Veiculos Eletricos - 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

3 Ativamente

Propostas de atividades de exploração

Inquietamente Textos de apoio pedagógico

20 Cientificamente

Terminologia principal

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Para ter em mente Este é mais um brinquedo que envolve a temática de transformação de energia. É muito interessante verificar no brinquedo a existência de um mecanismo para armazenamento de energia elétrica. Assim, pode-se transformá-la em energia mecânica e utilizá-la no momento que for oportuno. Lembramos que os modelos têm funcionamento semelhante ao de carros elétricos e têm a vantagem de mostrar uma etapa que fica “escondida”, a geração da energia elétrica. Principais termos a serem usados: • • • •

Energia elétrica Energia cinética Trabalho Potência

• Frequência angular • Velocidade • Intensidade luminosa

Primeiramente Veículos elétricos ainda não são parte do cotidiano da sociedade contemporânea, exceto aqueles de brinquedo. Porém, existem uma infinidade de aparelhos eletrônicos e eletrodomésticos com motores, e tais aparelhos serão nosso ponto de partida para conversar sobre veículos elétricos. Hoje temos um novo brinquedo, que usa energia elétrica para funcionar. Vocês conhecem algum exemplo de objeto que usa energia elétrica?

O que é energia elétrica?

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Ah! Muito bem, já ia esquecendo...

Energia elétrica faz vídeo-games e computadores funcionem. Ela se mostra através das cargas elétricas, que são pequeninos corpos. Xi! Acabei falando...

Mas o meu carrinho usa pilha, não é essa energia elétrica. É sim! Porque a pilha armazena energia elétrica.

Mas como?

Há dois tipos de carga, positiva e negativa, que se distribuem nos polos da pilha. Elas querem se juntar, mas não podem, pois não há caminho.

O caminho aparece quando se fecha o circuito elétrico. A quantidade de cargas e a intensidade da atração refletem na energia elétrica armazenada.

Me perdi no meio do caminho. Não é difícil, e ficará mais fácil de entender à medida que brincarmos. Alguém tem mais algum exemplo de objeto que usa energia elétrica?

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Tem o forno de microondas e a geladeira.

Eu até levei choque da geladeira ontem.

Melhor tomar cuidado ao lidar com equipamentos elétricos e pedir para algum adulto te orientar. Mais algum exemplo? Hum... o liquidificador?

Isso. Esses três exemplos estão corretos, especialmente esse último.

Cortar!

O que a energia elétrica permite o liquidificador fazer?

Girar! Isso! Para girar e cortar é preciso de que componente básico? Um eixo!

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Tá certo, mas há outra coisa que é mais importante, que provoca o movimento.

Um motor? Exato, e nesse caso é um motor elétrico!

O carrinho também tem. Verdade. Mas os carros que trafegam pelas ruas usam energia elétrica ou outro “combustível”? Tem gasolina, álcool, diesel e gás.

E por que será que não tem o elétrico? Sei lá. Como que vai ficar na tomada? Boa pergunta. Mas vocês conhecem os trens e metrôs elétricos?

Ah! Tem o trilho ou aqueles cabos em cima que “passam” a energia.

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O problema deles é que não têm a mobilidade do automóvel. Para discutirmos o uso dos carros elétricos, vamos usar este brinquedo.

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

1. Gira, gira, e não sai do lugar? Objetivo: Verificar que quanto mais voltas na manivela maior a energia elétrica armazenada pela pilha.

Vocabulário:

• Energia elétrica • Número de voltas • Pilha recarregável

Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Electric Vehicle.

O que fazer? O efeito que se deseja observar é que quanto maior o número de voltas da manivela, maior será a energia elétrica armazenada pela pilha e, depois, transferida para os LEDs ou para o motor. Será possível, assim, relacionar a quantidade de voltas com a intensidade de luz e com a velocidade de rotação do eixo do motor. Primeiro, verifique se as pilhas já estão carregadas, sempre teste o brinquedo ao iniciar para verificar qual é a condição inicial. Peça, então, que os estudantes movam a alavanca do dínamo 20 vezes, segurem o carrinho na mão e modifiquem a posição do botão liga-desliga. As rodas giraram? Os LEDs acederam? Agora gire a manivela 30 vezes e verifique o giro das rodas e eixos do carrinho. Após descarregar a bateria, repita o número de voltas da manivela e veri-

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fique o funcionamento dos LEDs. Faça o procedimento uma terceira vez, coloque o carrinho para funcionar na palma de sua mão e leve-o ao chão para que ele possa passear. Refaça o processo girando 120 vezes a manivela. Compare a velocidade das rodas e a intensidade de luz emitida pelos LEDs.

É importante salientar que os LEDs levarão aproximadamente 30 minutos para descarregar, quando tiver sido girado a manivela 120 vezes. Você pode pedir para que os estudantes verifiquem a diferença de luminosidade e descarregue a energia armazenada, passando a chave para a posição que movimente o carrinho.

A atividade é extremamente simples, e pode abrir caminho para discutir a dependência com a frequência com que esse movimento é feito. Pois note que alguns estudantes possam querer fazer isso rapidamente e outros não; desse modo, então, fornecerão potências elétricas diferentes ao circuito. Ressalte o efeito e siga para a próxima atividade, pensada para discutir este efeito.

O que pode dar errado? Não descarregar a pilha antes de realizar a atividade. O estudante não perceber que a chave não está na posição para que seja feito o carregamento, e assim não conseguir fazer o carrinho funcionar.

O carrinho se deslocar em um chão que lhe proporcione muita resistência (tapetes por exemplo) fará com que ele desenvolva uma baixa velocidade; ou, até mesmo, no caso de 30 giros na manivela, não se movimentar.

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O que acontece?

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O gerador / dínamo acionado pela manivela tem como princípio de funcionamento girar um conjunto de bobinas (eletroímãs, para ser mais correto) imerso em um campo magnético. Esse movimento das bobinas em um campo magnético induz uma diferença de potencial elétrico nos terminais do condutor que produz a corrente elétrica, carregando a pilha.

Aumentar a quantidade de voltas implica em estender o tempo em que a corrente passa no circuito. Nesse caso não se muda a potência, mas sim o tempo de fornecimento de energia elétrica para a pilha; lembre que potência elétrica é a quantidade energia elétrica por unidade de tempo. Portanto, a energia elétrica total armazenada na pilha será maior com o aumento de voltas.

2. Rapidez ou paciência? Objetivo: Comparar, para um mesmo número de voltas, se há diferença na energia elétrica armazenada ao girar a manivela com velocidades diferentes.

Vocabulário: • • • •

Frequência Potência elétrica Trabalho Fluxo Magnético

Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Electric Vehicle.

O que fazer? Complementando a atividade anterior, converse sobre o fato de que quanto maior a quantidade de voltas mais energia elétrica será armazenada. Relembre que o giro é que consegue gerar a energia elétrica, mas se pode testar se a “velocidade de giro” pode mudar algo para a geração. Peça para que carreguem a pilha usando diferentes frequência de giro da manivela, que é a taxa de voltas completas por unidade de tempo. Utilize 120 voltas de giro na manivela, indicando que testem sob frequências extremas (bem devagar e rápido), a fim de perceber com mais facilidade o efeito.

Gire 120 vezes com menos de uma volta por segundo e, depois, cerca de 2 voltas por segundo.

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O que pode dar errado? O estudante pode não perceber que a chave não está na posição para que

seja feito o carregamento, e assim não conseguir fazer o carrinho funcionar.

O que acontece? A frequência do rotor aumentar implica em os eletroímãs girarem mais rapidamente no campo magnético em que estão imersos. Para aparecer uma diferença de potencial é preciso variar o fluxo de campo magnético no interior de uma bobina, isto é, podemos mudar ao longo do tempo a área das espiras ou o ângulo destas em relação ao campo magnético. A frequência maior do rotor (e das bobinas) acarreta em uma variação maior do fluxo do campo e, consequentemente, uma d.d.p. mais intensa; no circuito, isso significa corrente

elétrica maior. Desse modo, a influência da frequência se mostra na tensão que aparece nos terminais, o que também significa que a energia elétrica resultante no circuito varia de acordo com a frequência do rotor do gerador. Assim, ao girarmos a manivela, aumentamos a taxa de variação do fluxo magnético ao longo do tempo, o que nos dará uma diferença de potencial maior. Assim, quanto mais rápido for o giro da manivela, poderemos gerar mais energia elétrica.

3. Uma desvantagem dos carros elétricos. Objetivo: Caracterizar, através de disputas, o principal problema da tecnologia de carro elétrico: a bateria (pilha) recarregável.

Vocabulário: • • • •

Energia elétrica Consumo Tempo de recarga Eficiência

Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Electric Vehicle.

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O que fazer?

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Os carros elétricos do brinquedo possuem pilhas que mantêm o funcionamento deles sem que estejam conectados à fonte elétrica; mas, para isso, precisam ser recarregadas antes do uso. Porém, o modo como os estudantes acionam o dínamo / gerador influencia diretamente na brincadeira, pois assim que se fornece energia elétrica para o

brinquedo. Vale lembrar que os modelos variam em massa e potência, modificando a autonomia da pilha. A atividade pode ser dividida em etapas, mas todas elas buscam o mesmo propósito: testar as limitações e exigências de um carro elétrico. Deseja-se que seja notável as variáveis (tempo e potência elétrica fornecida) do carre-

gamento da pilha e a eficiência dos modelos. Sendo que a eficiência pode ser vista diante da distância percorrida, da aceleração (e da velocidade máxima) e do tempo de descarregamento da pilha. Uma maneira interessante de abordar o tema é propor uma série de competições. Para tanto, vale a pena deixar os estudantes autônomos para escolherem o modelo a ser construído, já que assim aumentará a variedade de modelos, por exemplo, em termos de potência demandada ou massa inercial. Propõe-se as seguintes metas: maior distância de deslocamento; maior aceleração; maior distância com velocidade constante; e maior tempo de funcionamento. É importante identificar as variáveis envolvidas para “vencer” cada uma das disputas. Fazer com que estudantes percebam a duração de funcionamento é bastan-

te importante, pois reflete na autonomia do “veículo”; deixe-os livres sobre a forma de carregar a pilha, mas não esqueça de controlar o tempo da atividade. Vale a pena, por meio de perguntas, comparar o veículo a combustão com o elétrico, por exemplo: • Se um carro comum estiver perto de esvaziar o tanque, basta ir a um posto de combustível e o problema está resolvido, em poucos minutos o carro “retoma” a autonomia. E o seu carrinho elétrico é instantâneo desse jeito? • Combustível é um material proveniente da natureza. Mas a energia elétrica do carrinho elétrico provém de onde? E a energia elétrica em sua casa? • Quais são os resíduos de um motor à combustão e de um motor elétrico?

O que pode dar errado? Será difícil comparar e apontar os “vencedores” se todos usarem modelos semelhantes e armazenarem uma mesma quantidade de energia. Usar baterias pré-carregadas. Isso irá

interferir na brincadeira, mas não necessariamente será ruim, pelo contrário. Problemas na parte mecânica do brinquedo; verifique eixos e engrenagens.

O que acontece?

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Toda a brincadeira com esses modelos parte do processo de gerar energia elétrica para, então, provocar o movimento do rotor de um gerador. Isso só é possível a partir do rearranjo de moléculas no nosso corpo, até que as células dos tecidos permitem a contração muscular, por exemplo. Se formos a fundo, o processo biológico é bem longo, mas bastante interessante. Assim, ao armazenar energia elétrica em uma pilha, é possível converter

energia elétrica novamente em energia mecânica no momento que for conveniente, ou seja, fazer uso da autonomia, já que não é preciso estar sempre conectado a uma tomada para funcionar. Contudo, deve-se deixar claro, que um grande empecilho para essa tecnologia tem sido o “abastecimento” demorado, que ganha maior ênfase quando se verifica a autonomia dos veículos elétricos atuais, ainda baixa para velocidades medianas.

4. Carregando e descarregando Objetivo: Definir potência ao comparar o tempo de carga e o de descarga da pilha.

Vocabulário:

• • • •

Potência Energia elétrica Energia mecânica Eficiência

Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Electric Vehicle.

O que fazer? Existem dois modos de se alcançar o objetivo, obtendo resultados quantitativos ou qualitativos. Ou seja, cronometrando o tempo gasto no carregamento da pilha e o tempo que o brinquedo permanece em funcionamento ou apenas, sem precisar o tempo, analisar e comparar qual dos dois processos demora mais. Basicamente, a exploração é essa, comparar o tempo de cada etapa, com a finalidade de se discutir sobre potência ou, em outras palavras, a quantidade de energia (mecânica ou elétrica) que é fornecida ao sistema ao longo do tempo. Primeiro, peça que carreguem a pilha da forma que quiserem (intervalo de tempo e frequência da manivela) mas que prestem atenção quanto ao tempo gasto para carregar a pilha – cronometrado ou valores aproximados que forneçam uma noção do intervalo. Depois, a etapa de descarregamento da pilha, é comparar com o tempo de funcionamento do motor (ou, por exemplo, do LED). Lembre que se o tempo de funcionamento é diferente, comparando as

etapas, é porque outra “coisa” deve ter mudado entre girar a manivela e a pilha acionar o motor. É provável que alguém responda que a frequência do motor seja diferente da frequência aplicada na manivela; o que está certo, mas não é somente ela, pois o torque exerce seu papel, conforme atividade seguinte. Lembre que existem aparelhos de som que conseguem emitir com mais intensidade que outro e questione (ou comente) qual é o termo que se atribui a eles: um é mais “alguma coisa” (potente) que outro. Converse sobre o fato que a energia mecânica inicial não fugiu do brinquedo, e que ficou armazenada na pilha em forma de energia elétrica; transformou-se. A partir disso, pode-se concluir que a potência mecânica que foi imprimida pelos estudantes é diferente da potência mecânica do motor, pois houve diferença nos tempos. A partir do entendimento que potência é o quanto de energia que é transformada por unidade de tempo, exemplifique, por exemplo, que se dois veículos subirem um morro em tempos diferentes é porque a potência mecânica foi diferente.

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Diante dos resultados, busque por respostas que comparem a potência “animal” fornecida com a potência mecânica do veículo, já que a mesma quantidade de energia mecânica armazenada é usada pelo motor. Nos casos

em que o tempo de descarregamento foi maior, pergunte se a potência do motor era mais alta ou mais baixa que a aplicada pelo estudante. Repita a pergunta para os casos em que o tempo de descarregamento era menor ou próximo ao de carregamento.

O que pode dar errado? Pode acontecer de o brinquedo não se mover. Suspenda-o no ar para obser-

var o movimento ou recarregue a pilha.

O que acontece? Ao girar a manivela e completar uma volta, o usuário aplica uma força (e um torque no eixo) e desloca-a ao longo do arco de uma circunferência. Consequentemente, transforma-se energia mecânica em elétrica ao girar o rotor do gerador. Porém, para um mesmo número de voltas, quanto maior a frequência de giro do eixo do gerador, maior será a tensão elétrica sobre a pilha e mais cargas ficarão disponíveis. Se quisermos saber o quanto de energia mecânica que cada pessoa aplicará em 10 voltas é preciso de outro conceito, que releva a quantidade de energia por

unidade de tempo, chamado de potência. Aplicar uma potência ao longo do tempo faz com que certa quantidade de energia elétrica seja armazenada na pilha. Já que essa mesma quantidade de energia será utilizada pelo motor ou pelos LEDs, o tempo de duração da “brincadeira” depende unicamente da potência de funcionamento do motor ou dos LEDs. Se a potência do motor for maior que a da pessoa, é sinal que o motor “consumirá” mais rapidamente a energia elétrica do que se levou para armazená-la.

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5. Um carro “mais potente!”

Objetivo: Construir e comparar modelos que exijam potências diferentes para funcionar.

Vocabulário:

• Torque e força • Rotações por minuto (frequência) e velocidade linear • Potência

Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Electric Vehicle.

O que fazer? Como se pode perceber no manual, os modelos se diferenciam basicamente na quantidade de peças utilizadas (que acarreta em massas distintas) e no sistema de engrenagens usado. A potência elétrica do motor poderá mudar de estudante para estudante, pois dependerá da quantidade de energia elétrica armazenada nas pilhas por cada um. Desse modo, vale a pena diferenciar a potência fornecida para carregar a pilha, a potência elétrica exigida pelo motor e a potência mecânica que mantém o funcionamento do brinquedo. Promova o teste de diferentes modelos. Questione sobre a diferença de velocidade que os brinquedos possam ter, e contraponha esse resultado com o fato de que a potência do motor seja a mesma se as pilhas estiverem carregadas igualmente. Lembre que quanto maior a velocidade do modelo (ou frequência de giro das rodas) maior é a potência. Sabemos que a potência será igual independentemente do modelo, então, a velocidade deveria ser a mesma, se não é, algo a mais deve ter mudado.

Valorize a relação entre potência mecânica e a velocidade da mão na manivela, que são diretamente proporcionais (quanto maior a velocidade desenvolvida pela mão, maior será a potência); aponte que quanto maior a frequência da manivela, maior a potência fornecida. Não esqueça que a outra variável que modifica a potência mecânica de um sólido girante é o torque. Ao trocar a ordem das engrenagens dos modelos é possível variar o torque que o motor precisa fazer. Por exemplo, a melhor configuração, para manter o modelo 1 se deslocando pelo chão por mais tempo, é colocar a engrenagem de tamanho médio no eixo dianteiro e a maior engrenagem acoplada ao eixo do motor. Logo, sugere-se que o estudante realize testes modificando a disposição das engrenagens. Para a configuração anterior, carregue o dispositivo girando a manivela em torno de 120 vezes em um tempo aproximado de 60 segundos. Segure o carro na palma da mão e acione o botão que descarregará a pilha. Marque o tempo em que o sistema de engrenagens irá girar. Modifique a engrenagem do motor por outra, a menor que o kit apresentar. Repita o procedimento anterior. Os estudantes constatarão que a segunda configuração permanecerá em funcionamento por mais tempo. Isto quer dizer que a velocidade do veículo será menor. Assim, é possível verificar as demais possibilidades existentes, colocando inclusive a menor engrenagem no eixo dianteiro. Outra modificação importante é diminuir a massa do brinquedo, retirando peças diversas: para-choque, aerofólio e o eixo vertical traseiro com a engrenagem. Assim, é possível efetuar

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a comparação da distância percorrida pelo veículo, estando ele com menos massa. Converse, por exemplo, sobre o fato de que um caminhão “vazio” atinge velocidades maiores que um “carregado”. O motor é o mesmo, e a potência também é em ambos os casos. O aumento de massa diminui a velocidade máxima do veículo – para uma mesma rotação do motor – e aumenta a força de atrito sobre as outras rodas, exigindo um torque maior do motor para que o veículo se mova. Portanto, a potência é

que determina ou limita as condições básicas para o movimento do veículo: a frequência e o torque do eixo do motor. Em um carro elétrico normal, a maneira de se controlar o torque e a frequência de rotação do eixo do motor é através da variação da tensão e da frequência da corrente elétrica (alternada) que passa pelo motor. Infelizmente, só se pode controlar a tensão elétrica no brinquedo, o que muda a intensidade da corrente e, consequentemente, do torque.

O que pode dar errado? As peças retiradas não surtirem um efeito visível. Suspenda os modelos no ar para fazer a comparação. Depois que ficar evidente o efeito, coloque-os no

chão. A pilha estar “fraca”. Recarregue sempre com o mesmo número de voltas no mesmo tempo.

O que acontece? Durante o processo de carregamento da pilha, uma força atua sobre a manivela do dínamo e é possível girar a manivela com uma certa frequência. Como existem resistências ao movimento do rotor do dínamo e à “geração” de energia elétrica, é necessária uma força externa constante para que haja movimento. Sabe-se que quanto maior a frequência angular do eixo da manivela, maior será a corrente produzida pelo dínamo e que isso demanda uma força para compensar a resistência e o sistema não parar. Só que o fator determinante para o movimento do eixo é o torque, e este depende tanto da força quanto da alavanca, já que se usa uma manivela e a força é aplicada a certa distância

do eixo. O torque e a frequência da manivela são as duas variáveis que determinam a quantidade de energia elétrica gerada no dínamo por unidade de tempo, que inclusive é proporcional a ambas. Logo, a potência mecânica fornecida é proporcional ao produto entre torque e frequência do eixo. A energia mecânica é transformada em energia elétrica por um gerador, à eficiência de cerca de 95%, e a potência elétrica fornecida a uma pilha é armazenada por ela ao longo do tempo (energia elétrica total). Ao ligar o interruptor, a potência elétrica “consumida” pelo motor dependerá da corrente elétrica do circuito e da diferença de potencial elétrico (tensão) da pilha; a corrente elétrica

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depende da resistência elétrica e da indutância dos eletroímãs do motor. Essa energia elétrica é transformada novamente em energia mecânica, que fornece uma potência mecânica às rodas e eixos do modelo, mostrada através do torque e na frequência dos eixos. Pode-se também perceber a potência mecânica através da velocidade do modelo e da força exercida pelas rodas sobre o chão. Como os modelos fazem uso do mesmo motor e fonte de tensão, a potência é sempre a mesma e isso justifica porque modelos diferentes possuem velocidades diferentes. Claro que não

se pode esquecer do sistema de engrenagens existente em cada modelo, já que ele determina o torque e a frequência do eixo dos pneus, por exemplo. A relação entre potência, torque e frequência é visível na alternância destas duas últimas variáveis ao associarmos engrenagens. Se um veículo demandar mais torque devido a sua carga, ele perderá na velocidade, já que a potência do motor não muda ao adicionar carga. O torque implica na força de interação entre chão e pneu. O pneu (onde há torque) empurra o chão para trás e este empurra o veículo como um todo para a frente.

6. Como que o trabalho aparece na brincadeira? Objetivo: Caracterizar a alavanca como mecanismo de compensar a força e relacionar trabalho mecânico com distância e força.

Vocabulário: • • • •

Força Distância Trabalho Energia

Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Electric Vehicle.

O que fazer?

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Esta atividade se baseia no uso do dínamo, embora possa ser aplicada / adaptada a outra situação e a outros componentes do brinquedo. O que se deseja alcançar é relacionar distância (arco de deslocamento da manivela) e força (aplicada) à energia elétrica que acende os LEDs. Primeiro, coloque o interruptor tal que os LEDs possam acender. Isso é necessário para notar o efeito mais rapi-

damente. Peça para que girem a manivela usando apenas um dedo a ponto de conseguirem acender os LEDs. Depois, tentem fazer isso empurrando na metade da manivela; atente para o brilho do LEDs. É importantíssimo que mantenham a mesma frequência, pois assim a variável tempo não interfere e devem exercer a mesma potência. Questione, por exemplo, se há alguma diferença nas duas situações além

de empurrar a alavanca em local mais perto ou mais longe do eixo (braço de alavanca maior ou menor). Deve-se buscar relação entre força aplicada, distância (arco desenhado / percorrido pelo agente da força), energia elétrica e intensidade luminosa. Tente extrair dos alunos a relação entre a força aplicada e o braço de alavanca. Se ainda houver dificuldades, enumere algumas propriedades físicas e peça que escolham as que são importantes justificando-as. Por fim, detalhe os processos passo a passo, ressaltando que para acender o LED é preciso de movimento da manivela (percorrer uma distância a uma certa velocidade) e para mover a manivela é preciso aplicar certa força, mas que a intensidade desta muda de acordo com a distância em relação ao eixo. Mesmo que se possa falar de vários fenômenos, o principal é relacionar a distância percorrida pelo dedo, com a força aplicada e a energia elétrica “gerada”. Claro que a energia elétrica não está sendo medida com um multímetro, mas verificada sua intensidade de acordo com o brilho emitido pelos LEDs. Se os estudantes giraram a alavanca nas duas configurações demorando o mesmo tempo para uma volta, devem ter percebido que o brilho é o mesmo. Mas, como é relativamente fácil perceber a diferença na força aplicada, questione

sobre o fato de a energia elétrica não ter modificado nos dois casos e, portanto, a diferença na força foi compensada por outra propriedade física (caminho ao longo do qual se aplicou a força). Essa atividade pode muito bem ser conduzida em termos de potência (“produto” entre força e velocidade), mas é bastante válida para inserir um novo conceito, o de trabalho. Pois, sabemos que o trabalho está presente em toda transformação de energia; pode-se transformar energia potencial em energia cinética, ou energia cinética em energia elétrica, por exemplo. Enfatize que a transformação de energia mecânica em elétrica exige o conceito chamado, na física, de trabalho, cujas variáveis são força e distância (caminho percorrido). Relembre que ao empurrar pelo extremo da alavanca é exigido uma força menor, mas o caminho percorrido é maior em comparação a quando se encurta o braço de alavanca. Conclua que para dar uma volta, o trabalho nas duas configurações é o mesmo, logo, a quantidade de energia mecânica transformada é a mesma. Atente também que o trabalho só existe quando há componente da força que tenha a mesma direção do deslocamento. Aplicar força sobre a manivela na direção do eixo não produz torque e nem trabalho.

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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.

O que pode dar errado? Pouca sensibilidade devido a braços de alavanca pouco diferentes.

Girar a alavanca com frequências diferentes, o que acarreta em potências diferentes.

O que acontece? A alavanca é um princípio físico utilizado há milênios, embora pouco reconhecido por grande parte da sociedade moderna. Seu princípio se baseia na relação entre força e distância em relação ao eixo. Para girar a alavanca do dínamo é possível aplicar força em diversos pontos em relação ao eixo, mas a intensidade da força aplicada depende inversamente do braço de alavanca (distância entre o ponto de aplicação e o eixo). Quando a manivela é girada com a mesma frequência, independente se a força é aplicada em pontos diferentes, a intensidade de brilho do LED é a mesma. Isso significa que a potência transmitida é a mesma, apesar de a força ser diferente. Como a energia transformada é a mesma, alguma propriedade física deve ter sido modificada para compensar a mudança na força. O que variou foi a distância percor-

rida pelos dedos (pela componente da força) em cada situação. Quando a foça é exercida próximo ao eixo, o arco deslocado por ela é pequeno em comparação ao arco (caminho) percorrido quando a força é aplicada na ponta da manivela. Então, quanto mais próximo do eixo, maior a força e menor o deslocamento. O agente transformador da energia mecânica em elétrica é a força. Essa força aplicada ao longo de um deslocamento envolve uma quantidade de energia que é chamada de trabalho. Cabe lembrar que potência é quantidade de energia transferida / transformada por intervalo de tempo, ou seja, a potência é o trabalho por unidade de tempo. Estendendo o raciocínio, potência é o produto entre força e deslocamento por intervalo de tempo, ou seja, potência é o produto entre força e velocidade.

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7. Contrariando o motor! Objetivo: Notar que invertendo o sentido da corrente elétrica, inverte-se o sentido de rotação do brinquedo.

Vocabulário:

• Corrente elétrica • Polo positivo e negativo • Sentido da força

Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Electric Vehicle.

O que fazer? Carregue seu sistema girando a manivela. Como nas outras atividades, você pode girar 120 vezes no menor tempo possível (não exagere). Perceba que você possui duas opções de escolha para o funcionamento do sentido do motor, a ser feita na chave de funções. Peça que os estudantes troquem a posição da chave e verifiquem o sentido

inverso do funcionamento do motor. Questione sobre o que possibilita esta mudança de sentido. Que fenômeno acontece quando mudamos a posição da chave?

O que pode dar errado?

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Ter descarregado grande parte da energia armazenada na bateria em um sentido preferencial, e quando modifi-

car a posição da chave, o motor movimentar-se pouco no outro sentido.

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lação ao eixo. Para girar a alavanca do dínamo é possível aplicar força em diversos pontos em relação ao eixo, mas a intensidade da força aplicada depende inversamente do braço de alavanca

(distância entre o ponto de aplicação e o eixo). Quando a manivela é girada com a mesma frequência, independente se a força é aplicada em pontos diferentes, a intensidade de brilho do LED é a mesma. Isso significa que a potência transmitida é a mesma, apesar de a força

ser diferente. Como a energia transformada é a mesma, alguma propriedade física deve ter sido modificada para compensar a mudança na força.

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

Dínamo e o ciclo energético no brinquedo

Dínamo é um gerador elétrico de corrente contínua. No do brinquedo, existem ímãs na carcaça e espiras (eletroímãs) acopladas ao rotor. Quando o movimento da manivela gira o rotor, os

elétrons dos fios das espiras – que estão girando – são defletidos pelo campo magnético de modo a gerar uma tensão nos terminais e, consequentemente, uma corrente elétrica que passa pela pilha.

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Normalmente se usam eletroímãs no lugar de espiras “vazias”, já que se intensificam os efeitos. Devido ao giro, a tensão elétrica gerada é alternada a cada meio-ciclo de uma volta do rotor, mas como o brinquedo funciona com corrente contínua (tensão elétrica sem alternância de polaridade nos terminais) usa-se um dispositivo chamado comutador, que mantém a polaridade dos terminais e mantém o movimento dos elétrons em sentido único. Para termos energia elétrica é preciso fornecer energia mecânica para a manivela. Esta energia mecânica é transferida ao eixo do rotor e aos eletroímãs, nesse instante a energia cinética é transformada em energia elétrica. A pilha armazena essa energia elétrica que depois é transmitida ao motor, fazendo praticamente o caminho inverso do gerador, transformando a energia elétrica em cinética. É pertinente comentar que a energia mecânica inicial – da manivela – provém do movimento dos músculos e demais tecidos do corpo humano. A energia mecânica só aparece com sucessivas quebras e rearranjos de moléculas; lembre do trifosfato de adenosina (ATP). O excesso de energia de cada reação

é liberada em forma de energia cinética dos próprios reagentes que, por sua vez, podem reagir (ou auxiliar) com outras moléculas até que os movimentos dos membros sejam realizados. Átomos e seus componentes sempre buscam o menor nível de energia (menor nível de energia potencial possível), e nestas reações químicas os produtos são mais estáveis (menor energia potencial elétrica) que os reagentes. Não podemos esquecer da síntese de açúcares, outras substâncias e átomos que compõem nossos alimentos. Na base da cadeia alimentar encontramos os seres-vivos do Reino Plantae, composto por algas e vegetais, por exemplo. Esses seres transformam a radiação (energia luminosa), durante a fotossíntese, em energia potencial elétrica que mantém átomos e moléculas unidas: átomos de carbono, oxigênio e hidrogênio de gás carbônico e de água em glicose, por exemplo. Já a formação de átomos advém das estrelas, o que mostra que a fusão nuclear nas estrelas impactam diretamente sobre a vida na terra e nas atividades mais banais, como transformar energia mecânica em elétrica através de uma alavanca e um dínamo.

Carros elétricos

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Embora os carros elétricos não sejam novidade tecnológica, pode-se dizer que atualmente é a tecnologia automotiva cuja pesquisa recebe mais investimento, dentre as alternativas de substituição dos carros à combustão. Desde o século XIX existem patentes de veículos elétricos; na época, baseado em trilhos. Alguns países já apostaram no uso destes veículos, como é o caso

de trens elétricos (até eletromagnéticos - MagLev) para serem veículos de transporte de massa. Ganha-se na rapidez e segurança, no entanto, perde-se em autonomia de deslocamento, já que um carro passeia por todas as estradas e o trem somente nos trilhos. O uso de carros elétricos pela humanidade surgiu entre os séculos XIX e XX. Seus componentes e o funcionamento

básico são os mesmos de qualquer carrinho movido por pilhas: motor elétrico e bateria. Na época já se usava bateria recarregável desenvolvida por Thomas Edison. Por volta de 1930, nos Estados Unidos, a General Motors, Firestone e empresas petrolíferas compraram inúmeras linhas (e empresas) de bondes elétricos, desmantelaram e substituíram-nas por ônibus de combustão interna. Esse movimento marcou o início da substituição dos veículos elétricos por veículos à combustão, dessa forma, massificou-se o uso de carros particulares movidos com motor à combustão. Possivelmente, o que pode ter deixado os carros elétricos para trás seja o mesmo empecilho dos dias atuais: a bateria. Os bondes foram “ressuscitados” em trens e metrôs e os trilhos ainda se mostram eficientes, então o problema ainda está na autonomia, na mobilidade; ou seja, reafirmando, nas características da bateria. Uma bateria atual de íon-lítio pode armazenar e fornecer valores da ordem

de 150 Wh de energia elétrica por kg. O valor por unidade de massa é importante, já que quanto menor for essa densidade de energia elétrica (Wh/kg), mais massa (ou volume) extra o carro precisa para funcionar. Isso é cerca de 80 vezes menor que a densidade de energia, por litro, de gasolina. Ou seja, é preciso uma grande quantidade de baterias para que o carro elétrico possa se aproximar da autonomia dos veículos à combustão interna. Para uma bateria à base de chumbo (25 Wh/kg) é pior ainda a razão, 500 vezes, já que a gasolina tem uma densidade de 12.500 Wh/kg. Existem outros pontos negativos relacionados ao uso das baterias. Dentre eles, o pouco tempo de vida útil, cerca de 3 anos, que é agravado pelo preço elevado para comprar e trocar o conjunto de baterias. Elas encarecem o preço final do veículo, que chega a triplicar seu valor, e diminuem a autonomia dele, cerca da metade em comparação a veículos populares à combustão interna. Aconteceram significativos avanços ao longo dos últimos dez anos, como podemos constatar, o surgimento e a venda de carros elétricos esportivos, tais como: o Tesla Roadster, que vai de 0 a 100 km/h em 3,9 s, atingindo a velocidade final superior a 200 km/h e com autonomia de 320 km. Outros modelos, mais simples, possuem autonomia acima de 1000 km (Daihatsu Mira) quando dirigidos à 30km/h. Por exemplo, no evento “The Zero Race” ( agosto de 2010) ter autonomia de 250km à 80km/h eram valores mínimos para participar da corrida. Mas se o investimento inicial não é agradável, deve-se pensar se o consumo de energia elétrica compensa. A recarga de carros elétricos pode durar até 8 horas, o que restringe a mobilidade dos veículos. Porém, utilizando os dados do Tesla Roadster – vendido desde 2007 por US$ 109.000 – 6831 célu-

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las individuais de Lítio são totalmente recarregadas em 3,5 horas a 240V com 70A; a autonomia é de 394km e o tempo de vida das baterias é de 7 anos (ou 160.000 km). Com esses dados é possível calcular o consumo de energia elétrica por recarga, que é 58,8 kWh. Se considerarmos que o preço por kWh seja de R$ 0,5 o custo da recarga é de 29,4 reais, que em termos da autonomia fica R$ 0,07/km. Fica claro que o custo por deslocamento é menor que os à gasolina (4 vezes menor em relação aos carros populares mais econômicos); só que, por enquanto, pouquíssimos carros são elétricos e a demanda da população não aumenta o custo. O aumento é esperado caso grande parte dos carros sejam elétricos. Ao menos, as ruas serão mais silenciosas devido ao motor elétrico; muitos são os relatos de “estranheza” quando se liga o carro elétrico e não se escuta barulho algum. Outro ponto bastante favorável aos carros elétricos é o fato de não emitir poluentes. Mas o processo de “geração” de energia elétrica não está isento da emissão, além do mais, se a demanda aumentar serão precisas novas usinas; qualquer uma gera impactos ambientais negativos. Contudo, é um veículo mais “limpo” que os de combustão. Não se pode esquecer que Lítio é ex-

traído de reservas (especialmente da Bolívia e do Chile) e que é usado em inúmeros outros produtos com bateria. Estima-se 9,5 milhões de toneladas de Lítio em reservas no mundo, 5,4 milhões na Bolívia e 3 milhões no Chile; o Brasil possui cerca de 180 mil toneladas em reservas. Essa reserva mundial de Lítio é bem pequena se compararmos ao Níquel, existem 144 milhões de toneladas de Níquel em reservas no mundo e todo o valor de Níquel que há no Brasil (7º) é o que há de Lítio no mundo. Motores elétricos normalmente são bastante eficientes ao transformar energia elétrica em mecânica, possuem eficiência próximo de 90%. É claro que não se pode esquecer da existência de muitos processos anteriores ao da energia elétrica para ativar o motor. Então, se considerarmos que há 4 processos anteriores com rendimento de 80%, teremos um rendimento final com cerca de 37%. Este valor é maior que o rendimento de um motor à combustão interna (cerca de 30%). Porém, se considerarmos que desde o refino do petróleo até a gasolina chegar no motor , também existem outras etapas, este número deve cair ainda mais; por motivos de comparação, com as mesmas condições, o rendimento final seria somente de 12% ao se usar um carro à combustão.

mentes brilhantes 3 brinquedos científicos inteligentes Dinamômetro de chassi

Apesar do nome, é um aparelho bem diferente do usado para medir força ou peso de objetos. O dinamômetro de chassi possui forma de plataforma e as rodas do eixo de “tração” de um veículo são colocadas sobre cilindros horizontais. Com o giro induzido nos

cilindros é possível medir o torque e a potência das rodas. Normalmente se usa dínamos como instrumento, pois o torque e a frequência do rotor do dínamo determinam a intensidade da corrente elétrica que aparece no circuito, assim como no brinquedo. Outro prin-

cípio básico de funcionamento de dinamômetros de chassi são as correntes de Foulcault, que aparecem em discos girantes entre eletroímãs. Conforme se nota n o gráfico abaixo, que simula o resultado de testes de carros em dinamômetros, o torque e a potência transmitidas pela roda ao dinamômetro variam de acordo com a frequência da roda. O gráfico possui duas escalas verticais: à esquerda é o Torque, medido em N.m (Newton vezes metro) e representado pela linha verde; à direita é a Potência, medida em kW (quilowatts) e representada pela linha vermelha. Os valores (rpm) na abscissa representam a frequência, tal que 1 rpm = 60Hz. Cabe avisar que o gráfico está ligeiramente distorcido da realidade. Os testes feitos no dinamômetro servem para notar o quanto que os eixos e engrenagens dissipam energia mecânica para aprimorar o veículo. Os valores de torque e potência que são mostrados no manual de um veículo provém de testes diretos no eixo do motor e não são os mesmos valores que a roda transmite para o dinamômetro de chassi. Ou seja, as comparações entre dados experimentais e dos manuas, servem para verificar se mudanças e adaptações estão surtindo o efeito desejado. Normalmente, o gráfico acima representa o torque e a potência quando o veículo está na terceira ou na quarta

marcha; alguns casos específicos usam até mesmo a quinta. Lembre que a mudança de marcha muda a razão entre o torque do eixo do motor com o do eixo das rodas, e é preciso ajustar os dados do programa caso se use marcha diferente. A importância desse gráfico, para o entendimento das atividades deste texto, é relacionar as três variáveis que nele aparecem: frequência, potência e torque. É fácil perceber que a potência depende da frequência, quase que linearmente, já que sofre uma queda justamente quando o torque também cai; analise a frequências elevadas. Na verdade, a potência depende linearmente da frequência e a “perturbação” aparece porque também depende do torque, que varia de acordo com a taxa de rotações. A relação matemática entre potência (P), frequência (f) e torque (T) é:P=2πfτ Para conferir, façamos um cálculo: sabendo que 1 rotação por minuto são 1/60 rotações por segundo (1/60 Hz) e que, segundo o gráfico, a potência a 5000 rpm (83,3 Hz) é cerca de 118 kW, o valor do torque tem que ser cerca de 225 Nm; esse valor confere com o gráfico. Na verdade, o que o software do dinamômetro de chassi faz é o cálculo inverso, com o torque acusado pelo dispositivo (dínamo ou disco) e a frequência, ele calcula e desenha o gráfico da potência.

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O gráfico mostra que o torque é alto a rotações elevadas, mas muitos carros têm o pico de torque a baixas rotações. No endereço eletrônico www.rri. se, é possível encontrar uma infinidade destes gráficos, e por exemplo, pode-se verificar que um Ford Mustang GT tem o pico de 584Nm de torque perto de 4000rpm, enquanto que um Audi TT, 286 Nm a 2800 rpm e, segundo dados da empresa, o Tesla Roadster atinge 370 Nm de 0 a 5400 rpm. Portanto, existe uma diferença grande deste tipo de gráfico para um carro elétrico em relação a um à combustão. Os veículos elétricos atingem o pico de torque quase que simultaneamente ao se pressionar o pedal, mas decresce mais rápido que um carro à combustão à medida que a velocidade se torna elevada; por isso que carros elétricos esportivos normalmente conseguem atingir 100 km/h em intervalos parecidos com os de motor à combustão interna, e seria bem mais rápido se não fosse sua massa excessiva. O gráfico na próxima página mostra o teste do Tesla em um dinamômetro. É importante prestar atenção no fato de que a escala de velocidade está relacionada à de rpm, ou seja, carro com motor elétrico não possui troca de marchas. O torque no gráfico acima era sob uma marcha e em relação a rotações por minuto, mas se fosse em função da velocidade do

veículo existiriam vários valores devido a trocas de marchas. Como se pode perceber no gráfico na próxima página, os valores de máximo torque e potência não correspondem aos fornecidos pela montadora, pois o dinamômetro daqueles dados provavelmente foi engatado diretamente ao motor. Os primeiros pontos da linha do torque não são fiéis à realidade, pois ele não é instantâneo; entre 0 e 6 km/h aumenta de 0 para cerca de 300 Nm. É interessante o fato de que o motor elétrico do Tesla mantém o torque em valores altos até 6000 rpm ou 90 km/h, e isso é uma característica desse tipo de motor. Porém, esse valor cai rapidamente à medida que o carro atinge velocidades acima de 90 km/h. Repare que a 14000 rpm, cerca de 200 km/h, o gráfico para subitamente e isso se deve ao fato que carros elétricos possuem um limitador de velocidade, uma vez que acima de determinadas velocidades o consumo da bateria se torna muito elevado; dados além de 14000 rpm, para o Tesla, não seriam significativos. O torque em carros elétricos é um benefício, tanto que a Audi produziu o carro e-Tron R8 em 2009, que possui 4 motores independentes em cada roda – quando somados – são capazes de produzir “absurdos” 4500 Nm.

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Cientificamente Terminologia principal

Corrente elétrica:

É a quantidade de cargas que atravessa a secção de um material por unidade de tempo.

enrolamento de fios elétricos (espiras), que são utilizadas dentro de motores elétricos.

Carga elétrica:

Eletroímã:

Característica intrínseca de partículas elementares e constituintes da matéria. Átomos e moléculas são eletricamente neutros (mesmo número de cargas positivas e negativas).

Tensão elétrica: É a diferença

de potencial elétrico entre dois pontos do campo elétrico de uma carga.

Energia:

Esse termo sozinho não tem uma definição muito clara e deve ser evitado. Porém, sabe-se que é algo que sempre se conserva e que vive mudando de “sobrenome”.

Energia elétrica: Está relacionada ao movimento de cargas e / ou armazenamento das mesmas. Torque: Depende da força e do pon-

Bobina:

constituído por um núcleo de material ferromagnético e envolto por enrolamentos de fio (geralmente de cobre), utiliza corrente elétrica para gerar campo magnético.

Campo Magnético: região de interação que é gerada por ímãs ou através de cargas elétricas em movimento. Podem ser detectados pela força magnética que exercem sobre determinados materiais. Fluxo Magnético: é a quantidade de campo magnético que atravessa uma determinada área.

Multímetro:

equipamento destinado a medir corrente elétrica, diferenças de potencial elétrico (tensão) e resistência elétricas.

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to de aplicação desta em relação ao eixo de giro. Pode mudar o movimento angular.

Corrente Contínua: é o fluxo cargas em determina área.

Corrente de Foulcault: brinquedos científicos inteligentes Frequência: É a quantidade de revoluções (número de voltas) / oscilações por unidade de tempo.

Potência:

quantidade de energia transformada / transmitida por unidade de tempo.

é a corrente induzida em um material condutor quando este material está em uma região onde há variação do fluxo magnético. São conhecidas por correntes parasitas.

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