Ensinando com Rosetta e o Philae Teach article

Como uma grande conquista da Agência Espacial Europeia (ESA) se pode tornar em inspiração para os seus alunos

No dia 12 de novembro de 2014, depois de 10 anos de uma viagem conjunta no espaço, o pequeno robot Philae deixou a nave Rosetta para aterrar no cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko (67P). Foi a primeira vez na história que uma expedição aterrou com sucesso num cometa.

A aventureira aterragem do Philae no cometa 67P pode ser aproveitada para se estudarem as Leis de Newton e os alunos podem utilizar dados reais para deduzir a aceleração gravítica no cometa. Eu desenvolvi este projeto para alunos com idades entre os 15 e os 18 anos que já tenham aprendido as primeira e segunda leis do movimento de Newton e que compreendam a teoria de um objeto em queda livre. Vai precisar de três horas em sala de aula. Na primeira hora, introduza a questão e peça aos alunos para que encontrem informação útil na Internet. Na segunda hora, os alunos encontram a aceleração gravítica no cometa usando as leis da Física que já conhecem. Na terceira hora, os alunos usam simulações para descobrirem o valor da aceleração gravítica no cometa. Finalmente, eles comparam os dois diferentes métodos.

Primeira hora: Introdução e recolha de dados

1. Mostre aos seus alunos Ambition, um curto vídeo da ESA^w1, e depois apresente as últimas conquistas da Rosetta e do Philae com recurso a vídeos e imagens dos sites da ESA^w2,w3. Pergunte aos seus alunos porque é que eles pensam que a expedição é tão importante e o que é que a ESA quer aprender sobre cometas.
2. Apresente a simulação em vídeo^w4 que mostra como o Philae ficou com dois arpões de ancoragem a funcionar mal e, assim, ressaltou duas vezes antes de chegar ao seu destino final no cometa 67P. Esses dois ressaltos são muito importantes neste projeto para calcular a aceleração gravítica no cometa.
3. Organize a turma em grupos e peça-lhes que procurem na Internet por informação tal como a massa do Philae, a velocidade da sua descida e a altura e duração dos dois ressaltos. Os alunos devem descobrir que o Philae deixou a Rosetta 22.5 km acima da superfície do 67P; que o Philae atingiu o 67P com uma velocidade (v) de 1 m s^-1 e depois saltou durante  1 hora e 50 minutos, atingindo 1 km de altura com uma velocidade de 0.38 m s^-1.  O segundo ressalto durou 7 minutos, com uma velocidade inicial de 0.03 m s^-1.

Segunda hora: Trabalhando as leis da Física

1. Questione os seus alunos sobre o movimento do Philae enquanto desce para o cometa. É possível dividir o movimento em passos? Por exemplo, os alunos podem pensar, em primeiro lugar, na queda livre do Philae, depois no primeiro ressalto como uma desaceleração constante e, depois, queda livre outra vez. O segundo ressalto pode ser pensado de forma semelhante.
2. Peça aos seus alunos para calcular a aceleração gravítica no cometa usando os dados que encontraram durante a primeira hora. Se os estudantes usarem a equação v = v₀ – gt e assumirem uma desaceleração constante g (um campo gravítico homogéneo), então quando v = 0, v₀ = 0.38 m s^-1 e t = 55 min (o tempo total em ressalto, de 110 minutos, a dividir por dois), a aceleração gravítica no cometa será de, aproximadamente, 10^-4 m s^-2.
3. Peça aos seus alunos para efetuarem o mesmo cálculo usando o segundo ressalto do Philae. O seu resultado deve ser da mesma ordem de grandeza mas não exatamente ter o mesmo valor, pois o cometa tem uma forma anómala e o seu campo gravítico não é homogéneo (Sierks et al., 2015).
4. Finalmente, pergunte aos seus alunos o que teria acontecido se o Philae tivesse caído na Terra em vez de no cometa. Qual seria a duração dos ressaltos?

Terceira hora: Simulando a queda

O próximo passo requer software de simulação em Física que é gratuito para as escolas na Grécia. Se não conseguir descarregar este software ou se o mesmo não estiver disponibilizado gratuitamente para o seu país, pode usar, em alternativa, o software gratuito Step^w5 Qualquer que seja o software usado, assumimos que os seus alunos já estão familiarizados com o mesmo. Caso esse não seja o caso, deve, primeiro, passar a primeira hora ajudando-os a entender como podem usar o software.

1. Peça aos seus alunos para usarem o software para simularem a aterragem do Philae. Eles vão precisar de um pequeno objeto que desempenhe o papel do Philae e um objeto maior que desempenhe o papel do cometa. Podem, depois, usar vários modelos para a forma, dimensão e massa de ambos os objetos.
2. Os alunos devem começar por modelar o cometa como uma esfera de raio 1 km (a maior dimensão do cometa é de 4 km).
3. Peça aos seus alunos para efetuarem uma simulação com um campo gravítico homogéneo de g = 9.81 m s^-2, como na Terra.
4. Diga aos alunos para reduzirem o valor da aceleração gravítica e para correrem a simulação outra vez.
5. Os alunos devem continuar com as simulações depois de ajustarem diferentes variáveis. Eventualmente devem usar a massa real para o Philae e o 67P, bem como as dimensões reais do cometa.
6. Na etapa final os alunos devem desativar o campo homogéneo e ativar a interação planetária entre dois objetos. A força no Philae pode ser calculada como 0.066 N na superfície do cometa, dando uma aceleração gravítica na superfície de 6.6 10^-4 m s^-2, já que a massa do Philae é de 100 kg. Este valor deve ser da mesma ordem de grandeza dos resultados obtidos com o método anterior e também muito próximo do valor real^w6.

Pela minha experiência, os estudantes entusiasmam-se com o projeto: dois métodos totalmente diferentes dão resultados semelhantes que coincidem. Os resultados também são muito próximos do valor real da aceleração gravítica. Os alunos trabalham como investigadores, procurando os dados necessários de sites de confiança na Internet e testando os parâmetros do problema de forma a encontrarem a aceleração gravítica do cometa 67P, usando teoria e simulações. As Ciências do Espaço são muito atrativas mas, infelizmente, não estão incluídas no currículo de Física de Liceu na Grécia (para idades dos 15 aos 18 anos). Este projeto é uma oportunidade para aprender sobre a importante conquista da ESA enquanto se segue o currículo padrão. Os alunos usam as primeira e segunda leis de Newton bem como as equações do movimento em queda livre de um objeto antes de usarem a expedição da Rosetta e, mais especificamente, a trajetória do Philae, para demonstrar um exemplo da vida real das equações do movimento. Os alunos podem também usar as suas capacidades tecnológicas para efetuar as simulações. Em geral, um problema tão desafiante inspira os alunos.

É possível reduzir de três para duas as horas de ensino, se não dispuser de tempo suficiente. Por exemplo, pode saltar a secção onde os alunos procuram informação na Internet e, em vez disso, fornecer-lhes os dados diretamente. Pode também ajustar o projeto para trabalhar com estudantes de idades entre os 12 e os 14 anos, por exemplo, passando mais tempo na introdução e saltando as simulações.

Agradecimento

Parte deste artigo constituiu o tema principal num cenário educacional que eu submeti ao 2014–2015 Open Discovery Space Contest para o melhor cenário educacional. O meu cenário recebeu esse prémio pan-Europeu^w7.

References

• Sierks H et al. (2015) On the nucleus structure and activity of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Science 347: aaa1044. doi:10.1126/science.aaa1044

Web References

• w1 – Para ver Ambition, um curto vídeo da ESA, visite:  https://youtu.be/H08tGjXNHO4
• w2 – Para mais informação sobre a missão Rosetta, visite o website específico da ESA sobre a Rosetta em: http://rosetta.esa.int
• w3 – Ainda mais informação sobre a Rosetta e o Philae pode ser encontrada no website de educação da ESA: www.esa.int/education
• w4 – Para ver um curto vídeo simulando os dois ressaltos do Philae antes de aterrar no 67P, veja: https://youtu.be/bpAH3DtRBjo
  • Informação detalhada sobre a missão Rosetta pode ser encontrada no Quora, um website de perguntas e respostas com financiamento de crowdfunding. Veja: http://tinyurl.com/h9f7sf2
• w5 – O software Interactive Physics é gratuito para escolas gregas. Se isso não for o caso no seu país, pode adquirir esse software de https://www.design-simulation.com/IP/index.php
  • Para transferir o simulador de Física gratuito Step, e a acompanhante documentação de utilizador, visite: https://userbase.kde.org/Step
• w6 – Para uma reportagem sobre a bem sucedida descida do Philae no 67P, veja: http://tinyurl.com/hgya3ex
• w7 – O Open Discovery Space Contest 2014–2015 pretendeu desenvolver cenários inovadores de aprendizagem, procurar novos conhecimentos e sensibilizar a comunidade educativa. Para mais informação sobre o concurso e os seus participantes, leia: http://issuu.com/signosis/docs/ods-contest-brochure

Resources

• Uma versão deste artigo que trata o mesmo tema mas não é uma tradução direta foi publicada na revista (em grego) Φυσικές Επιστήμες στην Εκπαίδευση (Ciências Físicas na Educação). Para mais informação, ver: http://physcool.web.auth.gr/ or: http://tinyurl.com/z8ljedw

Institutions

Author(s)

Maria Eleftheriou é uma professora de ciências no Liceu Tzermiadon, Lassithi Plateau, Creta, Grécia. Uma física com mestrado em Matéria Condensada e um doutoramento em Física Computacional, ela está a tentar trazer investigação a sério até à escola.

Review

A exploração espacial é um tema muito rico e este artigo pode ser usado de formas muito diferentes. Por exemplo, a órbita e a periodicidade do 67P podem ser usadas para estudar a evolução do conhecimento humano sobre o movimento de objetos espaciais, desde Kepler e Galileo até Newton e Halley.

Este artigo pode ser usado para mais profundamente se elucidar o conceito de velocidade de escape e para conversas sobre as enormes distâncias envolvidas em viagens espaciais, a dificuldade inerente associada a viagens espaciais humanas e, em última análise, sobre a nossa posição no Universo e a nossa solidão no espaço – assuntos que vão bem além da Ciência.

Duarte Nuno Januário, Portugal

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