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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
BACHARELADO EM DESENHO INDUSTRIAL
SARA BRISON PIRES DE SOUZA
KIT PARA APRENDIZADO DE MECÂNICA
Niterói
2016
SARA BRISON PIRES DE SOUZA
KIT PARA APRENDIZADO DE MECÂNICA
Trabalho de conclusão de curso
apresentado ao curso de Bacharelado em
Desenho Industrial, como requisito parcial
para conclusão do curso.
Orientador:
Prof. Dr. João Carlos Lutz Barbosa
Niterói
2016
SARA BRISON PIRES DE SOUZA
KIT PARA APRENDIZADO DE MECÂNICA
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de
Bacharelado em Desenho Industrial, como requisito parcial para
conclusão do curso.
BANCA EXAMINADORA
_____________________________________________
Prof. Dr. João Carlos Lutz Barbosa (Orientador) - UFF
_____________________________________________
Prof.ª Regina Célia de Souza Pereira - UFF
_____________________________________________
Prof.ª Dr.ª Renata Vilanova Lima - UFF
Niterói
2016
Resumo
Este projeto propõe um kit didático para auxílio ao ensino-aprendizagem
de Física no Ensino Médio. Após identificação do problema enfrentado por uma
prática de ensino de Física exclusivamente teórica, o desenvolvimento do projeto
exigiu levantamento de dados em consultas a professores e na avaliação de
produtos similares e de laboratórios didáticos, executou pesquisa de materiais
alternativos para execução do kit e utilizou-se de modelagem virtual e de
modelagem física para testar o seu funcionamento. A ferramenta projetada é
voltada especificamente para o desenvolvimento de atividades relativas aos
tópicos Plano Inclinado, Lançamento Oblíquo e Lei de Hooke, conteúdos de
Mecânica que são parte do currículo previsto pelo Ministério da Educação para
a matéria. O kit permite a experimentação no ambiente escolar, vista como
metodologia adequada ao ensino de Física, e se justifica na carência de
laboratórios didáticos nas escolas, sendo construído com o menor custo possível
a fim de ser acessível às instituições que possuem poucos recursos. Para isso,
busca também apresentar portabilidade e facilidade de montagem e uso, fatores
fundamentais para a viabilidade da aplicação da ferramenta em sala de aula.
Palavras-chave: Kit didático – Mecânica – Física – Ensino Médio.
Abstract
This project proposes an educational kit to assist on the teaching and
learning of Physics on High School. After identifying the issue faced by an
exclusively theoretical Physics teaching practice, the project's development
demanded data collection by surveying teachers and evaluating similar products
and didactic laboratories. It also researched for alternative materials for the kit's
completion and used virtual and physical modelling to test its performance. The
projected kit aims specifically at developing related activities to topics such as
Inclined Plane, Non-Horizontally Launched Projectile and Hooke's Law, which are
Mechanics contents required by the Ministry of Education (MEC) for the subject.
The kit enables experimentation in an academic environment, which is seen as
the adequate methodology for the teaching of Physics and is justified by the
scarcity of didactic laboratories in schools and therefore built with the lowest
possible cost in order to be affordable for institutions that lack resources. To that
end, it also seeks to present portability and ease to set up and use, which are
fundamental factors to enable the application of the kit in the classroom.
Keywords: Educational Kit - Mechanics - Physics - High School
Sumário
1 Introdução ..........................................................................................
1.1 Problemas ................................................................................
1.2 Objetivo ....................................................................................
1.3 Público-alvo ..............................................................................
2 Problematização e sistematização.....................................................
2.1 Problematização ergonômica....................................................
2.1.1 Problema informativo/visual ..................................................
2.1.2 Problema cognitivo ................................................................
2.1.3 Problema acidentário ............................................................
2.1.4 Problema instrucional ............................................................
2.1.5 Problema natural ...................................................................
2.1.6 Problema psicossocial ..........................................................
2.2 Sistematização .........................................................................
3 Levantamento e análise de dados .....................................................
3.1 Análise de similares .................................................................
3.1.1 Experimentos virtuais ......................................................
3.1.2 Experimentos físicos ........................................................
3.1.3 Experimentos permanentes .............................................
3.1.4 Experimentos móveis ......................................................
4 Síntese e definição de requisitos .......................................................
4.1 Tabela PNI ...............................................................................
4.2 Tabela GUT ..............................................................................
4.3 Modelagem verbal ....................................................................
4.4 Requisitos de projeto ................................................................
5 Geração e seleção de alternativas ......................................................
6 Desenvolvimento da solução ..............................................................
6.1 Detalhamento do projeto ...........................................................
6.1.1 Sistemas ................................................................................
6.1.1.1 Plano Inclinado: Planos, Goniômetro, Bloco .......................
6.1.1.2 Lançamento Oblíquo: Lançador, Projétil, Receptor .............
6.1.1.3 Lei de Hooke: Planos, Bloco, Mola ......................................
6.1.2 Componentes ........................................................................
6.1.2.1 Plano ...................................................................................
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6.1.2.2 Goniômetro .........................................................................
6.1.2.3 Bloco ...................................................................................
6.1.2.4 Lançador .............................................................................
6.1.2.5 Componentes auxiliares .....................................................
6.1.2.5.1 Projétil ..............................................................................
6.1.2.5.2 Conector ..........................................................................
6.1.2.5.3 Gancho ............................................................................
6.1.2.5.4 Peso .................................................................................
6.1.2.5.5 Pino ..................................................................................
6.1.2.6 Manual ................................................................................
6.2 Construção de modelos ............................................................
6.2.1 Modelo virtual .........................................................................
6.2.1.1 Planos .................................................................................
6.2.1.2 Bloco ...................................................................................
6.2.1.3 Goniômetro .........................................................................
6.2.1.4 Lançador .............................................................................
6.2.2 Modelo físico ..........................................................................
7 Protótipo .............................................................................................
7.1 Plano .........................................................................................
7.2 Goniômetro ...............................................................................
7.3 Bloco .........................................................................................
7.4 Lançador ...................................................................................
7.5 Mola ..........................................................................................
7.6 Componentes auxiliares ...........................................................
8 Utilização e validação do protótipo pelo usuário ..................................
9 Conclusão ...........................................................................................
10 Desenho técnico ..............................................................................
11 Bibliografia ........................................................................................
ANEXO – Manual ..................................................................................
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Lista de Desenhos Técnicos
Desenho Técnico 1 – Vista explodida, Plano AA ..................................
Desenho Técnico 2 – Interno, Plano AA ...............................................
Desenho Técnico 3 – Externo, Plano AA ..............................................
Desenho Técnico 4 – Vista explodida, Plano AB ..................................
Desenho Técnico 5 – Plano, Plano AB .................................................
Desenho Técnico 6 – Goniômetro, Goniômetro ...................................
Desenho Técnico 7 – Vista explodida, Bloco ........................................
Desenho Técnico 8 – Lateral, Bloco .....................................................
Desenho Técnico 9 – Placa de fundo, Bloco ........................................
Desenho Técnico 10 – Fundo, Bloco ....................................................
Desenho Técnico 11 – Frontal, Bloco ...................................................
Desenho Técnico 12 – Vista explodida, Lançador ................................
Desenho Técnico 13 – Goniômetro, Lançador .....................................
Desenho Técnico 14 – Corpo, Lançador ..............................................
Desenho Técnico 15 – Lateral, Lançador .............................................
Desenho Técnico 16 – Parafuso, Lançador ..........................................
Desenho Técnico 17 – Porca borboleta, Pino ......................................
Desenho Técnico 18 – Pino, Pino .........................................................
Desenho Técnico 19 – Peso maior, Pesos ...........................................
Desenho Técnico 20 – Peso menor, Pesos ..........................................
Desenho Técnico 21 – Conector, Conector ..........................................
Desenho Técnico 22 – Gancho, Gancho ..............................................
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1 Introdução
Este projeto dedica-se à produção de material didático para utilização no
ensino de Física na sala de aula de Ensino Médio, recurso compreendido como um
produto auxiliar ao enfrentamento da problemática da falta de estrutura das escolas
brasileiras.
Para consecução do objetivo definido, partiu-se da constatação de que a
experimentação é meio adequado e necessário ao processo de ensino-aprendizagem
da matéria considerada. Segundo as Orientações Educacionais Complementares aos
Parâmetros Curriculares Nacionais:
”É indispensável que a experimentação esteja sempre presente ao longo de todo o processo de desenvolvimento das competências em Física, privilegiando-se o fazer, manusear, operar, agir, em diferentes formas e níveis. É dessa forma que se pode garantir a construção do conhecimento pelo próprio aluno, desenvolvendo sua curiosidade e o hábito de sempre indagar, evitando a aquisição do conhecimento científico como uma verdade estabelecida e inquestionável.”
Esse reconhecimento do valor pedagógico da experimentação para o processo
de ensino-aprendizagem também pode se amparar na compreensão de que existem
diferentes estilos de aprendizagem, entendidos como “preferências e tendências
altamente individualizadas de uma pessoa, que influenciam em sua maneira de
apreender um conteúdo” (AMARAL; BARROS, p. 2), pluralizando as situações de
aprendizagem que se podem oferecer a uma turma concreta e à diversidade de perfis
de estudantes que ela contém.
Como atendimento a diferentes estilos de aprendizagem e como oportunidade
de construção significativa de conhecimento, a experimentação pode contribuir para
provocar o interesse do estudante, fator não desprezível para o sucesso do processo
de ensino-aprendizagem. Afinal, é indiscutível a relação direta entre motivação e
aprendizagem, e “a experimentação tende a despertar, nos alunos, um forte interesse
devido a ter um caráter motivador, lúdico, essencialmente vinculado aos sentidos”
(BENITE et al, 2009, apud SOARES; MUNCHEM; ADAIME, p.1).
Outro pensamento sobre o qual este projeto pode se apoiar é o de PORTUGAL
e COUTO (2010), que partem do princípio de que a aprendizagem é resultado da
relação sujeito-objeto. Nessa concepção, o professor não deve impor o conhecimento
10
como verdade, e sim auxiliar o aluno na busca por conhecimento, colocando o
estudante em um papel ativo na sua própria educação e aceitando a diversidade de
interpretações e ideias de cada indivíduo. As autoras reconhecem, então, o papel do
Design na Educação como ferramenta para aprimorar e renovar o processo ensino-
aprendizagem, possibilitando e favorecendo que ele se torne mais participativo,
prazeroso e multidisciplinar.
As observações para o projeto, que também encaminharam os esforços para a
experimentação como metodologia didática, foram realizadas no Laboratório Didático
de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro e na Casa da Descoberta, da
Universidade Federal Fluminense. Ambos os espaços recebem visitas de estudantes
de diferentes níveis de escolaridade e têm como objetivo despertar o interesse dos
alunos pela Física por meio de demonstrações práticas. Consultou-se também um
professor de física que leciona em um colégio público da rede federal para identificar
as necessidades do educador durante as aulas.
Ainda que de forma obrigatoriamente parcial, o kit didático proposto certamente
se justifica na relevância dos conteúdos para cuja aprendizagem poderá contribuir.
Cumpre ressaltar, portanto, a importância do conhecimento de Física e das demais
ciências no ensino médio, assim como, e sobretudo, do desenvolvimento do próprio
pensamento científico.
1.1 Problemas
A educação no Brasil é notavelmente problemática, e a falta de estrutura nas
escolas, tanto em relação ao seu aspecto físico e a materiais didáticos quanto no que
diz respeito a recursos humanos, é o indicador mais facilmente percebido dessa
situação. O baixo investimento, principalmente no setor público de ensino,
impossibilita o acesso de alunos e professores a recursos e condições ideais para o
aprendizado efetivo dos conteúdos.
Um dos problemas de estrutura mais comuns está na ausência de laboratórios
didáticos para o ensino de disciplinas como Física, Química e Biologia. Segundo o
Censo da Educação Básica de 2010, apenas 48,3% das escolas brasileiras de ensino
médio têm laboratórios de ciências a oferecer a seus estudantes (MINISTÉRIO DA
EDUCAÇÃO, 2011). Nesse contexto, a disciplina de Física, em particular, possui altos
índices de reprovação.
11
A causa para o insucesso do ensino de Física é multifatorial e complexa, mas,
talvez, se possa apontar como um motivador a falta de interesse dos estudantes,
agravada pela forma abstrata com que é apresentado seu conteúdo na inexistência
de um laboratório: “Quando ‘o que ensinar’ é definido pela lógica da Física, corre-se o
risco de apresentar algo abstrato e distante da realidade, quase sempre supondo
implicitamente que se esteja preparando o jovem para uma etapa posterior”.
(MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO, 2010)
De fato, o formato tradicional das aulas somente teóricas, adotado pela maioria
das escolas brasileiras, favorece a rejeição pela disciplina, quase sempre percebida
como exigente de excessiva e intimidante abstração. Laboratórios, ou a
implementação de atividades práticas, representariam, então, uma ferramenta valiosa
para o estudo e a absorção da disciplina:
“A experimentação tende a despertar nos alunos um forte interesse devido a ter um caráter motivador, lúdico, essencialmente vinculado aos sentidos (BENITE et al, 2009), pois os alunos são envolvidos através de aspectos visuais como cores, texturas e odores o que faz estreitar o elo entre a motivação e aprendizagem. Espera-se então que o envolvimento dos alunos seja maior e leve a evoluções em termos conceituais.” (SOARES; MUNCHEM; ADAIME, 2012)
Apesar de a realização de experimentos no ambiente escolar se mostrar
extremamente relevante e ser incentivada pelos Parâmetros Curriculares Nacionais
(PCN), diretrizes que norteiam a educação no Brasil, a implantação de uma linha de
ensino que envolva os estudantes por meio da experimentação enfrenta grandes
obstáculos.
Essa resistência se dá tanto por parte das instituições educacionais, que
frequentemente não são receptivas a novos métodos pedagógicos, quanto dos
professores, que veem como inviável a prática de experiências em sala de aula. As
principais justificativas para a oposição, como foi constatado por RICARDO e FREIRE
(2006) são relativas à imensa carga de conteúdo programado para o ano letivo e a
cobrança de uma preparação para os exames vestibulares.
É necessário considerar, também, que alunos e professores vivem atualmente
uma rotina muito menos dinâmica da que o aprendizado por meio da experimentação
propõe, e que a mudança implicaria questões de organização e disciplina que
poderiam dificultar a adaptação dos envolvidos.
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Os valores significativos de instalação e manutenção de um laboratório
convencional de Física em instituições de ensino, por fim, justificam a conveniência
da oferta de material didático para experimentação que seja de baixo custo, sem que
se comprometa sua funcionalidade.
1.2 Objetivo
Almeja-se com este projeto desenvolver um produto portátil, de baixo custo e
de fácil montagem e manuseio que facilite o aprendizado de conteúdos Plano
Inclinado, Lançamento Oblíquo e Lei de Hooke, da área de Mecânica, ao permitir a
demonstração concreta dos principais fenômenos dessa parte da Física a ser
trabalhada no Ensino Médio. O kit proposto pretende colaborar com o trabalho do
professor, permitir a participação ativa dos estudantes em atividades experimentais e
lhes oportunizar a construção dos conceitos relativos a esses conteúdos.
1.3 Público-alvo
O público-alvo do kit didático aqui proposto consiste de professores de Física
do ensino médio e estudantes dessa disciplina, também nesse nível de ensino, entre
14 e 18 anos de idade.
13
2 Problematização e sistematização
Na abordagem do problema, fez-se necessária, como etapa do projeto, a
identificação e classificação dos fatores ergonômicos pertinentes ao desenvolvimento
de experimentos didáticos em diferentes ambientes e com variação de quantidade de
usuários.
2.1 Problematização ergonômica
O levantamento de questões ergonômicas relevantes ao problema estudado
pode ser observado nos itens abaixo.
2.1.1 Problema informativo/visual
Os experimentos, principalmente quando realizados sem os equipamentos
adequados, não oferecem uma fácil visualização dos resultados, o que aumenta a
imprecisão do experimento e pode acarretar a necessidade de repetição da atividade.
Quando demonstrado para um grupo grande de pessoas, o experimento pode não ser
devidamente visto por todos os observadores.
2.1.2 Problema cognitivo
Devido à precisão requerida para a execução dos experimentos, é frequente
que pequenos erros de posicionamento comprometam o sucesso da atividade.
2.1.3 Problema acidentário
As atividades realizadas durante os experimentos podem envolver projéteis
com peso e velocidade que, ao atingir o observador, podem causar lesões.
Alguns experimentos diretamente relacionados com termologia e eletricidade
oferecem o risco de queimaduras e choques elétricos ao usuário.
14
2.1.4 Problema instrucional
Como os equipamentos são compostos por uma grande quantidade de peças,
sua montagem é complexa e requer muito tempo e atenção. A má compreensão da
estrutura pode ocasionar ainda a montagem incorreta dos sistemas e a perda de
peças.
Manuais pouco claros podem fazer com que o usuário tenha dúvidas sobre o
funcionamento do equipamento, fazendo com que ele danifique peças, ou não alcance
os resultados desejados.
2.1.5 Problema natural
Um ambiente com condições pouco adequadas para utilização ou
armazenamento do kit pode prejudicar a integridade do produto, criando mofo ou
deformando as peças.
O uso de materiais inadequados para a confecção das peças pode resultar na
baixa durabilidade dos elementos.
2.1.6 Problema psicossocial
Os observadores podem interferir no experimento, alterando seu resultado, ou
mesmo quebrando o equipamento. A interferência também pode causar lesões no
observador, por impactos, choques elétricos ou queimaduras.
15
2.2 Sistematização
O sistema alvo do projeto é o aprendizado significativo da matéria.
Figura 1 - Caracterização e posição serial do sistema.
RESULTADOS
DESPROPOSITADOS
Resultados errados devido
à interferência
dos observadores
RESTRIÇÕES
- Falta de interesse no
aprendizado
- Dificuldade para atingir
as condições físicas
ideais para a experiência
REQUISITOS
- Equipamento
- Noção de
uso
SAÍDA
Aluno com o
conhecimento
ENTRADA
Aluno sem o
conhecimento
SISTEMA ALIMENTADOR
Escolas
META
Auxiliar o
entendimento da
matéria
SISTEMA
ALVO
Aprendizado de
Física
SISTEMA
ULTERIOR
Sociedade
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3 Levantamento e análise de dados
Observando o contexto ao qual o produto pertence, foi feita a identificação e a
análise da composição dos ambientes dos laboratórios didáticos e de produtos
similares ao material projetado.
3.1 Análise de similares
O Laboratório Didático (LADIF) situa-se no Centro de Tecnologia da UFRJ,
sendo administrado pelo Instituto de Física da universidade. Possuindo diversos
experimentos, entre os montados para exibição e os desmontados, o Laboratório
recebe até 40 visitantes por vez. A visita é conduzida por uma equipe de monitores
que são treinados para operar os equipamentos e explicar as propriedades de cada
fenômeno.
Figura 2 – Casa da Descoberta, UFF.
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A Casa da Descoberta é um projeto do Instituto de Física da Universidade
Federal Fluminense. Funcionando com o mesmo esquema de acompanhamento por
monitores, o projeto demonstra vários experimentos de diferentes eixos da Física para
grupos de 20 a 30 visitantes.
Para este projeto, reconhecem-se como experimentos didáticos os sistemas
utilizados para demonstrar propriedades estudadas em sala de aula.
Destacaram-se como ferramentas de auxílio no aprendizado de física os
experimentos virtuais e os experimentos físicos, sendo esses últimos divididos entre
permanentes e móveis.
3.1.1 Experimentos virtuais
Atualmente, é possível utilizar programas de computador para a realização de
experimentos virtuais. Existem programas, tanto pagos como gratuitos, e plataformas
online que possibilitam a demonstração de fenômenos por meio da geração de
gráficos ou de pequenas animações.
Depois de informados os dados da situação, o programa calcula os resultados
e mostra, graficamente, as reações ocorridas.
Na entrevista com o professor do colégio de aplicação da UFF, foi apontado um
programa com o qual é possível fazer simulações dos fenômenos físicos, o PhET.
Figura 3 – Demonstração do conceito de conservação de energia mecânica do Projeto PhET.
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PhET é um projeto da Universidade do Colorado que consiste em um conjunto
de experiências nas áreas de Química, Física, Biologia e Matemática que podem ser
executadas online ou offline. Um aspecto positivo das demonstrações do projeto é a
quantidade de fatores que podem ser avaliados simultaneamente em um único
experimento.
Figura 4– Demonstração o lançamento de projéteis do Projeto PhET
O experimento virtual é particularmente vantajoso por depender apenas do
programa e de um computador compatível, ou de uma máquina com acesso à internet,
no caso de conteúdos online.
Porém, esse recurso mantém a abstração durante o ensino, visto que as
animações não são muito sofisticadas, e o contato dos alunos é reduzido e não
contribui para a captura da atenção.
3.1.2 Experimentos físicos
Os experimentos físicos são aqueles que contam com uma estrutura concreta
que demonstram as reações físicas ocorridas sobre a matéria.
Os experimentos analisados se dividem entre aqueles que permanecem
montados para demonstração, chamados aqui de Experimentos Permanentes, e os
que podem ser desmontados após as demonstrações, chamados Experimentos
Móveis.
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Dentro dessa categoria, também devem ser citados experimentos caseiros,
realizados de forma improvisada, que não são construídos para exposições
continuadas ou recorrentes e costumam ser descartados após o uso.
3.1.3 Experimentos permanentes
As observações dessa categoria de equipamento foram feitas, como citado
anteriormente, no LADIF e na Casa da Descoberta.
Figura 5 – Experimento de Fibra ótica, LADIF.
20
Figura 6 – Gerador de Corrente Alternada para o estudo de campos quase estáticos, LADIF.
Os Experimentos Permanentes podem ser compostos por equipamentos
sofisticados, podem executar experiências mais complexas e oferecer resultados mais
precisos. Entretanto, esses mecanismos costumam exigir um investimento financeiro
alto, além de demandar um espaço fixo para sua ocupação.
Figura 7 – Experimento de pêndulos acoplados para o estudo da Oscilação, LADIF.
21
Alguns dos experimentos dos laboratórios considerados oferecem a
possibilidade de desmontagem, porém não são planejados para que isso seja
realizado de forma fácil, ou para que seu armazenamento ocupe um espaço reduzido.
A vantagem dos experimentos fixos em laboratórios é que, embora eles
impliquem um aumento de custo, o nível de sofisticação dos sistemas pode ser
consideravelmente mais alto que o oferecido por experimentos móveis.
3.1.4 Experimentos móveis
Os Experimentos Móveis não têm o propósito de ficar permanentemente
expostos. São, de maneira geral, menores e mais simples, podendo ser deslocados,
montados ou desmontados com facilidade.
Figura 8 – Experimento de movimento perpétuo.
Dentro desse conjunto se encontram os kits, que visam à mobilidade e à
praticidade de uso, sendo muitas vezes destinados para o uso fora da sala de aula
como um instrumento de lazer.
Apesar de serem de um porte menor quando comparados com os
Experimentos Permanentes, os Experimentos Móveis são capazes de demonstrar
diversos fenômenos de maneira mais prática.
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4 Síntese e definição de requisitos
A fim de organizar os dados colhidos e as inferências já realizadas, essas
informações foram distribuídas em tabelas que favorecem sua visualização e a
posterior definição de requisitos.
4.1 Tabela PNI
Para prosseguir com a projetação, foi feito um quadro comparativo
relacionando os diferentes tipos de experimentos, os experimentos virtuais, os
expostos nos espaços – e os experimentos em kits, através do levantamento dos
pontos positivos, negativos e interessantes de cada conjunto.
Similares P N I
Experimentos
Físicos
Permanentes
- Demonstram as
propriedades físicas
- Por permanecerem
montados, o risco de
erros na demonstração
é reduzido
- Imobilidade
- Podem causar a
dispersão do aluno pelo
ambiente diferente
- Dependem da
disponibilidade das
escolas em levarem as
turmas até as
instituições
- Os experimentos
podem ser mais
sofisticados
Experimentos
Virtuais
- Não demandam
espaço para a
realização das
demonstrações
- Ainda mantêm um
grau alto de abstração
- O material
necessário é de
fácil acesso
Experimentos
Físicos Móveis
- São práticos para
demonstrações em
sala
- Os experimentos ficam
sujeitos a erros na
montagem que podem
comprometer os
resultados
- Não dependem de
infraestrutura da
escola
Tabela 1 – PNI.
23
O cotejamento dos pontos positivos, negativos e interessantes das diferentes
categorias de experimentos indica que, para a proposta de contornar a falta de
recursos das escolas e ao mesmo tempo atrair a atenção dos alunos, os experimentos
físicos móveis são a melhor opção, por sua praticidade e simplicidade de uso.
4.2 Tabela GUT
Na tabela GUT foram analisados os principais problemas identificados no
questionário e na análise de similares listados na problematização ergonômica.
Problema Gravidade Urgência Tendência GXUXT
Dificuldade de averiguação dos resultados 5 5 3 75
Dificuldade de visualização por grandes grupos 3 3 1 9
Dificuldade de posicionamento dos elementos 4 5 3 60
Choque de projéteis nos observadores 4 5 1 20
Lesões por altas temperaturas e corrente elétrica 5 5 3 75
Conjunto de peças grande e de difícil montagem 5 4 3 60
Manuais pouco claros 5 4 3 60
Materiais inadequados 4 3 4 48
Interferência dos observadores 3 2 1 6
Tabela 2 – GUT
Identificaram-se como os problemas de maior relevância a Dificuldade de
averiguação dos resultados e a Dificuldade de posicionamento dos elementos,
visto que comprometem a demonstração. Os problemas instrucionais Conjunto de
peças grande e de difícil montagem e Manuais pouco claros também são
significativos, devido às dificuldades adicionais que se apresentariam ao professor, o
que implicaria a não adoção da ferramenta.
O problema acidentário de Lesões por altas temperaturas e corrente elétrica
foi notado durante as observações, porém ele não se aplicará aos experimentos que
o kit se propõe a demonstrar.
Os problemas instrucionais de Manuais pouco claros e Dificuldade de
montagem e o problema cognitivo da Dificuldade de posicionamento dos
elementos também aparecem como fortes.
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4.3 Modelagem verbal
Para que se realizem demonstrações de fenômenos físicos selecionados,
evitando os problemas observados na análise de similares, é necessário que o kit
desenvolvido seja composto por um conjunto reduzido de peças simples e de fácil
montagem.
De forma esquemática, a modelagem verbal do produto se apresenta a seguir:
Campo de influência: Conhecer as instruções do equipamento
Fator de influência: Quantidade de observadores, experimentos a serem
demonstrados
Requisito: Demonstrar experimentos físicos
Características: Planos, Goniômetro, Molas, Bloco, Pesos, Lançador,
Projétil, Receptor
Restrições: Simplicidade de montagem e uso
Especificação verbal: Composto de materiais que resistam ao uso; fácil
montagem, fácil deslocamento
Critérios para seleção de alternativas: praticidade de uso, facilidade de
montagem, estética, custo
4.4 Requisitos de projeto
Baixa complexidade de montagem e uso (pouco tempo e esforço gastos para
armar a estrutura e posicionar os elementos)
Mobilidade (facilidade para transportar o kit)
Número reduzido de peças
Durabilidade (tendência de a peça resistir ao uso)
Estética (coerência visual entre as peças)
Dada a necessidade de montagem e desmontagem a cada experimento
realizado, os critérios de Complexidade de montagem e Mobilidade possuíram os
maiores pesos para a definição dos modelos.
A Durabilidade é fundamental para o produto, visto seu objetivo de suprir
carências nas escolas. É necessário, portanto, que o material não apresente grande
fragilidade, trazendo custos de manutenção ou reposição do objeto.
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A Estética é justificada pela necessidade de se ter, em um kit, uma
compatibilidade visual entre os elementos que o compõem de forma que favoreça a
compreensão do funcionamento.
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5 Geração e seleção de alternativas
As alternativas foram produzidas a partir da definição dos conteúdos que
seriam abordados pelo kit. Pensou-se nos elementos que poderiam ajudar a simular
os exercícios.
Algumas das alternativas se mostraram pouco funcionais, sendo desprezadas
na seleção. Dentre elas pode ser destacada a proposta de um nivelador, que
proporcionaria um grau zero para o lançador. Como a utilização de uma superfície
razoavelmente plana para acomodação dos sistemas do kit é uma condição previsível,
a proposta do nivelador foi dispensada, em benefício da simplicidade do projeto.
Também foram consideradas polias para o sistema Plano Inclinado. Foram
descartadas com a mesma intenção de simplificação do material didático.
A maior parte dos materiais inicialmente selecionados para confecção do
protótipo se manteve. Foram considerados materiais como nylon e polietileno para o
revestimento dos Planos, a fim de minimizar o atrito nas atividades de Plano Inclinado.
Após alguns testes rápidos, concluiu-se que o atrito gerado pelo MDF não prejudicaria
os experimentos.
Também houve pequenas alterações formais nos componentes desde sua
concepção inicial. Elas se encontram registradas nas figuras a seguir.
Figura 9 – Esboço do Goniômetro
27
Figura 10 – Esboço do Plano
Figura 11 – Esboço do Gancho
28
Figura 12 – Esboço da Placa de Fundo
Figura 13 – Esboço do Bloco
29
6 Desenvolvimento da solução
A partir da definição da forma como os experimentos seriam realizados,
planejaram-se individualmente os componentes do kit. Esse processo envolveu a
confecção de modelos digitais e físicos, até a produção do protótipo.
,
6.1 Detalhamento do Projeto
O nome escolhido para o kit, Archimedes, faz deferência ao físico, matemático,
engenheiro, inventor e astrônomo grego, considerado um dos principais cientistas da
antiguidade clássica.
Nos exercícios de Física mecânica estudada no Ensino Médio, costumam ser
consideradas as variáveis de tempo, espaço, velocidade, força. Os componentes e as
atividades propostas foram planejados para excluir a variável do tempo, visto que,
para a sua medição precisa, seriam necessários sensores que encareceriam o
produto final e dificultariam a visualização dos efeitos pelos alunos.
Assim sendo, o kit vai abranger os conteúdos de Plano Inclinado, Lançamento
Oblíquo e Lei de Hooke. Nos experimentos de Plano Inclinado, são pedidas as
condições máximas para que o sistema permaneça em equilíbrio. Nos experimentos
de Lei de Hooke, a proposta é calcular previamente a deformação que a mola sofrerá
com o peso utilizado. No experimento de Lançamento Oblíquo, os exercícios propõem
que os alunos calculem a distância a ser percorrida pelo projétil de acordo com a
inclinação e com a potência do lançador.
Cada experimento conta com uma estrutura básica de funcionamento:
Plano Inclinado: Planos, Goniômetro, Bloco
Lançamento Oblíquo: Lançador, Projétil, Receptor
Lei de Hooke: Planos, Molas, Pesos
Para favorecer uma visualização clara e um fácil reconhecimento do sistema,
os componentes do kit possuem formas simplificadas, semelhantes aos elementos
representados nos exercícios.
A escala usada para produzir as peças foi determinada de acordo com as
dimensões de uma sala de aula padrão, de maneira que as estruturas montadas
pudessem ser vistas por uma classe, em ambiente de sala de aula, caso os sistemas
sejam utilizados para demonstrações.
30
Os materiais para a produção do kit foram escolhidos pela facilidade de
confecção e pelo preço acessível, estando relacionados também ao peso ideal para
cada elemento, considerando a massa mínima para que o sistema fique estável e a
máxima que o conjunto pode ter para ainda ser de fácil locomoção e durabilidade.
O kit possuirá poucas cores, a fim de manter um visual limpo: azul, cinza e
branco.
O kit é acompanhado por um manual em formato de brochura que contém as
instruções de montagem, com desenhos esquemáticos, e sugestões de exercícios e
atividades a serem realizadas em aula.
6.1.1 Sistemas
Os sistemas, que compartilham peças entre si para poupar material e espaço,
são três: Plano Inclinado, Lançamento Obliquo e Lei de Hooke, em correspondência
evidente com os conteúdos disciplinares.
6.1.1.1 Plano Inclinado: Planos, Goniômetro, Bloco
O conteúdo de Plano Inclinado é apresentado ainda no início do ano letivo e
seus exercícios são normalmente representados pelo desenho de um corpo sobre
uma aclividade. Podem pedir que o aluno calcule a velocidade com que o corpo
desliza, o atrito da superfície em que ele se encontra, a massa do corpo de acordo
com a situação dada e outros.
O exercício planejado para as atividades de Plano Inclinado no kit é calcular a
massa máxima que o Bloco pode ter e ainda se manter estático. Para esse exercício,
o usuário deve considerar o atrito oferecido pelas superfícies utilizadas, fazer os
cálculos e seguir com a experimentação, montando o sistema conforme o exercício
proposto e adicionando os pesos para verificar o resultado achado.
6.1.1.2 Lançamento Oblíquo: Lançador, Projétil, Receptor
Os exercícios previstos na utilização desse sistema têm o objetivo de prever,
através das fórmulas, o fim da trajetória do Projétil. Além de alternar os Lançadores
com diferentes potências e os ângulos de lançamento, a variabilidade das situações
31
apresentadas pode ser aumentada ao variar as alturas em que o Lançador e o
Receptor se encontram. É possível também calcular a altura máxima que o Projétil
atingirá em cada situação.
6.1.1.3 Lei de Hooke: Planos, Bloco, Mola
Para utilização desse sistema, o usuário deve predizer a deformação sofrida
pela Mola de acordo com o peso aplicado. Também é possível realizar o cálculo
inverso, prevendo a quantidade de Pesos necessários para atingir uma determinada
deformação. O sistema permitirá a confirmação e conferência desses cálculos por
meio das experimentações.
A deformação da Mola é medida pela diferença entre o comprimento da peça
em repouso e o comprimento da peça tensionada.
6.1.2 Componentes
Cada sistema é construído a partir de um conjunto de peças, concebidas para
simular os fenômenos físicos abordados nos exercícios.
6.1.2.1 Plano
O componente Plano serve de base para os experimentos de Plano Inclinado
e Lei de Hooke. Os Planos apresentam duas formas diferentes: uma mais longa, com
50 cm de comprimento, um encaixe A e um B; e uma menor com 22 cm de
comprimento e dois encaixes A.
32
Figura 14 – Sketch dos Planos
Os Planos possuem furos passantes em suas extremidades que permitem a
conexão com outros componentes do kit.
O Plano menor tem também um furo central, por onde o Conector irá passar
nos sistemas de Lei de Hooke.
33
Figura 15 – Sketch encaixe e ajuste do Plano.
Os Planos maiores são usados nos exercícios de Plano Inclinado. Unidos por
um parafuso que atravessa as suas pontas, eles formam uma inclinação que pode ser
definida com precisão através do Goniômetro.
Possuindo uma superfície de MDF lisa e emparelhada, o atrito apresentado
pela peça é desprezível, facilitando o cálculo dos corpos.
Inicialmente os planos foram planejados para apresentar um atrito desprezível
e facilitar o cálculo, porém, nos testes de material, foi constatado que a superfície lisa
do Plano não possuía aderência suficiente para manter o Bloco estático sobre ele.
Para solucionar essa questão, foi acrescentada ao Plano uma capa para aumentar o
atrito entre as peças.
6.1.2.2 Goniômetro
O Goniômetro tem como função alinhar os planos e definir os ângulos entre
eles. Ele possibilita inclinações de até 180° em relação ao chão, com marcações em
0°, 30°, 45°, 60° e 90°, que são os principais ângulos encontrados nos exercícios.
34
A peça estará presente no kit em duas partes do conjunto – utilizada para
alinhar os planos, nas atividades de Plano Inclinado, e como parte do lançador, usado
nas atividades de Lançamento Oblíquo.
O Goniômetro do Plano tem sua estrutura composta por um arco com 10cm de
diâmetro e apresenta um rasgo que acompanha a circunferência, através do qual é
possível visualizar e ajustar a inclinação desejada. No centro da circunferência, há um
orifício pelo qual se atravessa a barra de parafuso que, quando atarraxado, fixa os
elementos na posição correta.
O Goniômetro que acompanha o Lançador é um pouco menor, com um arco
de 7cm e altura total de 10cm, e funciona por meio do mesmo princípio.
6.1.2.3 Bloco
Esse componente é utilizado nas atividades de Plano Inclinado e corresponde
aos corpos que sofrem deslocamentos nos exercícios.
Figura 16 – Sketch estrutural do Bloco.
35
O Bloco é composto por placas de MDF e apresenta uma estrutura oca,
possibilitando que a peça receba adição de pesos, o que fará variar a massa do
componente.
O fundo do bloco, parte que entra em contato com a superfície do plano, é
cambiável; dessa forma, é possível alterar o coeficiente de atrito apresentado pela
peça.
Essas alterações de massa e atrito aumentam a quantidade de exercícios que
podem ser realizados com a menor quantidade de componentes no kit.
6.1.2.4 Lançador
Esse componente é utilizado para as atividades de Lançamento Oblíquo. Sua
estrutura é dividida em Corpo, onde se encontra o sistema que impulsiona o projétil,
e os Goniômetros, que são presos às suas laterais.
Figura 17 – Esquema de montagem do Lançador.
36
Os parafusos que atravessam os Goniômetros e os fixam ao lançador definem
o eixo de sua rotação e, a partir deles, é traçada uma reta no corpo do Lançador que
serve como guia para ajustar o lançador no ângulo desejado.
Figura 18 – Mecanismo do Lançador
Figura 19 – Esquema de disparo do Lançador
37
Seu mecanismo de disparo funciona a partir de uma mola fixada ao corpo do
lançador e a uma pequena plataforma que fica em contato com o projétil. Para dar
início ao lançamento, traciona-se a plataforma por meio de uma corda até que esteja
visível a trava de disparo. Em seguida, passa-se a corda pela parte mais estreita do
orifício no corpo do lançador, e a trava impede que a corda recue. Para efetuar o
disparo, empurra-se delicadamente a trava em direção à parte mais larga do orifício.
Para alcançar a eficiência do sistema, foi necessário incluir, entre a plataforma
e a trava, uma haste rígida, que diminui o esforço empregado para soltar a trava e
evita que a trave agarre no orifício.
Entre as alterações estruturais, inclui-se também o estreitamento do túnel do
Lançador, para impedir que a mola arqueie ao ser comprimida e altere a trajetória do
projétil.
O kit possui três Lançadores com alcances diferentes, nomeados de L1, L2 e
L3. Os três são construídos de maneira semelhante, alterando apenas a mola de
compressão em seu interior, que define a potência dos lançamentos, e o comprimento
do corpo da peça.
Figura 20 – Posicionamento da identificação dos Lançadores.
38
Cada Lançador possui uma identificação a partir da qual é possível identificar,
no manual, a força com que é impulsionado o projétil de acordo com a mola em seu
interior.
6.1.2.5 Componentes auxiliares
Os componentes auxiliares – Projétil, Gancho, Conector, Peso, Pino - são
peças que complementam os sistemas ao conectar os elementos e alterar as variáveis
consideradas nos exercícios.
6.1.2.5.1 Projétil
Este componente é o corpo impulsionado nas atividades de Lançamento
Oblíquo. O conjunto contém duas unidades dessa peça com propriedades diferentes.
A variação de massa aumenta a quantidade de variações que podem ser feitas
durante a experimentação.
6.1.2.5.2 Conector
O Conector tem como função ligar a Mola ao Plano no Sistema de Lei de Hooke.
O kit contém uma unidade deste componente que consiste em uma peça de aço com
uma das extremidades roscada e outra com uma curvatura.
O lado roscado atravessa o furo no centro do Plano e é preso por uma porca
na outra face da peça. O lado curvado recebe os outros componentes que
proporcionarão peso ao sistema.
6.1.2.5.3 Gancho
Este componente é utilizado no sistema de Lei de Hooke e tem como objetivo
ligar a mola aos pesos. O kit contém três unidades dessa peça que, assim como o
Conector, apresenta uma extremidade roscada e outra em curva.
Sua extremidade roscada atravessa os Pesos que permanecem ligados ao se
apertar uma porca, e sua extremidade curvada se prende à curvatura do Gancho,
deixando os componentes suspensos.
39
A sua massa de 10g também deve ser considerada ao se calcular o peso
colocado na Mola.
6.1.2.5.4 Peso
O Peso é o componente que proporciona o aumento de massa às peças dos
sistemas. Composto por discos de aço com centro vazado, o peso pode ser
adicionado diretamente ao Bloco, no sistema de Plano Inclinado ou por meio do
Conector no sistema de Lei de Hooke.
O kit possui 60 unidades deste componente, estando dividido entre Pesos
maiores, de 30mm de diâmetro e 13g, e menores, de 18mm de diâmetro e 1,2g. Os
Pesos menores são utilizados para causar diferenças mais sutis na massa.
6.1.2.5.5 Pino
O Pino é a peça responsável por ligar os Planos e os Goniômetros. Sua
estrutura é composta por uma barra roscada, que atravessa os componentes, e duas
porcas borboleta, que travam os componentes na posição desejada. O kit possui 4
unidades desse componente.
6.1.2.6 Manual
Com uma encadernação em grampo canoa e formato A5, o manual que
acompanha o kit tem as informações necessárias para identificação dos componentes
e montagem dos sistemas, além de explicar o funcionamento de cada peça por meio
de ilustrações.
O livreto contextualiza ainda, de maneira resumida, o conteúdo da matéria
abordada, apresentando os esquemas gráficos e listando as fórmulas normalmente
utilizadas nos exercícios tradicionais.
Além de explicitar o local das identificações, nas peças maiores, para as peças
pequenas que precisam ser diferenciadas na montagem, o manual utiliza o recurso
de reconhecimento pela forma do componente. Nas páginas, há as silhuetas em
escala real das peças sobre as quais é possível posicioná-las e conferir se o
componente manuseado corresponde ao indicado pelo manual.
40
Em uma versão estendida, o manual poderia conter também as instruções para
a confecção de cada peça do kit, os materiais e os processos que poderiam ser
utilizados, além de orientações para recalcular as propriedades de cada componente,
como o coeficiente elástico das molas e o coeficiente de atrito dos blocos. Isso torna
possível replicar o conjunto de peças, fornecendo às instituições que não têm como
comprar o kit informações para fabriquem os seus próprios.
6.2 Construção de modelos
Os modelos construídos – um modelo virtual e um modelo físico executado com
materiais alternativos – permitiram a avaliação do funcionamento do kit projetado.
6.2.1 Modelo virtual
As peças do conjunto foram modeladas com o software de desenho assistido
por computador, SolidWorks.
Durante a produção do modelo, foi possível confirmar a compatibilidade entre
as medidas previstas para cada peça.
41
6.2.1.1 Planos
Figura 21 – Modelagem digital do Plano.
Figura 22 – Modelagem digital do Plano.
42
6.2.1.2 Bloco
Figura 23 – Modelagem digital do Bloco
6.2.1.3 Goniômetro
Figura 24 – Modelagem digital do Goniômetro.
43
6.2.1.4 Lançador
Figura 25 – Modelagem digital do Lançador.
6.2.2 Modelo físico
A estrutura do modelo físico foi construída com papelão e cartão couro,
utilizando parafusos de aço inox nas junções. Os principais objetivos desse modelo
foram verificar as dimensões planejadas para cada peça e testar os mecanismos de
encaixe.
44
Figura 26 – Modelo em papel do Bloco
Figura 27 – Modelo em papel do Plano
45
Figura 28 – Modelo em papel do Plano
Figura 29 – Modelo em papel do sistema de Plano Inclinado
A escala escolhida se mostrou adequada para a visualização de um grupo de
pessoas a uma certa distância, que seria a situação de uso na sala de aula.
46
7 Protótipo
O protótipo foi confeccionado em MDF, utilizando ferramentas básicas, para
corte, perfuração e lixa, para o acabamento.
Outra opção para a fabricação seria o corte a laser. Apesar de as peças não
apresentarem formas muito complexas e difíceis de serem alcançadas manualmente,
o corte a laser agilizaria a produção e aumentaria as opções de materiais a serem
utilizados.
Figura 30 – Sistema de Plano Inclinado montado
Figura 31 – Peças do sistema de Plano Inclinado
47
Figura 32 – Sistema de Lei de Hooke montado
Figura 33 – Peças do sistema de Lei de Hooke
48
Figura 34 – Sistema de Lançamento Oblíquo montado
Figura 35 – Peças do sistema de Lançamento Oblíquo
49
7.1 Plano
A partir de uma placa de MDF com 15mm de espessura, foram retirados nove
sarrafos com 4cm de largura e diferentes comprimentos. As nove peças, depois de
niveladas e lixadas para ter suas extremidades boleadas, foram perfuradas com uma
broca de 5mm em sua lateral para abrir passagem dos Pinos.
Feito isso, as ripas foram coladas lado a lado, com cola de madeira, formando
os Planos.
Figura 36 – Detalhe do encaixe do Plano
Figura 37 – Plano AA
50
Figura 38 – Plano AB
7.2 Goniômetro
Da mesma placa de MDF que deu origem aos Planos, foram tirados os
Goniômetros. As dez peças, sendo quatro maiores, utilizadas junto aos Planos, e seis
menores, usadas junto aos Lançadores, foram cortadas com auxílio de uma serra tico-
tico de bancada e lixadas a mão até atingirem uma superfície suficientemente regular.
Posteriormente, foram feitos os furos em seus centros com uma broca de 5mm.
Em suas laterais, foram feitas ranhuras, nos pontos das marcações dos ângulos, por
entre as quais a tinta branca se fixa.
Figura 39 – Goniômetro
51
7.3 Bloco
As cinco partes do Bloco e os fundos foram confeccionados com placas de MDF
com 6mm de espessura e colados com cola epóxi. Aos fundos removíveis foram
fixados retalhos de diferentes materiais – feltro, carpete, courino e emborrachado –
que proporcionam maior ou menor atrito.
Figura 40 – Bloco e Placas de fundo
7.4 Lançador
Os Lançadores foram extraídos de pequenas placas de MDF com 6mm de
espessura. As sete partes que compõem o corpo foram cortadas e lixadas até atingir
a inclinação necessária para realizar o encaixe planejado.
52
Figura 41 – Detalhe do interior do Lançador.
Figura 42 – Furo do Lançador.
53
Figura 43 – Detalhe da traseira do Lançador.
Em suas laterais, foram feitos furos cegos para acomodar os parafusos que
fazem a ligação com os Goniômetros.
Figura 44 – Detalhe lateral do Lançador.
Para o seu mecanismo de disparo, foi utilizado um cordão de algodão como
puxador, cilindros plásticos, hastes metálicas com comprimentos correspondentes aos
das molas comprimidas, prismas de face quadrada para a plataforma de lançamento
e molas de compressão de aço compradas avulsas.
54
Figura 45 – Mecanismo de disparo do Lançador.
As marcações dos ângulos e as identificações dos Lançadores foram feitos com
uma tinta branca opaca permanente de secagem rápida. A cor branca se destaca
sobre o MDF e a tinta utilizada é resistente a arranhões e ao atrito com outras peças.
7.5 Mola
Foram testadas diversas molas de compressão e tração até se encontrarem os
modelos com as propriedades adequadas para os sistemas de Lançamento Oblíquo
e Lei de Hooke.
Figura 46 – Molas de compressão
55
Para o funcionamento dos Lançadores, as molas mais rígidas se mostraram
como as melhores opções ao impulsionar com maior potência o Projétil.
Figura 47 – Molas de tração
As molas de tração selecionadas para o sistema de Lei de Hooke foram as mais
maleáveis possíveis para que a deformação fosse a mais acentuada possível para o
peso utilizado.
7.6 Componentes auxiliares
Para esses componentes foram aproveitadas peças de aço comuns no
mercado, acrescentando pouco custo ao conjunto e permitindo fácil reposição em
caso de perda ou dano.
56
Figura 48 – Componentes auxiliares.
Como Projétil, optou-se por usar duas bilhas de aço com diâmetros de 15mm e
18mm e massas de 14g e 24g, respectivamente. O peso relativamente alto da esfera
evita que a sua trajetória sofra interferências causadas por correntes de ar, e a sua
superfície uniforme reduz as imprecisões referentes à resistência do ar.
Para o Conector, foi utilizada uma peça padrão do mercado, ajustada para o
comprimento de 12cm.
Semelhante ao Conector, o Gancho apresenta uma extremidade roscada e
outra em curva, porém com uma haste mais curta, tendo um comprimento total de
120mm. Assim como o Conector, é uma peça padrão do mercado. A sua massa, junto
à porca que o acompanha, é de 10g.
Para o peso, foram utilizadas arruelas de 30mm e 18mm de diâmetro. O kit
contém 60 unidades deste componente, que se dividem entre Pesos maiores, de
30mm de diâmetro e 13g, e menores, de 18mm de diâmetro e 1,2g. Os Pesos
menores são utilizados para causar diferenças mais sutis na massa.
O Pino é a peça responsável por ligar os Planos e os Goniômetros. Sua
estrutura é composta por uma barra roscada, que atravessa os componentes, e duas
porcas borboleta, que travam os componentes na posição desejada. O kit possui 4
unidades desse componente.
57
Para o Receptor, foi feito um colchão de areia revestido com malha para
amortecer e reter o Projétil ao final da trajetória. O colchão fica contido em uma caixa
de MDF com dimensões de 15cmx15cmx2cm.
A Esteira foi um componente incluído no kit após iniciados os testes com o
protótipo. Observou-se que, com as suas bases mais afastadas para atingir as
inclinações menores, o sistema de Plano Inclinado não se sustentava. Esse problema
foi solucionado com a inclusão da nova peça, que aumenta a aderência dos
Goniômetros à superfície de montagem.
Figura 49 – Kit completo
58
8 Utilização e validação do protótipo pelo usuário
Os testes de utilização e validação foram realizados com um grupo de cinco
estudantes com idade entre 14 e 19 anos, faixa etária que se aproxima daquela
prevista para as três séries do Ensino Médio. O local escolhido para as avaliações foi
um ambiente interno, fechado e silencioso, com uma mesa sobre a qual os
experimentos foram montados. Sob supervisão do projetista, os testes incluíram as
fases de montagem e desmontagem dos sistemas com auxílio do manual, a realização
de cálculos e o desenvolvimento das experimentações propostas pelo kit.
O quantitativo de cinco estudantes mostrou-se bem dimensionado para a
manipulação do kit e para a execução das atividades de experimentação previstas,
uma vez que os participantes puderam operar individualmente o equipamento e
discutir sobre o seu funcionamento sem tumultuar a atividade. Dessa forma, essa é
uma configuração recomendável para a utilização de Archimedes na sala de aula,
salvo situações em que ele for usado para simples demonstração.
Figura 50 – Teste com usuários.
O primeiro sistema testado foi o de Plano Inclinado. Foi solicitado aos usuários
que eles montassem as peças de acordo com o ilustrado no manual e escolhessem
uma das possíveis ordenações de ângulo e atrito para iniciar a experimentação.
59
Figura 51 – Teste com usuários.
Figura 52 – Teste com usuários.
60
Finalizados os experimentos de Plano Inclinado, seguiu-se para a avaliação do
sistema de Lei de Hooke. Os usuários selecionaram uma das Molas e a quantidade
de Pesos para realizar os cálculos e, após concluí-los, montaram o sistema
correspondente.
Figura 53 – Teste com usuários.
Figura 54 – Teste com usuários.
61
Figura 55 – Teste com usuários.
O sistema de Lançamento Oblíquo foi o último a ser testado. Dado o tamanho
limitado do espaço utilizado no teste, não foi utilizado o Lançador com maior potência
do kit. Durante o ajuste de ângulo do Lançador, o parafuso em sua lateral se soltou,
devido ao excesso de força aplicado.
Figuras 56 e 57 – Teste com usuários.
62
Figura 58 – Teste com usuários.
Figura 59 – Teste com usuários.
63
O ambiente de realização das atividades de validação do protótipo, entretanto,
não foi uma sala de aula, assim como os cinco estudantes participantes não formavam
uma classe escolar. É desejável, portanto, que se realizem testes subsequentes para
uma avaliação mais completa da ferramenta proposta.
Os componentes principais e auxiliares de cada um dos sistemas mostraram-
se bem dimensionados e em número suficiente para o adequado funcionamento na
realização dos experimentos previstos. Alguns pesos não foram utilizados durante os
experimentos de Plano Inclinado e de Lei de Hooke, o que não comprometeu a
experimentação.
O material utilizado no protótipo resistiu bem aos testes. Ocorreu somente um
dano na ferramenta, já mencionado, quando um dos pinos, colado ao lançador,
descolou-se dessa peça durante sua manipulação. O reparo foi simples, já que bastou
recolocar o pino e reaplicar cola.
Os sistemas foram montados com rapidez, tendo cada um deles exigido cerca
de 5 minutos para conclusão dessa etapa. O tempo utilizado por cada experimento foi
variável, mas não ultrapassou 10 minutos, desprezado o intervalo dedicado aos
cálculos.
As informações do manual foram suficientes e claras na orientação das etapas
de montagem e utilização de Archimedes. Os usuários foram orientados a se limitarem
ao manual durante essas etapas, mas fizeram uma pergunta sobre a intensidade da
força que poderia ser empregada no uso das porcas borboleta. Houve também
bastante conversação entre os usuários durante a identificação das peças e nos
momentos de conferência dos cálculos relativos à Lei de Hooke. Essa última
ocorrência pareceu se relacionar à amplitude de resultados encontrados,
perfeitamente cabível em experimentos concretos. Os estudantes mais velhos
auxiliaram um dos estudantes mais novos que manifestou dúvida sobre os cálculos
realizados durante a utilização do sistema da Lei de Hooke.
Além disso, foi confirmado que a estética do kit favoreceu o reconhecimento
intuitivo de peças, bem como de formas e mecanismos de sua montagem e utilização.
64
9 Conclusão
O processo ensino-aprendizagem de Física no Ensino Médio das escolas
brasileiras enfrenta vários problemas, destacando-se dentre eles sua limitação a uma
abordagem teórica, que pode ser associada às dificuldades na disciplina e ao
desinteresse manifestados pelos estudantes. Nesse contexto, e considerando as
indicações de que a experimentação possa funcionar como metodologia apropriada
para a aquisição de competências e para a construção de conhecimentos nessa área
das Ciências, o kit Archimedes possibilita ao professor, no espaço da sala de aula, a
promoção de atividades experimentais significativas para a abordagem de conteúdos
de Mecânica, a um baixo custo, de forma segura e prática.
A oportunização dessas atividades não apenas configura um método de ensino
que pode alcançar bons resultados como também enseja novas organizações do
espaço da sala de aula, já que tende a garantir ao aluno papel mais ativo no processo
de ensino-aprendizagem e facilitar ao professor o desempenho de seu papel de
orientador e facilitador nesse mesmo processo. Ressalte-se que o produto é
adequado também a demonstrações, pelo professor, de situações estudadas.
Outro aspecto positivo do produto é a interação entre os alunos, e entre estes
e o professor, que seu uso é capaz de proporcionar. Durante os testes, pôde-se
observar que os alunos com melhor domínio da matéria contribuem para que os
colegas com dificuldade de compreensão acompanhem e absorvam o conteúdo
Esse contato pode ser favorecido pela organização dos alunos em grupos que
reúnam alunos de diferentes níveis de conhecimento, o que certamente levaria a
organizações alternativas e talvez mais produtivas do espaço da sala de aula.
Por fim, os testes realizados ratificaram a facilidade de montagem e utilização
dos sistemas que compõem o kit, ainda que de forma preliminar. Embora a avaliação
da fragilidade dos materiais propostos para sua confecção ainda careça de mais
testes, assim como a avaliação da estética do produto, essa facilidade certamente
contribuirá de forma positiva para a durabilidade da ferramenta projetada.
Dentro dos limites de um trabalho de conclusão de curso, convém destacar que
seria desejável pesquisar mais sobre os objetivos do ensino de Física, sobretudo no
que diz respeito ao desenvolvimento de competências. De forma semelhante, seria
recomendável pesquisar formas de expandir o conjunto de atividades permitidas pela
65
utilização de Archimedes, obedecidos os requisitos de baixa complexidade de
montagem e uso, mobilidade, número reduzido de peças, durabilidade e estética
Os testes realizados na etapa de validação do produto parecem confirmar o
apelo proporcionado pelas atividades experimentais previstas para sua utilização. Os
usuários mostraram-se interessados em executar as atividades. É válido ressaltar, no
entanto, que, no ambiente real da sala de aula, o sucesso da aplicação da ferramenta
dependeria do perfil disciplinar dos alunos, dentre outros fatores. Além disso, os
planos de curso de Física tradicionalmente estabelecem o conteúdo programático
para o ano letivo, e o professor é cobrado para que esses planos sejam cumpridos.
Essa circunstância poderia ser um empecilho para a adoção da nova ferramenta.
Sendo assim, a utilização efetiva do kit nos horários das aulas dependeria do diálogo
entre professor e escola e, num âmbito mais geral, dos órgãos responsáveis por definir
os currículos escolares e rediscutir os objetivos do ensino de Física na Educação
Básica.
66
10 Desenho Técnico
Esta seção contém os desenhos técnicos das peças componentes do kit
didático Archimedes.
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
LANÇADORVISTA EXPLODIDA
2016
1ºDIEDRO
TURMA 1A ESC.: 1/2
TDT TCE
1
1
2
2
2
2
2
3
4
5
DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
3
2
4
5
1
LATERAL
CORPO
GONIÔMETRO
PARAFUSO AÇO ZINCADO
AÇO ZINCADO
MDF
MDF
MDF
PORCA BORBOLETA
VISTA EXPLODIDA 1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
BLOCO
2016
TURMA 1A ESC.: 1/2
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
ESCALA 1/5
1
4
3
2
1
2
1
1
2
2
3
4 PLACA DE FUNDO
FUNDO
FRONTAL
MDF
MDF
MDF
MDF
LATERAL
VISTA EXPLODIDA
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
PLANO AB
2016
TURMA 1A ESC.: 1/5
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm1ºDIEDRO
VISTA EXPLODIDA
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
PLANO AA
2016
TURMA 1A ESC.: 1/2
ESCALA 1/2
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
1
2 1
2
INTERNO
MDF
MDF
EXTERNO
1
2
1ºDIEDRO
25
40
60
16
5
5
UFF
PROJETO VIII
LATERAL LANÇADOR
2016
1ºDIEDRO
TURMA 1A ESC.: 1/1JOÃO LUTZ
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
PINOPORCA BORBOLETA
2016
TURMA 1A ESC.: 2/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
5
9
1,7
9
R 4 1
0
10
8
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
PINOPINO
2016
TURMA 1A ESC.: 1/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
170
6
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
LANÇADORPARAFUSO
2016
TURMA 1A ESC.: 1/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
40
6
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
CORPO LANÇADOR
2016
TURMA 1A ESC.: 1/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
5
5
16
25
16
74
40
6
20
UNID.: mm
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
PLANO PLANO AB
2016
TURMA 1A ESC.: 1/5
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
40
465
R7,50
15
UNID.: mm
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
EXTERNO PLANO AA
2016
TURMA 1A ESC.: 1/2
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
220
40
8 R7,50
UNID.: mm
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
GONIÔMETROGONIÔMETRO
2016
TURMA 1A ESC.: 1/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
8
R30 R40
100
25
15
UNID.: mm
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
GONIÔMETRO LANÇADOR
2016
UNID.: mm
TURMA 1A ESC.: 1/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
80
30
8
R25
R30
R40
15
70
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
FRONTAL BLOCO
2016
TURMA 1A ESC.: 1/2
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
150
80
5
UNID.: mm
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
CONECTOR CONECTOR
2016
TURMA 1A ESC.: 2/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
R10,35
90
120
6
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
GANCHOGANCHO
2016
TURMA 1A ESC.: 1/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
22
70
42
3
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
2016
TURMA 1A ESC.: 2/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mmPESO MAIOR PESOS
33
ESPESSURA: 1,7mm
7
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
PESO MENOR PESOS
2016
TURMA 1A ESC.: 2/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
18
7
ESPESSURA: 1,2mm
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
LATERAL BLOCO
2016
TURMA 1A ESC.: 1/1
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
70
80
5
UNID.: mm
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
PLACA DE FUNDO BLOCO
2016
TURMA 1A ESC.: 1/2
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
80
150
10
60
10
5
5
30 30 40
25 25
UNID.: mm
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
INTERNO PLANO AA
2016
TURMA 1A ESC.: 1/2
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
180
40
R7,50
UNID.: mm
1ºDIEDRO
JOÃO LUTZ
UFF
PROJETO VIII
FUNDO BLOCO
2016
TURMA 1A ESC.: 1/2
TDT TCE DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO
SARA BRISON
UNID.: mm
20 30 40 30 20
5
60
5
5
89
11 Bibliografia
AMARAL, S. F.;BARROS, D.M.V. Estilos de aprendizagem no contexto educativo de
uso das Tecnologias digitais interativas. Disponível em:
<http://www.lantec.fe.unicamp.br/lantec/pt/tvdi_portugues/daniela.pdf> Acesso em:
abr. 2016.
BAXTER, M. Projeto de produto: guia prático para o Design de novos produtos.
2. ed. rev. São Paulo: Edgard Blücher, 2000.
BLÜMKE, Roseli Adriana; AUTH, Milton Antonio. Significação conceitual e
experimental no ensino de física. Unijuí. Disponível em:
<http://www.portalanpedsul.com.br/admin/uploads/2004/Poster/Poster/07_04_08_SI
GNIFICACAO_CONCEITUAL_E_EXPERIMENTAL_NO_ENSINO_DE_FISICA.pdf>
Acesso em: mai. 2016.
HEINECK, Renato. O ensino de física na escola e a formação de professores:
reflexões e alternativas. Disponível em:
<https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/6811/6295> Acesso em: mai.
2016.
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO - Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas
Educacionais Anísio Teixeira. Resumo técnico – Censo escolar 2010. Brasília, 2010.
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO. Orientações Educacionais Complementares aos
Parâmetros Curriculares Nacionais: Ciências da Natureza, Matemática e suas
Tecnologias. Disponível em:
<http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/CienciasNatureza.pdf> Acesso em: abr.
2016.
OMOTE, N. Física: 2º grau. 3. ed. São Paulo: Editora Moderna, 1982.
90
PORTUGAL, Cristina; COUTO, Rita. Design em situações de ensino-aprendizagem.
Estudos em Design, Rio de Janeiro, v. 18, n. 1, 2010. Disponível em:
<https://estudosemdesign.emnuvens.com.br/design/article/view/42/39> Acesso em:
jul. 2016.
RICARDO, Elio C.; FREIRE, Janaína C.A. A concepção dos alunos sobre a física do
ensino médio: um estudo exploratório. Disponível em:
<http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/060908.pdf> Acesso em: mai. 2016.
SOARES, A.B.; MUNCHEM, S.; ADAIME, M.B. Uma análise da importância da
experimentação em química no primeiro ano do Ensino médio. 33 EDEQ. Disponível
em: <https://www.revistas.unijui.edu.br/index.php/edeq/article/view/2807/2381>.
Acesso em: abr. 2016.
91
ANEXO – Manual
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
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