Hidrostática na aviação edm 0425 Metodologia de Ensino I



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Hidrostática na aviação




EDM 0425 – Metodologia de Ensino I

Juan Pinochet

4994296

Khaohun Shia

4895441

Luís Teston

4898333







2008

Índice


Índice 2

Apresentação 2

Aulas 1: Pressão atmosférica 3

Aula 2 e 3: Empuxo e densidade 6

Aula 4 e 5: Princípio de Bernoulli 9

Aula 6: Finalizando o curso 13

Bibliografia 15


Apresentação

Quando pensamos em aviação, sempre lembramos dos aspectos tecnológicos relacionados ao painel de controle do avião ou ao caos nos aeroportos. Geralmente, não associamos a aviação com os conceitos físicos do avião relacionados à hidrostática. Porém, ela existe, ela está presente na asa do avião e nos freios.

Este trabalho propõe um curso que mostre os aspectos da Física relacionados à hidrostática no avião. Este curso é proposto para os alunos do terceiro ano do ensino médio, visto que a hidrostática geralmente é abordado nos últimos anos do ensino médio.

O módulo é estruturado em duas partes: os aspectos conceituais e as atividades que podem incluir experiências ou o questionário. Algumas aulas apresentam material de apoio ao professor (guia do professor).




Aulas 1: Pressão atmosférica




Tema

Pressão atmosférica.



Objetivos

Compreender o conceito relacionado à pressão atmosférica.



Material

Garrafa pet transparente, 2 bexigas, elásticos, bomba de ar, canudo de plástico, rolha, tesoura, estilete, fita isolante.




Conceitos trabalhados

Pressão atmosférica





Planejamento da aula

Tempo (min)

1) O professor discute os conceitos físicos relacionados à pressão atmosférica e a aviação.

10

2) Atividade 1

25

3) Discussão dos resultados

15



Guia do professor - Atividade 1 – A pressão atmosférica

Corte a garrafa pet ao meio com a ajuda de um estilete Guarde a parte do gargalo e dispense a outra. Pegue a rolha e faça um furo em uma das extremidades com o estilete.

Fixe o canudo na rolha e amarre em sua ponta a bexiga com a fita isolante. Introduza esta peça na garrafa, lacrando o gargalo com a rolha. Tenha certeza de que a bexiga está bem fixa no canudo.

Com uma tesoura, recorte a parte de cima de outra bexiga e lacre com a parte aberta da garrafa com esta tira de bexiga, deixando a parte do bico pendurada. Depois amarre o bico dessa bexiga para que não saia ar.

Fixe a bomba de ar na bexiga e encha a bexiga com um pouco de ar. Retire a bomba e amarre o canudo com o elástico.

Puxe a bexiga para baixo e verifique que a bexiga interna expandiu.

Mantenha a bexiga na mesma posição em que foi puxada, solte o elástico do canudo e deixe sair um pouco do ar para restabelecer o mesmo volume ocupado pela bexiga anteriormente. Assim que atingir o mesmo volume anterior, amarre o canudo com o elástico.


  1. Por que a bexiga expandiu?

Ao puxar a bexiga para baixo, a pressão interna da garrafa diminuiu, enquanto que a pressão da bexiga interna permaneceu a mesma que a pressão atmosférica, fazendo com que ela expandisse, visto que a pressão atmosférica é maior que a pressão interna da garrafa.


  1. Utilizando-se da tabela 1 abaixo, justifique porque as cabines dos aviões precisam ser pressurizadas?




Altitude (metros)

Pressão atmosférica (cmHg)

0

76

500

72

1000

67

2000

60

3000

53

Altitude (metros)

Pressão atmosférica (cmHg)

4000

47

5000

41

6000

36

7000

31

8000

27

9000

24

Tabela 1 – Relação entre a altitude e a pressão atmosférica
A pressurização mantém a pressão interna do avião constante para que o corpo humano não tenha problemas respiratórios. Isso é necessário pois conforme se aumenta a altitude, diminui-se a pressão atmosférica, visto que se diminui a espessura da camada atmosférica que age sobre a superfície. Dessa forma, diminuindo-se a força que exerce sobre a superfície.

A pressurização é feita injetando-se na cabine o ar “sangrado” das cabines. Dessa forma a pressão interna da cabine é maior que a pressão externa. Se continuar injetando-se ar no interior da cabine que está hermeticamente fechada, a pressão irá aumentar tanto que chegará a um ponto em que a cabine explodirá. O mesmo que pode ser observado com a expansão das bexigas.

Para que isso não ocorra, o ar é eliminado através de válvulas OUT FLOW que regulam o fluxo de saída. O mesmo que pode ser observado quando se soltou o elástico do canudo para sair o ar contido na bexiga interna da garrafa.


Aula 2 e 3: Empuxo e densidade




Tema

Empuxo e densidade.



Objetivos

Compreender os conceitos físicos sobre o empuxo e a densidade e avaliar a possibilidade de aplicá-la na aviação.



Material

Papel alumínio, béquer com água.




Planejamento da aula 2

Tempo (min)

1) Vídeo

10

2) O professor explica os conceitos físicos relacionados ao empuxo e a densidade.

40



Planejamento da aula 3

Tempo (min)

1) O professor revisa os conceitos físicos relacionados ao empuxo e a densidade.

15

2) Atividade 2

15

3) Discussão dos resultados

20



Guia do professor – Vídeo

O vídeo utilizado encontra-se no link: http://www.youtube.com/watch?v=CMUP2UJmKPg&feature=related. Este vídeo resume os principais conceitos físicos relacionados ao empuxo e a densidade.



Guia do professor - Atividade 2 – empuxo e densidade

Faça um barco de alumínio e coloque sobre a água. Logicamente, o barco vai flutuar. Amasse o barco de alumínio, formando uma bola e coloque sobre a água. Verifique que o mesmo afundou.


Utilizando-se da tabela 2 abaixo:


Substância

Densidade (grama/cm3)

Ar

0,0013

Isopor

0,1

Água

1,00

Alumínio

2,7

Ferro

7,6

Aço

7,86

Cobre

8,9

Prata

10,5

Tabela 2. Relação entre as substâncias e as suas densidades.
Justifique por que o barco de alumínio flutuou e a bola de alumínio afundou se ambos possuem a mesma massa?

Ao amassar o alumínio, aumentamos o seu volume. Ou seja, o seu peso é maior que o empuxo que a água exerce e portanto ela afunda.

Empuxo = lVcg

Peso = cVcg

l = Densidade do líquido

c = Densidade do corpo


É possível que o avião voe somente dependendo do empuxo do ar em repouso? Por quê?

Não, pois o empuxo do ar não é capaz de elevar nenhum objeto mais denso que ele.



Aula 4 e 5: Princípio de Bernoulli




Tema

Princípio de Bernoulli.



Objetivos

Compreender os conceitos físicos sobre o princípio de Bernoulli e sua aplicação na asa do avião.



Material

Atividade 3: Secador de cabelo, funil, bola de ping-pong.

Atividade 4: Folha de papel, tesoura, régua.



Planejamento da aula 4

Tempo (min)

1) O professor explica os conceitos físicos relacionados ao princípio de Bernoulli.

50




Planejamento da aula 5

Tempo (min)

1) O professor revisa os conceitos físicos relacionados ao princípio de Bernoulli

15

2) Atividade 3

10

3) Discussão dos resultados da atividade 3

5

4) Atividade 4

10

5) Discussão dos resultados da atividade 4

10



Guia do professor – Princípio de Bernoulli

O princípio de Bernoulli pode ser verificado através de um tubo que possui um enforcamento em certo trecho. Em cada trecho existe um tubo vertical na qual fazem o papel de manômetro que mede a pressão da água.

Quando o líquido está em repouso, os tubos verticais permanecem em uma mesma altura, indicando a pressão que ocorre naquele trecho. Quando o líquido está em movimento, nota-se que o tubo vertical do meio possui uma altura menor que os outros dois. Isso ocorre pois a quantidade de água que chega ao tubo deve ser a mesma que sai do tubo, e como o volume do trecho em que está enforcado é menor, é necessário que a sua velocidade seja maior.

Esse mesmo princípio pode ser utilizado na asa do avião. O ar que passa pelo lado de cima percorre uma distância maior que o ar que passa embaixo, mas o tempo é o mesmo, resultando em uma pressão menor segundo esse princípio. Com isso, a pressão superior é menor que a inferior auxiliando o avião a decolar.


Figura1 – Esquema da asa do avião e o deslocamento do ar.




Guia do Professor - Atividade 3 – Princípio de Bernoulli.

Coloque a bola de ping-pong dentro do funil. Coloque o secador embaixo do funil, de modo que o jato de ar seja introduzido para dentro do funil.


1) O que pode ser observado?

A bola de ping-pong flutua, mas não sai do funil.


Peça para que os alunos soprem pelo funil e tente retirar a bola do funil apenas soprando pelo funil.
2) Por que não foi possível retirar a bola do funil soprando pelo funil?
Ao assoprar pelo funil, cria-se um deslocamento de ar na superfície da bola, diminuindo a pressão ao redor da bola. Mas a pressão fora dessa área onde possui esse deslocamento do ar continua a mesma, impedindo que a bola saia do funil.

Guia do Professor - Atividade 4 – Princípio de Bernoulli.


Corte uma tira de papel de aproximadamente (3 x 20) cm e dobre uma orelha a 3 cm de uma das extremidades. Segure essa extremidade com a orelha voltada para baixo contra os seus lábios inferiores e assopre levemente. O papel irá se levantar porque o ar em movimento acima da tira exerce menos pressão do que o ar abaixo dela o qual está praticamente em repouso. A asa do avião não tem esse formato da tira de papel?


1) O que pode se concluir pelas observações do experimento?

Conforme visto no experimento, o formato da asa do avião permite um deslocamento de ar com maior velocidade na sua parte superior , diminuindo-se a sua pressão conforme o princípio de Bernoulli.


2) Por que não é aconselhável que um avião comercial voe de cabeça para baixo?

Conforme visto no exemplo, ao voar de cabeça para baixo, a parte superior da asa possui velocidade menor que a sua parte inferior. Dessa forma, existe maior pressão superior, o que provocaria a queda do avião.


3) Como os aviões de acrobacia ou aviões de guerra podem voar de cabeça para baixo?

Os aviões de acrobacia possuem diversas adaptações, dentre elas, a asa do avião é diferente da asa do avião comercial. Essas asas são simétricas, ou seja, são identicamente moldadas nas suas partes superiores e inferiores. A figura 2 mostra exemplos de asas de aviões de acrobacias e de guerra.


Figura 2: Formatos de asa de avião de acrobacia (acima) e de guerra.



Aula 6: Finalizando o curso

O professor retoma os tópicos que foram abordados ao longo do curso, fazendo as conexões que achar necessário. Ele pode seguir o roteiro de perguntas dessa aula, ou permitir aos alunos uma aula somente para solucionar as dúvidas deles que não foram respondidas ao longo do curso.



Guia do Professor - Perguntas.

1) Por que a despressurização da cabine do avião provoca insuficiência respiratória nos passageiros?

Conforme aumenta a altitude do avião, diminui-se a pressão. Como não há pressão suficiente para empurrar o oxigênio dos pulmões para a corrente sanguínea, ocasionando insuficiência respiratória.
2) Quais são as vantagens e desvantagens das cabines pressurizadas?

Vantagens: Permite voar em grandes altitudes sem a necessidade de utilizar equipamentos auxiliares de oxigênio. Permitem controlar o aquecimento e a ventilação das cabines.

Desvantagens: Existe uma descompressão rápida em caso de falhas ou alterações na estrutura da aeronave. Em caso de emergência, é necessário ter equipamentos de oxigênio suplementar.
Quais são as forças semelhantes que atuam no barco e no avião?

Empuxo e Peso.


Qual o fato físico que provoca o aparecimento da força de empuxo?

O empuxo ocorre devido á diferença de pressão entre a parte inferior e superior do corpo.


5) Conhecendo-se o funcionamento da asa do avião, explique o funcionamento do aerofólio dos carros de corrida.

O aerofólio do carro de corrida é o inverso da asa do avião. A velocidade da parte inferior do aerofólio é maior que a sua parte superior, dessa forma a pressão sobre a parte superior do aerofólio é maior que a parte inferior do aerofólio. Dessa forma, quanto maior a velocidade do carro, maior é a pressão superior no aerofólio, empurrando os pneus do carro contra a pista.



Bibliografia



http://www.feiradeciencias.com.br/sala02/02_PC_01.asp (Acessado em 11/07/2008)

http://www.piquetsports.com.br/avi_npj/cgi-bin/PageSvr.dll/Get?id_doc=842 (Acessado em 11/07/2008)

http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u11.jhtm(Acessado em 11/07/2008)

http://efisica.if.usp.br/mecanica/basico/hidrostatica/ (Acessado em 11/07/2008)

http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xvi/cd/resumos/T0370-4.pdf (Acessado em 11/07/2008)

http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol7/Num2/v13a07.pdf (Acessado em 11/07/2008)

http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20031/Andre/index.htm (Acessado em 11/07/2008)

http://www.youtube.com/watch?v=CMUP2UJmKPg&feature=related (Acessado em 11/07/2008)

http://www.igeducacao.ig.com.br/materias/442001-442500/442097/442097_1.html (Acessado em 11/07/2008)

http://www.efeitojoule.com/2008/05/asa-do-aviao.html (Acessado em 11/07/2008)
MÁXIMO, A. e ALVARENGA, B. Curso de Física – Vol. 1. Ed. Scipione

TOLEDO, P. e FERRARO, N. E SANTOS, J. Aulas de Física 2. Atual Editora.





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