Hidráulica - Material do Educador

mentes brilhantes brinquedos cientĂ­ficos inteligentes

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Desenvolvido por: Mentes Brilhantes - Brinquedos Inteligentes LTDA Edição de texto: Thiago Farias e Vilmar Minella Junior Revisão: Djali Avelino Valois e Luciana Schmidt Projeto Gráfico: Emily Biasi Julho de 2011

Índice: Para ter em mente

3

Primeiramente Problematização inicial

Introdução à fenomenologia que será explorada

3 Ativamente

6

Propostas de atividades

Inquietamente Textos de apoio pedagógico

16 Cientificamente

22

Terminologia principal

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Para ter em mente Talvez você saia molhado nessas atividades, que são bastante divertidas. O objetivo principal é movimentar os brinquedos e, para isso, você pode usar duas possibilidades: um circuito fechado que aciona uma roda d’água; e um circuito aberto que funciona por ação e reação, análogo a um foguete.

Principais termos a serem usados: • • • •

pressão volume ar e gás ação e reação

• • • •

força impulso aceleração velocidade

Primeiramente O brinquedo possui dois conjuntos diferentes de modelos. Portanto, fica a seu critério deixar a escolha dos modelos livre para os estudantes ou oferecer a eles um direcionamento da atividade. Apesar de os modelos poderem ser explicados a partir do princípio de conservação de energia mecânica, a elaboração das atividades foi baseada principalmente nos aspectos da dinâmica, que é a parte da mecânica que estuda as causas do movimento.

Como a água é um bem muito precioso à vida na Terra, propomos uma discussão mais profunda em aulas ou atividades anteriores sobre o seu papel nos ciclos biológicos, físicos e químicos terrestres. Abaixo há um diálogo que traz dicas sobre como realizar a abordagem inicial junto aos estudantes:

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Que tal vermos o que há na caixa?

Vamos colocar as peças na mesa e separá-las em iguais em grupos.

Vocês perceberam que há uns componentes verdes?

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Uma bomba?!

Vai explodir?!

Ah, sim! Tem um potinho e uma garrafa.

Tem também essa bomba aqui.

Isso mesmo, serve para bombear ar ou água.

Não, né! É parecida com aquelas de encher bola.

Tem umas rodas dentadas aqui.

Isso, essas são conhecidas por engrenagens, e serão importantes para fazer o modelo se mover.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Ei, tem uma rodinha aqui dentro desse negócio verde, ó!

Legal, né? O que nós podemos fazer para a roda girar?

Assoprar nos buracos, talvez?

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Boa ideia. Quando se assopra o ar, ele bate na roda e faz ela girar.

Essa roda é chamada de roda d’água.

Mas eu não usei água, eu usei o ar.

Para que serve o tubinho branco?

Se usar a água, vai molhar o chão!

Ah, ele permite a passagem de água da câmara de pressão para a roda d’água. E depois para o reservatório. Aí não molha o chão!

O reservatório é esse pote?

Isso! Aí a água ficará armazenada.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Hum. Por que essa garrafa tem nome de câmara de pressão?

Não sou eu que vou responder, o brinquedo que vai. Vamos montar?!

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Ativamente Proposta de atividades de exploração dos fenômenos naturais, apropriação de linguagem, fixação e reforço, por meio de diálogo do mediador com os estudantes.

1. Brincando com ar e com água.

Objetivo: Notar que há a necessidade desses dois materiais, água e ar, para que a turbina seja ativada de maneira eficiente.

Vocabulário:

• volume • quantidade de gás / ar • pressão

?

Quais modelos posso usar?

Todos do brinquedo Water Power (#7323).

O que fazer?

Para a montagem, é indicado ter uma mesa onde as peças iguais possam ser separadas das demais e agrupadas em conjuntos, facilitando a construção dos modelos. Sempre que for possível, ao iniciar a atividade de montagem, enfatize o nome de cada componente, para que os estudantes se familiarizem com eles.

Instigue os estudantes a responderem como o brinquedo funciona. Para isso, peça para que apontem os componentes do modelo que não sejam as peças de encaixe, e procurem explicar a função de cada objeto. É importante notar o pensamento prévio deles e suas expectativas, pois isso facilitará sua mediação na busca de explicações científicas.

Num primeiro momento, peça aos estudantes que bombeiem apenas ar.

Desse modo, apenas o ar irá para a câ-

mara de pressão; recomendamos bombear cerca de 60 vezes. Peça, em seguida, para testarem o brinquedo. Vale lembrar que os 7 primeiros modelos do manual são de circuito fechado e, nesta condição, não se deslocarão por mais de 2 metros, e os outros 8, do tipo foguete, por menos de 1 metro.

Depois da possível “frustração” dos estudantes com relação ao deslocamento do brinquedo, peça para que encham o reservatório com água de forma tal que sobrem aproximadamente 3 cm na borda superior.

Na sequência, peça para que os estudantes bombeiem água até a câmara de pressão e, depois de bombear o ar cerca de 40 vezes, liberem o brinquedo para ver o que acontece. Diga a eles para que fiquem atentos à entrada de ar, observando a formação de bolhas na água.

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O que pode dar errado?

Impedimento mecânico nas rodas, eixos e engrenagens. Verifique se todos estão livres para girar.

Outra possibilidade é o brinquedo não se mover, mas as rodas girarem quando

suspensas no ar. Conte a quantidade de vezes em que o ar foi bombeado. O número de bombeadas recomendadas é entre 40 e 60 bombeadas, dependendo da quantidade de água.

O que acontece?

Se usarmos somente ar, mesmo que haja 80 bombeadas, a distância percorrida será pequena em comparação a quando usamos água e ar – com 40 bombeadas de ar.

Uma das diferenças entre água e ar é que em 300 ml de água há muito mais massa do que em 300 ml de ar comprimido; nesta situação, ar comprimido, há 3 vezes mais moléculas de ar do que em condições normais.

Vale lembrar que a quantidade de massa de água que sai por segundo da câmara é fundamental para o funcionamento dos modelos. Vale ressaltar que a mesma água que sai da câmara irá bater na roda d’água ou sairá pelo bocal dos modelos. Assim, a aceleração do brinquedo depende da quantidade de água que sai da câmara ao longo do tempo e da velocidade dessa massa de água.

Mas a água só irá adquirir velocidade pelo aumento de pressão na câmara de pressão. Esse aumento de pressão dependerá especialmente de dois fatores: o volume ocupado pelo gás no interior da câmara e a quantidade de gás no interior da câmara.

Inicialmente, o ato de bombear faz com que a quantidade de moléculas de gases aumente no recipiente e isso, consequentemente, aumenta o número de choques de moléculas contra a parede do recipiente por unidade de área e tempo, ou seja, ocorre um aumento da pressão.

O volume de ar dependerá da quantidade de água dentro da garrafa; quanto maior a quantidade de água, menor o volume ocupado pelo ar. Nessa situação, comparativamente, a pressão aumenta muito rapidamente à medida que a quantidade de moléculas de ar também aumenta. Vale salientar que o ar é um material compressível, enquanto a água não é.

A pressão do ar é proporcional à quantidade de moléculas e inversamente ao volume, essa relação pode ser expressa assim: P ∝ n/V; onde “n” é o número de mols e “V” é o volume ocupado pelo gás. Isso também mostra porque à medida que o volume de ar aumenta – com a saída de água – a pressão cai e também a velocidade de escape da água que está na câmara diminui.

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2. A pressão de toda a atmosfera sobre você!

Objetivo: Perceber que o ar exerce pressão sobre nós.

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Vocabulário:

• pressão atmosférica • pressão • altura da coluna de água

?

Quais modelos posso usar?

SENIOR SOLAR: todos os 22 modelos.

O que fazer?

Com os brinquedos de circuito fechado, após bombearmos a água e o ar para a câmara e abrirmos a válvula, a água se deslocará pelo tubo até a roda d’água. Podemos nos perguntar, nesse momento, porquê a água se desloca para a roda d’água e, depois, o que ocorre quando fechamos a válvula. O que temos a intenção de observar é que, ao fecharmos a válvula, o tubo ficará preenchido pela água, que não sairá mesmo se desconectarmos a extremidade do tubo em contato com a roda d’água.

É importante que os estudantes observem o que ocorre com o nível de água quando se curva o tubo no formato U. Imediatamente na sequência, proponha o formato em J: “O que ocorre com a água com o tubo nessa posição?”

O formato em U irá revelar o equilí-

brio da coluna de água dos dois lados, uma vez que acima de cada extremidade só há atmosfera, e a posição em J evidenciará a influência da coluna de água de um dos lados; vale a pena tirar um pouco de água e deixar uma coluna de ar visível acima da superfície de água. Seria importante nesse ponto alertar sobre o ar que está acima de cada extremidade, assim como ele está ao nosso redor.

Em um segundo momento, proponha que os estudantes retirem todo o ar e tampem uma das extremidades do tubo. Para isto, você poderá conectar o tubo no brinquedo e refazer o processo detalhado no início da atividade.

Repita as posições anteriores do tubo e verifique que a água não sai do mesmo, desde que seu dedo continue tampando uma das extremidades.

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Tampe com um dedo o lado do tubo que foi desacoplado da roda d’água.

Retire a válvula da base deixando-a na mesma altura do tubo que foi tampado. Depois, desencaixe a ponta do tubo que está conectada na válvula.

Agora temos um tubo cheio de água!

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Nesse momento é importante apontar que do lado aberto do tubo, a atmosfera está empurrando a água para dentro do mesmo, ao passo que, na outra extremidade, o dedo está impedindo o contato da água com o ar. O uso da válvula no lugar onde você havia posicio-

nado seu dedo é uma outra maneira de demonstrar esse efeito; possivelmente o uso da válvula facilita o experimento, porque você não vai precisar manter o dedo pressionado na mangueira, necessitando apenas mover a alavanca para liberar ou reter a água.

O que pode dar errado?

Se o ar da parte superior da coluna de água não estiver isolado corretamente, com o dedo ou com a válvula, isso impedirá a observação desejada.

A criança ou jovem também pode se molhar quando estiver testando o efeito da coluna de água, com o tubo em forma de U e J.

O que acontece?

Por estarmos na superfície terrestre, temos toda a altura da camada da atmosfera exercendo pressão nos gases da superfície. A atmosfera também exerce tal pressão em nosso corpo.

Esta é a pressão atmosférica! Da mesma maneira, nas extremidades abertas do tubo, sempre haverá ar exercendo pressão atmosférica sobre a superfície da água.

Enquanto o tubo estiver em forma de U, as duas superfícies de água ficarão à mesma altura (niveladas), pois todas as partes de água estarão submetidas à mesma pressão. No caso do tubo estiver cheio e posicionado em formato de J, a água sairá por um dos lados, pois haverá diferença de pressão, visto que

há uma coluna maior de água em um lado do tubo, pressionando mais a água do lado direito.

Nesta configuração, ao tamparmos com um dos dedos uma das extremidades, e estando o tubo cheio de água, a mesma não irá sair do tubo, pois a pressão atmosférica manterá a água dentro dele. Isto ocorre devido à pressão que age na superfície próxima do dedo, que é quase nula, ao passo que na superfície de água – na extremidade aberta do tubo -, a pressão atmosférica é maior do que a pressão exercida pela coluna de água acima. Essa diferença de pressão deveria empurrar a água para cima, mas como o dedo impede a passagem de água, o sistema fica em equilíbrio.

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3. Até quanto você aguenta?

Objetivo: Notar, com o ato de bombear, o aumento de pressão na câmara.

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Vocabulário:

• quantidade de gás / ar • pressão

?

Quais modelos posso usar?

Todos do brinquedo Water Power (#7323).

O que fazer?

Você pode começar perguntando aos estudantes como se faz para que a água saia do reservatório e vá para a câmara de pressão. Enfatize o uso da bomba indicando o caminho ou trajetória da água, ou melhor, peça aos estudantes que façam um desenho ou apontem diretamente no brinquedo o caminho que a água faz quando o pistão sobe ou desce.

Depois que os estudantes bombearem a água para a câmara, peça que observem se é preciso fazer muita ou pouca força para que o pistão continue se movimentando. Conte quantas vezes o pistão foi bombeado. Pergunte o que ocorre na parte da câmara (garrafa) que está sem água. Aponte a formação

de bolhas de ar na água, que vão subindo ao se movimentar o pistão. Questione porque esse efeito acontece.

Ressalte que a necessidade de aumentarmos a força empregada para empurrar o êmbolo está relacionada ao aumento de pressão dentro da câmara de pressão. Quando os estudantes conseguirem bombear ar pelo menos por 30 vezes, já podemos nos preparar para a próxima atividade.

Procure fazer com que os estudantes relacionem o aumento de pressão com a quantidade de gás dentro da câmara, a partir de questões sobre o que eles perceberam: aumento da força para empurrar o êmbolo a cada entrada de ar.

O que pode dar errado?

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A pressão pode estar elevada ao ponto de as conexões entre mangueiras e componentes ficarem prejudicadas, provocando vazamento; a perda de elasticidade da borracha pode ser um agravante para isso.

CUIDADO: Há um limite para o núme-

ro de bombeadas, o qual dependerá das dimensões e condições do ambiente físico em que o brinquedo será usado.

Esse cuidado previne a colisão com estruturas do ambiente e também evitará danos às peças.

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O que acontece?

Para bombear, erguemos o êmbolo e criamos “vácuo” no cilindro; dessa forma, a pressão atmosférica que age no reservatório empurra a água para o ci-

lindro da bomba; por sua vez, a água não retorna por causa de um dispositivo que só permite um único sentido de fluxo para o fluido. Depois, ao empurrar o

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êmbolo, a água sai do cilindro em direção à câmara através de uma segunda abertura, que também permite somente um único sentido de fluxo, contrário ao anterior. Essas válvulas, que são dispositivos que permitem apenas um único sentido de fluxo, são também encontradas nas bases da câmara de pressão. À medida que bombeamos o ar para dentro da câmara, o aumento de pres-

são ocorre devido ao aumento de gases em um volume fixo. O aumento de pressão na câmara exige dos estudantes o emprego de uma força maior para provocar uma pressão cada vez maior do êmbolo sobre o gás no cilindro. Em outras palavras, a pressão do gás no cilindro deve ser ligeiramente maior que a pressão que fecha a válvula de pressão.

4. Botando pressão Objetivo: Explorar a pressão e o volume do ar no brinquedo e suas implicações.

Vocabulário: • • • •

Pressão Volume Quantidade de ar / gás Distância

?

Quais modelos posso usar?

Todos do brinquedo Water Power, exceto o 1º e o 2º.

O que fazer? É importante enfatizar o aumento de pressão, chamando a atenção dos estudantes para o volume de ar dentro da câmara. O deslocamento do brinquedo deve ser usado como indicador do aumento de pressão. Para tanto, você pode usar uma fita adesiva ou um giz para marcar as distâncias alcançadas pelos brinquedos e, também, o volume de água na câmara.

Marque a posição de largada dos brinquedos e coloque água no reservatório; é importante que a água fique uns 4 cm abaixo da borda superior. Depois que a água passar para a câmara de pressão, peça para que os estudantes marquem o nível de água e bombeiem 10 vezes o ar. Fale para que prestem atenção na permanência do nível de água e do vo-

lume de ar, apesar do aumento de moléculas de ar na câmara. Após a largada, os estudantes devem marcar onde os brinquedos pararam.

Repita o processo anterior, bombeando o ar agora por 30 ou 50 vezes.

Compare as linhas de chegada nas duas situações, atual e anterior. Pergunte em qual dos casos, aquele com mais ou menos quantidade de ar, o brinquedo vai mais longe.

Na sequência, os estudantes podem encher o reservatório de água até que a superfície fique cerca de 0,5 cm abaixo da borda superior. Desse modo, eles podem verificar que o volume ocupado pelo ar será menor, ao comparar a marcação com os níveis anteriores.

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Nessa etapa, é importante comparar o quão “rápido” a pressão aumenta; inclusive, só o fato de comprimirmos o ar que já estava na câmara é suficiente para que o aumento da pressão se torne perceptível. Como no segundo caso

o volume é menor e a pressão cresce mais rapidamente depois de 10 bombeadas de ar, podemos afirmar que pressão e volume se relacionam de forma inversa: quanto maior um, menor o outro.

O que pode dar errado?

Trajetórias sinuosas atrapalharão os resultados planejados para a atividade.

Pode ocorrer ainda um impedimento mecânico na movimentação de alguns eixos. Verifique se as rodas e engrenagens conseguem girar livremente.

Outra possibilidade é a de que as junções entre mangueiras e componentes não suportem a pressão da água.

Antes de bombear água verifique se a câmara de pressão está despressurizada, ou seja, sempre espere sair todo o

ar antes de fechar a válvula e iniciar um novo ciclo. Assim, para uma câmara preenchida com até um terço de água, 50 bombeadas de ar não devem provocar vazamentos.

CUIDADO: Há um limite para o número de bombeadas, o qual dependerá das dimensões e condições do ambiente físico em que o brinquedo será usado.

Esse cuidado previne a colisão com estruturas do ambiente e também evitará danos às peças.

O que acontece?

Podemos notar que, à medida que o êmbolo desce, aumenta a força necessária para empurrar o ar. Isso ocorre porque o ar só entrará na câmara se a pressão do êmbolo sobre ele for ligeiramente maior do que a pressão na câmara. Já que o ar é compressível, é preciso que o seu volume diminua até que a pressão do ar bombeado seja suficiente para sair do êmbolo.

A influência do volume no aumento de pressão pode ser percebida a partir da força empregada no êmbolo, nas

vezes em que ele é pressionado. Quando colocamos muita água no sistema, ocorre uma variação muito grande no volume de ar e fica então, mais fácil a visualização da relação entre pressão e volume. No início, com muita água, existe pouco volume a ser ocupado pelo ar e, então, a pressão cresce mais rapidamente a cada bombeada. Vale lembrar que da mesma forma que a pressão cresce mais rapidamente, ela irá decrescer na mesma proporção, à medida que a água sai da câmara.

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5. Sob pressão, a água te leva à Lua! Objetivo: Verificar maneiras de fazer com que os carrinhos atinjam uma maior distância através de uma disputa entre brinquedos.

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Vocabulário: • • • • • •

Pressão Volume Quantidade de ar /gás Energia mecânica Velocidade Distância

?

Quais modelos posso usar?

Todos do brinquedo Water Power, exceto o 1º e o 2º.

O que fazer?

Essa atividade tem como proposta estimular o raciocínio e a apropriação dos fenômenos através de uma atividade mais divertira. O mediador tem o papel de estimular mudanças na busca de melhores resultados na corrida, mas sem interferir na decisão pessoal de cada competidor; exceto devido à infringência de regras.

Regras propostas: • Máximo de 40 bombeadas totais (água + ar) por lançamento; • Mudar a quantidade de água; • Trocar peças ou retirá-las.

• O último colocado de um duelo tem a opção de trocar de modelo com outro competidor. Apenas uma troca por competidor ao longo de todo o “campeonato”.

O que pode dar errado?

Consideramos que o que acontecer de errado com relação à mecânica do brinquedo faz parte do aprendizado das crianças e dos jovens; no entanto, para evitar erros mecânicos, recomendamos a revisão das partes do brinquedo antes do início da atividade.

Alguns desvios de rotas podem ser imprevisíveis, quando usamos os modelos 8 ao 15, especialmente por causa de suas rodas frontais e irregularidades do terreno. Procure prevenir a colisão do

brinquedo com estruturas do ambiente, de forma a evitar danos às peças.

Verifique se a forma de lançamento está correta e não influencia na trajetória do brinquedo.

CUIDADO: Há um limite para o número de bombeadas, o qual dependerá das dimensões e condições do ambiente físico em que o brinquedo será usado.

Esse cuidado previne a colisão com estruturas do ambiente e também evitará danos às peças.

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O que acontece?

Essa atividade pode ser usada em momentos diversos, mas recomendamos seu uso após o mediador ter explorado os fenômenos físicos nela envolvidos.

Entendemos que esta atividade serve

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como reforço de aprendizagens anteriores, pois este desafio fará com que os estudantes utilizem conhecimentos obtidos em atividades experimentais passadas.

6. Tem velocista que só corre rápido se pressionado.

Objetivo: Perceber a diminuição na velocidade angular dos eixos ao aumentar o volume de ar na câmara de pressão.

Vocabulário:

• Volume • Pressão • Velocidade angular

?

Quais modelos posso usar?

Todos do brinquedo Water Power, exceto o 1º e o 2º.

O que fazer?

Essa atividade tem como finalidade reforçar a aprendizagem do princípio que afirma que o volume de ar é inversamente proporcional à pressão do mesmo. Para isso, é suficiente pedir que o brinquedo seja suspenso, erguendo suas rodas do chão, e o ar bombeado algumas vezes.

O efeito pode também ser visto oquando se observa as rodas do brinquedo que se desloca. A velocidade angular nas rodas pode então ser comparada com o volume de ar na câmara de pressão.

Para isso, encha a câmara com bastante água a exemplo do que é feito na atividade 4.

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O que pode dar errado?

Se houver pouca variação de volume, o efeito ficará reduzido. Para evitar

isso, aumente a quantidade de água utilizada.

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O que acontece?

As atividades anteriores não auxiliam a visualização do efeito desejado nesta atividade devido ao próprio movimento do modelo, embora a redução na velocidade do brinquedo possa ser observada. Os estudantes devem prestar atenção na redução da velocidade angular dos eixos das rodas do brinquedo enquanto o nível de água na câmara

7.

está diminuindo. Em outras palavras, quanto maior o volume ocupado pelo gás, menor é a pressão sobre a água e menor é a velocidade de escape da mesma. A diminuição na velocidade de escape da água, por sua vez, acarreta a diminuição da velocidade angular de todas as engrenagens ou rodas; o torque também decresce.

Fábrica de nuvens Objetivo: Perceber que o aumento de pressão provoca a condensação do ar na câmara de pressão.

Vocabulário:

• • • •

Pressão Vapor de água Água líquida Condensação

?

Quais modelos posso usar?

Pode ser feito utilizando apenas equipamentos hidráulicos

O que fazer?

Qualquer modelo pode ser utilizado para demonstrar o efeito da condensação do ar na câmara de pressão. A câmara de pressão não deve estar totalmente seca, deve haver vestígios de água nas paredes dela. É importante pedir para que os estudantes observem atentamente as condições da câmara; para isso, utilize um ambiente com boa iluminação. Deixe a válvula fechada, e bombeie somente ar pela bomba. O efeito esperado é a condensação das

moléculas de água (existentes junto ao ar) nas paredes da câmara.

O intuito da atividade é promover uma discussão sobre como a pressão influencia também, além da temperatura, a evaporação da matéria. Cerca de 80 bombeadas é o número suficiente para demonstrar o efeito desejado.

Vale lembrar que o vapor de água condensado nas paredes evaporará novamente quando a válvula for liberada.

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O que pode dar errado?

Como a atividade exige esforço – 80 bombeadas – os estudantes podem desistir.

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Pode ocorrer também dificuldade de visualização do efeito de condensação do ar.

O que acontece?

A evaporação é um efeito em que moléculas associadas ao líquido se desvinculam e se transformam em vapor; na condensação ocorre o contrário. Esse vínculo entre moléculas é determinado pela energia potencial de atração entre elas, e o desprendimento é determinado pela sua energia cinética, caso o mesmo supere a energia potencial de atração. Como as moléculas constituintes de um líquido ou de um gás não possuem a mesma energia cinética, na água, por exemplo, as moléculas mais rápidas serão aquelas com maior probabilidade de se desprender do líquido e virar vapor de água. Do mesmo modo, as moléculas de vapor mais lentas serão aquelas com maior chance de virar água líquida.

Quanto maior a pressão externa, maior deve ser a energia cinética das moléculas de água para que se desvinculem do líquido, ou seja, de moléculas vizinhas. Em acréscimo, a pressão ex-

terna maior irá fazer com que grande parte do vapor se aglutine. Porém, a maneira mais comum e conhecida de se condensar vapor de água ocorre através da diminuição de temperatura.

A mudança de temperatura modifica a chamada pressão de vapor. A pressão de vapor significa a pressão exercida pelas moléculas de vapor sobre o líquido: quanto menor for a pressão de vapor, menor será a quantidade de vapor que pode existir no ambiente; como consequência, o vapor em excesso irá se condensar. Quando a pressão de vapor estiver em seu nível máximo, isto significa que a taxa de água líquida que evapora tem o mesmo valor da taxa de vapor que se condensa, pois ocorre um equilíbrio dinâmico entre condensação e evaporação. O aumento de temperatura faz com que a pressão de vapor aumente, pois é preciso mais moléculas de vapor para pressionar as moléculas e “aprisioná-las” no líquido.

Inquietamente Textos de apoio pedagógico (aprofundamento teórico geral, discutindo conceitos, fenômenos naturais e questões tecnológicas)

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O uso de roda d’água pela humanidade

Assim como várias ferramentas utilizadas pela humanidade, a data de criação da roda d’água é imprecisa. Porém, é comum atribuir a elaboração dessa tecnologia aos gregos ou egípcios, há mais de 2 milênios. Desde então, várias formas de rodas d’água foram elaboradas.

Atualmente, turbinas são usadas em

hidroelétricas para transformar a energia cinética da água em energia elétrica. As turbinas tiveram origem com rodas d’água chamadas horizontais, em que a roda fica deitada e as pás inclinadas. É a mais simples das rodas usadas, pois o giro do eixo, que é vertical, era usado diretamente para moer os cereais.

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As rodas verticais, com eixo horizontal, são basicamente dois grupos: sobre-axial e sub-axial. O nome delas está relacionado à passagem de água nas aletas abaixo ou acima do eixo; por exemplo, se a água cai nas aletas por cima da roda, é um sistema do tipo sobre-axial.

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Outro tipo, menos comum, é quando a água entra nas aletas traseiras em relação ao eixo.

A predominância de uso da roda d’água aconteceu nas atividades rurais. No entanto, os chineses chegaram a utilizar o movimento das rodas para acionar um “fole de ferreiro”, cuja finalidade na metalurgia era a de atiçar o fogo dos fornos. Mas, especialmente no nosso país, é inegável seu papel

principal na produção de energia elétrica, através das hidroelétricas.

A água que desce, por ação da gravidade, foi e ainda é usada para transmitir movimento com a finalidade de ativar máquinas. No caso de ambiente rural a água corrente - descendo o morro - é utilizada em máquinas de moer e, nas hidrelétricas, a queda livre da água faz com que a água atinja a turbina a velocidades elevadas.

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Pressão, água e eletricidade

Na hidroelétrica Itaipu binacional – maior usina em geração de energia elétrica do mundo – existe uma barragem com 196 metros de altura, o que equivale a um prédio de 65 andares.

Fica evidente que a altura da coluna de água é importante no processo. Mas como? No caso das hidroelétricas, o que

importa é a altura da queda d’água. Em Itaipu a queda d’água tem 120 metros de altura. Enquanto a água é acelerada pela gravidade, troca-se energia potencial por energia cinética, ou seja, à medida que desce, a água adquire cada vez mais velocidade, até atingir as turbinas.

No brinquedo não é possível usar uma altura equivalente para fornecer o funcionamento. Mas como se pode fornecer velocidade para a água? A saída é usar pressão para empurrar a água.

Teoricamente, o aumento de pressão pode ser feito de dois modos: usar uma coluna de água (razão de as bases das barragens serem bastante espessas) ou usar um sistema pressurizador, que é o caso do brinquedo.

Primeiro, precisamos entender porque não é viável simplesmente colocar o reservatório acima da roda d’água. No brinquedo isso não é eficiente porque, mesmo que a câmara de pressão ficasse cheia de água e a superfície dela atingisse 30 cm acima da roda, a pressão provocada na água seria de cerca de 0,03 atm. O brinquedo costuma funcionar por volta de 3,5 atm.

Em um cálculo estimado, a velocidade da água na base de um reservatório com 120 m de altura seria de 175 km/h; essa velocidade pode ser atingida tanto pela queda, como se faz nas hidrelétri-

cas, quanto pela pressão de uma coluna d’água de 120 m. No caso de 30 cm, a velocidade de saída da água seria cerca de 9 km/h, mas mesmo assim não se mostraria eficiente a ponto de gerar o torque necessário para girar as rodas do brinquedo com roda d’água. Isto porque também precisamos considerar a quantidade de água que está batendo nas aletas da roda, que é baixa.

Diante disso, ressaltamos a necessidade que o brinquedo tem de aumentar sua pressão interna, para que a velocidade de saída aumente suficientemente, a fim de que a roda gire e provoque o torque necessário para movimentar o brinquedo. Isto é algo tão importante, que as 40 bombeadas de pressão (cerca de 3,5 atm) provocarão uma velocidade de saída com cerca de 80 km/h!

Seria uma visão impressionante se a massa de água que saísse por segundo fosse grande, mas, infelizmente, não é o caso. A massa de água saída do brinquedo é modesta.

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Geração ou transformação? O ciclo energético no brinquedo.

Basicamente, para que as rodas d’água e turbinas funcionem, a gravidade terrestre é utilizada. Qualquer coisa que está a uma certa altura (distante do centro) da Terra possui uma energia armazenada, chamada de energia potencial gravitacional, e isso só ocorre por causa do campo gravitacional do planeta e da massa do objeto. À medida que o objeto está caindo em direção ao centro de massa da Terra, ele começa a adquirir uma velocidade cada vez maior; isto é, a energia potencial gravitacional vai sendo transformada em energia cinética da água, e quem faz essa transformação é a força peso.

Depois, a energia cinética é transferida para as pás da turbina e para o eixo do gerador, e dentro dele há a transformação de energia cinética em elétrica.

No brinquedo, o tipo de energia que move a água não é a potencial gravitacional. Mas pelo funcionamento nota-se que há alguma energia acumulada pelo gases sob pressão. Essa energia acumulada é chamada de energia interna (soma das mais variadas energias cinéticas e potenciais), e em um gás está relacionada praticamente com a energia cinética total dos gases no recipiente. Obviamente, com o aumento da quantidade de gás no mesmo recipiente há aumento da energia cinética total; também aumenta a quantidade de choques das moléculas de gás contra a parede (por segundo), o que acarreta no aumento da pressão. Essa energia é então transformada em energia cinética da água.

Para bombear, uma pessoa precisa que seus músculos trabalhem. No fundo, o que ocorre são sucessivas quebras de moléculas e rearranjos com outros átomos desde a ingestão de alimentos,

a fim de transformar a energia potencial elétrica das moléculas em energia cinética dos átomos e de moléculas que são os produtos das reações. Especialmente, uma molécula bastante usada é o Trifosfato de Adenosina (ATP). Essa energia cinética dos produtos das reações são usadas em outras reações, até que os músculos se contraiam.

A glicose é uma das moléculas “combustíveis” do corpo, mas é preciso extraí-la dos carboidratos dos alimentos.

Só que o surgimento dessas moléculas também exige uma transformação de energia. Independente da fonte de alimentação, carnívora ou vegetal, os açúcares foram sintetizados nos processos de fotossíntese de seres que compõem o Reino Plantae. A fotossíntese faz a transformação de energia luminosa em energia potencial elétrica dos componentes das moléculas sintetizadas.

A história não acaba aí... A emissão de luz pelo Sol surge das fusões nucleares. A fusão de núcleos atômicos ocorrem devido às condições físicas (como temperatura e pressão) do núcleo solar, em que os núcleos de átomos pequenos se unem e ficam mais estáveis juntos do que separados. Esse processo significa dizer que a energia potencial dos núcleos separados é maior do que quando unidos, por isso na fusão essa energia potencial em excesso é transformada em energia cinética dos produtos da fusão.

Assim com um fio de tungstênio de lâmpada incandescente, à temperatura elevada, emite luz por causa da agitação das moléculas, o mesmo ocorre no Sol: a imensa energia cinética da agitação dos átomos é transformada em luz e outros tipos de radiação.

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Ação e reação nos foguetes.

Qual é o sentido de falarmos de foguetes se estamos brincando com sistemas hidráulicos? Isso é importante, já que a propulsão de alguns modelos de água têm o mesmo princípio da propulsão dos foguetes. Mais ainda, tais modelos são fundamentalmente idênticos aos foguetes de água caseiros.

Primeiro, pensemos em uma bexiga ou balão de ar. Toda a vez que assopramos, estamos enchendo a bexiga com mais ar e isso acarreta o aumento do volume da bexiga. Esse aumento do volume ocorre pela elasticidade do material; no entanto, para que a bexiga se deforme é preciso que uma força aja em sua parede interna. Essa força surge dos choques dos gases do ar com a parede interna; a força nas paredes e, consequentemente, a pressão do ar interno estão vinculadas à quantidade de

choques por segundo. Se pararmos de assoprar e segurarmos o bico da bexiga, o sistema estará em equilíbrio: a pressão interna (do ar) se iguala à pressão externa (pressão atmosférica e força de restituição do material elástico).

Mas e se liberarmos a bexiga e a abertura do bico? Você perceberá (nessa experiência mental) que a bexiga irá fazer rodopios aleatórios no ar, mas sempre com o bico para trás, ao mesmo tempo em que se esvazia. Então, por isso, o ar deve estar saindo na direção do bico em sentido contrário ao do movimento do balão. Como foi comentado anteriormente, a bexiga exerce força sobre o ar, assim como o ar sobre a bexiga e há equilíbrio entre essa forças quando a bexiga está com o bico fechado, já que todas as componentes de força se anulam.

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Porém, quando há uma abertura na bexiga, nem todas as componentes de força sobre a parede da bexiga se anulam. Aparece então, uma força resultante na direção do bico, mas em sentido contrário a esta abertura.

Agora, no caso de um recipiente como o do brinquedo, com uma câmara de pressão, não há deformação do recipiente e isso faz com que a pressão aumente rapidamente a cada bombeada; sem a deformação do recipiente também não há variação do volume.

O processo é análogo ao que ocorre com a bexiga: com a aber- tura da válvula surge uma força resultante empurrando a câmara em sentido oposto ao da abertura. O ar está empurrando tanto a água quanto a câmara, embora em sentidos contrários. Enquanto a válvula estiver fechada, a água está sendo pressionada pelo ar e, por sua vez, aplica uma força na região do bocal da câ-

mara. Esta força aplicada pela água é anulada pela força aplicada pelo gás no lado oposto da câmara; dessa forma, as forças internas se anulam.

Assim que se solta a válvula, a força aplicada pela água sobre a região do bocal – agora aberta – não existe mais.

O ar quer sair mas encontra a água e a empurra; a água, por sua vez, reage e mantém o ar comprimido. O ar, pressionado pela água, mantém a pressão sobre a câmara, ou seja, apesar de a água não exercer mais a força na região do bocal, o ar ainda aplica força para o lado oposto. Esta resultante faz com que o brinquedo se desloque.

E os foguetes? Bem, os foguetes funcionam da mesma maneira do brinquedo. Porém, para provocar a aceleração desejada é preciso algo que aumente a pressão muito intensamente, e isso é feito com uma reação de combustão.

A combustão transforma energia potencial em cinética; essa energia cinética, por sua vez, gera uma altíssima pressão (força maior ainda) nas paredes da câmara, e os produtos da combustão saem em altíssima velocidade pela abertura.

Para saber a velocidade do foguete e do brinquedo em algum momento são importantes a razão de massa (divisão da massa inicial pela atual) e a velocidade de saída dessa massa.

Basta controlar esses parâmetros para uma melhor eficiência de ambos. No brinquedo, notamos que com o bocal pequeno, apesar de a água sair com bastante velocidade, a quantidade de massa que sai é pequena; por isso a velocidade não é grande. E quanto mais o tempo passa e menor for a massa do brinquedo, pois saiu bastante água, a velocidade de escape da água cai muito porque a pressão – na câmara – diminui e o brinquedo começa a perder velocidade.

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Cientificamente Terminologia principal

Pressão atmosférica: Pressão exercida pela atmosfera sobre qualquer objeto. Varia com a altitude.

Pressão: É a força aplicada por uni-

dade de área, perpendicularmente à ela.

Ar:

É a mistura de gases e vapores encontrados na superfície da Terra.

Compõe-se basicamente pelos gases Nitrogênio, Oxigênio e Argônio e por vapores, essencialmente vapor de água.

Volume: Quantidade de espaço (tridimensional) ocupado por um objeto. Área: Superfície de um objeto. É bidimensional.

Ação e reação:

Enunciado da terceira lei de Newton, que para toda ação há uma reação de mesma intensidade, mesma direção e sentidos opostos. Neste caso, ação e reação são forças.

Aceleração: Taxa de mudança da velocidade em relação ao tempo.

Força:

É uma interação entre corpos, tal que pode promover a variação da quantidade de movimento do corpo em relação ao tempo.

Uma força sempre tem uma direção e um sentido. Quando está no mesmo sentido da velocidade, o sistema está sendo acelerado; no caso con- trário, o sistema está sendo desacelerado. A taxa dessa mudança de velocidade é determinada pela intensidade da força.

Quando há força resultante atuando no corpo, e se o corpo não variar a massa, ocorre apenas variação de velocidade ao longo do tempo, mu- dança que pode ser de intensidade e / ou de direção.

Quantidade de movimento: É a propriedade que se conserva em um corpo que esteja em movimento, a menos que uma força atue sobre o corpo. Depende da massa do corpo e da velocidade. Explica-se o fun- cionamento do foguete pela conservação da quantidade de movimento.

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Velocidade:

Taxa de deslocamento de algum corpo em relação ao tempo.

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