Introdução
Física é a ciência natural que estuda a matéria, o seu movimento e comportamento no espaço e tempo, e as entidades relacionadas, energia e força. A palavra deriva do grego antigo ‘φυσική ἐπιστήμη’ (physikḗ epistḗmē), que significa ‘conhecimento da natureza’. A Física é uma das disciplinas científicas mais fundamentais. Uma vez que os autómatos são brinquedos mecânicos, o trabalho com aqueles proporciona experiências com fenómenos e conceitos físicos. Alguns dos autómatos AutoSTEM são concebidos com especial enfoque em conceitos físicos específicos.
Força e energia
Força e energia são dois conceitos fundamentais na física clássica que estão diretamente relacionados com os autómatos. Há várias possibilidades de fontes de energia que fazem os autómatos mover-se. A mais simples consiste em as próprias crianças fornecerem a energia. Podem fazê-lo utilizando:
- manivela – Implementado na Bailarina ou na Ponte Levadiça
- alavanca – Isto é, por exemplo, implementado no Crocodilo Tesoura and Elefante Falador.
Trabalho
Em ambos os casos, as crianças aplicam uma força ao longo de uma distância. Fazendo isto, produzem trabalho. Trabalham a energia transferida para ou de um objeto através da aplicação de força ao longo de um deslocamento. Pode ser representado como o produto da força e do deslocamento. Uma vez que a energia é conservada, este produto é constante. Isso significa que se pode realizar o mesmo trabalho com uma força mais fraca, aplicando-a ao longo de uma distância maior. Este princípio é utilizado pela mais simples de todos mecanismos, a alavanca. Pode aprender mais sobre alavancas lendo o nosso documento sobre alavancas.
Não são apenas os seres vivos que podem produzir trabalho. A energia potencial pode ser convertida em trabalho, por exemplo:
Trabalho produzido pela gravidade
Existem muitos tipos diferentes de mecanismos que utilizam energia potencial gravítica. Quando se usa uma alavanca, a carga empurra-a para baixo assim que deixamos de aplicar a força. De alguma forma, utilizamos isto na Ponte levadiça. Normalmente, a força gravítica puxaria para baixo o tabuleiro da ponte quando soltamos a manivela. No nosso modelo, contudo, o atrito entre o eixo do guincho e o seu rolamento é tão elevado que equilibra a força gravítica (o peso) do tabuleiro da ponte. Por conseguinte, o tabuleiro elevado da ponte permanece no seu lugar. Para baixar a ponte, é necessário rodar a manivela na direção oposta. O mesmo princípio é utilizado no.Elevador.
Se enrolarmos um cordel à volta de um eixo e fixarmos uma massa à outra extremidade, a gravidade puxará a massa para baixo, provocando o desenrolamento do cordel, e o eixo rodará. Não temos autómatos que utilizem isto como fonte de energia por defeito, mas pode ser adicionado a vários autómatos, por exemplo, o Acrobata ou a Bailarina.
A potência da água que põe uma turbina em movimento é outro tipo de trabalho originado pela força gravítica porque é esta que faz a água correr para baixo.
Trabalho produzido por uma mola
Uma mola é um objeto elástico que armazena energia potencial elástica. Na linguagem corrente, o termo refere-se frequentemente a molas helicoidais, mas existem muitos formatos de molas.
- Pode-se usar uma mola helicoidal (de uma esferográfica) na Ponte levadiça para puxar para baixo o tabuleiro da ponte.
- A Catapulta utiliza uma mola em consola. Trata-se de uma mola plana fixa apenas numa extremidade, como uma consola, enquanto que a extremidade de suspensão livre suporta a força.
- O elástico do Eco-car 2funciona também uma mola em consola, mas em vez de suportar a força, puxa uma corda. – Um elástico pode ser utilizado como mola de duas maneiras diferentes.
- No Eco-car 1,, o elástico é uma mola de tensão onde a energia é armazenada através do alongamento do material.
- A Máquina que volta sempre usa um elástico como mola de torção. Trata-se de uma mola concebida para ser torcida em vez de comprimida ou estendida.
- Uma força produzida por ar comprimidogera-se através da energia contida no referido ar comprimido, como num balão. Isto será descrito mais detalhadamente na secção seguinte
Trabalho produzido por ar comprimido
O ar dentro de um balão pode produzir força quando é libertado. Utilizamo-lo nos nossos autómatos com um motor a jato, o Barco Balão, o Carro Balão e o Amphicar. Temos de aplicar força para inflar o balão. O balão aplica a força no ar fechado, pressionando-o através da abertura. De acordo com a terceira lei de Newton (ação igual a reação), a força do ar que corre para trás (chamada propulsão) cria uma força igual em direção oposta no veículo (chamada propulsão) que empurra o veículo para a frente.
A força do vento é outro tipo de trabalho por um gás. A Turbina Eólica utiliza vento que é criado artificialmente por um secador de cabelo.
Energia cinética
A energia cinética de um objeto é a energia que este possui devido ao seu movimento. É definida como o trabalho necessário para acelerar um corpo de uma dada massa desde o repouso até à velocidade declarada. Tendo ganho esta energia durante a sua aceleração, o corpo mantém esta energia cinética, a menos que a sua velocidade mude. Na maioria dos casos, porém, um veículo perde energia cinética devido à fricção. A energia cinética é transformada em energia térmica e a velocidade do objeto diminui.
Todos os nossos autómatos têm peças móveis. Assim, a energia cinética está envolvida e pode ser estudada. Podemos distinguir entre a energia cinética rotacional (por exemplo, a rotação de rodas ou da Bailarina) e a energia cinética translacional (por exemplo, o movimento de avanço de um carro).
Usando a Catapulta para ensinar Física no ensino secundário
Como mencionado anteriormente, há muitos conceitos de física envolvidos em todos os autómatos. No vídeo seguinte, utilizamos a Catapulta como exemplo para explicar como se pode utilizar este autómato para ensinar física em todos os níveis de ensino, desde o jardim-de-infância ao ensino secundário.
Reflexão
- Escolha outro autómato.
- Escreva os conceitos e princípios de física que pode ensinar com esse autómato.
- quando as crianças o constroem e
- quando as crianças brincam com ele.
- Compare as suas ideias com as sugestões apresentadas no respetivo Guião pedagógico e instruções de construção.