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“Usina Pressohidroelétrica” Um modelo funcional de usina de transformação de energia como ferramenta no ensino de Eletromagnetismo "Presshydroeletric power plant" A working model of mill processing power as a tool in the teaching of electromagnetism

Jonny Nelson Teixeira1, Mikiya Muramatsu2, Luis Augusto Alves3 1

Doutorando em Ensino de Física, Docente, Departamento de Licenciatura em Física, Instituto Federal de São Paulo, Itapetininga, SP. jonny@if.usp.br 2 Professor Associado, Docente, Departamento de Física Geral, Instituto de Física da USP, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP. mmuramat@if.usp.br 3 Doutorando em Ensino de Física, Docente, Departamento de Licenciatura em Física, Instituto Federal de São Paulo, São Paulo, SP. Luis_aa@ig.com.br


Resumo: Este trabalho tem como objetivo apresentar uma proposta de construção de um modelo de usina hidroelétrica com materiais recicláveis e de baixo custo, que pode ser utilizado para trabalhar vários conceitos de Mecânica, Eletromagnetismo e hidrodinâmica em uma classe de Ensino Fundamental e Médio. Geração e gasto de energia elétrica são assuntos sempre presentes em um curso de Eletromagnetismo básico. Além de ser uma questão muito importante para o desenvolvimento de uma nação, é um assunto interdisciplinar que pode ser olhado por outras disciplinas, como Geografia, Sociologia, Biologia e Química, dependendo da abordagem.

Palavras-chave: Energia elétrica, usina hidrelétrica, ensino de Física, Eletromagnetismo. Abstract: This paper aims to present a proposal to build a hydroelectric plant model with recycled and low cost materials, which can be used to work several concepts of mechanics, electromagnetism and hydrodynamics in a class of elementary and high school Generation and spending power are always present issues in a basic EM course. Besides being a very important issue for the development of a nation is an interdisciplinary subject which can be viewed by other disciplines such as geography, sociology, biology and chemistry, depending on the approach. Keywords: Elecetric energy, Power hydroelectric plant, physics teaching, electromagnetism. Introdução: Nestes tempos onde o ensino multidisciplinar é almejado e recomendado pelos órgãos governamentais que regularizam o ensino, ainda se veem os níveis de ensino de ciências da natureza e suas tecnologias em baixa, como mostram alguns indicadores nacionais e internacionais (ENEM, 2008; PISA, 2006). Apesar das iniciativas de pesquisadores que buscam a melhora do ensino das ciências, pesquisas mostram que raramente estas pesquisas chegam efetivamente onde deveriam chegar, nas salas de aula das escolas públicas do Brasil. Dentro destas questões que necessitam de vários conhecimentos e habilidades necessárias para sua compreensão está a tal “sustentabilidade”, principalmente no que diz respeito à energia elétrica utilizada no país. Daí, conhecimentos sobre como a energia elétrica é gerada e distribuída são necessários, não só para entender como os fenômenos de indução eletromagnética acontecem, mas também o que é necessário para que as turbinas geradoras de energia sejam acondicionadas e dispostas para que a variação do fluxo do campo magnético seja feita. Embora se tenham métodos diferentes de geração de energia elétrica, como o caso das energias fotovoltaicas ou de termopares (estes pouco utilizados), o gerador eletromecânico de energia ainda é o modo mais usado por grande parte das usinas de transformação de energia elétrica em todo o mundo, indo desde as mais conhecidas usinas hidroelétricas, termonucleares e termoelétricas até as tão difundidas turbinas eólicas e as mais novas turbinas utilizadas em usinas


alternativas, como as de biogás e as que utilizam energia das marés e outras, como a energia geotérmica. O fato é que os alunos de ensino médio devem sair desta parte básica do ensino com conhecimentos básicos significativos para que possam opinar e entender sobre os assuntos que, neste caso específico, dizem respeito aos seus direitos de cidadão, como é p caso da utilização desse serviço importante para a vida social de todos. Com este conhecimento básico o cidadão passa a ser alfabetizado cientificamente (TEIXEIRA, 2007; HAZEN & TREFIL, 2003; KRASILCHIC & MARANDINO, 2005; HENRIKSEN, 1999). Este trabalho tem por objetivo mostrar como a construção de um modelo funcional de usina hidroelétrica pelos alunos do Ensino Médio e sua inserção no ensino de Eletromagnetismo neste nível de ensino pode auxiliar no aprendizado dos seus fenômenos, além de auxiliar na discussão do cidadão a ser formado, introduzindo questões do cotidiano como a própria sustentabilidade, ou até mesmo a viabilidade da construção de usinas diferentes das usuais, como é o caso das termonucleares no Brasil ou das usinas de biogás e biomassa atualmente sendo instaladas no país. Para esta discussão este trabalho mostrará primeiramente a construção desse modelo, no qual grande parte dos materiais utilizados são recicláveis e de baixo custo, como garrafas PET, canos e mangueiras. Logo após, será feita uma pequena discussão sobre as teorias de funcionamento do gerador eletromecânico a ser construído para sua incorporação no modelo, assim como a explicação do funcionamento geral deste, e a utilização de um pequeno motor como gerador de energia como uma variação possível. O gerador eletromecânico Os conhecimentos básicos dos alunos para a compreensão do funcionamento de um gerador desse tipo se limitam à propriedade do campo magnético de um ímã e da indução eletromagnética causada pela variação do fluxo desse campo em uma espira, o que será posteriormente extrapolado para uma bobina. Sabe-se que o campo magnético de um ímã comum é composto por linhas de indução fechadas, o que dá a característica de dipolo magnético aos ímãs. Estas linhas de indução ficam mais fracas à medida que um corpo de prova (como um prego ou outro ímã, por exemplo) é distanciado do ímã.


Distanciando ou aproximando um ímã de uma determinada região, existe uma variação no módulo do campo magnético, aumentando quando se aproxima e diminuindo quando se afasta o ímã. Quando as linhas de campo magnético passam por uma espira fechada, Tem-se nesta espira um fluxo de campo magnético, que é dado pela expressão: (1) Onde B é o valor do módulo do campo magnético na espira, A é a área da espira e θ é o ângulo entre a linha de indução do campo e a reta normal à área da espira. Considerando que assim como o campo magnético diminui ou aumenta à medida em que a sua distância varia, existe também uma variação neste fluxo do campo magnético que passa pela espira, em um determinado tempo. Segundo a Lei de Faraday, esta variação do fluxo do campo magnético no tempo dentro da espira, gera uma força eletromotriz, ou seja, faz aparecer um campo elétrico dentro do fio da espira, que arrasta os elétrons livres dentro dela, criando assim uma corrente elétrica, que pode ser utilizada como eletricidade. Matematicamente: (2) Assim, se tomarmos uma bobina com N espiras, existirá um aumento na força eletromotriz gerada por este fenômeno, que é dado pela equação: (3) Essa lei é usada para a confecção dos geradores de energia elétrica mais simples, que utilizam um ímã para o fornecimento do campo magnético e uma bobina onde as linhas do campo perpassam, gerando o fluxo do campo (Hewitt, 2004). Para a variação no tempo deste fluxo pode-se: 1. Girar o ímã, fazendo com que os pólos se alternem e exista aí uma variação no fluxo do campo magnético na bobina, que neste caso estará fixa; 2. Girar a bobina, fazendo com que a reta normal à área da bobina se alterne, alternando assim o fluxo do campo magnético formado pelo ímã, que neste caso estará fixo. Pode-se analisar um pequeno motor de brinquedo como um gerador, pois dentro dele existe um ímã fixo, que fornece um campo magnético quase constante e um eixo girante que tem bobinas presas a ele. Quando se gira o eixo, as bobinas giram, gerando a força eletromotriz, como explicitado na informação 2. O modelo O modelo foi feito em três etapas, a primeira é a turbina, a segunda o suporte e as garrafas para pressurização da água e a terceira, o gerador eletromecânico.


1. Turbina: Para a construção das turbinas foram utilizados dois pedaços de tábua de 8 cm por 20 cm, com espessura de 1,5 cm, uma garrafa PET de 5 litros, das utilizadas para água mineral, dois cilindros de madeira leve (geralmente pinus) de 6 cm de diâmetro por 5 cm de altura, réguas de plástico duro ou de madeira, um pedaço de cano ou tarugo de alumínio ou uma vareta de madeira para o eixo, furadeira, serra, uma morsa, colas (dos tipos epóxi e à base de cianoacrilato) e parafusos para fixação. Escolhe-se uma broca com o mesmo tamanho da espessura do material utilizado para fazer o eixo e, com a furadeira, faz-se um furo no centro dos cilindros de madeira. Prende-se o cilindro de madeira na morsa e faz-se oito cortes diametralmente opostos dois a dois. Estes cortes são para a fixação das réguas que farão parte da turbina, como ilustrads na figura 1.

FIGURA 1: CILINDROS COM OS FUROS E CORTES Geralmente estes PET´s de envasamento de água com 5 litros têm o diâmetro de cerca de 17 cm. O diâmetro da turbina deve ser ligeiramente mais curto que o cilindro da garrafa, para que gire livremente sem colidir com as paredes do recipiente. Algumas garrafas deste tipo têm face da base quadrada, contendo aproximadamente a mesma distância entre os lados, o que significa que deve-se medir primeiramente o tamanho da base (diâmetro ou lado da base quadrada) para fazer a mesma adaptação das pás da turbina. Cortam-se as réguas com um tamanho tal que a soma dos comprimentos das duas mais a distância entre os cortes na base do eixo (madeira) seja menor que o diâmetro da base da garrafa, como mostra a figura 2.


FIGURA 2: Montagem das turbinas Faz-se um furo na tampa do PET e na parte do fundo, para a passagem do eixo. Num dos lados abre-se um corte em toda a extensão da garrafa para escoamento da água. Por este mesmo corte será feita a montagem da turbina, colocando o eixo no furo do fundo da garrafa, nos furos da turbina montada com as réguas (figura 3).

FIGURA 3: TURBINAS MONTADAS NA GARRAFA Por último a fixação da turbina nos pedestais. Geralmente a fixação do tambor da turbina é feito com arrebites colocados nas bordas do corte da garrafa, fixados nas madeiras dos pedestais (figura 4)..


FIGURA 4: FIXAÇÃO DAS TURBINAS 2. Suporte e garrafas de pressurização: Para a construção do suporte das garrafas será necessário adquirir seis pedaços de madeira quadrada de 3cm X 3 cm de base, com altura de 25 cm, dois pedaços de tábua fina com 25 cm X 15 cm, duas garrafas PET de 2 litros, dois bicos de pneu de carro e dois conectores de torneira de jardim, além da furadeira, serras, parafusos e cola para fixação. A preparação das garrafas consiste apenas em furar as tampas na mesma espessura do bico do pneu e encaixá-lo. No fundo de cada garrafa fazer um furo da espessura o bico do conector da torneira, retirar o bico e colar o conector neste fundo com cola epóxi (tipo Araldite), como mostra a figura 5.

FIGURA 5: MONTAGEM DA GARRAFA PET DE PRESSURIZAÇÃO DA ÁGUA


Para o suporte, faz-se um corte com serrote em uma das quinas dos seis pedaços, exatamente a 10 cm de uma das pontas. Cortam-se as quinas das tábuas e, estas se encaixarão nas quinas cortadas de quatro dos seis pés. Os outros dois são encaixados na parte central das madeiras de apoio das garrafas, que já deverão estar com os furos de encaixe, uma delas com dois furos de 10 cm de diâmetro, outra com dois de 2 cm de diâmetro, como mostra a figura 6 abaixo.

FIGURA 6: SUPORTE MONTADO COM AS TÁBUAS SERRADAS Ao encaixar o bico do conector das mangueiras no orifício feito nas tábuas de baixo, encaixam-se as mangueiras e prende-se com braçadeiras. A outra ponta destas mangueiras serão presas em um adaptador, colocado em um cano de PVC de 1/2” comum, ligado a um registro de água, que será o “start” de funcionamento da usina pressohidrelétrica. Estes cano serão presos em uma madeira utilizada como suporte e, na ponta de cada um deles, pode ser colocado um “cap” utilizado para tapar os canos, com um orifício de cerca de 3 mm no centro (detalhes na figura 7)

FIGURA 7: REGISTROS COM OS CANOS E CAP FURADO


3. Construção do gerador eletromecânico Para o gerador eletromecânico será preciso de 1 kg de fio nº 28 AWG, dois discos de madeira ou plástico (pode ser dois CDs), quatro ímãs de NdFeB (ímãs de Neodímio) em formato de disco, com pelo menos 2 cm de diâmetro e 1 cm de altura, seis pedaços de cano de PVC de 32 mm, com 1 cm de altura, cola epóxi, cola de cianoacrilato (super bonder), três madeiras para o suporte do gerador, com cerca de 20 cm por 8 cm de largura. Colam-se os ímãs diametralmente opostos no disco. É necessário cortar um disco de madeira de diâmetro de 2 cm com um furo no meio para colar no CD, para a fixação dele no eixo da turbina (figura 8).

FIGURA 8: DISCO COM OS ÍMÃS COLADOS No outro disco prepararemos as bobinas de indução para a outra parte do gerador. No cano cortado, colam-se dois pedaços de papelão em disco formando um carretel. Neste carretel serão enrolados os fios para fazer as bobinas. Como o enrolamento é demorado se feito na mão, é possível utilizar uma parafusadeira, que gira cerca de 200 vezes por minuto, encaixar o cano e prender um pedaço do fio no carretel, ligando a parafusadeira para enrolar a bobina com cuidado para não quebrar o fio (figura 9).

FIGURA 9: BOBINAS FEITAS E COLADAS NO OUTRO DISCO. Depois de enroladas elas são coladas no disco e ligadas em paralelo, para que a corrente seja um pouco maior. Com a corrente maior é possível ter uma intensidade luminosa maior do LED,


tornando o modelo mais visual. Para fixar as bobinas no CD usa-se cola epóxi e, com a mesma cola, prende-se mais um pequeno cilindro de madeira, fixo num pedaço de tarugo de madeira ou de alumínio. Depois de montado, o gerador ficará como no desenho da figura 10.

FIGURA 10: ESQUEMA DE MONTAGEM Para fixar as partes na base, são utilizados parafusos colocados de baixo para cima, e a colocação deve ser feita como lustra a figura 11.

FIGURA 11: MONTAGEM Utilização do modelo em sala de aula Sua utilização é bem simples e interativa. Coloca-se água até a metade nas duas garrafas, tirando suas tampas, as quais têm o bico de pneu atarraxado. Um dos alunos encaixa o bico de uma bomba de pneu no bico e bombeia ar dentro da garrafa. A bomba utilizada já tem um


barômetro incluso, o que facilita a inserção de ar até uma determinada pressão, que não pode passar de 60 psi em cada garrafa. Outro aluno abre um dos registros e deixa a água pressurizada sair, batendo nas pás da turbina encaixada dentro da garrafa de água grande, fazendo o eixo girar. No fim do eixo foram colocados os ímãs que, ao girar, causam uma variação temporal no fluxo do campo magnético, que gera uma força eletromotriz na bobina, dada pela equação (3). Quando a pressão da água de uma garrafa estiver acabando, o aluno abre o outro registro, liberando a água do outro reservatório, dando continuidade à geração de energia elétrica. Para visualizar o funcionamento da usina, liga-se aos terminais do gerador eletromecânico LED´s em configuração de postes ou um motor com um disco de Newton ou outro material preso a ele. Dependendo da criatividade dos alunos que confeccionam o modelo, a visualização pode ser feita utilizando-se maquetes de casas ou de uma pequena cidade com as luzes nas casinhas e na rua. Os alunos das séries finais do Ensino Fundamental e do terceiro no do Ensino Médio podem trabalhar o funcionamento das usinas de transformação de energia elétrica que utilizam um gerador do tipo eletromecânico para gerar energia. Pode-se iniciar uma discussão com os alunos sobr a forma de energia é utilizada para girar as pás de uma turbina ligada a um gerador desse tipo, o que pode aumentar o nível do letramento científico desses alunos, pois gera também a discussão da aceitação por parte da sociedade de alguns tipos de usina de transformação de energia, como termonucleares e termoelétricas. Segundo Teixeira (2007), a discussão de impactos sociais e da aplicação de conhecimento adquirido no ensino básico formal, ou seja, dentro da escola, ou na educação em espaços nãoformais, como museus e centros de ciência (Afonso, 2001), fazem parte de uma conciência cidadã a ser adquirida pelo aluno. Se ele tem competências e conhecimentos básicos que o auxiliam na discussão e na tomada de decisões que podem eventualmente mudar sua vida e da sua comunidade, seu nível de letramento científico pode ser considerado significativo (Chassot, 2000). Algumas usinas desse tipo já foram feitas em uma escola estadual da capital de São Paulo com alunos de 3º ano do Ensino Médio e em uma escola municipal na cidade de Barueri com alunos da 5º série do Ensino Fundamental. Em todo o processo de construção e utilização dos modelos os alunos fizeram pesquisas para entender por que aquelas partes eram importantes no processo de geração de energia elétrica e a função de cada uma dessas partes quando a usina estivesse funcionando. Com esse trabalho de pesquisa, houve uma compreensão maior dos processos utilizados para a rotação das turbinas, e neste momento as discussões sobre quais tipos de energia seriam utilizadas para a realização da rotação. Assim, boa parte dos alunos saiu destas aulas com uma idéia sobre as usinas que queimam combustíveis fósseis ou renováveis para acionar as turbinas e quais os tipos de energia que não eram poluentes do meio ambiente, mas mesmo assim poderiam causar algum tipo de agressão ao ambiente, como o caso da própria hidrelétrica. O fato dos alunos construírem a usina com a ajuda dos professores e fazê-la funcionar ajuda na compreensão e na habilidade de planejamento do modelo, além da pesquisa teórica sobre seu funcionamento. No caso deste modelo, os alunos do 3º ano do Ensino Médio apresentaram para salas de outras séries, suscitando dúvidas nos colegas que eles mesmos tinham que explicar, o que exigiu deles um conhecimento mais profundo do assunto. As demonstrações geralmente são feitas pelos alunos, uma vez que é um trabalho feito na maioria por eles. A mesma demonstração feita pode ajudar na promoção do letramento científico


do aluno, pois ele tem com a construção e com a demonstração possibilidades de adquirir habilidades e competências para discutir assuntos do seu cotidiano, como produção sustentável de energia elétrica e consumo consciente. Conclusão Neste trabalho a interação dos alunos com um modelo demonstrativo pode ser um início do gosto pela ciência e da conscientização deles com relação não só aos processos de geração e distribuição de energia elétrica de forma sustentável ou ecologicamente correta, mas também ao uso consciente dessa energia. Além disso, discussões em sala de aula com os alunos podem melhorar o seu aprendizado e sua consciência ambiental e cidadã, que atualmente são cobrados de todos os cidadãos mundiais. Com a confecção do modelo eles podem adquirir habilidades talvez antes nem trabalhadas, como as mais simples habilidades manuais, essenciais para a ciência mais simples, e algumas habilidades cognitivas, principalmente as de planejamento, medidas, observação e concretização das idéias primordiais à confecção do material. A construção deste modelo pode ser um pouco trabalhosa, pois a confecção de algumas partes requer ferramentas elétricas e uma pequena morsa. O custo do modelo fica em cerca de R$ 80,00. O que encarece o modelo são os ímãs de neodímio, as bobinas e os dois registros, mas como alternativa pode-se trocar o gerador eletromecânico feito com os ímãs por um pequeno motor DC, encontrado em carrinhos à pilha ou em rádios, impressoras, toca CD ou outro material quebrado que tenha partes móveis. Isso pode fazer o preço do modelo ficar em cerca de R$ 30,00. Sua estrutura pode ser vista na figura 11. A construção principalmente do gerador eletromecânico leva a discussões que podem fazer os alunos reconhecerem os tipos de usinas de transformação de energia elétrica que utilizam esse dispositivo e, como a energia primária utilizada para girar as turbinas geralmente é a energia cinética, os faz reconhecer também o que causa a energia cinética que o movimenta e quais as energias responsáveis pela sua transformação neste tipo de energia, como a térmica nas termoelétricas e termonucleares, a energia potencial gravitacional nas usinas hidrelétricas ou a energia dos ventos, nas usinas eólicas. Outra discussão pode ser feita sobre o funcionamento do motor de corrente contínua, suas partes básicas e sua utilização não só como motor, mas também como gerador de energia eletromecânico. Todas as usinas pressohidroelétricas feitas nas escolas utilizaram o motor para sua confecção, para não encarecer o equipamento, uma vez que foram feitos em escolas públicas com poucos recursos financeiros. Outro fator que contribui com o aumento do letramento científico dos alunos é o fato dele se tornar o protagonista da sua aprendizagem. As confecções das etapas de construção da usina necessitam de várias habilidades específicas naturais da disciplina de Física, como a pesquisa, a aplicação e a compreensão de desenhos, modelos e fenômenos físicos presentes que regem o funcionamento da usina. Com a orientação das pesquisas feitas pelos alunos para a compreensão destes fenômenos, as discussões se tornam muito mais proveitosas, estimulando assuntos interdisciplinares, como aspectos ambientais, sociais, econômicos, geográficos, etc. fazendo os alunos tomarem posse desse conhecimento, tornando a aprendizagem mais significativa. Por fim, a aprendizagem desses conceitos e a sua interligação, trazem propriedade para que as discussões sobre os parâmetros que regem a sustentabilidade energética, o consumo sustentável de energia, a possibilidade de utilização de energias renováveis e o papel social e


econômico do uso e da produção desses tipos de energia. Estes parâmetros podem ajudar a melhorar a vida das comunidades escolares, constituídas por pais, alunos, professores e comunidade no entorno das escolas, fazendo trabalhos intensos de concientização sobre a sua situação econômica e energética, ajudando talvez até na economia destas famílias. Referências Bibliográficas: AFONSO, A. J. Os lugares da educação. In Educação formal e informal: espaços e culturas. Portugal, 2001. CHASSOT, A. Alfabetização Científica: questões e desafios para a educação. São Paulo, Editora Unijuí, 2000. ENEM, Relatório de desempenho dos alunos em Ciências da Natureza e suas Tecnologias. INEP, 2008. HAZEN, R. M, e TREFIL, J. Saber Ciência. Cultura Editores Associados. São Paulo, 1995. HENRIKSEN, E. K. Museums and Scientific Literacy: the case of na exhibition on radiation and the enviroment. Tese de Doutorado – Dept. of Physics, University of Oslo, 1999. Hewitt, P. Física Conceitual. Bookman. São Paulo, 2002. MARANDINO, M. & KRASILCHIC, M. Ensino de Ciências e Cidadania. Ed. Moderna. São Paulo, 2004. PISA, Program for international students assessment – Relatório de desempenho dos alunos brasileiros. OECD. New York, 2006. Disponível em: www.oecd.org/document/2/0,3343,en_32252351_32236191_39718850_1_1_1_1,00.html. Acessado em 24/03/2008. TEIXEIRA, J. N. Categorização do Nível de Letramento Científico dos Alunos de Ensino Médio. Dissertação de Mestrado – Instituto de Física da Universidade de São Paulo. São Paulo, 2007


Usina Pressohidroelétrica