LABORATÓRIOS DIDÁTICOS SEM ROTEIROS: INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL COM FOGUETES DE ÁGUA

## LABORATÓRIOS DIDÁTICOS SEM ROTEIROS: INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL COM FOGUETES DE ÁGUA

Diego Dias Uzeda¹, Gustavo Antonio Montenegro Guttmann², Pablo Carvalho Sader³

Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (CEFET-RJ),

diego.uzeda@cefet-rj.br

Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (CEFET-RJ), gustavo.guttmann@cefet-rj.br

Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (CEFET-RJ),

pablo.sader@aluno.cefet-rj.br

## Resumo

Este trabalho apresenta uma proposta de laboratório didático de Física Básica, incorporando diferentes críticas ao formato tradicional de experimentos baseados em roteiros. As práticas desenvolvidas em 'kits' acabam não oferecendo a oportunidade dos alunos desenvolverem uma investigação científica se tornando uma experiência de aprendizagem limitada. A partir de um experimento que já é feito com turmas da Educação Básica, foguete de água, se buscou incorporar críticas feitas as práticas de laboratório de Física Básica. No experimento proposto, estudantes do curso de Licenciatura em Física do Cefet-RJ, campus Nova Friburgo, foram desafiados a investigar, de forma empírica, como o volume de água influencia a altura máxima atingida no lançamento. Os resultados indicaram que aproximadamente 1/3 do volume da garrafa é o ponto de maior eficiência. Através dessa investigação, os alunos puderam desenvolver autonomia, criatividade e habilidades analíticas, ressaltando a importância dos laboratórios no processo de formação docente e na compreensão crítica da prática científica.

Palavras-chave: Laboratório didático, laboratório no ensino de Física, foguete de água, experimentação.

## 1. Introdução

A Física se insere na formação de todos os indivíduos que concluem a Educação Básica. Um papel importante a qualquer disciplina que pertence as Ciências da Natureza é apresentar os diferentes caminhos nas construções dos conhecimentos dessas áreas. Uma característica comum, a todas elas, é o papel que o experimento desenvolve na consolidação de diferentes teorias. Assim, a utilização de experimentos no ensino, em seus diferentes níveis, é colocada como aspecto necessário para atingir uma melhor qualidade. Segundo Terrazan (2020) existe uma crença desde o século XIX de que a experimentação tem um papel importante no ensino de Ciências para superar as dificuldades dos alunos. Porém, as pesquisas sobre o papel dela no ensino mostram que o simples fato de utilizar experimentos não acarreta necessariamente na sua melhoria.

Há na literatura a discussão sobre o formato de aulas em laboratório baseado em roteiros pré-prontos a serem preenchidos (WIEMAN 2015, 2016; TERRAZAN 2020; HOFSTEIN & LUNETTA 1982, 2004; HOLMES 2017). Nesse contexto, comparando dois

grupos de alunos, aqueles que frequentaram aulas em laboratórios roteirizados, com aqueles que não frequentaram, Wieman (2015) mostra que o desempenho acadêmico nas disciplinas teóricas de Física é equivalente; então, ao final desse trabalho, Wieman conclui que as atividades de laboratório através de roteiros padronizados não contribuem na formação do aluno.

Dentro desse cenário, a American Association of Physics Teachers - AAPT (2014) e Wieman (2015) trazem uma reflexão sobre a vivência em atividades experimentais, que propõe um conjunto de habilidades e competências cognitivas a serem desenvolvidas, apresentadas a seguir: estabelecimento dos objetivos da pesquisa; definição de um critério de evidência; elaboração do projeto experimental; construção e teste dos aparatos experimentais; organização dos dados; análise dos resultados e inferências; e implicações dos resultados.

Considerando as críticas apontadas e a estrutura sugerida, contextualizamos a proposta apresentada ao curso de Licenciatura em Física do Cefet-RJ ( campus Nova Friburgo). Buscamos, nessa contextualização, incorporar mais um elemento à formação do estudante em sua prática experimental dentro de um curso de Laboratório de Mecânica Clássica, a saber: a construção de uma experiência com significado duradouro (Dewey, 2023).

Dentro do contexto de um curso de formação de professores, é desejável que as próprias aulas sejam pensadas para proporcionar ao futuro docente uma experiência educativa como proposta por John Dewey (2023). O autor defende que a sala de aula deve oferecer um momento que construa uma experiência 1 com significado duradouro, desta forma, ele coloca:

[...] é preciso dedicar um cuidado especial às condições que dão um sentido válido às experiências [no tempo] presente. Ao invés de inferir que não faz muita diferença o que é a experiência [no tempo] presente com tanto que ela seja agradável, o que se deve pensar é exatamente o contrário. Esse é outro ponto em que é fácil reagir indo de um extremo a outro. Como a escola tradicional tinha a tendência de sacrificar o presente em função de um futuro remoto e mais ou menos desconhecido, passou-se a acreditar que o educador tem pouca responsabilidade em relação as experiências presentes as quais os jovens são submetidos. (Dewey, 2023, p.65).

Assim, o cuidado na construção das vivências de aprendizagem do estudante, incluindo atividades experimentais de Física, deve considerar o papel daquele momento vivido em um futuro desse estudante. Diferente da consideração feita acerca da escola tradicional, aqui se tem clareza do futuro desse estudante como um professor atuante na Educação Básica.

Dessa forma, a proposição do problema que originou a atividade experimental baseou-se em algo que já era feito naquele segmento (a Educação Básica): o foguete propulsionado por água. Essa atividade tradicionalmente é feita com uma abordagem apenas lúdica. Então, os alunos da turma de laboratório foram desafiados a ir além: encontrar parâmetros que descrevessem a fenomenologia associada ao lançamento do foguete. Como um dos resultados desse desafio, decidiu-se a investigação da altura máxima atingida pela garrafa ("foguete") em relação a quantidade de água em seu interior ("combustível").

## 2. Corpo Teórico e a proposta da atividade

O foguete de água consiste em uma garrafa pet, com certa quantidade de água, acoplada a um lançador solidário a uma bomba de ar. Ao ser pressurizada pela bomba, a garrafa é projetada devido aumento de pressão em seu interior que expele a água, gerando a propulsão.

Baseados nesse "brinquedo", buscamos responder o seguinte problema: qual volume de água ('combustível') que precisamos utilizar para uma determinada garrafa pet ('foguete') a fim de atingir a maior altura possível? Para entender melhor seu funcionamento, buscamos discutir previamente quais seriam as implicações e quais seriam as variáveis que interfeririam nesse fenômeno. Posteriormente, buscamos um corpo teórico bastante simplificado capaz de descrever o lançamento da garrafa. A partir de então, investigamos qual seria a melhor eficiência entre o volume de água e a altura máxima atingida de posse das variáveis que poderíamos controlar e medir dado os recursos disponíveis.

O ponto central do movimento do foguete se baseia no princípio da ação e reação. No lançamento do foguete, devido pressão exercida pelo ar em seu interior, a água é expelida em sentido contrário ao movimento de lançamento. A Figura 1 ilustra o esquema de montagem do foguete e sua projeção durante o lançamento.

Figura 01: Esquemas da montagem do foguete (a) e de seu lançamento (b). Imagem adaptada (SOUZA, 2007).

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Através de uma previsão rápida e equivocada, pode-se assumir que o foguete capaz de atingir a maior altura é aquele preenchido com maior quantidade de água em seu interior; porém, essa afirmação negligencia dois aspectos: primeiro, a grande quantidade de água no interior do foguete faria com que mais massa precisasse ser lançada, o que exigiria maior pressão capaz de impulsionar o foguete; segundo, com grande parte do foguete preenchida por água (pouco compressível), não haveria espaço suficiente para acúmulo de ar (suscetível a compressão) capaz de pressurizar a garrafa e, assim, lançála.

Seguindo uma abordagem mais empírica, fizemos uma série de lançamentos repetindo os mesmos parâmetros e obtivemos uma média das medidas. A execução do experimento será descrita na seção a seguir.

## 3. O experimento e a metodologia

## 3.1 Descrição do experimento e materiais utilizados

Para o experimento utilizamos materiais de baixíssimo custo e um celular:

- 1. garrafas pet de volumes variados (volumes de 2 L e 1,5 L);
- 2. bomba de ar manual;
- 3. objeto com dimensões conhecidas para referência de altura (utilizado um cabo de vassoura);
- 4. garra pet )
- base de lançamento (pote de plástico com bocal para fixação hermética da
- 5. água;
- 6. béquer com medição de volume;
- 7. celular para filmagem dos lançamentos.

A execução do experimento foi iniciada fixando a base de lançamento ao lado do objeto cujas dimensões eram conhecidas; em seguida, posicionamos um celular solidário a um suporte fixo para gravação do voo dos foguetes. Em cada lançamento, o operador buscava bombear o ar para o interior da garrafa de forma constante, controlando a velocidade no manuseio e utilizando todo o comprimento da haste da bomba. Mantendo os parâmetros para cada lançamento, foram realizadas 6 filmagens para cada configuração, a saber: utilizando garrafa de 2 L e preenchida com 0,25 L, 0,50 L, 0,75 L e 1,0 L (total de 24 lançamentos); utilizando garrafa de 1,5 L e preenchida com 0,25 L, 0,50 L e 0,75 L de água (total de 18 lançamentos), o que forneceu um total de 42 lançamentos.

## 3.2 Metodologia

Na coleta de dados e gravações utilizamos: uma trena para medir a altura do cabo de vassoura, um béquer para medida do volume de água utilizado em cada lançamento e, a fim de controlar a quantidade de ar inserido na garrafa, foi contado o número de bombeadas necessárias para que o foguete fosse lançado. A altura máxima de cada configuração foi definida pela média obtida de seus 6 lançamentos.

As medições das alturas máximas, alcançadas por cada foguete em cada lançamento, foram determinadas através da análise das filmagens com auxílio do software Tracker . Nele, após calibração dos parâmetros de distância e investigando cada frame da filmagem, pode-se determinar a altura máxima atingida (Figura 02).

Ao traçar diretamente a distância entre a base de lançamento e o foguete em sua altura máxima, houve casos em que a 'fita' fornecida pelo software fique angulada. Assim, a altura máxima deve ser obtida pela multiplicação do valor da fita (Vf) com o cosseno do ângulo (α) entre o eixo vertical e a 'fita'.

Figura 02: frame analisado no software Traker para obtenção da altura máxima alcançada pelo foguete. A distância da fita métrica está em vermelho e aparece no primeiro contorno à esquerda, também em vermelho. O ângulo de inclinação da fita é exibido no segundo contorno em vermelho.

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As medições foram feitas individualmente em cada gravação. No entanto, não foi necessário repetir a calibração para todas, pois o programa é capaz de mantê-la mesmo alternando os arquivos de vídeo. Como todas as gravações foram feitas à mesma distância, não houve variações significativas .

## 4. Resultados experimentais e análise dos dados

## 4.1 Dados obtidos com utilização do Tracker

Após aferir a altura máxima de todos os 42 lançamentos obtivemos os seguintes dados:

Tabela 01: Média das alturas máximas atingidas com a garrafa de 2 L

Tabela 2: Média das alturas máximas atingidas com a garrafa de 1,5 L

## 4.2 Análise dos dados

A partir dos dados experimentais, pudemos perceber que o foguete com a maior média de alturas máxima foi o de garrafa de 2 L com 0,75 L de água, atingindo uma média de 13,0 m de altura. Além disso, a análise dos dados aponta que os maiores valores para altura máxima de lançamento foram obtidos com volumes de água próximos à 1/3 do volume total da garrafa. Esse parece ser o ponto de maior eficiência; ou ainda, esse seria o valor ótimo entre volume de água, volume de ar (pressurizado no interior da garrafa) e massa total do foguete para o maior alcance vertical de lançamento - justamente nosso ponto de interesse.

A partir dos valores das Tabelas 1 e 2, foi elaborado dois gráficos relacionando a altura máxima alcançada pelo foguete com o volume de água em seu interior: Figura 03 e Figura 04. Nos gráficos, a curva de tendência é descrita a partir dos pontos dados pela média das alturas máximas retiradas das Tabelas 1 e 2. A curva mostra a existência de um ponto ótimo para a relação altura máxima/volume de água.

Figura 03: Gráfico da média da altura máxima atingida pelo foguete de garrafa de 2L (L2) e o volume de água utilizado (V2L).

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Figura 04: Gráfico da média da altura máxima atingida pelo foguete de garrafa de 2L (L15) e o volume de água utilizado (V15L).

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Os gráficos foram gerados com auxílio do software Matlab , com sua ferramenta chamada Curve Fitter . Pela curva, as maiores alturas são atingidas com os seguintes volumes de água: 0,74 L para a garrafa pet de 2 L e 0,40 L para a garrafa pet de 1,5 L. O que representaria, em nossa análise, o volume ideal a ser utilizado para maximizar a altura atingida: em torno de 1/3 do volume da garrafa preenchida com água. Além dos valores, a curva indica a existência de um ponto ótimo para a altura máxima atingida num lançamento e volume de água.

## 5. Considerações finais

Com base nos resultados experimentais e na análise dos dados obtidos, podemos concluir que o volume de água ideal para maximizar a altura do foguete de garrafa PET gira em torno de 1/3 do volume total da garrafa. Esse equilíbrio entre o volume de água e o volume de ar pressurizado no interior do foguete é essencial para atingir a máxima eficiência de lançamento. A partir disso, percebemos que a simples intuição de utilizar mais água não resulta em um melhor desempenho, pois há uma relação crítica entre massa e pressão de ar necessária para propulsão.

Para além dos resultados experimentais alcançados com a investigação, podemos afirmar que o experimento com o foguete de água mostrou-se uma ferramenta pedagógica eficaz, ao permitir que os estudantes não apenas compreendessem os fenômenos físicos envolvidos, mas também desenvolvessem habilidades cognitivas e investigativas de forma prática e significativa. Diferente das abordagens roteirizadas, essa atividade incentivou a autonomia e a criatividade dos alunos, permitindo uma compreensão mais profunda dos conceitos e um envolvimento mais ativo no processo de aprendizagem. A proposta se alinha à visão de Dewey, ao oferecer uma experiência educativa com significado duradouro, que prepara os futuros professores para integrar teoria e prática de forma crítica e reflexiva. Assim, o experimento contribui para uma formação docente mais completa, onde os alunos aprendem a valorizar o papel da experimentação no ensino de Ciências, promovendo um aprendizado centrado no aluno e conectado à realidade da sala de aula.

## Bibliografia

- [1] American Association of Physics Teachers. AAPT Recommendations for the Undergraduate Physics Laboratory Curriculum. A publication of American Association of Physics Teachers, 10 nov. 2014. p. 1-5.
- [2] BENDER, W. N. Aprendizagem baseada em projetos. São Paulo: Penso, 2015.
- [3] DEWEY, J. Experiência e educação. Petrópolis-RJ: Editora Vozes, 2023.
- [4] HOLMES, N. G. et al. Value added or misattributed? A multi-institution study on the educational benefit of labs for reinforcing physics content. Physical Review Physics Education Research, v. 13, n. 2, p. 020112, 2017.
- [5] HOFSTEIN, A.; LUNETTA, V. N. The role of the laboratory in science teaching: neglected aspects of research. Review of Educational Research, v. 52, p. 201-217, 1982.
- [6] HOFSTEIN, A.; LUNETTA, V. N. The laboratory in science education: Foundations for the twenty-first century. Science Education, v. 88, p. 28-54, 2004.
- [7] SOUZA, A. J. Um foguete de garrafa PET. Física na Escola, v. 8, n. 2., 2007.
- [8] WIEMAN, C. Comparative cognitive task analyses of experimental science and instructional laboratory courses. Proceedings of the American Association of Physics Teachers, Stanford, 25 ago. 2015. p. 349-351.
- [9] WIEMAN, C.; HOLMES, N. G. Examining and contrasting the cognitive activities engaged in undergraduate research experiences and lab courses. Proceedings of the National Academy of Sciences, v. 113, n. 7, p. 1026-1032, 2016.