forma alternativa de aprendizagem interativa. Estas instituições oferecem atividades práticas que permitem aos visitantes explorar conceitos científicos de maneira envolvente, além de surgirem como uma possibilidade de unir esses espaços não formais com a formação docente. Abre-se espaço, portanto, para que estes profissionais participem de trabalhos de pesquisa em ensino, ampliando assim seus espectros de atuação, melhorando sua articulação entre a educação formal e não formal, podendo atender melhor às necessidades dos estudantes de aprendizado. Os museus e centros de ciência também desempenham um importante papel na estimulação de interesse pelo conhecimento científico dos discentes ao proporcionar diversas experiências práticas, conectando de forma mais interativa o conhecimento científico com situações cotidianas, proporcionando um melhor desenvolvimento de habilidades analíticas, além de muitas outras qualidades.

Neste sentido, o Pátio da Ciência da Universidade Federal de Goiás é um exemplo de museu/centro de ciência. Este projeto de extensão visa divulgar a ciência através de educação científica não formal para o público em geral, focando especialmente em estudantes do ensino fundamental e médio. O projeto inclui 5 estandes com diversos experimentos de diferentes assuntos, não só sobre o ensino de física, mas de química e astronomia, bem como uma galeria, experimentos

externos e além disso, um auditório. Este trabalho descreve a elaboração de um novo experimento para compor e enriquecer ainda mais o acervo do Pátio. O arranjo experimental escolhido foi o Pêndulo de Newton, a fim de demonstrar e exemplificar de forma mais clara e sucinta os fenômenos de conservação de energia e momento linear em colisões elásticas. Neste experimento, quando uma das esferas que compõem a extremidade é levantada e liberada, ela colide com as esferas adjacentes fazendo com que a esfera na extremidade oposta se mova para cima. e quando essa esfera atinge seu ponto máximo, ela retorna repetindo o processo e mantendo o movimento pendular. Além disso, este trabalho visa a produção de textos didáticos que irão nortear sua apresentação, tanto para o ensino fundamental quanto para o médio.

## Referencial teórico

## As vantagens da experimentação no processo de ensino-aprendizagem

De acordo com Moura e Silva (2014, p. 338), '[...] experimentação e teoria [...] são interdependentes no processo de construção da ciência', neste sentido, é notório destacar a importância da correlação entre a experimentação e a teoria no procedimento de ensino-aprendizagem no ensino de física. Muitas vezes, o ensino dessa matéria, tanto em nível fundamental quanto médio, tem se resumido apenas em um método monótono onde apenas se fundamenta na aplicação de fórmulas e conceitos que na maioria das vezes são abstratos e confusos demais para os estudantes. Diante disso, a utilização de aulas experimentais trazem inúmeras vantagens para o ensino de física, contribuindo para uma educação mais eficaz e significativa para os estudantes, uma vez que esta estratégia de ensino traz uma aprendizagem mais ativa e envolvente. Desta forma, ao invés de apenas ouvirem uma explicação teórica sobre o assunto, eles também podem interagir com o material de estudo, além de estimular o desenvolvimento de habilidades críticas, como o pensamento crítico e a resolução de problemas, permitindo uma aprendizagem mais concreta e menos abstrata dos conceitos físicos, aumentando a curiosidade científica desses alunos e ainda, criam um ambiente colaborativo para os estudantes pois, muitas dessas atividades experimentais são realizadas em grupo, promovendo a colaboração e a troca de ideias entre os alunos, enriquecendo o processo de aprendizagem.

## Museus e escolas

A parceria entre museus de ciências e escolas é crucial para a incrementação da experimentação no ensino de ciências, em especial, da física, uma vez que grande parte das instituições de ensino carece de infraestrutura. Sendo assim, a ausência de um espaço para se realizar esse tipo de atividade, como um laboratório, pode ser suprida por museus de ciências. Nestes espaços, podem ser realizados procedimentos experimentais com os alunos de forma interativa e divertida, a fim de

que todos possam compreender e se interessar pelo assunto trabalhado, usando de uma atividade não-formal de educação científica em um espaço formal de ensino. Ou seja, os museus proporcionam experiências práticas e concretas que podem complementar e enriquecer o currículo escolar. Exposições e coleções oferecem aos alunos a oportunidade de explorar temas em profundidade, estimulando o interesse e a curiosidade sobre assuntos que podem ser abordados de forma mais abstrata em sala de aula, além de que a visita a estes espaços permite aos alunos vivenciar a aprendizagem de maneira direta, interagindo com exposições e participando de atividades educativas, oferecendo uma experiência prática melhorando a compreensão e retenção de informações dos estudantes. Além disso, frequentemente nos museus de ciências são abordados temas que cruzam diferentes áreas do conhecimento, permitindo que os professores desenvolvam projetos interdisciplinares posteriormente.

## O pêndulo de Newton

figura 01: Pêndulo de Newton

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O pêndulo de Newton é um dispositivo físico que demonstra princípios fundamentais da física, incluindo a conservação do momento e da energia. O experimento foi inicialmente proposto pelo próprio Sir Isaac Newton, a fim de ilustrar a chamada terceira lei de Newton, que afirma que para toda ação há uma reação de igual magnitude e em sentido oposto. O pêndulo consiste em uma série de esferas idênticas suspensas por fios de igual comprimento e dispostas em linha reta, permitindo que se movimentem livremente, permitindo que cada esfera possa oscilar em um plano vertical. Quando uma esfera é levantada e solta, ela adquire uma velocidade que pode ser calculada pela fórmula da energia potencial gravitacional 𝑣 convertida em energia cinética:

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Onde é a altura da qual a esfera é levantada; é a aceleração devido a ℎ 𝑔 gravidade e é a velocidade da esfera no ponto mais baixo de seu percurso. Se 𝑣 considerarmos a massa da esfera , a conservação do momento linear pode ser 𝑚 descrita pela equação:

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Onde e são as velocidades das esferas no momento da colisão. Para 𝑣 1 𝑣 2 um sistema com várias esferas, a conservação do momento linear implica que, quando uma esfera é levantada e solta, sua quantidade de movimento é transferida através das esferas. Se uma esfera é levantada e solta, a quantidade de movimento da esfera é transferida para a esfera oposta na extremidade. O pêndulo de Newton

também demonstra a conservação da energia mecânica. A energia potencial gravitacional da esfera levantada é convertida em energia cinética durante a descida e, posteriormente, de volta a energia potencial quando a esfera sobe . No ponto mais baixo da oscilação, a energia potencial é mínima e a energia cinética é máxima:

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

Onde a energia potencial é dada por e a energia cinética é dada 𝐸 𝑝 𝑚𝑔ℎ 𝐸 𝑐 por . Em um sistema ideal sem perdas, a energia mecânica total se (𝑚𝑣²)/2 conserva, logo:

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Além disso, neste experimento podemos tratar de colisões, quando a esfera levantada colide com a esfera adjacente, a transferência de energia e momento pode ser descrita pelas leis de conservação de momento e energia. Em uma colisão perfeitamente elástica (idealizada) temos que a conservação do momento linear é dada por:

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Onde e são as velocidades das esferas antes da colisão, e e são 𝑣 1 𝑣 2 𝑣 ' 1 𝑣 ' 2 as velocidades após a colisão. E assim, a conservação da energia cinética será dada por:

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## Metodologia

Fabricação do experimento

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Imagem 02: as imagens a,b,c e d mostram os processos de fabricação do experimento

Para a confecção do Pêndulo de Newton, foram utilizadas 5 esferas de resina acrílica (bolas de bilhar); 5 ganchos pequenos para varal, 10 ganchos médios para varal, uma base feita de metalon de dimenções 40cmX25cmX40cm e linha de nylon para pesca. Inicialmente, a base de metalon foi lixada, depois foi passada uma camada de zarcão, preparando a peça para ser colorida com tinta preta brilhante, por fim foi passada uma camada de verniz na base. Ainda na base, foram fixados os ganchos médios para o varal. Os ganchos menores foram fixados nas bolas, e por

fim, foram amarradas a estrutura preparada inicialmente, de forma que os centros de massa de cada bola ficassem o mais alinhados possível.

## Elaboração do texto didático

Para a etapa de planejamento e elaboração dos textos didáticos, foram realizadas diversas pesquisas em livros, artigos e outros sites de divulgação científica a fim de encontrar referências para a produção desses trabalhos. Durante este processo, foi necessário o uso de diferentes adequações do conteúdo aos públicos do ensino fundamental (1 e 2) e ensino médio, pois estes representam o público para qual este trabalho será dedicado. Tal adequação se mostrou necessária pois, observando por uma visão vigotskiana de que o indivíduo que frequenta os centros e museus de ciência tem sua formação regulada pela cultura local a qual foi inserido. Dessa forma, cada indivíduo tem diferentes formas de compreender os assuntos de acordo com seu nível de formação e desenvolvimento, assim, para que o aprendiz se beneficie desse processo, é necessário que ele esteja em um estágio de desenvolvimento intelectual próximo aos temas e problemas discutidos durante as atividades de aprendizado do grupo visitante, que interage com ele. O processo interativo deve ser dinâmico para promover o crescimento do potencial cognitivo do aprendiz, já que envolve funções mentais que ainda estão em desenvolvimento. O especialista ou professor que acompanha o grupo de alunos deve adaptar sua comunicação para se alinhar com a zona de desenvolvimento cognitivo dos estudantes, levando em consideração as diferenças nas experiências e capacidades intelectuais dentro do grupo. Assim, mesmo que sejam encontradas dificuldades de adequação dos saberes trabalhados, é notável que quando uma mensagem é transmitida de forma adequada, levando em conta os diferentes níveis de capacidade cognitiva para a compreensão dos fatos, observa-se que algo consegue ser retido na memória.

## Resultados &amp; Discussão

## O experimento

O pêndulo de Newton é um dispositivo que ilustra a conservação do momento linear e da energia. Ele consiste em várias esferas de acrílico idênticas, penduradas em uma estrutura de forma que fiquem alinhadas e em contato umas com as outras. Quando uma ou mais esferas em uma extremidade são levantadas e soltas, elas colidem com as esferas centrais, transferindo sua energia e momento para as esferas na extremidade oposta, que se movem como resultado. Esse processo cria um movimento rítmico e contínuo, onde a energia é passada de uma extremidade à outra de forma eficiente. O pêndulo de Newton exemplifica princípios essenciais da física, como a conservação de energia e o comportamento das colisões elásticas. É possível visualizar seu funcionamento em: https://youtu.be/g5-LEPJICE0.

## O texto didático: uma abordagem comparativa

Imagine que você está em uma fila onde todos os que estão nela estão bem próximos, de repente você empurra a pessoa da frente tentando conseguir mais espaço, porém uma coisa inesperada acontece, quando você empurra, a pessoa na sua frente não se move sozinha; em vez disso, ela transfere essa força para a pessoa à sua frente, e assim por diante, até que a última pessoa da fila seja

empurrada para frente. Esse é o conceito por trás do pêndulo de Newton. O pêndulo de Newton é como essa fila, mas em vez de pessoas, ele usa esferas totalmente alinhadas e tocando-se levemente. Quando você levanta e solta uma esfera em uma extremidade, ela bate na próxima, transmitindo sua energia para a esfera seguinte. O que acontece é que a última esfera da fila se move para frente, como a última pessoa sendo empurrada. Isso ocorre porque, assim como na fila, a energia e o momento são transferidos de um objeto para o outro. No pêndulo de Newton, essa transferência acontece de forma bem mais eficiente, porque a energia se mantém dentro do sistema, passando de esfera em esfera, diferente das pessoas que tentam evitar a transferência de energia para não empurrar o próximo da fila. Se você levantar duas esferas, duas esferas na outra extremidade se moverão. Isso mostra a conservação da energia e do momento linear: a quantidade de movimento e energia no sistema permanece a mesma antes e depois das colisões, apenas mudando de lugar.

## O texto didático: uma abordagem conceitual

O pêndulo de Newton é um dispositivo físico que demonstra princípios fundamentais da física, incluindo a conservação do momento e da energia. O experimento consiste em uma série de esferas idênticas suspensas por fios de igual comprimento e dispostas em linha reta, dessa forma quando você levanta uma das esferas do pêndulo e a solta, está transferindo energia para o sistema. Inicialmente, essa energia é armazenada como energia potencial gravitacional, porque a esfera foi elevada a uma certa altura. Quando a esfera começa a se mover, essa energia potencial se transforma em energia cinética, que é a energia do movimento. Quando a esfera em movimento atinge as esferas paradas, a energia cinética é transferida através das esferas. Essa transferência de energia acontece de forma que a última esfera na fileira recebe praticamente toda a energia e se move para frente. Isso acontece por causa da lei da conservação de energia, que diz que a energia em um sistema fechado não desaparece; ela apenas muda de forma, de potencial para cinética, e é transmitida de um objeto para outro. Além disso, é possível observar outro fenômeno acontecendo, de acordo com a lei da conservação do momento linear, em um sistema fechado, o momento total antes e depois de uma colisão é o mesmo. No pêndulo de Newton, quando a primeira esfera em movimento colide com as outras, o momento é transferido de uma esfera para outra até chegar à última, que se move com a mesma velocidade que a primeira. Assim, o que ocorreria se mais de uma esfera fossem abandonadas a partir de certa altura? Acontece que quando você abandona duas bolas de um lado do pêndulo de Newton, duas bolas do outro lado se movem, mas nenhuma bola sobe mais alto do que a altura de onde foram soltas as bolas iniciais, pois, se elas subissem, haveria uma violação na lei de conservação de energia, significando que o sistema teria criado energia extra. Além disso, o pêndulo de Newton também nos mostra um pouco sobre as perdas de energia no mundo real. Em teoria, as esferas continuariam se movendo para sempre, mas na prática, o movimento para gradualmente por causa do atrito e da resistência do ar, que dissipam parte da energia em forma de calor e som.

## Conclusão

Por fim, conclui-se que o objetivo inicial deste trabalho que visava confeccionar um novo experimento relacionado ao ensino de mecânica para compor

e enriquecer o acervo do pátio da ciência foi alcançado.Também foi proposto um material didático para auxiliar os monitores na demonstração dos fenômenos de conservação de energia e momento linear em colisões elásticas, de forma clara e sucinta. Apesar das dificuldades e contratempos encontrados que podem ter resultado em algumas falhas experimentais, o trabalho foi um sucesso. Além disso, é possível afirmar que este trabalho terá um grande impacto positivo na diversificação de demonstrações práticas do espaço e museu de ciência do Pátio, sendo um grande suporte para que se possa trabalhar com os conceitos de conservação de energia e momento linear de uma forma mais clara e interativa para os estudantes.

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