Robotica - 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

Introdução à fenomenologia que será explorada

Primeiramente Problematização inicial

3 Ativamente

6

Propostas de atividades de exploração

Inquietamente Textos de apoio pedagógico

18 Cientificamente

24

Terminologia principal

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

Para ter em mente Este brinquedo permite mostrar a interação entre radiação e matéria, discutir sobre o envio de informação por meio da radiação, verificar como esta se comporta, discutir o funcionamento de dispositivos sensíveis ao toque e entender princípios de máquinas. É possível explorar todos estes conceitos durante a construção e o uso dos robôs e máquinas deste kit.

Principais termos a serem usados: • • • • • •

engrenagem torque frequência velocidade angular força braço de alavanca

• • • • • •

potência energia elétrica tensão elétrica radiação intensidade absorção

Primeiramente O controle remoto é um equipamento quase indispensável para a vida moderna, tanto que leva algumas pessoas à angústia quando o perdem debaixo do sofá. A facilidade de comandar a “longa distância” envolve muitos fenômenos físicos. O diálogo abaixo é apenas uma hipótese de abordagem do assunto, serve para ilustrar o contato inicial.

Pessoal, hoje poderemos construir diversas máquinas robóticas! Olhem aqui!

E iremos comandar tudo através de um controle remoto!

Uau!

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes É esse negócio azul?

Isso! Ele é parecido com o da televisão de vocês?

Mais ou menos.

3

O meu controle tem bem mais botões.

E esses botões são um pouco estranhos.

Então aperta eles para ver o que acontece.

Dá choque?

Não, não, pode testar.

Ué, faz barulho e acende uma luzinha.

E você precisou apertar?

Não, é só encostar. Que coisa!

E quando ele é ativado, o que ele envia para o receptor? E “sai” por onde?

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Um sinal?

Certo, mas o que emite esse “sinal”?

Essa lampadazinha ali na frente.

4

Exatamente. Isso é chamado de LED. Acho que tem um negócio desse no controle de casa.

Isso, é do mesmo tipo. Mas o que é emitido pelo LED?

Sei lá! É invisível...

Então não somos capazes de enxergar tudo.

Tá, mas até onde alcança?

Nós podemos testar isso daqui a pouco...

Mais alguma pergunta?

Mas como vamos mover os motores?

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Ah, temos que colocá-los no receptor.

Dá para mover eles ao mesmo tempo?

Acho que primeiro deveríamos construir nossas máquinas, que tal?

5

Entregue os componentes do modelo que deseja montar, pedindo para que separem na mesa as peças que são iguais. Agora é hora de mediar a montagem, lembrando de ressaltar os nomes dos componentes. Dê enfase aos motores, receptor, controle remoto e a como eles são importantes para o funcionamento do brinquedo. É possível realizar algumas das atividades independentemente do modelo montado, usando apenas as peças básicas. Como em muitas atividades não enxergamos o que ocorre e a manipulação das variáveis é um tanto limitada, enfatize qualitativamente os fenômenos físicos envolvidos.

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. Com o dedo?

Objetivo: Encontrar materiais que ativam o controle remoto.

Vocabulário:

• • • • • •

Linhas de Campo Elétrico Campo Elétrico Impedância Tensão Elétrica Capacitância Cargas Elétricas

?

Quais modelos posso usar?

Todos do conjunto Working Pistons

mentes brilhantes

O que fazer?

brinquedos científicos inteligentes

Diversos tipos de materiais pode-

rão ativar os botões do controle, mas borracha, vidro, tecidos e plástico não conseguem. Para fazer essa atividade é preciso levar em conta que o objeto próximo ao botão deve ficar em contato com a capa plástica que cobre os botões, ou seja, não pode ficar afastado.

Primeiramente, é possível testar como o controle remoto faz o mode-

lo funcionar. Peça que desconectem os motores um por vez e testem o que ocorre ao encostarem o dedo nos botões. Ressalte que não é preciso pressionar o dedo sobre o plástico, basta encostá-lo. É interessante que os estudantes percebam que botões com cores iguais controlam um mesmo motor, mas cada um deles manda um sinal em que a direção de giro deste motor muda.

6

Em um segundo momento, tenha objetos que possam ser encostados nos botões com o intuito de ativá-los. Use especialmente aqueles tipos de objetos que não funcionarão. Se você usar algum tipo de flanela ou parte de tecido, é possível que o botão seja ativado, caso a espessura do material seja fina e seu dedo esteja pressionando o tecido. É bem provável que os estudantes apertem os botões, como em controles comuns. Mas, não adianta pressionar o plástico azul que os protege em

uma tentativa de o sinal ficar mais intenso. Essa atividade é ótima para dar a perceber que os botões são ativados pelo toque e não pela pressão. É fundamental mostrar que nem todo material pode ser “percebido” pelos botões do controle.

Note que o entendimento da ativação do controle demanda noções de campo elétrico, mas ressalte que não é qualquer objeto que irá ativá-lo, deve haver alguma característica importante, algum componente do material.

O que pode dar errado?

Tecidos finos – Usar tecidos ou outros objetos pouco espessos podem “ativar” o controle, caso o dedo pressione o tecido / objeto contra algum botão.

Interferência entre controles – É importante verificar que o uso de dois ou

mais controles ao mesmo tempo diminuirá a intensidade do sinal recebido pelo motor, reduzindo o efeito a ser visualizado. Além disso, pode ocorrer interferência nos comandos.

O que acontece?

Durante o primeiro contato já foi possível perceber que o botão não funciona devido à pressão, o que já é potencialmente curioso. Com isso, pode-se considerar que há algo no dedo que é capaz de interagir com o material metálico do botão, mesmo “à distância”.

Infelizmente, não somos capazes de manipular a causa de acionamento do controle remoto, que decorre do fato

de os botões serem uma trama de fios condutores elétricos. Da mesma forma que em touchpads de computadores portáteis, essa malha condutora é submetida a uma tensão elétrica (normalmente variável, em forma de pulsos).

Ao colocarmos o dedo sobre o botão, as cargas elétricas que existem em nosso dedo mudarão a distribuição do campo elétrico gerado anteriormente.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

7

As cargas de seu dedo modificarão a distribuição das linhas de campo elétrico próximo ao dedo, de modo que haverá uma capacitância formada pelas cargas do seu dedo que atrairão cargas da malha, veja a imagem acima. Essa diferença de tensão elétrica na malha é captada pelo circuito, que interpreta o dado e faz o controle enviar o sinal e emitir som.

Em outras palavras, de forma mais simplificada e resumida, podemos dizer que o contato com o dedo muda a distribuição de cargas na malha condutora do botão, isso implica em mudanças no circuito elétrico (a impedância, por exemplo), que podem ser facilmente interpretadas pelos componentes internos do controle.

2. Quão potente é?

Objetivo: Verificar a independência de funcionamento dos motores e identificar que a potência é a mesma para cada motor.

Vocabulário:

• Potência • Energia elétrica

?

Quais modelos posso usar?

Remote-controlled Robots: Todos os modelos.

O que fazer?

Note que os motores do brinquedo usam o mesmo tipo de pilhas, ou seja, compartilham a mesma tensão elétrica. Peça que os estudantes ativem apenas os botões que deslocam o brinquedo para frente ou para trás e, então, converse sobre o que eles esperam que ocorra ao ativar um segundo motor juntamente: “mudará a velocidade de deslocamento? Ficará mais rápido ou mais lento?”.

Não ocorrerá nenhuma diferença no movimento do motor principal. Isso indica que os motores funcionam independentemente um do outro. Preste atenção ao giro do eixo do primeiro motor para comparar a sua potência antes e depois do acionamento do segundo motor. Acione o terceiro motor

para notar novamente que não há nenhuma mudança aparente.

Como os sistemas de engrenagens são diferentes para cada motor, as frequências de giro de seus componentes também são diferentes, dando a entender que um motor é mais potente que outro. O que ocorre é uma “alternância” entre torque e frequência, mas a potência é a mesma, já que a corrente elétrica é a mesma em cada motor.

Você pode solicitar que os estudantes troquem a posição dos conectores dos motores, para mostrar que não há diferença. Os eixos principais continuarão seu movimento como antes, apesar de o motor não ser o mesmo. Outra maneira de mostrar que os motores funcionam de forma independente um do

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

8

outro e com a mesma potência é desacoplá-los dos eixos do brinquedo, observando e comparando o giro dos eixos motores.

Se você usar um multímetro, encontrará em cada um dos três terminais do receptor uma mesma tensão elétrica com pouco mais de 3 volts. Isto é, os

motores estão em paralelo. Caso ainda restem dúvidas quanto à rapidez dos movimentos, peça para que segurem, tentem frear o eixo das engrenagens finais de cada sistema, pois assim será possível notar que há uma troca entre frequência e torque e que os motores têm a mesma potência.

O que pode dar errado?

Confusão com o som – Ao acionar mais de um motor ao mesmo tempo, o barulho das engrenagens pode dar uma impressão de o primeiro motor diminuir a intensidade de seu som e, consequentemente, sua velocidade de giro. Preste atenção ao giro, não ao som.

Os sistemas de engrenagens podem confundir o estudante, pois um movimento pode-se mostrar mais rápido que

outro. Desacople os motores do brinquedo e refaça os testes.

Interferência entre os controles – É importante verificar que o uso de dois ou mais controles ao mesmo tempo diminuirá a intensidade do sinal recebido pelo motor, reduzindo o efeito a ser visualizado. Além disso, pode ocorrer interferência nos comandos.

O que acontece?

Nenhum dos três motores influencia a potência do outro, ou seja, ao serem acionados um após o outro, não reduzem a corrente elétrica que passa pelo outro. Isso indica que não estão acoplados em série, mas sim em paralelo.

A tensão elétrica em cada motor é a mesma, o que faz cada um funcionar como se estivesse em um circuito isolado. Contudo, ao ligar os três motores juntos, a demanda de corrente elétrica é três vezes maior, o que fará a pilha descarregar bem mais rápido.

Quando os motores trocam de função, vemos que a frequência de giro dos componentes se mantém como

antes, pois os motores são idênticos e igualmente potentes. Se a potência é a mesma, mas a velocidade de giro não, isso significa que alguma outra propriedade física também deve ter-se modificado. Em outras palavras, no modelo de guindaste (modelo 3), a roda gira mais rápido do que o braço, mesmo que os motores tenham potências iguais! Isso significa que o braço tem alguma coisa a mais que o faz mais lento: o torque.

O torque é a propriedade que pode modificar o estado de ‘em movimento circular’ de algum corpo ou mantê-lo ‘em movimento circular’.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

9

3. Até onde funciona?

Objetivo: Avaliar a que distância o sinal do controle perde intensidade a ponto de não conseguir acionar os motores.

Vocabulário: • • • •

Intensidade Potência Distância Fótons

?

Quais modelos posso usar?

Remote-controlled Robots: Todos os modelos.

O que fazer?

Normalmente, a distância em que o controle deixa de funcionar é a partir dos 10 metros, dependendo das condições da pilha. A atividade é relativamente fácil, basta pedir que se encontre o ponto onde o sinal não é mais percebido, ou seja, a distância em que o sinal enviado pelo controle não possui intensidade suficiente para ser interpretado pelo receptor.

Note que não conseguimos controlar a intensidade do sinal emitido conforme desejamos. A única maneira de modificar esse parâmetro é usando pilhas que estejam diferentemente carregadas e quanto maior a diferença de carga, melhor. Peça para que comparem e testem um conjunto diferente de pilhas, para identificar a distância em que os motores deixam de funcionar. Se puder, entregue pares de pilhas desigualmente carregadas a grupos diferentes. Desse modo, será possível criar um momento de conflito, pois haverá diferentes distâncias apontadas. Isto abre espaço para que os estudantes levantem hipó-

teses para o fato e argumentem sobre possíveis causas. Também é possível propor que um mesmo grupo use pares de pilhas novas e velhas no controle para testar os dois casos. Contudo, perceba que assim, com um mesmo grupo trabalhando sobre as diversas hipóteses de resultados, serão reduzidas a interação, troca de informação e discussão entre os estudantes acerca do conflito de resultados. É interessante que os estudantes aprendam dois fenômenos envolvidos nesta atividade: que a intensidade da radiação emitida varia ao longo da distância e que depende da potência da fonte. Obviamente, quanto mais “velha” a pilha, menor a potência de funcionamento do LED, já que a resistência elétrica da pilha aumentará e a corrente elétrica será reduzida no circuito do controle.

Fica também a sugestão de fazer um paralelo entre o que ocorre com o som do motor e com o sinal, já que ambos são fenômenos ondulatórios.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

10

O que pode dar errado?

Antes de iniciar as atividades, verifique se os motores conseguem mover o brinquedo sem problemas.

Interferência entre os controles - É importante verificar que o uso de dois ou mais controles ao mesmo tempo em

ambientes próximos diminuirá a intensidade do sinal recebido pelo motor, reduzindo o efeito a ser visualizado. Além disso, pode ocorrer interferência nos comandos de cada um dos robôs que estão próximos.

O que acontece?

O sinal emitido pelo controle é uma radiação do tipo infravermelha – veja a atividade 6 para conhecer mais detalhes. Como toda onda emitida por uma fonte, a intensidade do sinal vai depender (de modo inverso) da distância entre o LED e o receptor, cujo fenômeno é representado na figura ao lado.

Perceba que os objetos colocados em distâncias diferentes são irradiados com intensidade diferente pela fonte de radiação; quanto maior a distância menor a intensidade. Para entender a imagem, considere que cada raio seja um caminho a ser percorrido por fótons diferentes, a conclusão é que quanto mais distante da fonte, menos fótons atingem os objetos e menor é a intensidade da radiação.

Ainda não falamos da potência do LED, que é uma variável bastante importante para entender sobre intensidade: vale lembrar que há reações químicas ocorrendo dentro das pilhas para que haja a transferência de cargas elétricas. O problema é que quanto mais usamos a pilha, mais os produtos dessas reações aumentam a resistência elétrica interna da pilha, ou seja, quanto mais usada, menor será a corrente elétrica no circuito do controle. Se a corrente elétrica fica menor, a potência de funcionamento do LED será menor.

A relação entre potência e intensidade se dá através da área coberta pela radiação. Se a radiação é espalhada para todas as direções, a área atravessada pela radiação será bem maior do que se o LED emitisse um feixe bem colimado, como um laser. Justamente por isso, pelo fato de ter que cobrir uma área maior, a intensidade da radiação diminui de acordo com a distância. Veja na imagem anterior que os raios, logo ao serem emitidos, estavam bem próximos mas vão se afastado ao longo da distância, ou seja, a mesma potência inicial deve ser dividida por uma área bem maior. Também podemos pensar o sinal como uma esfera cujo centro é o LED. Assim, quando ela cresce, atingindo distâncias maiores, aumenta a área atingida pela radiação, o que reduz sua intensidade.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

11

4. Mais perto, mais rápido?

Objetivo: Notar que a potência do brinquedo independe da proximidade entre ele e o controle.

Vocabulário:

• Corrente elétrica • Potência • Circuito elétrico

?

Quais modelos posso usar?

Remote-controlled Robots: Todos os modelos.

O que fazer?

A atividade é bastante simples e pensada para evitar que os estudantes estabeleçam alguma relação entre a intensidade do sinal e a potência de funcionamento dos motores. É importante observarmos a potência do motor enquanto o robô se afasta do controle.

Converse anteriormente com os estudantes sobre suas expectativas quanto ao que deve ocorrer com a potência do motor ao afastarmos o controle do robô, sabendo que quanto mais distante estiver o controle, menor será a intensidade do sinal: será que a intensidade do sinal interfere na potência do motor?

Peça para alguém ficar observando uma possível mudança no giro do eixo do motor, enquanto outro se afasta com o controle ativado. Em seguida, converse sobre a independência dos circuitos, ou seja, sobre o fato dos sinais enviados pelo controle ativarem somente os componentes que contro-

lam a passagem e o sentido da corrente elétrica para cada motor. Destaque o fato de que o sentido de giro do motor inverte-se devido à inversão do sentido da corrente elétrica, que é determinada pelo sinal enviado, de acordo com o botão apertado.

Outro ponto interessante a ressaltar é que apesar de ser possível enviar vários sinais juntos, há uma única fonte de emissão, o LED. O sinal emitido pelo LED é uma onda eletromagnética. Um efeito característico de ondas é a sua superposição quando se encontram e posterior separação, sem que haja alterações nas ondas originais. Algo semelhante ocorre quando ativamos vários botões do controle ao mesmo tempo; as ondas individuais sobrepõem-se e, ao chegar ao receptor, um chip fica encarregado de entender os sinais diversos, interpretando e diferenciando os botões que foram ativados.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

O que pode dar errado?

O estudante pode confundir a mudança da intensidade sonora, pelo seu afastamento, com uma possível mudan-

ça na velocidade e na potência do motor.

12

Interferência entre os controles – É importante verificar que o uso de dois ou mais controles ao mesmo tempo diminuirá a intensidade do sinal recebi-

do pelo motor, reduzindo o efeito a ser visualizado. Além disso, pode ocorrer interferência nos comandos.

O que acontece?

O sinal emitido pelo controle em forma de pulso binário atinge o receptor, que o interpreta para identificar o motor que deve ser ativado e o sentido da corrente que passará por ele. A intensidade do sinal não influencia na quantidade de corrente elétrica, pois os circuitos elétricos do receptor e do controle são independentes.

Para enviar vários comandos ao mesmo tempo, ocorre uma junção das ondas, uma superposição delas, conhecida por modulação. Depois, ocorre o contrário no receptor, a transformação dos comandos em ondas separadas para que se possa identificar quais são os motores a ativar e o sentido em que a corrente deve passar por cada um.

5. Absorvendo...

Objetivo: Perceber que determinados materiais absorvem infravermelho próximo.

Vocabulário:

• • • •

Intensidade Absorção Transmissão Radiação infravermelha

?

Quais modelos posso usar?

Remote-controlled Robots: Todos os modelos.

mentes brilhantes

O que fazer?

brinquedos científicos inteligentes

A proposta desta atividade é colocar objetos na frente do LED do controle remoto e notar que isso muda a distância-limite de seu funcionamento, o que é um indicativo de que mudou a intensidade da radiação. Então, além de demonstrar a redução da intensidade de radiação devido à distância, esta atividade também mostra que pode ocorrer absorção de radiação pela interação com a matéria. Isso é bastante

13

interessante pois permite discutir física moderna através do tema da interação radiação-matéria e, até certo ponto, discutir a concepção física de luz. Mas como podemos trazer à tona essa discussão? Segue abaixo a proposta. Para o início da conversa, talvez seja interessante usar uma câmera digital, já que seu sensor consegue captar o infravermelho próximo (radiação cuja frequência e energia seguem abaixo da luz

vermelha no espectro eletromagnético) e transmiti-lo para a tela como se fosse uma luz em tom violeta. O objetivo de mostrar este fato é problematizar que existe radiação invisível para nos-

sos olhos e que a interação entre a radiação e a matéria depende tanto das condições da radiação quanto do objeto atingido.

Lembre dos resultados das atividades anteriores sobre a intensidade da radiação e sobre o alcance máximo do controle. Questione, verifique qual é a expectativa dos estudantes quanto a colocarmos objetos imediatamente na frente do LED. Muitos irão dizer que não haverá transmissão da radiação, em um pensamento análogo ao que ocorre com a luz visível.

Você pode então questionar sobre os tipos de materiais que são transparentes à luz visível (vidro, água, ar etc.). O intuito desse questionamento é lembrar que a transmissão de luz não ocorre sozinha, que sempre há absorção e reflexão, mas em razões diferentes para cada material. Em um segundo momento, lembre da camada de ozônio (ou instigue-os a mencioná-la), que absorve grande parte dos raios de UV, mas permite que os da luz visível e os do infravermelho passem! Já a nossa pele, absorve a radiação UV (um tipo que pode causar câncer) e absorve a

infravermelha emitida pelo Sol, já que sentimos o aumento de temperatura na pele. Com essa conversa podemos gerar um tipo de conflito quando houver o teste, pois o infravermelho próximo, emitido pelo LED do controle, pode conseguir penetrar cerca de 20 cm em nosso corpo!

A partir disso, proponha que os estudantes usem alguns materiais na frente do LED e verifiquem se há mudança nessa distância. De preferência, comece com cadernos. Peça que coloquem um caderno por vez e, acionando o controle, afastem-se do receptor e comparem a distância em que o sinal deixa de ser notado. Discuta o resultado: que há absorção parcial e que quanto maior a quantidade de matéria transpassada, maior a queda na intensidade da radiação. Depois, peça que refaçam os testes usando a palma da mão e os braços como obstáculos. Assim, haverá assunto para discussão, pois a radiação infravermelha está passando pelo corpo!

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

14

Por fim, pode até pedir que ativem o controle colocando-o nas costas com o LED encostado nelas e apontando para o receptor. Não esqueça de verificar o ponto em que o sinal para de ser detectado.

Essa atividade torna possível introduzir os conceitos de interação entre radiação e matéria, em que há uma certa probabilidade de a radiação ser absorvida ao atravessar obstáculos. Parte da radiação será absorvida ao longo do caminho e quanto mais matéria tiver que

atravessar, menor será a intensidade do sinal ao final da passagem.

Compare o efeito com o fato de que a luz visível não atravessa nosso corpo; ela pode até penetrar poucos centímetros, o que pode ser mostrado com uma caneta laser apontada contra um dedo da mão. Desse modo, deseja-se concluir que dependendo da radiação, a maneira de interagir com o nosso corpo muda. No fundo, isso depende das estruturas moleculares que compõem nossos tecidos.

O que pode dar errado?

Ausência de mudança aparente na distância de alcance quando se coloca um objeto na frente do LED. Assegure-se que o LED tenha encostado no objeto. Coloque mais do mesmo objeto na frente do LED. Por fim, troque de

objeto.

Quando o controle for colocado nas costas, talvez não se consiga ativar os motores. Isso pode ser provocado pelo próprio fenômeno físico como pelas pilhas do controle.

O que acontece?

A radiação (inclui-se a luz visível) pode ser refletida, absorvida ou transmitida pelos objetos que encontra no caminho. Normalmente, uma das alternativas anteriores se torna mais evidente, mas nunca ocorre sozinha; sempre há perda de intensidade quando, por exemplo, a luz atravessa o vidro.

Na figura há a representação hipotética de um raio de alguma radiação atin-

gindo três materiais diferentes. Para facilitar a compreensão, cada raio foi dividido em 3 “partes”. A parte “mais larga” do raio caracteriza 60% da radiação, a “mediana”, 30% e a “mais estreita”, 10%. Para cada material, uma porcentagem diferente de luz é refletida (retorna ao encontrar o objeto), absorvida (não atravessa) ou transmitida (atravessa o objeto).

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

15

Ocorre o mesmo com a radiação infravermelha e apesar de não conseguirmos enxergar o fenômeno, evidenciamos indiretamente que ocorrem a absorção e a transmissão da radiação que atravessa os objetos. É fundamental lembrar que a absorção depende da quantidade de matéria a ser transposta, sendo também importante a sua densidade. De acordo com a imagem, podemos dizer que o terceiro corpo é o mais denso, pois absorveu bastante a radiação. Vale relembrar que as ima-

gens acima são apenas uma orientação para entender o que pode ocorrer.

O fato de um tipo específico de radiação ser ou não facilmente absorvido por determinado meio ou material, depende das estruturas moleculares deste. Essencialmente, os “modos vibracionais” das moléculas determinam a probabilidade de absorção de tipos de radiação infravermelha. Lembre que uma câmera digital capta o sinal do LED e acusa-o, na tela, como se fosse uma luz em tom violeta.

6. Erguer ou baixar?

Objetivo: Verificar que a velocidade de giro do motor depende também da força-peso que atua nos braços que se tenta mover e relacionar torque à força aplicada e à distância ao eixo, bem como ao ângulo entre estas.

Vocabulário: • • • •

velocidade angular torque força distância ao eixo e braço de alavanca • potência

?

Quais modelos posso usar?

Remote-controlled Robots: Todos os modelos.

O que fazer?

mentes brilhantes

Utilize os brinquedos para carregar peças ou objetos de um ponto a outro da sala. Durante a brincadeira, é possível verificar a redução da velocidade angular de subida do braço do brinquedo enquanto este movimenta uma carga. Este fato cria a oportunidade de uma conversa sobre como o peso a ser erguido provoca um torque contrário ao movimento. Então, tente promover debates e testes para explorar essa questão. Enfatize que não há alteração da potência do motor ao adicionarmos

o peso. A velocidade diminui, mas o torque exercido pelo motor aumenta.

Outro ponto bastante importante a observar é que quanto mais se eleva o objeto, mais aumenta a velocidade angular do braço. Esse efeito é bastante visível quando o braço varre um arco grande, especialmente se consegue atingir as posições vertical e horizontal. Ao observar esse efeito, podemos concluir que o motor sofre uma menor resistência quando o braço está na vertical e o peso está alinhado com o bra-

brinquedos científicos inteligentes

16

ço. Talvez seja interessante pedir que os estudantes desenhem a configuração do braço do brinquedo quando o peso aplica mais torque e quando aplica menos torque sobre o motor, apontando o sentido e a direção da força-peso, bem como do sentido de giro.

Com esses efeitos, cria-se uma situação oportuna para discutir a relação entre potência (do motor), velocidade angular e torque. Obviamente, o tor-

que está ligado ao braço de alavanca e ao peso.

Para explorar mais sobre torque, especialmente com o modelo 3, peça que coloquem o peso em diferentes posições do braço do guindaste. Assim, será possível comparar em que posição o peso provoca mais torque, pois será visível a redução da velocidade angular do braço.

O que pode dar errado?

Peso excessivo poderá danificar os componentes do brinquedo, especialmente as peças componentes do braço.

Para perceber mais nitidamente os efeitos da mudança do torque ao er-

guer uma carga, use um eixo móvel ou eixo conector para permitir que à medida que o braço se move, o objeto sempre fique na vertical.

O que acontece?

O torque é caracterizado como a propriedade que pode modificar o estado de movimento giratório, ou seja, pode aumentar ou diminuir a velocidade angular, mas também pode apenas manter a velocidade angular de algum objeto ao compensar forças dissipativas, como o atrito. No brinquedo, como há dissipações, é preciso que um torque seja aplicado constantemente pelos motores para que haja movimento. Contudo, se não houvesse dissipações nos eixos e nos contatos entre engrenagens, bastaria um torque inicial e instantâneo para fornecer o movimento angular.

Para aplicar um torque sobre algo, há duas variáveis envolvidas: a força aplicada e a distância em relação ao eixo. Quanto maior a força ou maior essa distância, maior será o torque e, consequentemente, a variação da velocidade angular. Pudemos verificar a relação entre essas variáveis ao colocarmos uma carga no braço do brinquedo.

Quanto mais distante do eixo a carga era colocada, maior o torque. Obviamente, isso também ocorre ao colocarmos um objeto de maior peso.

Não podemos esquecer que a aplicação de força não necessariamente aplicará torque. Há uma outra variável em jogo, o ângulo entre a direção da força e o raio da circunferência descrita pelo ponto sujeito à força. Quando a força for aplicada na direção do raio, ou seja, apontada para o eixo ou em sentido contrário ao mesmo, não haverá torque. É preciso que a força apresente um ângulo maior que zero, pois assim, uma parte da força provocará o giro.

A força aplicada será totalmente útil para acelerar o movimento de giro se a sua direção for perpendicular ao raio.

Nesta configuração, podemos dizer que a força é aplicada tangencialmente à curva ou paralela ao deslocamento do ponto onde é aplicada.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

17

Ao erguermos o braço do brinquedo (especialmente no modelo nº 3), vemos a importância do ângulo no torque. À medida que o braço se ergue, a força-peso do objeto varia seu ângulo em relação a ele, desde que o “gancho” te-

nha liberdade de movimento. Quando na horizontal, o torque exercido pela carga é máximo (note como o motor mal consegue erguer o braço), mas na vertical quase não há torque (o motor gira facilmente).

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

1

Para que servem as engrenagens e as polias?

Considerando que há cerca de 6000 anos, a roda foi um dos primeiros objetos moldados por mãos humanas, não nos surpreende pensar que há aproximadamente 2 mil anos alguns gregos possam ter elaborado as primeiras engrenagens e polias. Hero de Alexandria é citado como potencial criador das engrenagens e as teria usado em um protótipo de moinho.

As engrenagens têm como finalidade a transferência de movimento para eixos diferentes; do motor para as rodas, por exemplo. A transferência de movimento se dá com o uso de engrenagens que se encaixam umas nas outras ou podem ser usadas à distância com o auxílio de uma corrente.

Na atualidade, as aplicações das engrenagens são inúmeras, praticamente

qualquer aparato que tenha motor tem também engrenagens. No século passado, encontravam-se vários engenhos no território brasileiro, em que bois giravam engrenagens (moendas) para espremer a cana-de-açúcar. Já as polias, eram muito comuns em barcos à vela, e essa aplicação – como ferramenta náutica – já é utilizada há mais de 400 anos.

Sempre que falarmos de sistemas de engrenagens com diâmetros diferentes, haverá entre elas uma troca de velocidade angular por torque. De qualquer modo, cabe aos projetistas avaliarem quais os diâmetros e a quantidade necessária de engrenagens a serem utilizadas para melhorar a eficiência do sistema mecânico.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

18

2

Como funciona a transferência de movimento nas engrenagens?

Tudo começa com um torque inicial, seja por um motor ou por alavancas.

Esse torque de entrada promove o giro do eixo principal, que fará com que a primeira engrenagem gire e aumente sua velocidade angular gradativamente. Imediatamente, a próxima engrenagem, que está vinculada à primeira, irá sentir uma tração em seus “dentes” e também girará, acompanhando a taxa de dentes que passam pelo ponto de contato.

Para esse torque inicial promover o giro, ele precisa superar as resistências ao movimento do sistema mecânico inteiro. A necessidade de um torque constante é para evitar que o sistema pare por resistências internas e externas, como: o atrito entre os mancais e os eixos, o atrito entre as engrenagens, a resistência do ar etc.

Quando há uma compensação entre o torque do eixo do motor e o torque das resistências, as frequências de quaisquer eixos do sistema permanecerão constantes, mas isso não quer dizer que as frequências de cada eixo sejam iguais entre si e provavelmente não são! Entre engrenagens em contato, a única coisa que sempre teremos de igualdade é a quantidade de dentes que devem passar pelo ponto de encontro por unidade de tempo. Em outras palavras, o movimento é transmitido “dente a dente”!

Se tivermos engrenagens de tamanhos diferentes, elas também terão quantidades de dentes diferentes.

Consequentemente, a menor sempre girará com uma frequência maior, pois completará mais voltas do que a grande. Para exemplificar, considere duas

engrenagens com contato direto entre seus dentes, uma delas tem 20 dentes e a outra 40. Quando a pequena der duas voltas, a grande dará somente uma volta.

A frequência de giro de motores é representada através da unidade rpm (rotações por minuto), que é a frequência com que o eixo principal do motor gira.

Por exemplo, os carros populares podem atingir 6000 rpm, o que equivale a dizer 100 rotações por segundo (Hz).

Lembra da maravilhosa broca odontológica?! O motor dela atinge “apenas” 450.000 rpm (7.500 Hz). Mas será que isso é bom?! Se a broca desse motor exercesse muita força sobre o esmalte do dente, isso seria bom ou ruim?

Se a força exercida pela broca sobre o esmalte fosse muito grande, a dor seria imensa e, a cada volta da broca, pedaços grandes de esmalte voariam pelo consultório. Desse modo, prefere-se que a broca gire uma quantidade imensa de vezes e que a cada volta ela retire pouco esmalte, já que exerce pouca força nas paredes do dente. Não se esqueça de que a força que a broca exerce nas paredes do dente é proporcional ao torque no eixo da broca (sempre que o torque é aumentado em 1 unidade, a força será aumentada em “x” unidades). É importante pensarmos que quando temos um par de engrenagens e uma delas gira mais rápido que a outra, o torque no eixo da engrenagem mais rápida é menor do que na da mais lenta.

Assim, a transferência de movimento se dá na sucessiva troca de troque por velocidade angular entre as engrenagens.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

19

3

O que é luz?

A luz solar chega até a Terra depois de atravessar 150 milhões de quilômetros no vácuo e demorar 8 minutos para percorrer essa distância; para se ter ideia, um jato supersônico demoraria 4 anos para percorrer essa distância, que equivale a 3750 voltas em torno da Terra.

Costuma-se dizer que luz é toda radiação visível. As cores fazem parte desse grupo, do visível, enquanto a radiação ultravioleta e a infravermelha não.

Os cientistas utilizam dois termos para caracterizar o que é radiação, pois ora a radiação se mostra como uma onda, ora como corpúsculo. Por exemplo, quando a radiação ultravioleta interage com os átomos do DNA de nossa pele ou com as células solares, ela se comporta como se fosse composta por pacotes de energia (fótons).

Também se pode dizer que a radiação é uma onda eletromagnética. Para a produção de ondas de rádio ou para entender a interação entre a antena de televisão e a onda enviada pela emissora, deve-se pensar a radiação como uma onda originada por campos magnéticos e elétricos variáveis.

No caso de pensarmos em fótons, a cor verde tem um fóton diferente do fóton da cor vermelha e é a energia de cada um deles que irá diferenciá-los.

Como onda, a diferença está em outra propriedade, por exemplo, a cor verde tem frequência de onda diferente da cor vermelha.

Através da parte superior da ilustração, é possível observar uma relação entre a frequência e a cor do fóton. Para cada fóton associa-se uma frequência diferente, que determina a energia do fóton. Fótons do ultravioleta cuja frequência mínima é 790x1012 Hertz, possuem pelo menos 3,3 elétron-volts (eV) de energia. Os fótons da cor amarela (com frequência na faixa de 508x1012 e 526x1012 Hz) possuem entre 2,1 eV e 2,2 eV de energia. Os fótons do infravermelho próximo têm frequência perto de 250x1012 Hz e energia aproximada de 1 eV. Na parte inferior da ilustração, mostra-se o efeito da temperatura do material na radiação emitida com mais intensidade. Comparando as duas ilustrações, à medida que a temperatura aumenta, o fóton emitido com mais intensidade é mais energético e tem maior frequência, ou seja, a temperatura de uma estrela azulada é maior do que a temperatura do Sol, pois o Sol emite com mais intensidade a luz amarela e a outra estrela emite com mais intensidade a luz azul.

mentes brilhantes

4

brinquedos científicos inteligentes Interação entre radiação e matéria

Existem dois tipos de radiação, ionizantes e não-ionizantes. São exemplos destas últimas a luz visível, as ondas de

rádio e a radiação infravermelha. Mas o que caracteriza uma radiação ionizante? É um tipo de radiação que pode pro-

20

vocar o rompimento da ligação química de moléculas ou átomos ao interagir com a matéria. Para provocar esse efeito, é preciso fornecer uma quantidade mínima de energia, o que limita qual radiação é ou não ionizante, já que cada fóton (e a radiação característica) é caracterizado por sua energia.

Da interação entre matéria e radiação ionizante, podem ocorrer três fenômenos diferentes: Efeito Compton, Efeito Fotoelétrico e Formação de pares. O primeiro ocorre quando o fóton interage com um elétron dos últimos níveis de energia de um átomo, em que o fóton cede parte de sua energia para o elétron, cujo valor seja suficiente para ejetar-se do átomo. Como consequência, temos um elétron ejetado e um novo fóton, outro tipo de radiação com menos energia. O Efeito Fotoelétrico ocorre na absorção total da energia do fóton por um elétron do menor nível de energia (nível K, o “mais próximo”).

Os raios gama são responsáveis pelo terceiro fenômeno: a Formação de pares. Neste caso, temos um dos mais interessantes fenômenos envolvendo a relação entre massa e energia. O fóton de um raio gama, ao “colidir” com um núcleo atômico, tem sua energia totalmente transformada em duas partículas: elétron e pósitron (matéria e sua antimatéria) Para esse efeito ocorrer, é preciso que o fóton possua energia mínima de 1,022 MeV (por isso ocorre com raios gama), que corresponde exatamente à soma das energias de repouso do pósitron e do elétron (0,511 MeV).

O pósitron e o elétron criados vão interagir com os demais átomos como uma radiação ionizante (radiação beta, neste caso), afetando as ligações eletrônicas. O pósitron, em especial, será aniquilado com outro elétron e liberará outra radiação gama, capaz de interagir com os átomos através dos efeitos

Compton e Fotoelétrico.

Além da formação de pares, existe outro tipo de ocorrência (pouco frequente) que somente raios gama, que tenham fótons com energia acima de 6,00 MeV, causam: a fotodesintegração, que provoca tanta instabilidade nos níveis de energia nuclear, que pode fazer o núcleo ejetar prótons ou nêutrons. Assim, o átomo que antes era estável torna-se radioativo: pode emitir partículas alfa (2 prótons e 2 nêutrons), beta (elétron ou pósitron) e raios gama (fóton de alta energia).

A forma de estruturação natural da matéria orgânica determina a energia mínima necessária para romper as ligações entre átomos. Desta forma, somente algumas radiações são chamadas ionizantes, que é o caso da ultravioleta e do Raio-X. Assim, não é qualquer radiação que será capaz de romper ligações químicas de moléculas ou átomos.

O rompimento de ligações químicas pode gerar radicais livres, que são átomos ou moléculas ionizadas, que interagem com outros átomos e podem romper ligações químicas, como as do DNA. Uma vez alterada certa estrutura de uma cadeia de DNA, pode-se gerar uma cadeia de DNAs filhos “mutantes”, que podem provocar câncer. Essa alteração das ligações químicas do DNA podem surgir de uma interação direta entre os átomos com a radiação ou por meio dos radicais livres.

Contudo, vale ressaltar que o fato de estarmos expostos à radiação ultravioleta, não significa que desenvolveremos um câncer obrigatoriamente.

Devemos ter em mente que o corpo humano possui maneiras de identificar e destruir células “estranhas”, mas há limitações. Se estivermos submetidos frequentemente a uma alta intensidade de radiação ionizante, o corpo pode não dar conta de se “curar” a tempo.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

21

5

Os botões do controle são capacitores?

Ao observarmos os circuitos de dispositivos eletrônicos, é raro não encontrarmos os componentes chamados de capacitores. Eles são usados como um depósito de cargas elétricas, ou seja, são componentes do circuito que armazenam cargas elétricas e, consequentemente, energia elétrica. Mas do que são formados? E por que os botões do controle remoto são considerados “capacitivos”?

Capacitores são basicamente compostos por dois materiais condutores (possuem cargas livres para se moverem) separados por um isolante, porém bem próximos. Qual é o papel de um isolante? O material isolante usado tem propriedades de material dielétrico, algo que faz oposição ao campo elétrico aplicado sobre ele e, com isso, impede o movimento de cargas elétricas por si. Contudo, existe um certo limite: dependendo do material em questão, há uma intensidade mínima de tensão elétrica para que a corrente elétrica rompa e atravesse o material isolante e, quanto mais isolante, maior tem que ser a intensidade dessa tensão elétrica. Da mesma forma, quanto maior a tensão elétrica, maior deverá ser a espessura do material para evitar o deslocamento de carga. E como o isolante interfere no armazenamento de cargas?

Se quisermos que os capacitores armazenem cargas, precisamos fornecê-las inicialmente. Para isso, aplicamos

uma tensão elétrica nos terminais do capacitor. As chamadas “armaduras” ficarão carregadas com cargas elétricas opostas, ou seja, uma fica com excesso e outro com falta de elétrons.

A interação entre as cargas das armaduras gera um campo elétrico intenso na região que atrai mutuamente essas cargas, mantendo-as no capacitor após a extinção da tensão elétrica externa.

A quantidade de cargas que ficará armazenada dependerá, então, da tensão elétrica aplicada e de características físicas como: a área das armaduras, a constante dielétrica do material isolante e a distância de separação das cargas. Essas propriedades determinam a capacitância do conjunto. E como isso se aplica ao botão do controle remoto?

O controle tem botões formados cada um por uma trama de material condutor. Essa trama é submetida a uma tensão elétrica variável (pulsos), que provoca o aparecimento de cargas que, por sua vez, produzem campo elétrico nas imediações do botão. Quando o nosso dedo é colocado sobre o plástico acima da trama, as cargas elétricas “livres” de nosso dedo interagem com o campo elétrico existente, criando um capacitor. Nessa interação, altera-se a quantidade de cargas existentes na região da trama e, então, muda-se a capacitância. O circuito interno do controle consegue perceber essa variação e acusa que o botão foi acionado.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

22

6

O que é e como funciona um LED?

Sabemos que o LED é um dispositivo que emite luz, inclusive o termo LED (Light Emitting Diode) significa “diodo emissor de luz”. Diodo é um componente eletrônico que permite que a corrente elétrica flua somente em um sentido, mas essa informação não esclarece como ocorre a emissão de luz.

Os materiais essenciais do LED são os “semicondutores”. Esse tipo de material possui poucos elétrons (ou quase nenhum) no seu nível de condução, isto é, trata-se de um material que possui pouquíssimos elétrons livres para conduzir energia elétrica, apesar de conseguir fazê-lo. Os elétrons no nível de condução estão menos presos ao núcleo atômico do que os do nível de valência e estes níveis estão relacionados à energia potencial elétrica. Comparativamente, o nível de valência é menos energético que o nível de condução. O nível de valência é equivalente à “última” camada de elétrons do modelo atômico de Rutherford-Bohr.

Os LEDs são compostos por semicondutores “dopados”, em que átomos

diferentes são colocados na estrutura cristalina do semicondutor. A junção desses materiais cria uma barreira que permite que os elétrons se movam somente em um sentido. A diferença de energia entre os níveis de condução e de valência do LED do controle remoto é de cerca de 1 eV, que é próximo do valor da energia dos fótons da radiação infravermelha próxima (1 eV é a energia de uma carga igual à do elétron em uma tensão de 1 Volt). Sendo assim, um elétron no nível de condução irá cair para o nível de valência ao emitir um fóton de luz visível. Durante a criação desses semicondutores, é possível controlar o valor da diferença de energia entre tais níveis.

Em um LED, usa-se uma tensão elétrica (medida em volts) para que os elétrons do nível de valência sejam jogados para o nível de condução. Assim, esse mesmo elétron se desloca para o átomo vizinho e cai para o nível de valência, emitindo o fóton de valor de energia correspondente.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes

23

Cientificamente Terminologia principal

Frequência:

no nosso caso, é a quantidade de voltas que um eixo, ou uma roda, completa por segundo. De modo mais geral, pode ser definida como a quantidade de vezes que um sistema cíclico se repete por unidade de tempo.

Velocidade

angular:

É a quantidade de ângulo que um ponto de uma roda varre por segundo; também é conhecida por velocidade de rotação ou frequência angular. Por exemplo, se a roda gira 3 vezes em 1 segundo (frequência de 3 Hertz), a velocidade angular é de 1080° por segundo ou 6π radianos por segundo (rad/s).

Torque:

é o que pode mudar, ao longo do tempo, a quantidade de movimento angular de algum objeto. Para tal, é necessário aplicar uma força em um ponto de um corpo, e quanto mais distante esse ponto estiver do eixo de giro, maior o torque. Portanto, torque depende de força e da distância – em relação ao eixo – em que a força está sendo aplicada; por isso, o uso de alavanca é importante.

Quando há força resultante atuando no corpo, e se o corpo não sofrer variação de massa, ocorrerá apenas variação de velocidade ao longo do tempo, mudança esta que pode ser de intensidade e / ou de direção.

Quantidade de movimento: é a propriedade de um corpo que

está em movimento. Ela se conserva a menos que uma força atue sobre o corpo. Depende da massa do corpo e da velocidade.

Quantidade de movimento angular: é a propriedade de um

corpo que está girando. Ela se conserva a menos que um torque atue sobre ele.

Essa propriedade depende diretamente da distribuição de massa do corpo em torno do eixo de giro (momento de inércia) e da velocidade angular.

Momento de inércia: é a resistência que um corpo opõe a ser girado ou permanecer girando. Depende da distribuição de massa do corpo em torno do eixo de giro.

mentes brilhantes

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 um módulo (intensidade), uma direção e sentido.

Quando está no mesmo sentido da velocidade, o sistema está sendo acelerado. Em caso contrário, o sistema está sendo desacelerado. A taxa dessa mudança de velocidade é determinada pela intensidade da força.

Elétron:

partícula elementar, constituinte do átomo, que possui carga negativa e é responsável pela corrente elétrica em materiais sólidos.

brinquedos científicos inteligentes

Átomos: menor unidade organizada de matéria. As ligações entre si formam moléculas. São constituídos por prótons, nêutrons e elétrons. A quantidade de prótons e elétrons define a maneira com que cada átomo interage com o 24

resto do universo. Por exemplo, o átomo de Oxigênio é composto por 8 prótons e 8 elétrons e a distribuição destes, nos níveis eletrônicos, determina o tipos de ligação com outros átomos e a distribuição geométrica das moléculas.

Energia potencial elétrica: está relacionada à interação de

cargas elétricas. Depende do valor das cargas e da distância entre elas.

Tensão elétrica: é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos do campo elétrico relativo a uma carga.

Campo elétrico:

região do espaço que pode ser considerada uma “esfera de influência”. É possível visualizar esta região através das linhas de campo. Cargas elétricas produzem um campo ao seu redor, cuja intensidade e direção varia a cada ponto do espaço.

Capacitância:

propriedade que determina a quantidade de carga que se pode armazenar sob uma dada tensão elétrica.

Condutividade

elétrica:

propriedade que depende da quantidade de cargas que estão livres para se movimentar no material.

são aqueles que podem se mover pela estrutura do material e conduzir corrente elétrica.

Nível de valência: nível princi-

pal e “mais energético” do átomo (mas ainda abaixo do de condução), também conhecido como a última “camada’ do átomo no modelo Rutheford-Bohr.

Radiação:

propagação de energia por meio de partículas ou ondas. Existe radiação ionizante (raios X e gama, por exemplo) e não-ionizante (luz e infravermelho, por exemplo).

Fóton:

partícula sem massa, mas que possui quantidade de movimento, também conhecida por ser um “pacote de energia” da radiação.

Intensidade

luminosa:

quantidade de fótons de luz que atingem uma superfície por unidade de tempo.

Radiação solar: toda a gama de radiação emitida pelo Sol. De cada 1 kW (mil Watts) desta radiação que atinge a superfície terrestre (por metro quadrado), 527 W correspondem ao infravermelho, 445 W é luz visível e 32 W é ultravioleta.

mentes brilhantes

Semicondutor: material em que

grande parte dos elétrons mais energéticos compõe o nível de valência dos átomos que o constituem e poucos estão no nível de condução.

Reflexão: fenômeno em que a ra-

diação é refletida com o mesmo ângulo com que ela incidiu sobre uma superfície.

brinquedos científicos inteligentes

Nível de energia: termo usado na mecânica quântica e que representa o estado de um elemento quântico (como os elétrons), cuja energia é bem definida.

Nível de condução:

25

em um átomo, elétrons no nível de condução

Transmissão: fenômeno em que a

radiação consegue atravessar um meio ou corpo, ou seja, o corpo consegue transmitir energia em forma de luz.

Absorção: fenômeno em que a radiação é absorvida ao atravessar um meio ou corpo. A absorção é decorrente das interações dos fótons com a matéria.

mentes brilhantes brinquedos cientĂ­ficos inteligentes

mentes brilhantes brinquedos cientĂ­ficos inteligentes