Uso de artefatos experimentais como auxílio didático pedagógico no ensino de física de nível médio. Professor Robert Saraiva Matos

Transcrição

1 Uso de artefatos experimentais como auxílio didático pedagógico no ensino de física de nível médio Professor Robert Saraiva Matos

2 Sumário Introdução; Preparação do experimento Anéis Ressonantes ; Discussão; Considerações finais; Referências.

3 Introdução Para alunos que finalizam o nível básico e iniciantes do nível médio recomenda-se algum aprendizado sobre ondas sísmicas e suas consequências (terremotos). Claro, em profundidade adequada ao desenvolvimento do jovem. O importante será destacar as frequências naturais como as coisas vibram e como tais modos de vibração podem ser excitados por uma fonte externa (fontes ressonantes). A melhor proposta para iniciar esse assunto será o professor levar para a sala de aula revistas ou recortes com fotos obtidas após um terremoto. Escolha um conjunto de fotos onde apareça bem nítido que só os prédios mais baixos ruíram (e os prédios mais altos, ao lado dos pequenos, permaneceram intactos) e outro conjunto de fotos que deixam patente que só os prédios mais altos ruíram (e os pequenos permaneceram intactos ou foram derrubados porque um grande caiu em cima). Tais conjuntos de fotos são fáceis de serem obtidas. Uma vez mostrado aos alunos tais conjuntos de fotos, a pergunta chave será:

4 Por que será que durante um terremoto as construções grandes e pequenas têm comportamento diferentes. Explicando melhor: durante um terremoto "só" desabam os edifícios grandes (os pequenos permanecem intactos, a menos que os grandes caiam sobre eles) ou os prédios pequenos (e os grandes permanecem intactos).

5 Preparação do experimento Anéis Ressonantes A finalidade desse dispositivo, muito simples, será permitir a visualização de que, objetos de tamanhos e rigidez diferentes, tendem a vibrar e a responder a frequências adequadas. Uma boa oportunidade para rever o conceito de frequência e ressonância. Os anéis simularão os prédios da cidade sob a ação dos abalos sísmicos. Material utilizado Uma folha de papelão grosso ou madeira fina com cerca de (30 x 40) cm. Uma folha de cartolina (qualquer cor). Fita adesiva e tesoura.

6 Corte 4 ou 5 tiras de cartolina de 2,5 cm de largura e o máximo de comprimento que a folha permitir. Corte essas tiras longas em tiras menores de modo a obter tiras com comprimentos de 50 cm, 42 cm, 34 cm, 26 cm etc. Junte as extremidades de cada tira (para formar anéis) sobrepondo-as cerca de 1cm e fixe com fita adesiva em ambas as faces. A seguir, como ilustra o desenho de abertura, fixe-as sobre a placa de papelão ou madeira fina (use fita adesiva ou grampeador).

7 Procedimento Agite a folha de papelão de um lado para o outro, horizontalmente. Inicie com baixas frequências e lentamente vá aumentando a frequência de agitação. Chame a atenção para os comportamentos dos anéis (que simulam os prédios). Mostre que sob baixa frequência (e só sob determinada baixa frequência) só o anel maior responde aos estímulos da excitação e começa a vibrar. Aumentando progressivamente a frequência do estímulo os anéis menores começam a responder.

8 Discussão 1. O que aconteceu? 2. Por que esse experimento recebeu o nome de Anéis Ressonantes? 3. Explique como isso acontece?

9 Discussão Verificamos que: Cada anel entra em ressonância a partir de uma determinada frequência. O anel menor só responderá à frequências mais altas. Leve isso para a situação dos prédios de uma cidade sob a ação do terremoto. A frequência das vibrações da terra seguem um determinado padrão... ou só baixas frequências --- e os prédios grandes caem --- ou só altas frequências --- e só os prédios pequenos caem! Não há terremoto que derrube grandes e pequenos ao mesmo tempo. Os edifícios não respondem a todas as frequências.

10 Considerações finais Continue a agitar o papelão cada vez mais rapidamente e observe que o anel maior começará a vibrar fortemente novamente. Cada anel poderá vibrar com mais de uma frequência, mas cada um continuará a ter seu próprio conjunto de frequências de ressonância. São as frequências harmônicas as responsáveis por essas novas vibrações. A seguir, reinicie o experimento agitando o cartão de cima para baixo em vez de um lado para o outro.

11 Considerações finais E agora? Observam-se as mesmas coisas? As frequências às quais cada anel responde, vibrando facilmente (suas frequências ressonantes) mudam. Elas são dependentes de vários fatores, entre os quais sua massa (inércia do papel) e sua dureza (rigidez). Objetos mais duros têm frequências ressonantes mais altas enquanto que objetos mais densos respondem a frequências mais baixas. O anel maior tem a maior massa mas, em compensação, é o mais flexível de todos (tente apertar cada um deles para sentir isso) e por isso responderá às mais baixas frequências. Vamos por isso de outro modo: o anel maior leva mais tempo para responder às forças do agente excitador. Durante um terremoto, duas estruturas podem responder de modo bem diferente às vibrações da terra, tudo vai depender de como as frequências ressonantes de cada edifício. Claro que sua rigidez (dada pelo modo com que foi construído e do material utilizado) e o tamanho da estrutura serão fatores importantes.

12 Referências