Kit de aprendizado de mecânica

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SARA BRISON PIRES DE SOUZA

KIT PARA APRENDIZADO DE MECÂNICA

Niterói

2016

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KIT PARA APRENDIZADO DE MECÂNICA

Trabalho

de

conclusão

de

curso

apresentado ao curso de Bacharelado em

Desenho Industrial, como requisito parcial

para conclusão do curso.

Orientador:

Prof. Dr. João Carlos Lutz Barbosa

Niterói

2016

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KIT PARA APRENDIZADO DE MECÂNICA

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de

Bacharelado em Desenho Industrial, como requisito parcial para

conclusão do curso.

BANCA EXAMINADORA

_____________________________________________

Prof. Dr. João Carlos Lutz Barbosa (Orientador) - UFF

_____________________________________________

Prof.ª Regina Célia de Souza Pereira - UFF

_____________________________________________

Prof.ª Dr.ª Renata Vilanova Lima - UFF

Niterói

2016

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Este projeto propõe um kit didático para auxílio ao ensino-aprendizagem de Física no Ensino Médio. Após identificação do problema enfrentado por uma prática de ensino de Física exclusivamente teórica, o desenvolvimento do projeto exigiu levantamento de dados em consultas a professores e na avaliação de produtos similares e de laboratórios didáticos, executou pesquisa de materiais alternativos para execução do kit e utilizou-se de modelagem virtual e de modelagem física para testar o seu funcionamento. A ferramenta projetada é voltada especificamente para o desenvolvimento de atividades relativas aos tópicos Plano Inclinado, Lançamento Oblíquo e Lei de Hooke, conteúdos de Mecânica que são parte do currículo previsto pelo Ministério da Educação para a matéria. O kit permite a experimentação no ambiente escolar, vista como metodologia adequada ao ensino de Física, e se justifica na carência de laboratórios didáticos nas escolas, sendo construído com o menor custo possível a fim de ser acessível às instituições que possuem poucos recursos. Para isso, busca também apresentar portabilidade e facilidade de montagem e uso, fatores fundamentais para a viabilidade da aplicação da ferramenta em sala de aula.

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This project proposes an educational kit to assist on the teaching and learning of Physics on High School. After identifying the issue faced by an exclusively theoretical Physics teaching practice, the project's development demanded data collection by surveying teachers and evaluating similar products and didactic laboratories. It also researched for alternative materials for the kit's completion and used virtual and physical modelling to test its performance. The projected kit aims specifically at developing related activities to topics such as Inclined Plane, Non-Horizontally Launched Projectile and Hooke's Law, which are Mechanics contents required by the Ministry of Education (MEC) for the subject. The kit enables experimentation in an academic environment, which is seen as the adequate methodology for the teaching of Physics and is justified by the scarcity of didactic laboratories in schools and therefore built with the lowest possible cost in order to be affordable for institutions that lack resources. To that end, it also seeks to present portability and ease to set up and use, which are fundamental factors to enable the application of the kit in the classroom.

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1.1 Problemas ... 1.2 Objetivo ... 1.3 Público-alvo ... 2 Problematização e sistematização... 2.1 Problematização ergonômica... 2.1.1 Problema informativo/visual ... 2.1.2 Problema cognitivo ... 2.1.3 Problema acidentário ... 2.1.4 Problema instrucional ... 2.1.5 Problema natural ... 2.1.6 Problema psicossocial ... 2.2 Sistematização ... 3 Levantamento e análise de dados ... 3.1 Análise de similares ... 3.1.1 Experimentos virtuais ... 3.1.2 Experimentos físicos ... 3.1.3 Experimentos permanentes ... 3.1.4 Experimentos móveis ... 4 Síntese e definição de requisitos ... 4.1 Tabela PNI ... 4.2 Tabela GUT ... 4.3 Modelagem verbal ... 4.4 Requisitos de projeto ... 5 Geração e seleção de alternativas ... 6 Desenvolvimento da solução ... 6.1 Detalhamento do projeto ... 6.1.1 Sistemas ... 6.1.1.1 Plano Inclinado: Planos, Goniômetro, Bloco ... 6.1.1.2 Lançamento Oblíquo: Lançador, Projétil, Receptor ... 6.1.1.3 Lei de Hooke: Planos, Bloco, Mola ... 6.1.2 Componentes ... 6.1.2.1 Plano ... 10 12 12 13 13 13 13 13 14 14 14 15 16 16 17 18 19 21 22 22 23 24 24 26 29 29 30 30 30 31 31 31

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6.1.2.4 Lançador ... 6.1.2.5 Componentes auxiliares ... 6.1.2.5.1 Projétil ... 6.1.2.5.2 Conector ... 6.1.2.5.3 Gancho ... 6.1.2.5.4 Peso ... 6.1.2.5.5 Pino ... 6.1.2.6 Manual ... 6.2 Construção de modelos ... 6.2.1 Modelo virtual ... 6.2.1.1 Planos ... 6.2.1.2 Bloco ... 6.2.1.3 Goniômetro ... 6.2.1.4 Lançador ... 6.2.2 Modelo físico ... 7 Protótipo ... 7.1 Plano ... 7.2 Goniômetro ... 7.3 Bloco ... 7.4 Lançador ... 7.5 Mola ... 7.6 Componentes auxiliares ... 8 Utilização e validação do protótipo pelo usuário ... 9 Conclusão ... 10 Desenho técnico ... 11 Bibliografia ... ANEXO – Manual ... 35 38 38 38 38 39 39 39 40 40 41 42 42 43 43 46 49 50 51 51 54 55 58 64 66 89 91

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Desenho Técnico 1 – Vista explodida, Plano AA ... Desenho Técnico 2 – Interno, Plano AA ... Desenho Técnico 3 – Externo, Plano AA ... Desenho Técnico 4 – Vista explodida, Plano AB ... Desenho Técnico 5 – Plano, Plano AB ... Desenho Técnico 6 – Goniômetro, Goniômetro ... Desenho Técnico 7 – Vista explodida, Bloco ... Desenho Técnico 8 – Lateral, Bloco ... Desenho Técnico 9 – Placa de fundo, Bloco ... Desenho Técnico 10 – Fundo, Bloco ... Desenho Técnico 11 – Frontal, Bloco ... Desenho Técnico 12 – Vista explodida, Lançador ... Desenho Técnico 13 – Goniômetro, Lançador ... Desenho Técnico 14 – Corpo, Lançador ... Desenho Técnico 15 – Lateral, Lançador ... Desenho Técnico 16 – Parafuso, Lançador ... Desenho Técnico 17 – Porca borboleta, Pino ... Desenho Técnico 18 – Pino, Pino ... Desenho Técnico 19 – Peso maior, Pesos ... Desenho Técnico 20 – Peso menor, Pesos ... Desenho Técnico 21 – Conector, Conector ... Desenho Técnico 22 – Gancho, Gancho ...

67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88

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1 Introdução

Este projeto dedica-se à produção de material didático para utilização no ensino de Física na sala de aula de Ensino Médio, recurso compreendido como um produto auxiliar ao enfrentamento da problemática da falta de estrutura das escolas brasileiras.

Para consecução do objetivo definido, partiu-se da constatação de que a experimentação é meio adequado e necessário ao processo de ensino-aprendizagem da matéria considerada. Segundo as Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais:

”É indispensável que a experimentação esteja sempre presente ao longo de todo o processo de desenvolvimento das competências em Física, privilegiando-se o fazer, manusear, operar, agir, em diferentes formas e níveis. É dessa forma que se pode garantir a construção do conhecimento pelo próprio aluno, desenvolvendo sua curiosidade e o hábito de sempre indagar, evitando a aquisição do conhecimento científico como uma verdade estabelecida e inquestionável.”

Esse reconhecimento do valor pedagógico da experimentação para o processo de ensino-aprendizagem também pode se amparar na compreensão de que existem diferentes estilos de aprendizagem, entendidos como “preferências e tendências altamente individualizadas de uma pessoa, que influenciam em sua maneira de apreender um conteúdo” (AMARAL; BARROS, p. 2), pluralizando as situações de aprendizagem que se podem oferecer a uma turma concreta e à diversidade de perfis de estudantes que ela contém.

Como atendimento a diferentes estilos de aprendizagem e como oportunidade de construção significativa de conhecimento, a experimentação pode contribuir para provocar o interesse do estudante, fator não desprezível para o sucesso do processo de ensino-aprendizagem. Afinal, é indiscutível a relação direta entre motivação e aprendizagem, e “a experimentação tende a despertar, nos alunos, um forte interesse devido a ter um caráter motivador, lúdico, essencialmente vinculado aos sentidos” (BENITE et al, 2009, apud SOARES; MUNCHEM; ADAIME, p.1).

Outro pensamento sobre o qual este projeto pode se apoiar é o de PORTUGAL e COUTO (2010), que partem do princípio de que a aprendizagem é resultado da relação sujeito-objeto. Nessa concepção, o professor não deve impor o conhecimento

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como verdade, e sim auxiliar o aluno na busca por conhecimento, colocando o estudante em um papel ativo na sua própria educação e aceitando a diversidade de interpretações e ideias de cada indivíduo. As autoras reconhecem, então, o papel do Design na Educação como ferramenta para aprimorar e renovar o processo ensino-aprendizagem, possibilitando e favorecendo que ele se torne mais participativo, prazeroso e multidisciplinar.

As observações para o projeto, que também encaminharam os esforços para a experimentação como metodologia didática, foram realizadas no Laboratório Didático de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro e na Casa da Descoberta, da Universidade Federal Fluminense. Ambos os espaços recebem visitas de estudantes de diferentes níveis de escolaridade e têm como objetivo despertar o interesse dos alunos pela Física por meio de demonstrações práticas. Consultou-se também um professor de física que leciona em um colégio público da rede federal para identificar as necessidades do educador durante as aulas.

Ainda que de forma obrigatoriamente parcial, o kit didático proposto certamente se justifica na relevância dos conteúdos para cuja aprendizagem poderá contribuir. Cumpre ressaltar, portanto, a importância do conhecimento de Física e das demais ciências no ensino médio, assim como, e sobretudo, do desenvolvimento do próprio pensamento científico.

1.1 Problemas

A educação no Brasil é notavelmente problemática, e a falta de estrutura nas escolas, tanto em relação ao seu aspecto físico e a materiais didáticos quanto no que diz respeito a recursos humanos, é o indicador mais facilmente percebido dessa situação. O baixo investimento, principalmente no setor público de ensino, impossibilita o acesso de alunos e professores a recursos e condições ideais para o aprendizado efetivo dos conteúdos.

Um dos problemas de estrutura mais comuns está na ausência de laboratórios didáticos para o ensino de disciplinas como Física, Química e Biologia. Segundo o Censo da Educação Básica de 2010, apenas 48,3% das escolas brasileiras de ensino médio têm laboratórios de ciências a oferecer a seus estudantes (MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO, 2011). Nesse contexto, a disciplina de Física, em particular, possui altos índices de reprovação.

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A causa para o insucesso do ensino de Física é multifatorial e complexa, mas, talvez, se possa apontar como um motivador a falta de interesse dos estudantes, agravada pela forma abstrata com que é apresentado seu conteúdo na inexistência de um laboratório: “Quando ‘o que ensinar’ é definido pela lógica da Física, corre-se o risco de apresentar algo abstrato e distante da realidade, quase sempre supondo implicitamente que se esteja preparando o jovem para uma etapa posterior”. (MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO, 2010)

De fato, o formato tradicional das aulas somente teóricas, adotado pela maioria das escolas brasileiras, favorece a rejeição pela disciplina, quase sempre percebida como exigente de excessiva e intimidante abstração. Laboratórios, ou a implementação de atividades práticas, representariam, então, uma ferramenta valiosa para o estudo e a absorção da disciplina:

“A experimentação tende a despertar nos alunos um forte interesse devido a ter um caráter motivador, lúdico, essencialmente vinculado aos sentidos (BENITE et al, 2009), pois os alunos são envolvidos através de aspectos visuais como cores, texturas e odores o que faz estreitar o elo entre a motivação e aprendizagem. Espera-se então que o envolvimento dos alunos seja maior e leve a evoluções em termos conceituais.” (SOARES; MUNCHEM; ADAIME, 2012)

Apesar de a realização de experimentos no ambiente escolar se mostrar extremamente relevante e ser incentivada pelos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), diretrizes que norteiam a educação no Brasil, a implantação de uma linha de ensino que envolva os estudantes por meio da experimentação enfrenta grandes obstáculos.

Essa resistência se dá tanto por parte das instituições educacionais, que frequentemente não são receptivas a novos métodos pedagógicos, quanto dos professores, que veem como inviável a prática de experiências em sala de aula. As principais justificativas para a oposição, como foi constatado por RICARDO e FREIRE (2006) são relativas à imensa carga de conteúdo programado para o ano letivo e a cobrança de uma preparação para os exames vestibulares.

É necessário considerar, também, que alunos e professores vivem atualmente uma rotina muito menos dinâmica da que o aprendizado por meio da experimentação propõe, e que a mudança implicaria questões de organização e disciplina que poderiam dificultar a adaptação dos envolvidos.

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Os valores significativos de instalação e manutenção de um laboratório convencional de Física em instituições de ensino, por fim, justificam a conveniência da oferta de material didático para experimentação que seja de baixo custo, sem que se comprometa sua funcionalidade.

1.2 Objetivo

Almeja-se com este projeto desenvolver um produto portátil, de baixo custo e de fácil montagem e manuseio que facilite o aprendizado de conteúdos Plano Inclinado, Lançamento Oblíquo e Lei de Hooke, da área de Mecânica, ao permitir a demonstração concreta dos principais fenômenos dessa parte da Física a ser trabalhada no Ensino Médio. O kit proposto pretende colaborar com o trabalho do professor, permitir a participação ativa dos estudantes em atividades experimentais e lhes oportunizar a construção dos conceitos relativos a esses conteúdos.

1.3 Público-alvo

O público-alvo do kit didático aqui proposto consiste de professores de Física do ensino médio e estudantes dessa disciplina, também nesse nível de ensino, entre 14 e 18 anos de idade.

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2 Problematização e sistematização

Na abordagem do problema, fez-se necessária, como etapa do projeto, a identificação e classificação dos fatores ergonômicos pertinentes ao desenvolvimento de experimentos didáticos em diferentes ambientes e com variação de quantidade de usuários.

2.1 Problematização ergonômica

O levantamento de questões ergonômicas relevantes ao problema estudado pode ser observado nos itens abaixo.

2.1.1 Problema informativo/visual

Os experimentos, principalmente quando realizados sem os equipamentos adequados, não oferecem uma fácil visualização dos resultados, o que aumenta a imprecisão do experimento e pode acarretar a necessidade de repetição da atividade. Quando demonstrado para um grupo grande de pessoas, o experimento pode não ser devidamente visto por todos os observadores.

2.1.2 Problema cognitivo

Devido à precisão requerida para a execução dos experimentos, é frequente que pequenos erros de posicionamento comprometam o sucesso da atividade.

2.1.3 Problema acidentário

As atividades realizadas durante os experimentos podem envolver projéteis com peso e velocidade que, ao atingir o observador, podem causar lesões.

Alguns experimentos diretamente relacionados com termologia e eletricidade oferecem o risco de queimaduras e choques elétricos ao usuário.

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2.1.4 Problema instrucional

Como os equipamentos são compostos por uma grande quantidade de peças, sua montagem é complexa e requer muito tempo e atenção. A má compreensão da estrutura pode ocasionar ainda a montagem incorreta dos sistemas e a perda de peças.

Manuais pouco claros podem fazer com que o usuário tenha dúvidas sobre o funcionamento do equipamento, fazendo com que ele danifique peças, ou não alcance os resultados desejados.

2.1.5 Problema natural

Um ambiente com condições pouco adequadas para utilização ou armazenamento do kit pode prejudicar a integridade do produto, criando mofo ou deformando as peças.

O uso de materiais inadequados para a confecção das peças pode resultar na baixa durabilidade dos elementos.

2.1.6 Problema psicossocial

Os observadores podem interferir no experimento, alterando seu resultado, ou mesmo quebrando o equipamento. A interferência também pode causar lesões no observador, por impactos, choques elétricos ou queimaduras.

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2.2 Sistematização

O sistema alvo do projeto é o aprendizado significativo da matéria.

Figura 1 - Caracterização e posição serial do sistema.

RESULTADOS DESPROPOSITADOS Resultados errados devido

à interferência

dos observadores RESTRIÇÕES

- Falta de interesse no aprendizado

- Dificuldade para atingir as condições físicas ideais para a experiência

REQUISITOS - Equipamento - Noção de uso SAÍDA Aluno com o conhecimento ENTRADA Aluno sem o conhecimento SISTEMA ALIMENTADOR Escolas META Auxiliar o entendimento da matéria SISTEMA ALVO Aprendizado de Física SISTEMA ULTERIOR Sociedade

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3 Levantamento e análise de dados

Observando o contexto ao qual o produto pertence, foi feita a identificação e a análise da composição dos ambientes dos laboratórios didáticos e de produtos similares ao material projetado.

3.1 Análise de similares

O Laboratório Didático (LADIF) situa-se no Centro de Tecnologia da UFRJ, sendo administrado pelo Instituto de Física da universidade. Possuindo diversos experimentos, entre os montados para exibição e os desmontados, o Laboratório recebe até 40 visitantes por vez. A visita é conduzida por uma equipe de monitores que são treinados para operar os equipamentos e explicar as propriedades de cada fenômeno.

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A Casa da Descoberta é um projeto do Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense. Funcionando com o mesmo esquema de acompanhamento por monitores, o projeto demonstra vários experimentos de diferentes eixos da Física para grupos de 20 a 30 visitantes.

Para este projeto, reconhecem-se como experimentos didáticos os sistemas utilizados para demonstrar propriedades estudadas em sala de aula.

Destacaram-se como ferramentas de auxílio no aprendizado de física os experimentos virtuais e os experimentos físicos, sendo esses últimos divididos entre permanentes e móveis.

3.1.1 Experimentos virtuais

Atualmente, é possível utilizar programas de computador para a realização de experimentos virtuais. Existem programas, tanto pagos como gratuitos, e plataformas

online que possibilitam a demonstração de fenômenos por meio da geração de

gráficos ou de pequenas animações.

Depois de informados os dados da situação, o programa calcula os resultados e mostra, graficamente, as reações ocorridas.

Na entrevista com o professor do colégio de aplicação da UFF, foi apontado um programa com o qual é possível fazer simulações dos fenômenos físicos, o PhET.

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PhET é um projeto da Universidade do Colorado que consiste em um conjunto de experiências nas áreas de Química, Física, Biologia e Matemática que podem ser executadas online ou offline. Um aspecto positivo das demonstrações do projeto é a quantidade de fatores que podem ser avaliados simultaneamente em um único experimento.

Figura 4– Demonstração o lançamento de projéteis do Projeto PhET

O experimento virtual é particularmente vantajoso por depender apenas do programa e de um computador compatível, ou de uma máquina com acesso à internet, no caso de conteúdos online.

Porém, esse recurso mantém a abstração durante o ensino, visto que as animações não são muito sofisticadas, e o contato dos alunos é reduzido e não contribui para a captura da atenção.

3.1.2 Experimentos físicos

Os experimentos físicos são aqueles que contam com uma estrutura concreta que demonstram as reações físicas ocorridas sobre a matéria.

Os experimentos analisados se dividem entre aqueles que permanecem montados para demonstração, chamados aqui de Experimentos Permanentes, e os que podem ser desmontados após as demonstrações, chamados Experimentos Móveis.

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Dentro dessa categoria, também devem ser citados experimentos caseiros, realizados de forma improvisada, que não são construídos para exposições continuadas ou recorrentes e costumam ser descartados após o uso.

3.1.3 Experimentos permanentes

As observações dessa categoria de equipamento foram feitas, como citado anteriormente, no LADIF e na Casa da Descoberta.

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Figura 6 – Gerador de Corrente Alternada para o estudo de campos quase estáticos, LADIF.

Os Experimentos Permanentes podem ser compostos por equipamentos sofisticados, podem executar experiências mais complexas e oferecer resultados mais precisos. Entretanto, esses mecanismos costumam exigir um investimento financeiro alto, além de demandar um espaço fixo para sua ocupação.

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Alguns dos experimentos dos laboratórios considerados oferecem a possibilidade de desmontagem, porém não são planejados para que isso seja realizado de forma fácil, ou para que seu armazenamento ocupe um espaço reduzido. A vantagem dos experimentos fixos em laboratórios é que, embora eles impliquem um aumento de custo, o nível de sofisticação dos sistemas pode ser consideravelmente mais alto que o oferecido por experimentos móveis.

3.1.4 Experimentos móveis

Os Experimentos Móveis não têm o propósito de ficar permanentemente expostos. São, de maneira geral, menores e mais simples, podendo ser deslocados, montados ou desmontados com facilidade.

Figura 8 – Experimento de movimento perpétuo.

Dentro desse conjunto se encontram os kits, que visam à mobilidade e à praticidade de uso, sendo muitas vezes destinados para o uso fora da sala de aula como um instrumento de lazer.

Apesar de serem de um porte menor quando comparados com os Experimentos Permanentes, os Experimentos Móveis são capazes de demonstrar diversos fenômenos de maneira mais prática.

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4 Síntese e definição de requisitos

A fim de organizar os dados colhidos e as inferências já realizadas, essas informações foram distribuídas em tabelas que favorecem sua visualização e a posterior definição de requisitos.

4.1 Tabela PNI

Para prosseguir com a projetação, foi feito um quadro comparativo relacionando os diferentes tipos de experimentos, os experimentos virtuais, os expostos nos espaços – e os experimentos em kits, através do levantamento dos pontos positivos, negativos e interessantes de cada conjunto.

Similares P N I Experimentos Físicos Permanentes - Demonstram as propriedades físicas - Por permanecerem montados, o risco de erros na demonstração é reduzido - Imobilidade - Podem causar a dispersão do aluno pelo ambiente diferente - Dependem da disponibilidade das escolas em levarem as turmas até as instituições - Os experimentos podem ser mais sofisticados Experimentos Virtuais - Não demandam espaço para a realização das demonstrações - Ainda mantêm um grau alto de abstração

- O material necessário é de fácil acesso

Experimentos Físicos Móveis

- São práticos para demonstrações em sala

- Os experimentos ficam sujeitos a erros na montagem que podem comprometer os resultados - Não dependem de infraestrutura da escola Tabela 1 – PNI.

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O cotejamento dos pontos positivos, negativos e interessantes das diferentes categorias de experimentos indica que, para a proposta de contornar a falta de recursos das escolas e ao mesmo tempo atrair a atenção dos alunos, os experimentos físicos móveis são a melhor opção, por sua praticidade e simplicidade de uso.

4.2 Tabela GUT

Na tabela GUT foram analisados os principais problemas identificados no questionário e na análise de similares listados na problematização ergonômica.

Problema Gravidade Urgência Tendência GXUXT

Dificuldade de averiguação dos resultados 5 5 3 75 Dificuldade de visualização por grandes grupos 3 3 1 9 Dificuldade de posicionamento dos elementos 4 5 3 60 Choque de projéteis nos observadores 4 5 1 20 Lesões por altas temperaturas e corrente elétrica 5 5 3 75 Conjunto de peças grande e de difícil montagem 5 4 3 60 Manuais pouco claros 5 4 3 60 Materiais inadequados 4 3 4 48 Interferência dos observadores 3 2 1 6

Tabela 2 – GUT

Identificaram-se como os problemas de maior relevância a Dificuldade de

averiguação dos resultados e a Dificuldade de posicionamento dos elementos,

visto que comprometem a demonstração. Os problemas instrucionais Conjunto de

peças grande e de difícil montagem e Manuais pouco claros também são

significativos, devido às dificuldades adicionais que se apresentariam ao professor, o que implicaria a não adoção da ferramenta.

O problema acidentário de Lesões por altas temperaturas e corrente elétrica foi notado durante as observações, porém ele não se aplicará aos experimentos que o kit se propõe a demonstrar.

Os problemas instrucionais de Manuais pouco claros e Dificuldade de

montagem e o problema cognitivo da Dificuldade de posicionamento dos elementos também aparecem como fortes.

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4.3 Modelagem verbal

Para que se realizem demonstrações de fenômenos físicos selecionados, evitando os problemas observados na análise de similares, é necessário que o kit desenvolvido seja composto por um conjunto reduzido de peças simples e de fácil montagem.

De forma esquemática, a modelagem verbal do produto se apresenta a seguir:  Campo de influência: Conhecer as instruções do equipamento

 Fator de influência: Quantidade de observadores, experimentos a serem demonstrados

 Requisito: Demonstrar experimentos físicos

 Características: Planos, Goniômetro, Molas, Bloco, Pesos, Lançador, Projétil, Receptor

 Restrições: Simplicidade de montagem e uso

 Especificação verbal: Composto de materiais que resistam ao uso; fácil montagem, fácil deslocamento

 Critérios para seleção de alternativas: praticidade de uso, facilidade de montagem, estética, custo

4.4 Requisitos de projeto

 Baixa complexidade de montagem e uso (pouco tempo e esforço gastos para armar a estrutura e posicionar os elementos)

 Mobilidade (facilidade para transportar o kit)  Número reduzido de peças

 Durabilidade (tendência de a peça resistir ao uso)  Estética (coerência visual entre as peças)

Dada a necessidade de montagem e desmontagem a cada experimento realizado, os critérios de Complexidade de montagem e Mobilidade possuíram os maiores pesos para a definição dos modelos.

A Durabilidade é fundamental para o produto, visto seu objetivo de suprir carências nas escolas. É necessário, portanto, que o material não apresente grande fragilidade, trazendo custos de manutenção ou reposição do objeto.

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A Estética é justificada pela necessidade de se ter, em um kit, uma compatibilidade visual entre os elementos que o compõem de forma que favoreça a compreensão do funcionamento.

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5 Geração e seleção de alternativas

As alternativas foram produzidas a partir da definição dos conteúdos que seriam abordados pelo kit. Pensou-se nos elementos que poderiam ajudar a simular os exercícios.

Algumas das alternativas se mostraram pouco funcionais, sendo desprezadas na seleção. Dentre elas pode ser destacada a proposta de um nivelador, que proporcionaria um grau zero para o lançador. Como a utilização de uma superfície razoavelmente plana para acomodação dos sistemas do kit é uma condição previsível, a proposta do nivelador foi dispensada, em benefício da simplicidade do projeto.

Também foram consideradas polias para o sistema Plano Inclinado. Foram descartadas com a mesma intenção de simplificação do material didático.

A maior parte dos materiais inicialmente selecionados para confecção do protótipo se manteve. Foram considerados materiais como nylon e polietileno para o revestimento dos Planos, a fim de minimizar o atrito nas atividades de Plano Inclinado. Após alguns testes rápidos, concluiu-se que o atrito gerado pelo MDF não prejudicaria os experimentos.

Também houve pequenas alterações formais nos componentes desde sua concepção inicial. Elas se encontram registradas nas figuras a seguir.

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Figura 10 – Esboço do Plano

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Figura 12 – Esboço da Placa de Fundo

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6 Desenvolvimento da solução

A partir da definição da forma como os experimentos seriam realizados, planejaram-se individualmente os componentes do kit. Esse processo envolveu a confecção de modelos digitais e físicos, até a produção do protótipo.

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6.1 Detalhamento do Projeto

O nome escolhido para o kit, Archimedes, faz deferência ao físico, matemático, engenheiro, inventor e astrônomo grego, considerado um dos principais cientistas da antiguidade clássica.

Nos exercícios de Física mecânica estudada no Ensino Médio, costumam ser consideradas as variáveis de tempo, espaço, velocidade, força. Os componentes e as atividades propostas foram planejados para excluir a variável do tempo, visto que, para a sua medição precisa, seriam necessários sensores que encareceriam o produto final e dificultariam a visualização dos efeitos pelos alunos.

Assim sendo, o kit vai abranger os conteúdos de Plano Inclinado, Lançamento Oblíquo e Lei de Hooke. Nos experimentos de Plano Inclinado, são pedidas as condições máximas para que o sistema permaneça em equilíbrio. Nos experimentos de Lei de Hooke, a proposta é calcular previamente a deformação que a mola sofrerá com o peso utilizado. No experimento de Lançamento Oblíquo, os exercícios propõem que os alunos calculem a distância a ser percorrida pelo projétil de acordo com a inclinação e com a potênciado lançador.

Cada experimento conta com uma estrutura básica de funcionamento:  Plano Inclinado: Planos, Goniômetro, Bloco

 Lançamento Oblíquo: Lançador, Projétil, Receptor  Lei de Hooke: Planos, Molas, Pesos

Para favorecer uma visualização clara e um fácil reconhecimento do sistema, os componentes do kit possuem formas simplificadas, semelhantes aos elementos representados nos exercícios.

A escala usada para produzir as peças foi determinada de acordo com as dimensões de uma sala de aula padrão, de maneira que as estruturas montadas pudessem ser vistas por uma classe, em ambiente de sala de aula, caso os sistemas sejam utilizados para demonstrações.

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Os materiais para a produção do kit foram escolhidos pela facilidade de confecção e pelo preço acessível, estando relacionados também ao peso ideal para cada elemento, considerando a massa mínima para que o sistema fique estável e a máxima que o conjunto pode ter para ainda ser de fácil locomoção e durabilidade.

O kit possuirá poucas cores, a fim de manter um visual limpo: azul, cinza e branco.

O kit é acompanhado por um manual em formato de brochura que contém as instruções de montagem, com desenhos esquemáticos, e sugestões de exercícios e atividades a serem realizadas em aula.

6.1.1 Sistemas

Os sistemas, que compartilham peças entre si para poupar material e espaço, são três: Plano Inclinado, Lançamento Obliquo e Lei de Hooke, em correspondência evidente com os conteúdos disciplinares.

6.1.1.1 Plano Inclinado: Planos, Goniômetro, Bloco

O conteúdo de Plano Inclinado é apresentado ainda no início do ano letivo e seus exercícios são normalmente representados pelo desenho de um corpo sobre uma aclividade. Podem pedir que o aluno calcule a velocidade com que o corpo desliza, o atrito da superfície em que ele se encontra, a massa do corpo de acordo com a situação dada e outros.

O exercício planejado para as atividades de Plano Inclinado no kit é calcular a massa máxima que o Bloco pode ter e ainda se manter estático. Para esse exercício, o usuário deve considerar o atrito oferecido pelas superfícies utilizadas, fazer os cálculos e seguir com a experimentação, montando o sistema conforme o exercício proposto e adicionando os pesos para verificar o resultado achado.

6.1.1.2 Lançamento Oblíquo: Lançador, Projétil, Receptor

Os exercícios previstos na utilização desse sistema têm o objetivo de prever, através das fórmulas, o fim da trajetória do Projétil. Além de alternar os Lançadores com diferentes potências e os ângulos de lançamento, a variabilidade das situações

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apresentadas pode ser aumentada ao variar as alturas em que o Lançador e o Receptor se encontram. É possível também calcular a altura máxima que o Projétil atingirá em cada situação.

6.1.1.3 Lei de Hooke: Planos, Bloco, Mola

Para utilização desse sistema, o usuário deve predizer a deformação sofrida pela Mola de acordo com o peso aplicado. Também é possível realizar o cálculo inverso, prevendo a quantidade de Pesos necessários para atingir uma determinada deformação. O sistema permitirá a confirmação e conferência desses cálculos por meio das experimentações.

A deformação da Mola é medida pela diferença entre o comprimento da peça em repouso e o comprimento da peça tensionada.

6.1.2 Componentes

Cada sistema é construído a partir de um conjunto de peças, concebidas para simular os fenômenos físicos abordados nos exercícios.

6.1.2.1 Plano

O componente Plano serve de base para os experimentos de Plano Inclinado e Lei de Hooke. Os Planos apresentam duas formas diferentes: uma mais longa, com 50 cm de comprimento, um encaixe A e um B; e uma menor com 22 cm de comprimento e dois encaixes A.

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Figura 14 – Sketch dos Planos

Os Planos possuem furos passantes em suas extremidades que permitem a conexão com outros componentes do kit.

O Plano menor tem também um furo central, por onde o Conector irá passar nos sistemas de Lei de Hooke.

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Figura 15 – Sketch encaixe e ajuste do Plano.

Os Planos maiores são usados nos exercícios de Plano Inclinado. Unidos por um parafuso que atravessa as suas pontas, eles formam uma inclinação que pode ser definida com precisão através do Goniômetro.

Possuindo uma superfície de MDF lisa e emparelhada, o atrito apresentado pela peça é desprezível, facilitando o cálculo dos corpos.

Inicialmente os planos foram planejados para apresentar um atrito desprezível e facilitar o cálculo, porém, nos testes de material, foi constatado que a superfície lisa do Plano não possuía aderência suficiente para manter o Bloco estático sobre ele. Para solucionar essa questão, foi acrescentada ao Plano uma capa para aumentar o atrito entre as peças.

6.1.2.2 Goniômetro

O Goniômetro tem como função alinhar os planos e definir os ângulos entre eles. Ele possibilita inclinações de até 180° em relação ao chão, com marcações em 0°, 30°, 45°, 60° e 90°, que são os principais ângulos encontrados nos exercícios.

(34)

A peça estará presente no kit em duas partes do conjunto – utilizada para alinhar os planos, nas atividades de Plano Inclinado, e como parte do lançador, usado nas atividades de Lançamento Oblíquo.

O Goniômetro do Plano tem sua estrutura composta por um arco com 10cm de diâmetro e apresenta um rasgo que acompanha a circunferência, através do qual é possível visualizar e ajustar a inclinação desejada. No centro da circunferência, há um orifício pelo qual se atravessa a barra de parafuso que, quando atarraxado, fixa os elementos na posição correta.

O Goniômetro que acompanha o Lançador é um pouco menor, com um arco de 7cm e altura total de 10cm, e funciona por meio do mesmo princípio.

6.1.2.3 Bloco

Esse componente é utilizado nas atividades de Plano Inclinado e corresponde aos corpos que sofrem deslocamentos nos exercícios.

(35)

O Bloco é composto por placas de MDF e apresenta uma estrutura oca, possibilitando que a peça receba adição de pesos, o que fará variar a massa do componente.

O fundo do bloco, parte que entra em contato com a superfície do plano, é cambiável; dessa forma, é possível alterar o coeficiente de atrito apresentado pela peça.

Essas alterações de massa e atrito aumentam a quantidade de exercícios que podem ser realizados com a menor quantidade de componentes no kit.

6.1.2.4 Lançador

Esse componente é utilizado para as atividades de Lançamento Oblíquo. Sua estrutura é dividida em Corpo, onde se encontra o sistema que impulsiona o projétil, e os Goniômetros, que são presos às suas laterais.

(36)

Os parafusos que atravessam os Goniômetros e os fixam ao lançador definem o eixo de sua rotação e, a partir deles, é traçada uma reta no corpo do Lançador que serve como guia para ajustar o lançador no ângulo desejado.

Figura 18 – Mecanismo do Lançador

(37)

Seu mecanismo de disparo funciona a partir de uma mola fixada ao corpo do lançador e a uma pequena plataforma que fica em contato com o projétil. Para dar início ao lançamento, traciona-se a plataforma por meio de uma corda até que esteja visível a trava de disparo. Em seguida, passa-se a corda pela parte mais estreita do orifício no corpo do lançador, e a trava impede que a corda recue. Para efetuar o disparo, empurra-se delicadamente a trava em direção à parte mais larga do orifício.

Para alcançar a eficiência do sistema, foi necessário incluir, entre a plataforma e a trava, uma haste rígida, que diminui o esforço empregado para soltar a trava e evita que a trave agarre no orifício.

Entre as alterações estruturais, inclui-se também o estreitamento do túnel do Lançador, para impedir que a mola arqueie ao ser comprimida e altere a trajetória do projétil.

O kit possui três Lançadores com alcances diferentes, nomeados de L1, L2 e L3. Os três são construídos de maneira semelhante, alterando apenas a mola de compressão em seu interior, que define a potência dos lançamentos, e o comprimento do corpo da peça.

(38)

Cada Lançador possui uma identificação a partir da qual é possível identificar, no manual, a força com que é impulsionado o projétil de acordo com a mola em seu interior.

6.1.2.5 Componentes auxiliares

Os componentes auxiliares – Projétil, Gancho, Conector, Peso, Pino - são peças que complementam os sistemas ao conectar os elementos e alterar as variáveis consideradas nos exercícios.

6.1.2.5.1 Projétil

Este componente é o corpo impulsionado nas atividades de Lançamento Oblíquo. O conjunto contém duas unidades dessa peça com propriedades diferentes.

A variação de massa aumenta a quantidade de variações que podem ser feitas durante a experimentação.

6.1.2.5.2 Conector

O Conector tem como função ligar a Mola ao Plano no Sistema de Lei de Hooke. O kit contém uma unidade deste componente que consiste em uma peça de aço com uma das extremidades roscada e outra com uma curvatura.

O lado roscado atravessa o furo no centro do Plano e é preso por uma porca na outra face da peça. O lado curvado recebe os outros componentes que proporcionarão peso ao sistema.

6.1.2.5.3 Gancho

Este componente é utilizado no sistema de Lei de Hooke e tem como objetivo ligar a mola aos pesos. O kit contém três unidades dessa peça que, assim como o Conector, apresenta uma extremidade roscada e outra em curva.

Sua extremidade roscada atravessa os Pesos que permanecem ligados ao se apertar uma porca, e sua extremidade curvada se prende à curvatura do Gancho, deixando os componentes suspensos.

(39)

A sua massa de 10g também deve ser considerada ao se calcular o peso colocado na Mola.

6.1.2.5.4 Peso

O Peso é o componente que proporciona o aumento de massa às peças dos sistemas. Composto por discos de aço com centro vazado, o peso pode ser adicionado diretamente ao Bloco, no sistema de Plano Inclinado ou por meio do Conector no sistema de Lei de Hooke.

O kit possui 60 unidades deste componente, estando dividido entre Pesos maiores, de 30mm de diâmetro e 13g, e menores, de 18mm de diâmetro e 1,2g. Os Pesos menores são utilizados para causar diferenças mais sutis na massa.

6.1.2.5.5 Pino

O Pino é a peça responsável por ligar os Planos e os Goniômetros. Sua estrutura é composta por uma barra roscada, que atravessa os componentes, e duas porcas borboleta, que travam os componentes na posição desejada. O kit possui 4 unidades desse componente.

6.1.2.6 Manual

Com uma encadernação em grampo canoa e formato A5, o manual que acompanha o kit tem as informações necessárias para identificação dos componentes e montagem dos sistemas, além de explicar o funcionamento de cada peça por meio de ilustrações.

O livreto contextualiza ainda, de maneira resumida, o conteúdo da matéria abordada, apresentando os esquemas gráficos e listando as fórmulas normalmente utilizadas nos exercícios tradicionais.

Além de explicitar o local das identificações, nas peças maiores, para as peças pequenas que precisam ser diferenciadas na montagem, o manual utiliza o recurso de reconhecimento pela forma do componente. Nas páginas, há as silhuetas em escala real das peças sobre as quais é possível posicioná-las e conferir se o componente manuseado corresponde ao indicado pelo manual.

(40)

Em uma versão estendida, o manual poderia conter também as instruções para a confecção de cada peça do kit, os materiais e os processos que poderiam ser utilizados, além de orientações para recalcular as propriedades de cada componente, como o coeficiente elástico das molas e o coeficiente de atrito dos blocos. Isso torna possível replicar o conjunto de peças, fornecendo às instituições que não têm como comprar o kit informações para fabriquem os seus próprios.

6.2 Construção de modelos

Os modelos construídos – um modelo virtual e um modelo físico executado com materiais alternativos – permitiram a avaliação do funcionamento do kit projetado.

6.2.1 Modelo virtual

As peças do conjunto foram modeladas com o software de desenho assistido por computador, SolidWorks.

Durante a produção do modelo, foi possível confirmar a compatibilidade entre as medidas previstas para cada peça.

(41)

6.2.1.1 Planos

Figura 21 – Modelagem digital do Plano.

(42)

6.2.1.2 Bloco

Figura 23 – Modelagem digital do Bloco

6.2.1.3 Goniômetro

(43)

6.2.1.4 Lançador

Figura 25 – Modelagem digital do Lançador.

6.2.2 Modelo físico

A estrutura do modelo físico foi construída com papelão e cartão couro, utilizando parafusos de aço inox nas junções. Os principais objetivos desse modelo foram verificar as dimensões planejadas para cada peça e testar os mecanismos de encaixe.

(44)

Figura 26 – Modelo em papel do Bloco

(45)

Figura 28 – Modelo em papel do Plano

Figura 29 – Modelo em papel do sistema de Plano Inclinado

A escala escolhida se mostrou adequada para a visualização de um grupo de pessoas a uma certa distância, que seria a situação de uso na sala de aula.

(46)

7 Protótipo

O protótipo foi confeccionado em MDF, utilizando ferramentas básicas, para corte, perfuração e lixa, para o acabamento.

Outra opção para a fabricação seria o corte a laser. Apesar de as peças não apresentarem formas muito complexas e difíceis de serem alcançadas manualmente, o corte a laser agilizaria a produção e aumentaria as opções de materiais a serem utilizados.

Figura 30 – Sistema de Plano Inclinado montado

(47)

Figura 32 – Sistema de Lei de Hooke montado

(48)

Figura 34 – Sistema de Lançamento Oblíquo montado

(49)

7.1 Plano

A partir de uma placa de MDF com 15mm de espessura, foram retirados nove sarrafos com 4cm de largura e diferentes comprimentos. As nove peças, depois de niveladas e lixadas para ter suas extremidades boleadas, foram perfuradas com uma broca de 5mm em sua lateral para abrir passagem dos Pinos.

Feito isso, as ripas foram coladas lado a lado, com cola de madeira, formando os Planos.

Figura 36 – Detalhe do encaixe do Plano

(50)

Figura 38 – Plano AB

7.2 Goniômetro

Da mesma placa de MDF que deu origem aos Planos, foram tirados os Goniômetros. As dez peças, sendo quatro maiores, utilizadas junto aos Planos, e seis menores, usadas junto aos Lançadores, foram cortadas com auxílio de uma serra tico-tico de bancada e lixadas a mão até atingirem uma superfície suficientemente regular.

Posteriormente, foram feitos os furos em seus centros com uma broca de 5mm. Em suas laterais, foram feitas ranhuras, nos pontos das marcações dos ângulos, por entre as quais a tinta branca se fixa.

(51)

7.3 Bloco

As cinco partes do Bloco e os fundos foram confeccionados com placas de MDF com 6mm de espessura e colados com cola epóxi. Aos fundos removíveis foram fixados retalhos de diferentes materiais – feltro, carpete, courino e emborrachado – que proporcionam maior ou menor atrito.

Figura 40 – Bloco e Placas de fundo

7.4 Lançador

Os Lançadores foram extraídos de pequenas placas de MDF com 6mm de espessura. As sete partes que compõem o corpo foram cortadas e lixadas até atingir a inclinação necessária para realizar o encaixe planejado.

(52)

Figura 41 – Detalhe do interior do Lançador.

(53)

Figura 43 – Detalhe da traseira do Lançador.

Em suas laterais, foram feitos furos cegos para acomodar os parafusos que fazem a ligação com os Goniômetros.

Figura 44 – Detalhe lateral do Lançador.

Para o seu mecanismo de disparo, foi utilizado um cordão de algodão como puxador, cilindros plásticos, hastes metálicas com comprimentos correspondentes aos das molas comprimidas, prismas de face quadrada para a plataforma de lançamento e molas de compressão de aço compradas avulsas.

(54)

Figura 45 – Mecanismo de disparo do Lançador.

As marcações dos ângulos e as identificações dos Lançadores foram feitos com uma tinta branca opaca permanente de secagem rápida. A cor branca se destaca sobre o MDF e a tinta utilizada é resistente a arranhões e ao atrito com outras peças.

7.5 Mola

Foram testadas diversas molas de compressão e tração até se encontrarem os modelos com as propriedades adequadas para os sistemas de Lançamento Oblíquo e Lei de Hooke.

(55)

Para o funcionamento dos Lançadores, as molas mais rígidas se mostraram como as melhores opções ao impulsionar com maior potência o Projétil.

Figura 47 – Molas de tração

As molas de tração selecionadas para o sistema de Lei de Hooke foram as mais maleáveis possíveis para que a deformação fosse a mais acentuada possível para o peso utilizado.

7.6 Componentes auxiliares

Para esses componentes foram aproveitadas peças de aço comuns no mercado, acrescentando pouco custo ao conjunto e permitindo fácil reposição em caso de perda ou dano.

(56)

Figura 48 – Componentes auxiliares.

Como Projétil, optou-se por usar duas bilhas de aço com diâmetros de 15mm e 18mm e massas de 14g e 24g, respectivamente. O peso relativamente alto da esfera evita que a sua trajetória sofra interferências causadas por correntes de ar, e a sua superfície uniforme reduz as imprecisões referentes à resistência do ar.

Para o Conector, foi utilizada uma peça padrão do mercado, ajustada para o comprimento de 12cm.

Semelhante ao Conector, o Gancho apresenta uma extremidade roscada e outra em curva, porém com uma haste mais curta, tendo um comprimento total de 120mm. Assim como o Conector, é uma peça padrão do mercado. A sua massa, junto à porca que o acompanha, é de 10g.

Para o peso, foram utilizadas arruelas de 30mm e 18mm de diâmetro. O kit contém 60 unidades deste componente, que se dividem entre Pesos maiores, de 30mm de diâmetro e 13g, e menores, de 18mm de diâmetro e 1,2g. Os Pesos menores são utilizados para causar diferenças mais sutis na massa.

O Pino é a peça responsável por ligar os Planos e os Goniômetros. Sua estrutura é composta por uma barra roscada, que atravessa os componentes, e duas porcas borboleta, que travam os componentes na posição desejada. O kit possui 4 unidades desse componente.

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Para o Receptor, foi feito um colchão de areia revestido com malha para amortecer e reter o Projétil ao final da trajetória. O colchão fica contido em uma caixa de MDF com dimensões de 15cmx15cmx2cm.

A Esteira foi um componente incluído no kit após iniciados os testes com o protótipo. Observou-se que, com as suas bases mais afastadas para atingir as inclinações menores, o sistema de Plano Inclinado não se sustentava. Esse problema foi solucionado com a inclusão da nova peça, que aumenta a aderência dos Goniômetros à superfície de montagem.

(58)

8 Utilização e validação do protótipo pelo usuário

Os testes de utilização e validação foram realizados com um grupo de cinco estudantes com idade entre 14 e 19 anos, faixa etária que se aproxima daquela prevista para as três séries do Ensino Médio. O local escolhido para as avaliações foi um ambiente interno, fechado e silencioso, com uma mesa sobre a qual os experimentos foram montados. Sob supervisão do projetista, os testes incluíram as fases de montagem e desmontagem dos sistemas com auxílio do manual, a realização de cálculos e o desenvolvimento das experimentações propostas pelo kit.

O quantitativo de cinco estudantes mostrou-se bem dimensionado para a manipulação do kit e para a execução das atividades de experimentação previstas, uma vez que os participantes puderam operar individualmente o equipamento e discutir sobre o seu funcionamento sem tumultuar a atividade. Dessa forma, essa é uma configuração recomendável para a utilização de Archimedes na sala de aula, salvo situações em que ele for usado para simples demonstração.

Figura 50 – Teste com usuários.

O primeiro sistema testado foi o de Plano Inclinado. Foi solicitado aos usuários que eles montassem as peças de acordo com o ilustrado no manual e escolhessem uma das possíveis ordenações de ângulo e atrito para iniciar a experimentação.

(59)

(60)

Finalizados os experimentos de Plano Inclinado, seguiu-se para a avaliação do sistema de Lei de Hooke. Os usuários selecionaram uma das Molas e a quantidade de Pesos para realizar os cálculos e, após concluí-los, montaram o sistema correspondente.

(61)

O sistema de Lançamento Oblíquo foi o último a ser testado. Dado o tamanho limitado do espaço utilizado no teste, não foi utilizado o Lançador com maior potência do kit. Durante o ajuste de ângulo do Lançador, o parafuso em sua lateral se soltou, devido ao excesso de força aplicado.

(62)

(63)

O ambiente de realização das atividades de validação do protótipo, entretanto, não foi uma sala de aula, assim como os cinco estudantes participantes não formavam uma classe escolar. É desejável, portanto, que se realizem testes subsequentes para uma avaliação mais completa da ferramenta proposta.

Os componentes principais e auxiliares de cada um dos sistemas mostraram-se bem dimensionados e em número suficiente para o adequado funcionamento na realização dos experimentos previstos. Alguns pesos não foram utilizados durante os experimentos de Plano Inclinado e de Lei de Hooke, o que não comprometeu a experimentação.

O material utilizado no protótipo resistiu bem aos testes. Ocorreu somente um dano na ferramenta, já mencionado, quando um dos pinos, colado ao lançador, descolou-se dessa peça durante sua manipulação. O reparo foi simples, já que bastou recolocar o pino e reaplicar cola.

Os sistemas foram montados com rapidez, tendo cada um deles exigido cerca de 5 minutos para conclusão dessa etapa. O tempo utilizado por cada experimento foi variável, mas não ultrapassou 10 minutos, desprezado o intervalo dedicado aos cálculos.

As informações do manual foram suficientes e claras na orientação das etapas de montagem e utilização de Archimedes. Os usuários foram orientados a se limitarem ao manual durante essas etapas, mas fizeram uma pergunta sobre a intensidade da força que poderia ser empregada no uso das porcas borboleta. Houve também bastante conversação entre os usuários durante a identificação das peças e nos momentos de conferência dos cálculos relativos à Lei de Hooke. Essa última ocorrência pareceu se relacionar à amplitude de resultados encontrados, perfeitamente cabível em experimentos concretos. Os estudantes mais velhos auxiliaram um dos estudantes mais novos que manifestou dúvida sobre os cálculos realizados durante a utilização do sistema da Lei de Hooke.

Além disso, foi confirmado que a estética do kit favoreceu o reconhecimento intuitivo de peças, bem como de formas e mecanismos de sua montagem e utilização.

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9 Conclusão

O processo ensino-aprendizagem de Física no Ensino Médio das escolas brasileiras enfrenta vários problemas, destacando-se dentre eles sua limitação a uma abordagem teórica, que pode ser associada às dificuldades na disciplina e ao desinteresse manifestados pelos estudantes. Nesse contexto, e considerando as indicações de que a experimentação possa funcionar como metodologia apropriada para a aquisição de competências e para a construção de conhecimentos nessa área das Ciências, o kit Archimedes possibilita ao professor, no espaço da sala de aula, a promoção de atividades experimentais significativas para a abordagem de conteúdos de Mecânica, a um baixo custo, de forma segura e prática.

A oportunização dessas atividades não apenas configura um método de ensino que pode alcançar bons resultados como também enseja novas organizações do espaço da sala de aula, já que tende a garantir ao aluno papel mais ativo no processo de ensino-aprendizagem e facilitar ao professor o desempenho de seu papel de orientador e facilitador nesse mesmo processo. Ressalte-se que o produto é adequado também a demonstrações, pelo professor, de situações estudadas.

Outro aspecto positivo do produto é a interação entre os alunos, e entre estes e o professor, que seu uso é capaz de proporcionar. Durante os testes, pôde-se observar que os alunos com melhor domínio da matéria contribuem para que os colegas com dificuldade de compreensão acompanhem e absorvam o conteúdo

Esse contato pode ser favorecido pela organização dos alunos em grupos que reúnam alunos de diferentes níveis de conhecimento, o que certamente levaria a organizações alternativas e talvez mais produtivas do espaço da sala de aula.

Por fim, os testes realizados ratificaram a facilidade de montagem e utilização dos sistemas que compõem o kit, ainda que de forma preliminar. Embora a avaliação da fragilidade dos materiais propostos para sua confecção ainda careça de mais testes, assim como a avaliação da estética do produto, essa facilidade certamente contribuirá de forma positiva para a durabilidade da ferramenta projetada.

Dentro dos limites de um trabalho de conclusão de curso, convém destacar que seria desejável pesquisar mais sobre os objetivos do ensino de Física, sobretudo no que diz respeito ao desenvolvimento de competências. De forma semelhante, seria recomendável pesquisar formas de expandir o conjunto de atividades permitidas pela

(65)

utilização de Archimedes, obedecidos os requisitos de baixa complexidade de montagem e uso, mobilidade, número reduzido de peças, durabilidade e estética

Os testes realizados na etapa de validação do produto parecem confirmar o apelo proporcionado pelas atividades experimentais previstas para sua utilização. Os usuários mostraram-se interessados em executar as atividades. É válido ressaltar, no entanto, que, no ambiente real da sala de aula, o sucesso da aplicação da ferramenta dependeria do perfil disciplinar dos alunos, dentre outros fatores. Além disso, os planos de curso de Física tradicionalmente estabelecem o conteúdo programático para o ano letivo, e o professor é cobrado para que esses planos sejam cumpridos. Essa circunstância poderia ser um empecilho para a adoção da nova ferramenta. Sendo assim, a utilização efetiva do kit nos horários das aulas dependeria do diálogo entre professor e escola e, num âmbito mais geral, dos órgãos responsáveis por definir os currículos escolares e rediscutir os objetivos do ensino de Física na Educação Básica.

(66)

10 Desenho Técnico

Esta seção contém os desenhos técnicos das peças componentes do kit didático Archimedes.

(67)

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

LANÇADOR

VISTA EXPLODIDA

2016

1ºDIEDRO

TURMA 1A ESC.: 1/2

TDT

TCE

1

2

3

4

5 DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

UNID.: mm

3

2

4

1

LATERAL

CORPO

GONIÔMETRO

PARAFUSO

AÇO ZINCADO

MDF

PORCA BORBOLETA

(68)

VISTA EXPLODIDA

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

BLOCO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

UNID.: mm

ESCALA 1/5

4

3

1

2

1

2

3

4 PLACA DE FUNDO

FUNDO

FRONTAL

MDF

LATERAL

(69)

VISTA EXPLODIDA

JOÃO LUTZ

PROJETO VIII

PLANO AB

2016

TURMA 1A ESC.: 1/5

SARA BRISON

UNID.: mm

1ºDIEDRO

(70)

VISTA EXPLODIDA

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

PLANO AA

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2

ESCALA 1/2

TDT

(75)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

CORPO

LANÇADOR

2016

TURMA 1A ESC.: 1/1

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

5 5 16 25 74 40 6

UNID.: mm

(76)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

PLANO

PLANO AB

2016

TURMA 1A ESC.: 1/5

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

465

R7,50

(77)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

EXTERNO

PLANO AA

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

220

40

(78)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

GONIÔMETRO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/1

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

8 100 25 15

UNID.: mm

(79)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

GONIÔMETRO

LANÇADOR

2016

UNID.: mm

TURMA 1A ESC.: 1/1

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

80 30 8 R25 R30 15 70

(80)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

FRONTAL

BLOCO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

150

80

(81)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

CONECTOR

2016

TURMA 1A ESC.: 2/1

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

UNID.: mm

90

120

(82)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

GANCHO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/1

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

UNID.: mm

70

42

(83)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

2016

TURMA 1A ESC.: 2/1

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

UNID.: mm

PESO MAIOR

PESOS

ESPESSURA: 1,7mm 7

(84)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

(87)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

INTERNO

PLANO AA

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

180

40

(88)

1ºDIEDRO

JOÃO LUTZ

UFF

PROJETO VIII

FUNDO

BLOCO

2016

TURMA 1A ESC.: 1/2

TDT

TCE

DEPARTAMENTO DE DESENHO TÉCNICO

SARA BRISON

UNID.: mm

5 60 5 5