A MASSA DO MÓDULO LUNAR

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1 A MASSA DO MÓDULO LUNAR Resumo Sérgio Noriaki Sato Muitas vezes os colegas professores, até por saberem que trabalho com Modelagem Matemática, perguntam-me o que a Modelagem é e como podem implementála em seus trabalhos. Minha concepção de Modelagem Matemática é a mesma de BARBOSA, 2001, ou seja, a de um ambiente de aprendizagem. Este relato de experiência apresenta um acompanhamento de investigação matemática que realizei junto a um grupo de alunos que trabalhavam com o software Lunar Lander 1. Desta forma, iniciou-se um trabalho de modelagem e investigação matemática, nos moldes de PONTE, 2003, sobre um módulo espacial em pouso na Lua. Meu objetivo era que eles realizassem uma investigação matemática e extraíssem informações sobre o tema escolhido; e, desta forma, pudessem praticar a Modelagem Matemática. O grupo atuou comigo de forma satisfatória e conseguimos determinar a massa do módulo lunar do software 2 em 7670 kg. Palavras-chave: Investigação Matemática; Projeto Interdisciplinar; Modelagem Matemática Relato Sou professor de Matemática 3 do Ensino Médio de uma escola particular na cidade de São Paulo, de grande tradição, até mesmo por completar, em 2010, 50 anos de fundação. A disciplina de Matemática que desenvolvo ocorre apenas para os alunos do terceiro ano do Ensino Médio. A minha disciplina é oferecida como uma frente (ou 1 O Lunar Lander é um software free desenvolvido pela equipe do PhET da Universidade do Colorado, em Bolder, EUA, e que pode ser conseguido no endereço 2 Apenas como comentário, o site Wikipédia informa, em sua versão em inglês, que o módulo lunar, chamado de Eagle (águia) tinha massa de kg. 3 Além de professor universitário. 741

2 divisão) da disciplina principal e minha função é trabalhar com os conteúdos já vistos nos anos anteriores (revisão) e realizar uma preparação especial para os processos seletivos do ITA (Instituto Tecnológico da Aeronáutica) e do IME (Instituto Militar de Engenharia). Sempre que posso (e não posso tanto quanto gostaria, pois o colégio é muito tradicional) desenvolvo projetos de convite à modelagem matemática e isto passou a ser um modo interessante de envolver os alunos numa perspectiva de formação científica, conforme ZEICHNER, De forma geral os alunos têm os pré-requisitos matemáticos e particularmente o grupo que atendi está acima da média. O professor de Física estava usando um software denominado Lunar Lander que essencialmente é um jogo. Neste jogo o participante controla um módulo lunar, uma pequena nave que desce na Lua. De fato, visualmente, é muito parecido com os módulos lunares que pousaram na Lua no final dos anos sessenta e início dos anos 70 do século XX. Um dos motivos da atividade é que, este ano, em 20 de julho, comemoram-se os 40 anos da chegada dos astronautas ao nosso satélite natural. No jogo o módulo é controlado pelas setas direcionais do teclado, pela barra de espaço e temos, ainda, vários indicadores, que formam o painel de controle, como pode ser visto na figura a seguir. O módulo inicialmente está em repouso a 50m acima da superfície da Lua. O painel de controle de fundo amarelo, no alto à direita, contém: uma seta azul que indica a inclinação do eixo vertical do módulo; um altímetro (na figura indicando 37m), um medidor denominado range, que indica a que distância se está do alvo principal da missão (na figura indicando 45m); um medidor de velocidade vertical, v_y, em metros por segundo (na figura, -6,5); um medidor de velocidade horizontal, v_x, também em metros por segundo (na figura 0,0); um indicador do empuxo recebido do motor principal, denominado thrust, em newtons; e a indicação de quanto combustível resta a disposição do 742

3 módulo, tanto na barra vertical verde, quanto no indicador digital, logo abaixo, que na figura mostra 817kg de combustível. Pode-se, ainda, habilitar ou não o som e a visualização dos vetores de velocidade e aceleração que atuam sobre o módulo. O objetivo do jogo é pousar o maior número de vezes no solo lunar, o mais suavemente possível (protegendo assim a nave e a tripulação), com o combustível disponível, inicialmente em 817kg. Vence a competição o participante que marcar mais pontos. Os pousos devem ocorrer nas regiões planas, pois as rochas e penhascos destroem a nave e a missão se encerra. Pousar mais de uma vez na mesma região plana não concede novos pontos. A pontuação é maior se o pouso é realizado em locais estreitos, entre rochas, e menor se nas grandes áreas planas. De fato, são 5 pontos nas grandes áreas planas e 50 pontos nas regiões estreitas. Dez pontos extras são concedidos se o pouso ocorre com velocidade inferior a 2,0m/s, velocidade total do módulo, como a resultante dos efeitos vertical e horizontal. A nave também é destruída, mesmo que seja uma zona plana, se a velocidade do módulo superar 12m/s. Como controles adicionais existem os botões do teclado R e P que, respectivamente, são usados para reiniciar (reset) e para pausa (pause). A barra de espaço desliga o motor principal, se ele estiver ligado, e liga o motor principal, em máximo empuxo, de N, se ele estiver originalmente desligado. A intenção do professor de Física, neste jogo, exceto as comemorações do pouso na Lua, era estudar os efeitos da gravidade na queda livre, no lançamento vertical, a dinâmica dos vetores, velocidade e aceleração, na movimentação do módulo. Para os alunos, obviamente, trata-se de um jogo, e, portanto, de um ambiente no qual podem brincar, ainda que também possam discutir conceitos de Física. O jogo permite que se possa determinar a altura máxima que o módulo atinge, ou mesmo com que velocidade ele pousa na Lua. Uma das primeiras perguntas que os alunos fizeram ao professor de Física foi Qual a aceleração da gravidade na superfície da Lua?. O professor respondeu de memória que seria algo próximo de um sexto da gravidade terrestre. De fato é o valor que costumeiramente é usado! Como na superfície da Terra a aceleração é próxima de 9,8m/s 2, a aceleração na superfície lunar é de 9,8/6 = 1,63m/s 2. Parte das atividades que fizeram com o jogo Lunar Lander foi exatamente determinar a aceleração gravitacional lunar. Com os dados disponíveis, quais sejam: a 743

4 altura em que o módulo é inicialmente abandonado e a velocidade de impacto do modulo na Lua, um dos alunos, com um sorriso malicioso, me disse que tiveram que matar a tripulação do módulo, mas eles conseguiram esta informação. Tudo pela Ciência!. De fato, como se pode ver na figura a seguir, a tripulação virtual não sobreviveu ao desastrado pouso, se é que podemos dizer assim. O módulo foi abandonado da altura de 50m e atingiu o solo com velocidade final de 12,6m/s. Como os próprios alunos me disseram, a equação de Torricelli 4 resolve este problema. A equação de Torricelli é v 2 = v a.Δy, onde v e v 0 representam, respectivamente, a velocidade final e a velocidade inicial do módulo; a aceleração a que o módulo está sujeito e Δy é a distância percorrida entre as posições inicial e final. Para o problema em questão, v = 12,6m/s; v 0 = 0 (o módulo é abandonado no início da simulação para tanto basta não acionar o motor principal do módulo) e Δy = 50m. Assim posto, v 2 = v a.Δy 12,6 2 = 2.a ,76 = 100.a a = 158,76/100 = 1,59m/s 2, o que está bem razoável, dadas as imprecisões que desconhecemos dos cálculos do próprio software 5. Para efeito deste trabalho, adotar-se-á o valor de 1,6m/s 2 para a aceleração da superfície lunar. Aproveitei a oportunidade para lembrar aos alunos que a equação de Torricelli é ela mesma um modelo. E como modelo permite interpretar um fenômeno a partir dos parâmetros deste fenômeno, nos levando a conclusões. 4 5 Torricelli foi um físico e matemático italiano, aluno de Galileu Galilei, que viveu entre 1608 e De acordo com o site Wikipédia, a aceleração equatorial na superfície lunar é de 0,1654g, onde g = 9,80m/s 2, o que produz a aceleração da superfície da Lua, 1,62m/s

5 Na verdade o próprio jogo Lunar Lander utilizava equações como esta para simular (e mesmo modelar) a situação de um pouso na Lua. Mas o que eles, os alunos, propuseram ao professor de Física? Depois de terem brincado com o jogo e respondido as várias questões que o professor de Física formulou, eles perguntaram ao professor qual é a massa do módulo. O professor disse-lhes que esta informação não estava disponível e que, mesmo tendo consultado o site que originou o jogo, ele não sabia a resposta. E ficou nisto! Os alunos perguntaram se não havia uma forma de se determinar isto e o professor disse-lhes apenas que a massa não tinha relação com a queda livre, pois corpos com massas diferentes caem com a mesma aceleração (o que está corretíssimo!) e encerrou a questão e aula. Um dos alunos perguntou se não seria possível determinar esta massa, pois o professor de Matemática de revisão sempre insistia que se pode explorar um fenômeno matematicamente. O professor disse que mesmo que isto seja possível o problema envolvia uma massa variável e isto implicaria em Matemática Superior, o que estava além do conhecimento deles! Questão encerrada. Até pelo menos eles me procurarem. De fato, sempre os estimulo a questionar a realidade e sempre reafirmo que a matemática pode ser o instrumento para discutí-la, conforme BASSANEZI, O fato é que eles me trouxeram o problema. Qual é a massa do módulo espacial usada no jogo de simulação Lunar Lander? De fato a postura do colega de Física não me é nova! 6. Por isso, preferi omitir os nomes dos envolvidos e da instituição. Formulação do problema Após uma reunião com o grupo, fora do horário de aula 7, estabelecemos que precisávamos determinar como a massa da nave varia e se de fato o software se utilizava deste conceito de massa variável. 6 Há ainda alguma relutância de colegas professores em ver o ambiente de Modelagem Matemática como facilitador na negociação de significados, mas como prática profissional insisto, conforme afirmou D AMBRÓSIO, na oportunidade da palestra de abertura do IV CNMEM, em Piracicaba, SP, em 2003, que (...) o professor deve subverter o status quo (...). 7 Fizemos a reunião no período da tarde, depois da aula regular da manhã e antes das atividades de revisão. 745

6 Era evidente, pelo painel de controle, que a massa de combustível variava, mas talvez esta variação fosse desprezada pelo software. O que sugeri e o grupo acatou, após rápida discussão, era que usássemos os modelos de Galileu e Torricelli para o chamado MUV Movimento Uniformemente Variado. Se a aceleração do módulo lunar se mostrasse constante nas equações, isto significaria que a massa total do módulo era constante. Caso encontrássemos variações significativas nesta aceleração, isto significaria que a massa do módulo lunar variava e esta variação seria a do combustível. Como o painel de controle do Lunar Lander nos informa altura e velocidades, mas não tempo, a equação de Torricelli novamente nos seria útil. A ideia era tabular as alturas e velocidades e determinar a aceleração total sobre o módulo. Pedi que os alunos fizessem a coleta de dados e me trouxessem no próximo encontro. De fato não tive que esperar muito. Por recebi os dados, que me permitiram organizar na tabela a seguir. y(m) v_y(m/s) 50 0, , , , , , , , ,0 Os que eles me relataram é que com o jogo em pausa o motor principal foi acionado (eles haviam descoberto durante as muitas partidas que disputaram que poderiam fazer isto sem consumir combustível) e com a pausa liberada a nave subia verticalmente e cada vez mais rápido, dado que o empuxo do motor, era de N. Importante destacar que um dos alunos do grupo já havia mencionado que se este empuxo é capaz de fazer com que o módulo suba verticalmente então é porque este empuxo é superior ao peso do módulo na Lua. E assim ele já havia me trazido alguns rascunhos de onde se pode escrever: > Peso > m.g > m.1,6 m < 45000/1,6 = kg. Assim, já sabíamos que o módulo não poderia ter massa superior a 28125kg, pois, não fosse isto, o empuxo não seria capaz de erguer a nave. Retomando os dados da última tabela e adaptando a equação de Torricelli para as condições que os alunos haviam colocado no jog,o temos: v 2 = v a.Δy v 2 = 2.a.(y 746

7 50) a = v 2 /(2y 100). Se a massa do módulo é constante, então a aceleração advinda das forças constantes que atuam sobre o módulo (empuxo e peso) deveriam produzir uma aceleração constante. O grupo de alunos já havia concluído que se a massa do módulo se reduz, em função da queima de combustível, a aceleração ascendente deveria crescer. Mostrei a eles os valores encontrados 8 e que podem ser vistos abaixo. y(m) v_y(m/s) a (m/s 2 ) 50 0, ,8 4, ,4 4, ,5 4, ,0 4, ,3 4, ,6 4, ,8 4, ,0 4,62 Ao observar os resultados o grupo foi unânime quanto à variação da aceleração, até porque já havíamos estabelecido a precisão máxima de três algarismos significativos 9. Pensei até em discutir um pouco de análise de variância, para aproveitar o momento para discutir estatística, mas o grupo considerou tão evidente a variação da aceleração que isto ficou só na minha vontade. Eles me perguntaram qual seria o próximo passo? E eu devolvi a pergunta a eles. Pedi que se reunissem e pensassem no que fazer agora. Alguns dias depois, pessoalmente e na escola, eles me contaram que conversaram com o professor de Física que a aceleração do módulo era variável e mostraram como sabiam disto. Neste momento, o professor de Física teve a certeza de que eu estava ajudando. Na verdade, se ele se importou, não me disse! Ao contrário, pediu-me que continuasse ajudando os alunos, pois ele estava sem tempo. Disse-me, ainda, que já havia adiantado a eles que a massa do módulo seria variável e que apenas com Matemática Superior o problema poderia ser abordado. Pessoalmente, me senti como adepto da Modelagem Matemática, desafiado a ajudar os alunos na análise do problema da massa do módulo, ou usando os recursos que eles já tinham, ou, então, aprendendo junto com eles um novo caminho. 8 9 Respondi a eles por . O conceito de algarismo significativo é mais robusto estatisticamente do que o popular quantidade de casas decimais e coerente com um experimento. 747

8 Assim, pedi aos alunos que tabulassem a variação de massa do combustível do módulo para que pudéssemos analisar como era esta variação. E neste caso a informação de tempo era importante. O que eles me relataram é que cronometraram o consumo de combustível a máximo empuxo de N e os resultados estão na tabela a seguir. t(s) m(kg) Os alunos perceberam que a variação de combustível tinha algo de linear, pela proporcionalidade na variação da massa. Contudo, alguns deles já me adiantavam que não existia uma reta que passasse por todos os pontos. O que eles na verdade me diziam é que a reta que passava por dois pontos escolhidos aleatoriamente não se ajustava aos demais pontos. Disse a eles, então, que precisávamos encontrar uma reta que, mesmo que não passasse perfeitamente por todos os pontos, passasse entre eles, com o menor erro possível. Pedi que pesquisassem sobre Mínimos Quadrados e Ajustes de funções. Na verdade estava escondendo o jogo, como diz o dito popular. Pensava em usar o recurso de ajuste de funções (linha de tendência) que o Excel possui. Fiquei surpreso quando o próprio grupo me informou que este recurso estava lá no Excel, mas que eles não tinham entendido em que base isto funcionava. Discutimos por uma hora todas as bases nas quais se apoia o recurso de linha de tendência do Excel, e só isto já fazia valer a pena a discussão do jogo Lunar Lander. Aplicada a linha de tendência linear aos valores dados, o R de Pearson encontrado foi de -0,99991, o que indicava fortíssima tendência linear e que ela era decrescente, pois R < 0, o que tinha todo o significado para o grupo, pois o combustível sofria redução com o tempo. A função ajustada pelo Excel foi m = ,68.t, onde m é a massa residual de combustível, em kg, e t é o tempo de consumo contínuo deste combustível, em segundos. A função encontrada permitiu prever o tempo máximo de uso do empuxo de N, pois m = ,68.t = 0 t = 816/14,68 = 55,6 s. Este resultado foi 748

9 validado pelo próprio software. Na verdade os alunos já sabiam deste tempo devido a sua experiência em usá-lo como jogo. Neste momento tínhamos a certeza da variação da massa do módulo e acreditávamos que esta variação se dá em função da massa de combustível. Mas como ter certeza disto? Não havia razão, pelo menos assim pensava o grupo inicialmente, de que a massa variasse em função de outra coisa, que não a massa consumida de combustível. Mas disse a eles que o rigor científico nos exigia esta certeza. Um deles sugeriu então que acompanhássemos a velocidade do módulo, após o término do combustível e tabelássemos a posição do módulo e sua velocidade. Deveríamos então obter uma aceleração constante. A tabela a seguir retira qualquer dúvida e novamente a ajuda vem da equação de Torricelli. y(m) v_y(m/s) a (m/s 2 ) , ,3-1, ,4-1, ,6-1, ,4-1,60 E para aqueles que ficaram com vontade de saber a altura máxima atingida pelo módulo, isto também pode ser determinado pela equação de Torricelli e também foi validado pelo software, onde se registrou o valor máximo da altura em m, como atesta a figura a seguir do painel de controle. Ainda que seja bem difícil se conseguir v_y exatamente igual a zero. O grupo já estava seguro de que a massa do módulo variava em função da queima de combustível e apenas isto. 749

10 Mas a questão ainda permanecia: Qual é a massa do módulo lunar? Precisamos de alguma expressão matemática em que pudéssemos ter a massa do módulo. Disse aos alunos, que estão fazendo várias revisões para os vestibulares, que era missão deles encontrar algo. E eles encontraram! O teorema do impulso afirma que o produto entre a força resultante e o tempo de aplicação da força é igual ao produto entre a massa e a variação de velocidade. Em termos matemáticos 10 F.Δt = m.δv. Mas há um problema! Isto só é verdadeiro se a massa for constante. Sabemos que a massa varia linearmente com o tempo. Fiz a sugestão de levar em conta esta variação e considerar uma massa média. Na verdade, a ideia foi usar como massa constante a massa média do intervalo Δt considerado. Assim, o teorema do impulso fica: F.Δt = m.δv. Onde F é a força resultante, ou seja, a diferença entre o empuxo e o peso do módulo, F = E P. Ocorre que o peso do módulo também depende da massa do módulo, pois P = m.g, então F = E m.g. A massa do módulo deveria ser uma massa M fixa, menos aquela perda média de massa, no intervalo considerado. Isto posto ficamos com F = (M - Δm/2).g. Então, o teorema do impulso torna-se finalmente: [45000 (M - Δm/2).g].Δt = (M - Δm/2).Δv Pedi a eles, então, que a partir da massa residual no tanque do módulo e da velocidade vertical, ambas dadas pelo painel de controle, e também das medidas de tempo cronometradas, calculássemos o valor de M. Δm Δm t +. gt +. v Da última equação, tem-se que M = 2 2 v + gt A tabela a seguir mostra os dados obtidos e a massa estimada para o módulo. Combustível residual (kg) Velocidade vertical na pausa (m/s) Tempo de impulso estimado 11 (s) Perda de massa (kg) Semiperda (kg) Massa estimada (kg) ,1 3, ,0 7635, ,2 4, ,5 7664, Na verdade uma variação da segunda lei de Newton, F = m.a. O tempo de impulso foi estimado pela equação ajustada entre a massa residual e o tempo. 750

11 722 27,7 6, ,0 7640, ,8 7, ,5 7665, ,8 8, ,0 7673, ,9 11, ,0 7677, ,3 14, ,5 7670, ,4 16, ,0 7677, ,0 21, ,5 7668, ,7 27, ,0 7674, ,9 33, ,5 7671, ,1 37, ,5 7678, ,8 41, ,5 7676, ,6 45, ,5 7672, ,9 48, ,5 7675, ,9 49, ,5 7674, ,4 50, ,0 7670, ,5 52, ,0 7675, ,3 53, ,5 7672, ,8 54, ,5 7691, ,8 55, ,5 7670,52 Os alunos ficaram um pouco preocupados ao ver os resultados para a massa do módulo, pois esperavam uma massa fixa na última coluna. Os tranquilizei de que estamos estimando a massa do módulo a partir de dados que variam. Como eles já haviam estudado um pouco de estatística, pedi que calculassem o coeficiente de variação para a massa do módulo. Eles não se lembravam o que era inicialmente. Lembrei-os que era a razão entre o desvio padrão e a média dos dados, e que eles poderiam facilitar as operações com o uso do Excel novamente. Por eles me retornaram o valor de 0,158%, que é baixíssimo! Por fim, adotamos a média das massas encontradas, 7.670kg, como sendo a massa do módulo. Considerações finais Levamos nossos resultados para a classe e o grupo foi aplaudido pelos colegas. O professor de Física ficou impressionadíssimo, mas não tem puxado muita conversa comigo. Pedi que o grupo apontasse o que chamou mais a atenção a eles neste evento: 1. A aquisição de conhecimentos relativos à Estatística, na prática. 2. Aplicação dos conceitos de Física na prática, ainda que simulada. 3. Consideraram o Lunar Lander um jogo pedagógico muito bem feito e parabenizam à equipe do PhET da Universidade do Colorado. 751

12 4. A aquisição de habilidades quanto ao emprego da planilha de cálculo Excel para a determinação de tendências no comportamento de uma variável. 5. Que a Matemática é um instrumento interessante para mediar nossa comunicação com a realidade o que validou a fala popular Gente... A Matemática serve para alguma coisa!. 6. Que mesmo um simples jogo de computador, ainda que tenha pretensões pedagógicas, pode proporcionar um cenário para mais aprendizagem. Assim, isto ratifica minha posição quanto à Modelagem Matemática como um ambiente de aprendizagem onde o aluno também fala além de ouvir; onde o professor coordena e não apenas transmite conteúdo; conteúdo este que é aberto e não fechado e no qual a visão de mundo possa ser mais relacional a partir de uma perspectiva que não é apenas cognitiva, mas cognitiva-emocional. A partilha de valores, como a tenacidade, medida através da vontade em resolver o problema, foi para mim um troféu. Referências BARBOSA, Jonei Cerqueira. Modelagem Matemática: concepções e experiências de futuros professores. Tese de doutorado. Rio Claro: Unesp, BASSANEZI, Rodney Carlos. Ensino-aprendizagem com Modelagem Matemática. São Paulo: Contexto, PONTE, João Pedro da et al. Investigações Matemáticas na sala de aula. Belo Horizonte: Autêntica, ZEICHNER, Keneth. A formação reflexiva de professores: idéias e práticas. Lisboa, Portugal: Educa,