A ciência dos foguetes tornada simples Teach article

Prepare-se para descolar com estas atividades simples que demonstram alguns dos princípios-chave da ciência espacial.

artdee2554/Shutterstock.com

A expressão ‘ciência dos foguetes’ é frequentemente utilizada para explicar algo que é difícil de compreender. Apesar de desenhar e testar foguetes ser um empreendimento complicado que requer capacidades e muita capacidade cerebral, é possível – graças a algumas atividades simples – explicar alguma desta complexa ciência aos seus alunos.

Este artigo descreve uma coleção de atividades adequadas a alunos com idades entre os 8 e os 14 anos. Foram desenhadas para serem realizadas num laboratório e podem ser concluídas em cerca de duas horas. Se não houver disponibilidade para tanto tempo, contudo, algumas das demonstrações podem ser omitidas ou espalhadas por várias aulas. As atividades podem ser adaptadas para alunos do secundário ao incluir mais teoria e fórmulas relevantes. Note que muitas das atividades têm visualização disponível em vídeow1.

Atividade 1: o lançamento de um balão-foguete

Os foguetes são um exemplo perfeito para aprender sobre forças e as leis de movimento de Newton. Durante a descolagem há duas forças que atuam sobre um foguete: a impulsão empurra-o para cima pela expulsão de gases na direção oposta enquanto a gravidade o puxa para baixo. Assim que um foguete se está a deslocar, a resistência do ar atua no mesmo na direção oposta ao seu movimento. O foguete continuará a aumentar de velocidade enquanto a força da impulsão é superior às forças combinadas da gravidade e da resistência do ar.

Nesta experiência, o lançamento de um foguete é ilustrado ao encher um balão e, depois, deixá-lo ir. O ar que escapa exerce uma força no balão e o balão reage propulsionando-se no sentido contrário com a mesma força, como descrito pela terceira lei do movimento de Newton (para toda a ação há uma reação igual e oposta). A força oposta (como no caso da impulsão no foguete) empurra o balão para a frente (Figura 1). De forma a tornar a demonstração mais controlada, o balão é preso a uma corda.

Figura 1: A terceira lei do movimento de Newton demonstrada ao soltar um balão cheio de ar
Nicola Graf

Materiais

  • Balão (idealmente dos compridos)
  • Cordel (comprimento aproximado de 5 m)
  • Parafusos de bancada
  • Palha
  • Fita-adesiva
  • Tesoura

Procedimento

  1. . Ate uma extremidade do cordel a um parafuso de bancada preso a uma mesa.
    1. Corte a palha a meio, transversalmente, e enfie as duas metades pelo cordel, a partir da ponta livre. Se usar um balão normal (em vez de um balão alongado) isto não é necessário.
    2. Ate a extremidade livre do cordel ao outro parafuso de bancada, garantindo que o cordel fica bem esticado.
    3. Encha o balão e mantenha o bocal fechado com os dedos – mas não ate o balão.
    4. Prenda o balão às palhas usando fita-adesiva (Figura 2). Pode ser mais fácil trabalhar com um parceiro.

    6. Puxe o balão para uma extremidade do cordel. Solte o bocal e o balão e veja-o propulsionar-se ao longo do cordel. Quem consegue enviar o seu balão mais longe?

The rocket balloon is ready for launch
Figura 2: O balão-foguete é preso ao cordel, pronto para o lançamento.
Ole Ahlgren

Atividade 2: Fervendo água em vácuo

A pressão dentro da Estação Espacial Internacional (ISS) é semelhante à pressão na Terra, que é de uma atmosfera (1 atm). Fora da ISS, contudo, a pressão é de cerca de 10-12 atm. Se um astronauta fosse passear fora da ISS sem um fato espacial, qualquer humidade – tal como saliva na sua língua ou água nos seus olhos – começaria a ferver. Isto acontece porque a baixa pressão reduz o ponto de ebulição da água. Um líquido ferve quando a sua pressão de vapor (que aumenta com a temperatura) é igual à pressão do ar exterior. A pressão exterior muito baixa – perto do vácuo – também faria com que o ar saísse dos pulmões e o astronauta perderia a consciência por falta de oxigéniow2.

Uma forma de observar este efeito passa por colocar um copo de água à temperatura ambiente dentro de uma câmara de vácuo. Extraia o ar da câmara e observe a água a ferver. As primeiras bolhas que aparecem são, provavelmente, do ar dissolvido na água, mas em breve será a própria água a ferver.

If your school does not have access to a vacuum chamber, the experiment can be performed with a syringe, as outlined below.

Materiais

By creating a partial vacuum inside the syringe, students see how water boils when pressure is reduced
Figura 3: Ao criar um vácuo parcial dentro da seringa, os alunos veem como a água ferve quando a pressão é reduzida.
Ole Ahlgren
  • Seringa de plástico transparente
  • Válvula de seringa (opcional)
  • Gobelé
  • Água (aquecida a diferentes temperaturas)

Procedimento

  1. Coloque a seringa num gobelé cheio de água aquecida a aproximadamente 37ºC (temperatura corporal). Puxe o êmbolo para retirar alguns mililitros de líquido.
    1. Remova a seringa do gobelé. Coloque o dedo (ou uma válvula) na abertura da seringa e puxe o êmbolo. A água vai começar a ferver (Figura 3).
    2. Empurre o êmbolo na direção oposta e a efervescência para.

    4. Repita a demonstração com água a diferentes temperaturas. O que observa?

Quando puxa o êmbolo da seringa aumenta o volume dentro da mesma, resultando numa diminuição de pressão. A pressão é agora mais baixa dentro da seringa do que fora da mesma. Se água mais fria é usada (e.g. à temperatura ambiente) a sua pressão de vapor será mais baixa e, assim, a pressão externa precisa de ser ainda mais reduzida para que a água atinja o ponto de ebulição.

Atividade 3: Vencendo a resistência do ar

É famosa a conclusão de Galileu de que todos os objetos caem à mesma velocidade, independentemente da respetiva massa. Agora sabemos que, embora isto seja verdade sem a resistência do ar, tal não é normalmente o caso na Terra. Na experiência de queda martelo-pena feita na Lua durante a missão Apolo 15, o astronauta David Scott segurou um martelo e uma pena e largou-os ao mesmo tempow3. Ambos caíram exatamente ao mesmo ritmo; uma vez que a Lua não tem atmosfera, não havia resistência do ar. Quando largamos os mesmos objetos na Terra (em ar normal) a pena cai muito mais devagar do que o martelo, uma vez que a força da gravidade (para baixo) é maior para o objeto com mais massa. Isto quer dizer que a oposta força de resistência do ar afeta mais a pena do que o martelo (Figura 4).

Figura 4: Num vácuo, um martelo e uma pena tocam no chão ao mesmo tempo. Em ar normal, o martelo chega primeiro.
Nicola Graf

Este princípio pode ser facilmente demonstrado recorrendo a uma câmara de vácuo. Um pedaço de papel e uma bola de aço podem ser usados como objetos, como mostrado no nosso videow1.

Mesmo sem uma câmara de vácuo, pode demonstrar um efeito semelhante apenas com uma moeda e um pedaço de papel da forma abaixo descrita. Aqui, para além das forças da gravidade e da resistência do ar que atuam nos objetos, aspetos de dinâmica de fluidos entram em jogo.

Materiais

Figura 5: Um pedaço de papel é colocado no topo de uma moeda e os dois objetos são largados ao mesmo tempo de uma altura suficiente para demonstrar a resistência do ar.
Ole Ahlgren
  • Moeda
  • Papel
  • Tesoura

Procedimento

  1. Corte um pedaço de papel, garantindo que é mais pequeno do que a moeda (Figura 5).
  2. Coloque o papel no topo da moeda e segure a moeda entre dois dedos.
  3. Largue a moeda de uma altura de cerca de um metro. Note como o papel se agarra ao topo da moeda e que ambos aterram ao mesmo tempo.
  4. Agora, largue o papel e a moeda separadamente, mas ao mesmo tempo. Note como o papel cai muito mais devagar do que a moeda.
  5. Corte um pedaço de papel que seja maior do que a moeda.
  6. Coloque o papel no topo da moeda e largue a moeda outra vez. Note como o papel agora não se agarra ao topo da moeda.

Quando a moeda cai empurra para os lados o ar que está à sua frente. Se um pedaço de papel mais pequeno do que aquela se coloca no topo da moeda, o ar em frente do papel também é empurrado para os lados. Como resultado, o papel cai ao mesmo tempo que a moeda. Se o papel é maior do que a moeda, a moeda não consegue enviar para os lados todo o ar em frente do papel e a queda deste é, então, atrasada pela resistência do ar.


Web References

  • w1 – O autor fez um vídeo que mostra as atividades executadas no seu laboratório.
  • w2 – Para compreender o que acontece ao corpo humano num vácuo, visite o website da NASA e leia a sua lista de perguntas e respostas do passado (veja a questão 5) sobre ser astronauta.
  • w3 – A famosa experiência de queda da missão Apolo 15 está disponível para ser vista no YouTube.

Author(s)

Ole Ahlgren ensina Física, Química, Biologia e Astronomia no Roende Gymnasium, uma escola secundária na Dinamarca


Review

Este artigo traz à luz um tópico que é usualmente considerado particularmente difícil, especialmente por professores do ensino básico. Cada experiência envolve um conceito físico diferente (tais como forças de reação ou a pressão do ar) mas todas estão interligadas pelo tema comum do espaço. Os professores podem conduzir as experiências de uma vez, se quiserem abordar o assunto como um todo, ou podem escolher atividades específicas para ensinar de forma paralela à unidade de ensino mais apropriada. Globalmente, o artigo é muito útil para ambos os níveis (básico e secundário).

Dr Christiana Nicolaou, Archangelos Elementary School, Chipre

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