Hidrelétrica -Material do Educador by Mentes Brilhantes Brinquedos Inteligentes

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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

Primeiramente Problematização inicial

Introdução à fenomenologia que será explorada

Ativamente

Propostas de atividades

Inquietamente Textos de apoio pedagógico

17 Cientificamente

Terminologia principal

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Para ter em mente Chegou a hora dos estudantes terem a oportunidade de gerar energia elétrica. Sendo nosso país rico em reservas de água, bem como em quedas d’água, a construção de usinas hidrelétricas tem sido a forma mais comum de produção de energia elétrica no Brasil. Então, esta usina portátil é uma excelente ferramenta para a discussão desta modalidade geradora de energia elétrica, em que há um LED que funciona a partir de bombeadas e giros das engrenagens. Principais termos a serem usados: • Pressão • Volume • Ar e gás

• Corrente elétrica • Luz

Primeiramente Como a água é um bem muito precioso à vida na Terra, desejamos propor uma discussão mais profunda do que foi aprendido em aulas anteriores a respeito do seu papel nos ciclos biológicos, físicos e químicos terrestres. Especificamente com relação aos brinquedos, uma aproximação assim é proposta:

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?

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Ah, sim! Tem um potinho e uma garrafa. Tem também essa bomba aqui.

Uma bomba?! Vai explodir?!

Isso mesmo, serve para bombear ar ou água. Não, né! É parecida com aquelas de encher bola.

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

Tem umas rodas dentadas aqui.

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?

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes 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.

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

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

1. Brincar com ar ou água? Objetivo: Notar que há a necessidade da mistura entre esses dois materiais, a fim de que a turbina seja ativada com a maior eficiência possível.

Vocabulário:

• Volume • Quantidade de gás/ar • Pressão

Quais modelos posso usar? Air-Water Generator e Water Power: Todos os modelos

O que fazer? Sempre que for possível, ao iniciar a

atividade de montagem, pedir para que os estudantes identifiquem os nomes dos componentes. Incentive-os a criarem suposições sobre o funcionamento do brinquedo. Para isso, organize os seguintes componentes: câmaras de água e pressão, bomba, LED e conectores, engrenagem, válvulas e mangueiras, turbina e motor, a fim de que os estudantes verifiquem a função que cada um destes componentes possui no conjunto. É importante conhecer o pensamento prévio dos estudantes sobre o brinquedo e também suas expectativas sobre o mesmo, pois isso facilitará a mediação na busca de explicações sobre seu funcionamento.

Peça para encherem o reservatório com água, de forma tal que cubra a linha de graduação – uma tênue linha posicionada a cerca de 2,5 cm da borda superior da câmara. Transfira a água de uma câmara para a outra, utilizando a bomba. Após completar a transferência da água, bombeie cerca de 40 vezes, somente o ar. Atente para que percebam a entrada de ar pela formação de bolhas na água, na câmara de pressão. Libere a válvula para que a água possa realizar seu percurso. Que maravilha! O LED acendeu! Retire a água da câmara. Bombeie cerca de 40 vezes, somente o ar. Libere a válvula e compare o tempo de funcionamento do equipamento com a situação anterior.

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O que pode dar errado?

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Problemas nos eixos das rodas ou nas engrenagens provocando travamento podem ocorrer. Também pode haver torque insuficiente no eixo das rodas. Bombear os dois momentos de maneira distinta também pode acarretar problemas, como por exemplo: 10 vezes depois de colocar a água na câma-

ra e 30 vezes quando há somente ar na câmara de pressão. Além disso, eventualmente alguma das mangueiras pode se desconectar da válvula, devido ao número muito grande de bombeadas de ar; se isso ocorrer, irá aumentar muito a pressão no sistema.

O que acontece? Vale lembrar que a quantidade de massa de água por segundo que sai da câmara é o fator mais importante para o funcionamento da hidroelétrica. A água que sai da câmara irá bater na roda d’água, sendo que a aceleração do brinquedo depende da quantidade e da velocidade da massa de água que sai da câmara ao longo do tempo. A água só adquire velocidade pela pressão existente na câmara. O aumento de pressão dependerá essencialmente de duas coisas: do volume do gás ou ar e da quantidade de gás no interior da câmara. A temperatura não é relevante. O ato de bombear faz com que a quantidade de moléculas de gases aumente no recipiente e, consequentemente, isso irá aumentar o número de choques de moléculas contra a parede do recipiente por unidade de área e de tempo; ou seja, haverá um aumento de pressão. O volume de ar dependerá da quantidade de água dentro da garrafa, pois quanto maior a quantidade de água, menor será o volume ocupado pelo ar. A pressão aumenta muito rápido à medida que a quantidade de moléculas de ar também aumenta. Vale salientar que o ar é um material compressível, enquanto que a água não. A pressão do ar é proporcional à quantidade de moléculas e inversa ao volume, assim, essa relação pode ser expressa como: P  n/V; onde “n” é o número de mols e “V” é o volume ocupado pelo gás. Isso mostra porque à medida que o volume de ar aumenta – com a saída de água – a pressão cai, assim como a queda da velocidade de escape da água (da câmara). Em termos de energia, é importan-

te pensar na quantidade de massa que se choca com as pás da turbina: gás e água na mesma velocidade implicam em energias mecânicas diferentes. Uma vez que a energia cinética da turbina dependerá da energia cinética de translação do fluido com o qual se choca, então a energia cinética de rotação dependerá da velocidade do fluido ao quadrado e da massa inercial do fluido. No entanto, a energia interna de um gás depende especialmente da quantidade de mols desse gás e da temperatura, que quase não varia no brinquedo. Ou seja, grande parte do trabalho é transformado em energia interna do sistema pelo fato de adicionarmos moléculas de gás (que, obviamente, possuem energia cinética). Se considerarmos que a energia interna seja a mesma para cada caso de largada (com ou sem água), a energia cinética inicial deveria ser a mesma e ambos deveriam ser igualmente eficientes ao acender a lâmpada. No brinquedo, verificamos que, com água, a diminuição da pressão ao longo do tempo é bem menor do que no caso de haver somente ar. Ou seja, a energia fornecida em cada situação é diferente ao longo do tempo. No caso do ar, a potência tem um pico intenso logo que a válvula é liberada, mas essa “rajada” de ar que sai em altíssima velocidade não é tão eficiente, como podemos constatar. No caso da água, o pico é menos intenso, porém a energia transferida possui um valor mediano por um tempo maior. Fica evidente, através da experimentação, que a água se mostra mais eficiente do que o ar, pois ela transfere uma potência média maior para a turbina.

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2. Ficou pesado? Objetivo: Verificar o aumento de pressão na câmara, através do uso da bomba.

Vocabulário:

• Quantidade de gás/ar • Pressão

Quais modelos posso usar? Air-Water Generator e Water Power: Todos os modelos

O que fazer? Questione de que maneira a água sai do reservatório e vai parar na câmara de pressão. Enfatize o uso da bomba, indicando o caminho da água, ou melhor, pedindo que se faça um desenho ou se aponte no brinquedo o caminho ou trajeto que a água faz quando o pistão subir e descer. Após bombearem a água para a câmara, atente os estudantes sobre a força necessária para continuar bombeando somente o ar. Peça para contarem o número de bombeadas. Pergunte o que há na parte da câmara (garrafa) que está sem água; questione porque

existem bolhas que sobem pela câmara quando baixamos o êmbolo da bomba. À medida que cada estudante consiga bombear ar no mínimo por 30 vezes, indique a próxima atividade (“Botando pressão”). Ressalte que a força necessária precisa ser maior, e este fato está relacionado à pressão dentro da câmara. Tente vincular o aumento de pressão com a quantidade de gás dentro da câmara, questionando o que foi percebido: a relação entre a quantidade de ar na câmara e o aumento da força para empurrar o êmbolo.

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O que pode dar errado?

A pressão ser elevada a ponto de as conexões entre as mangueiras e os componentes ser prejudicada, provocando

vazamento; a perda de elasticidade da mangueira também pode ser um agravante para esse efeito.

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O que acontece? Para bombear, erguemos o êmbolo, criando “vácuo” no cilindro; a pressão atmosférica que age no reservatório irá empurrar a água para dentro do cilin-

dro da bomba; por sua vez, a água não retorna pela válvula, pois, ela só permite um sentido de fluxo para o fluido.

Depois, ao empurrar o 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 e em mangueira diferente. Esses dispositivos (válvulas), que só permitem um único sentido de fluxo, são também encontrados na base da câmara de pressão. À medida que bombeamos o ar para dentro da câmara, o aumento de pres-

são se dá pelo aumento de gases em um volume que não muda. O aumento de pressão na câmara exige do estudante uma força maior, para provocar uma pressão cada vez maior no êmbolo sobre o gás que está no cilindro. Mais detalhadamente, a pressão do gás no cilindro tem que ser ligeiramente maior que a pressão que fecha a válvula, senão o aumento da pressão na câmara fica impossibilitado. O trabalho aplicado para aumentar a pressão na câmara implica no aumento da energia interna do gás, já que a quantidade de moléculas de gás no recipiente também aumenta. Deve-se levar em conta que, à medida que aumentamos a quantidade de ar, o trabalho exigido também aumenta a cada bombeada. A partir do momento que liberamos as válvulas para a circulação dos fluidos, a energia interna do gás, que é basicamente energia cinética de suas moléculas, é transferida para as moléculas de água. Esta energia cinética da água é transformada em energia cinética da turbina e das engrenagens.

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

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes? Vocabulário:

• Quantidade de gás/ar • Pressão • Volume

Quais modelos posso usar? Air-Water Generator e todos do Water Power, exceto o 1º.

O que fazer?

É importante reforçar o aumento de pressão, dando ênfase ao volume de ar dentro da câmara e o efeito consequente na pressão, que aumenta. Será

usada a lâmpada e a intensidade de luz como fator de medida do aumento de pressão.

Coloque água no reservatório, com o

cuidado que fique uns 4 cm abaixo da borda superior. Depois da água passar para a câmara de pressão, peça para que se marque o nível de água e bombeie 10 vezes o ar. Atente para a permanência do nível de água e do volume de ar, apesar do aumento de ar que está na câmara. Após a largada, preste atenção se a lâmpada acende e em sua intensidade pelo brilho que ela emite. Repita o processo anterior, bombeando agora 30 e depois 50 vezes e verifique o que acontece. Agora, aumentando um pouco o nível de dificuldade de compreensão do

fenômeno, pode-se encher o reservatório até que a superfície da água fique a cerca de 0,5 cm abaixo da borda superior. Desse modo, verificamos que o volume de ar é menor comparando com os níveis anteriores. Nessa etapa é importante comparar, com o volume anterior, o quão rapidamente a pressão aumenta. Se no segundo caso o volume é menor e a pressão é maior depois de 10 bombeadas, é preciso relacionar essas duas variáveis; quanto menor uma, maior a outra. Porém, para acender a lâmpada, não é tão satisfatório encher a câmara com muita água.

O que pode dar errado? Pode ocorrer impedimento mecânico de movimentação de eixos. As junções entre mangueiras e componentes po-

dem ainda não suportarem a pressão da água, provocando vazamento.

O que acontece? Com um pouco de sensibilidade notamos a necessidade de aumentarmos a força aplicada no êmbolo, para empurrar o ar, à medida que ele desce. Isso porque o ar é compressível e é preciso que o seu volume diminua para que a pressão dele no cilindro aumente de forma tal que, no mínimo, se iguale à pressão na câmara. A compressibilidade do ar também é facilmente visível na câmara de pressão. A influência do volume – que está disponível para o ar na câmara de pressão –, na variação de pressão, pode ser percebida com a força empregada

ao longo das vezes que se pressiona o êmbolo. Com muita água, o volume a ser ocupado pelo ar é menor e a pressão cresce mais rapidamente, mas com pouca água e mais volume disponível para o ar, o efeito é o contrário, o aumento de pressão por bombeada é diminuído. Preste atenção! Quando a pressão cresce rapidamente, devido ao pouco volume de ar, significa que – ao liberar a válvula – a taxa de diminuição de pressão também será rápida. Isso afetará o funcionamento e a eficiência para acender o LED.

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4. Tanto esforço, só para uma lampadazinha? Objetivo: Perceber o trabalho necessário para acender um led por poucos segundos.

Vocabulário: • • • • • • •

Energia elétrica Energia mecânica Trabalho Velocidade angular Intensidade luminosa Energia cinética Potência

Quais modelos posso usar? Todos do brinquedo Water Power, exceto o 1º e o 2º.

O que fazer? A abordagem dessa atividade tem duas boas possibilidades, que é a discussão de potência e de trabalho. Basicamente, um termo pode ser trocado pelo outro sem grande diferença no discurso, já que trabalho é a quantidade de energia usada ou liberada durante a transformação de energia; e potência é a quantidade de energia liberada ou usada por unidade de tempo. A noção de trabalho é importante logo no início da atividade, ao bombearmos a água e o ar para a câmara. Discuta com os estudantes sobre o que eles precisam fazer para bombear a água e o ar para dentro da câmara, por exemplo: Como faço para empurrar o fluido do pistão para a câmara, tenho que deslocar o pistão para onde? Devo aplicar força em que sentido e em que momento? Desse modo, vale a pena citar que para nossos músculos trabalharem (e todo o restante do nosso corpo) as moléculas precisam armazenar energia por meio da interação elétrica entre seus componentes; pois assim, ao serem quebradas, a energia liberada pode

ser usada pelos nossos órgãos para executarem suas funções. A profundidade dessa conversa e os detalhes ficam a critério do mediador, mas é importante para uma visão mais geral tanto sobre a transformação de energia, quanto sobre o ciclo energético no nosso planeta. Você, como mediador, pode ainda enfatizar que a energia é transmitida às moléculas do fluido através de uma força aplicada sobre elas ao longo de certa distância, e que essa aplicação de energia no sistema da câmara de pressão é chamada de trabalho; nesse caso, exercido pelo nosso corpo. Após a montagem e o bombeio, peça para que os estudantes sugiram o que vai ocorrer assim que a válvula for girada, por exemplo: qual a trajetória que a água irá fazer?. Outro ponto importante é que a água, ao se chocar com a turbina, exerce trabalho sobre a mesma, aumentando a sua energia cinética (da turbina); ou seja, ocorre uma transferência de energia cinética da água para a roda.

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Assim que a discussão chegar ao gerador explique (ou deixe para o final), como é preciso que as espiras internas girem entre os ímãs para gerar energia elétrica. Ou seja, é preciso trabalho sobre o eixo para girar os enrolamentos de fios para que a transformação de energia ocorra. Você também pode perguntar: será que o gasto energético para acender uma lampadazinha possui um valor alto? Ou em outras palavras, seria alto ou baixo o valor energético para acender uma pequena lâmpada? Proponha que testem o brinquedo normalmente, de modo que a luz fique acesa por uma boa parte do tempo. Para isso são necessárias normalmen-

te entre 40 e 50 bombeadas. Peça para que prestem atenção na velocidade de rotação do eixo, observando a engrenagem amarela maior e no tempo necessário para que o movimento pare. Depois, peça para que comparem a velocidade e o tempo quando não há o gerador. Desse modo, é possível conversar sobre todo o gasto energético para acender um único LED e extrapolar a discussão para o gasto de aparelhos domésticos, pensando no tempo de uso, na quantidade de energia gasta por hora e nas implicações desse gasto para as cidades, os estados e o país.

O que pode dar errado? A existência de pouca pressão pode não provocar o acendimento do LED.

O que acontece? O papel do trabalho na Física está relacionado à transformação de energia. Ou seja, se houve a transformação de uma energia em outra, é porque alguma força agiu sobre o sistema analisado. No caso da geração de energia elétrica através da água em movimento, o trabalho ocorre devido à força que a água emprega nas pás da turbina ao ser desacelerada. A transmissão dessa força até o gerador deve-se ao torque dos eixos das engrenagens que causam o giro das espiras imersas no campo magnético dos ímãs e, consequentemente, o surgimento de tensão elétrica nos terminais. Essa é a maneira mais

comum com que se transforma energia mecânica em elétrica. Não devemos esquecer que há resistências ao movimento, e essas forças também provocam trabalho, já que ele está relacionado diretamente à força. Considerando somente essas resistências, a energia cinética da água não é transformada em elétrica, mas em: aumento da temperatura do material (aumento da energia cinética das moléculas constituintes); e som (energia mecânica associada à agitação periódica das moléculas do ar e a certa amplitude de movimento), entre outras possibilidades.

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5. Com ou sem lâmpada? Objetivo: Verificar como o brinquedo funciona quando retiramos o led do circuito.

Vocabulário: • • • •

Vazão da água Velocidade Conservação da energia Intensidade luminosa

Quais modelos posso usar? Todos do briquedo Air-Water Generator.

O que fazer? Proponha aos estudantes que coloquem água no reservatório, transfiram a água para a câmara e bombeiem, somente ar, 40 vezes. Após abrir a válvula sugira que acionem o cronômetro e marquem o tempo em que as engrenagens permanecerão em movimento. Peça para observarem a velocidade das engrenagens e se o LED acendeu. Em nossos testes, utilizamos cerca de 1/3 da câmara preenchida pelo volume de água e bombeamos 40 vezes ar, após o esvaziamento do reservatório,

ou seja, da mesma forma que antes. O tempo cronometrado foi cerca de 27 segundos tanto para a atividade que contém o LED no circuito, bem como quando o LED foi retirado. Inutilize o funcionamento do LED retirando os conectores acoplados nele e sugira aos estudantes que repitam a atividade. Reforce a importância deles observarem a velocidade das engrenagens e marcarem o tempo em que elas se movimentam.

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O que pode dar errado?

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O estudante não conseguir liberar a válvula e disparar o cronômetro simultaneamente, provocando um erro relevante em sua medida. Sugere-se que a atividade seja realizada em dupla, para que um estudante libere a válvula e o outro dispare o cronômetro.

Outra possibilidade é a de os estudantes não perceberem a diferença nas velocidades, devido à pouca pressão gerada no sistema. Para verificar isso, reveja a quantidade de água colocada no reservatório e o número de bombeadas de ar.

O que acontece? Nos dois casos, a vazão de água é a mesma, ou seja, a quantidade de água que passa pela turbina em determinado intervalo de tempo é igual nas duas atividades. No entanto, a conservação da energia está presente; conseguimos verificá-la quando percebemos que existe uma troca entre a velocidade e a luminosidade do LED. Logo, verificamos que a engrenagem será mais rápida quando o LED estiver fora do circuito. Assim, o gerador que possui um dos eixos da engrenagem aco-

plado nele irá gerar energia elétrica, pois a espira que está imersa no campo magnético gira. Logo, temos uma diferença de potencial aplicada nos terminais positivo e negativo. Todavia, a resistência do LED não está atuando, pois os conectores foram desligados dele. Tal resistência dissipa quantidade significativa de energia elétrica, que pode ser observada no aumento da velocidade das engrenagens quando retiramos o LED do circuito.

Quanto maior o espaço, menor o empurra-empurra. 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? Air-Water Generator e Water Power: todos os modelos com roda d’água

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O que fazer?

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Essa atividade tem como finalidade reforçar que o volume de ar é inversamente proporcional à pressão do mesmo. Basicamente, é só pedir que o brinquedo seja desconectado do gerador, colocar água até a tênue linha da câmara – que se encontra cerca de 3cm da borda superior – e bombear o ar poucas vezes, até no máximo 10 vezes.

Desta maneira, será possível perceber a redução na velocidade angular dos eixos ao longo do tempo e comparar com o volume de ar na câmara de pressão. Para evitar confusão, peça para que os estudantes olhem para um eixo especifico. Os estudantes podem efetuar a verificação da velocidade angular desse eixo específico retirando a corrente que liga as duas engrenagens.

O que pode dar errado? A existência de pouca pressão pode reduzir o efeito, isto é, impedir de verificar que o volume de ar é inversamente proporcional à sua pressão. Além disso, sem o uso da corrente, o sistema estará submetido a um menor

atrito, ocasionando um tempo maior e uma velocidade constante no giro da menor engrenagem. A realização sem a corrente e depois com o uso dela, no sistema, pode ajudar na visualização da atividade proposta.

O que acontece? O fenômeno em questão é provocado pela redução na velocidade angular das engrenagens e rodas, à medida que se diminui o nível de água na câmara. 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 através das mangueiras. Essa queda na velocidade implica na diminuição da velocidade angular de todas as engrenagens ou rodas, pois decresce o torque exercido pela água sobre a turbina. Lembre que existem duas formas de energia cinética: a de translação, que depende do produto da massa inercial do corpo e de sua velocidade ao quadrado; e a de rotação, dependente do produto da frequência angular (velo-

cidade angular) ao quadrado pelo momento de inércia do corpo. Ou seja, a energia mecânica total do sistema será visível através da velocidade angular das engrenagens. É possível observar ainda, principalmente pela diminuição de energia do sistema, que há forças dissipativas (atrito) operando no mesmo. Fica evidente a transferência de energia no brinquedo por meio da manifestação de formas da energia cinética (de translação e de rotação) nos componentes mecânicos e depois, no gerador, de energia cinética transformada em elétrica. Lembre que essa transformação não é integral devido à ocorrência de dissipações da energia pelo atrito.

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Falta força?

brinquedos científicos inteligentes Objetivo: Evidenciar que ao trocar as posições das engrenagens (pequena e grande), o brinquedo irá funcionar com velocidade angular diferente.

Vocabulário:

• Força • Torque • Velocidade angular

Quais modelos posso usar? Air-Water Generator

O que fazer? Peça para os estudantes trocarem as engrenagens de posição: Colocarem a grande no eixo da turbina e a pequena

no eixo do gerador. E agora, o que pode acontecer?

Verificamos que na configuração de montagem proposta pelo manual, foram acopladas duas engrenagens de diâmetros diferentes através de uma corrente. Ao modificar a posição delas, percebemos que o movimento ainda é transmitido, mas a velocidade angular se modifica, havendo uma inversão de qual eixo é mais veloz a cada troca de engrenagens. O estudante irá verificar que o LED irá acender com maior intensidade nesta configuração, pois há um pico de potên-

cia no início. Na configuração normal o sistema mantém-se em movimento em um intervalo de tempo maior, enquanto que com a modificação o brinquedo irá parar de se mover antes. Isto ocorre porque o torque exigido no eixo da turbina ficou maior e a água não consegue mais movê-lo. Vale lembrar que tal verificação ficará evidenciada ao se utilizar a mesma quantidade de água e o mesmo número de bombeadas de ar durante as duas atividades.

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O que pode dar errado?

A existência de pouca pressão pode não conseguir girar o sistema modificado. Em contrapartida, uma pressão muito elevada impedirá a comparação

visual entre a potência fornecida nas duas configurações. Para solucionar isso, um multímetro acusaria o resultado com precisão.

O que acontece? Teoricamente, se não há torque externo, o sistema nunca deveria parar de girar, mas há resistências como o atrito entre as engrenagens que fazem com que o brinquedo chegue a parar de se mover. Além disso, e algo importante a ser destacado, o torque é necessário para manter a velocidade angular das espiras localizadas dentro do gerador, já que há resistências internas no mesmo que podem ser demonstradas com a corrente elétrica. Por isso, existe a necessidade de um torque ser aplicado ao sistema constantemente, para que a soma dos torques externos seja nula, e as engrenagens possam manter sua ve-

locidade angular. Na interação entre dentes de engrenagens diferentes, há um par de forças denominadas de ação e reação, ou seja, os dentes de cada engrenagem agem com uma certa força sobre outro dente, e sofrem a reação de uma força de mesma intensidade. Porém, como os raios das engrenagens são diferentes, o torque nos eixos também serão diversos, pois o torque é o produto entre a força e a distância onde a força foi aplicada, cuja definição pode ser: τ=F×d. Desse modo, o torque será maior no eixo da engrenagem maior.

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

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, por volta do III século AC. Desde então, várias formas de rodas d’água foram elaboradas. De qualquer modo, independente das formas apresentadas logo abaixo, geralmente as rodas utilizam o movimento da água. Atualmente, turbinas são usadas em hidroelétricas para transformar a energia cinética da água em energia elétrica. As turbinas tiveram origem com rodas d’água do tipo horizontais, em que a roda fica deitada e as pás inclinadas (semelhante às dos ventiladores atu-

ais). Esta é a mais simples das rodas usadas, pois o giro do eixo, que é vertical, era usado diretamente para moer os cereais. Rodas verticais, com eixo horizontal, formam basicamente dois grupos: sobreaxial e subaxial. Tais nomes estão relacionados ao caminho percorrido pela água, ou seja, se ela passa nas aletas abaixo ou acima do eixo. Por exemplo, quando a água cai nas aletas por cima da roda, é um sistema do tipo sobreaxial. Outro tipo, menos comum e chamada de subaxial, é quando a água entra nas aletas traseiras em relação ao eixo.

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A predominância de uso da roda d’água aconteceu nas atividades rurais. 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 do ambiente rural é a água corrente - descendo do morro – que costuma ser utilizada em máquinas de moer. Nas hidrelétricas, toneladas de água em alta velocidade – devido à queda – colidem e acionam geradores.

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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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Há diferença entre o gerador do brinquedo e o de uma hidrelétrica?

O funcionamento básico de um gerador está na produção de energia elétrica através de interação eletromagnética. Então, é preciso que haja um campo magnético para, de algum modo, provocar o aparecimento de um campo elétrico. No gerador do brinquedo há dois ímãs junto às paredes do gerador e no meio, ao redor do eixo, há um grande enrolamento de fios de cobre; esses fios enrolados formam os eletroímãs. Os ímãs estão arranjados de modo que seus polos opostos fiquem um de frente para o outro, provocando um campo magnético contínuo em que os enrolamentos estão imersos. A partir do momento em que o eixo é girado, os fios também giram. Mas, como existem elétrons livres no nível de condução dos átomos, o movimento dos fios significa que essas cargas estão se deslocando ao longo de um campo magnético. Conforme se sabe do eletromagnetismo, cargas elétricas em movimento quando imersas em um campo magnético são desviadas da trajetória. No gerador, esses dois efeitos ocorrem: primeiro, o movimento do eixo provoca o movimento das cargas em relação ao campo magnético; segundo, na interação das cargas do fio com o campo magnético elas são aceleradas no sentido do enrolamento do fio. Surge assim a tensão elétrica e a corrente elétrica. Ocorre, desse modo, a geração de energia elétrica devido à energia mecânica fornecida. A potência do brinquedo pode ser estimada através do LED. Ele tem potência abaixo de 0,1W; isto indica que o gerador fornece essa potência que seria incapaz de ligar uma máquina digital, por exemplo. Ao considerarmos o for-

necimento de energia para uma grande população com cerca de 1,5 milhão de habitantes – o que uma única turbina de Itaipu consegue sustentar - são precisos 700 MW. Desse modo, para poder transformar tanta energia mecânica em elétrica, é preciso, basicamente, aumentar a intensidade do campo elétrico e / ou a quantidade de voltas dos enrolamentos de fios no gerador. Consequentemente, seria necessário um ímã gigante e com um campo magnético muito intenso para manter a potência necessária. Contudo, podemos constatar que um ímã tão potente produziria diversos empecilhos: seria inviável de ser transportado e manobrado, uma vez que iria carregar tudo que fosse ferromagnético pelo caminho e também não teria como ser “desligado”. Por isso, se usa outra propriedade do eletromagnetismo, que é o fato da corrente elétrica gerar campo magnético. Sendo assim, o gerador de uma hidroelétrica não possui ímãs, mas apenas fios de cobre. Especificamente, um grande enrolamento de fios (eletroímãs) transmite corrente elétrica e, assim, produz um campo magnético intenso sobre outro grande enrolamento de fios acoplado ao eixo do rotor da turbina. Pela interação eletromagnética já comentada no caso do gerador do brinquedo, isso causa o surgimento de corrente elétrica nos fios que estão girando e esta é bem mais intensa que a inicial. Essa corrente inicial é produzida por um excitador, que pode ser um minigerador com ímãs permanentes ou até mesmo – o que é mais comum – um sistema chamado de autoexcitável (gerador de corrente contínua autoexcitado) é utilizado. Neste caso, um campo

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magnético residual nos eletroímãs do rotor é utilizado para provocar o aumento da corrente elétrica por efeito cascata. Note que é preciso um campo magnético residual para um gerador de eletroímãs funcionar.

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 do brinquedo podemos observar que há alguma energia acumulada pelos gases sob pressão. Essa energia acumulada é chamada de energia interna, que é a soma das mais variadas energias cinéticas e potenciais. Em um gás, a energia interna está relacionada especialmente com a energia cinética total dos gases no recipiente. Isto ocorre porque, obviamente, o aumento da quantidade de gás no mesmo recipiente produz o aumento da quantidade de choques contra a parede por segundo, o que acarre-

ta o aumento da energia cinética total e também o da pressão. No brinquedo, ao se liberar a válvula, o gás do recipiente transforma boa parte dessa sua energia cinética em energia cinética da água. Podemos constatar que quando o gás se expande, a energia cinética da água também diminui, o que evidencia que o aumento do volume e a diminuição da pressão provoca uma redução nessa energia interna do gás. Se formos pensar na pessoa que fornece esse aumento de pressão, temos ainda outras transformações de energia anteriores. Para bombear o ar e a água, uma pessoa precisa que seus músculos trabalhem. No fundo, o que ocorre desde a ingestão de alimentos são sucessivas quebras de moléculas e rearranjos com outros átomos, a fim de transformar a energia potencial elétrica das moléculas em energia cinética dos átomos e moléculas que são os produtos das reações químicas. Especialmente, uma molécula bastante usada no nosso corpo é o Trifosfato de Adenosina (ATP). Essa energia cinética dos produtos das reações químicas são usadas em outras reações, até fazer com que os músculos se contraiam, por exemplo. Para obter glicose, o corpo precisa extrair carboidratos dos alimentos. No entanto, a transformação dessas moléculas também exige uma transformação de energia. Independente da fonte de alimentação, carnívora ou vegetal,

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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. No entanto, a história não acaba aí... A emissão de luz pelo Sol surge de fusões nucleares. A fusão de núcleos atômicos ocorre devido às condições físicas tais como temperatura e pressão do núcleo solar. Os nucleons de átomos pequenos se unem e ficam mais estáveis juntos que quando estão separados em

núcleos diferentes. Nesse processo, a energia potencial dos nucleons 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, um fio de tungstênio de lâmpada incandescente à temperatura elevada emite fótons por causa da agitação das moléculas; o mesmo ocorre no Sol: a energia cinética da agitação dos átomos é transformada em luz. Portanto, em todos esses casos ocorre a transformação da energia, e não uma geração.

Cientificamente Terminologia principal

Pressão: É a força aplicada por unidade de área.

Pressão atmosférica: Pressão exer-

cida pela atmosfera sobre qualquer objeto. Varia com a altitude. Vácuo: Considera-se vácuo uma região de baixíssima pressão, que é consequência de haver poucos gases e matéria.

Energia cinética de translação:

Forma de energia que depende da quantidade de massa do corpo e da velocidade de deslocamento deste. Energia cinética de rotação: Forma de energia que depende do momento de inércia do corpo girante e da velocidade angular deste. Energia interna: Pode ser entendida como a soma da energia cinética das moléculas do fluido. Trabalho: Energia desprendida por um agente para transformar ou mudar o estado de energia de um certo corpo. Na mecânica, é o produto entre a força e o deslocamento resultante dessa força. Potência: É a razão entre a energia dispensada ou consumida em certo intervalo de tempo.

Torque: Também conhecido por “mo-

mento de uma força”, depende da força usada para girar algo e da distância em relação ao eixo de giro. Velocidade: Taxa de deslocamento de um corpo em relação ao tempo. Velocidade angular: Quantidade de ângulos varridos por unidade de tempo por um ponto de um objeto girante. Corrente elétrica: É a quantidade de cargas que atravessa a secção de um material por unidade de tempo. Carga elétrica: Característica intrínseca de algumas partículas elementares e constituintes da matéria. Campo elétrico: Região do espaço que pode ser considerada uma “esfera de influência” de cargas elétricas. Cargas elétricas produzem um campo, cuja intensidade e direção varia a cada ponto do espaço. Tensão elétrica: É a diferença de potencial elétrico entre dois pontos do campo elétrico de uma carga. Campo magnético: Região do espaço em que um ímã pode interagir com outro material com propriedade magnética, pode ser visualizado através de linhas de campo.

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