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Plano de Aula

A expansão do universo

VEJA na Sala de Aula

Utilize conceitos de Física como quantidade de movimento e radiação de fundo para ajudar seus alunos a compreenderem a origem e a expansão do universo

universo expansão

Objetivos
- Compreender uma das teorias sobre a origem do universo
- Entender os conceitos da conservação da quantidade de movimento

Conteúdo

- Dinâmica da quantidade de movimento
- Astronomia
- Breves conceitos de astronomia

Tempo estimado
Uma aula

Anos
Ensino Médio

Introdução
Quem somos? De onde viemos? Para onde vamos? Essas questões acompanham a humanidade desde sua origem. Junto com essas perguntas vêm respostas de todos os tipos, para todas as crenças e lógicas existentes. Não é coincidência que quase todas as religiões apresentem explicações sobre o mito da criação e seus propósitos, pois há um relativo conforto na crença da existência de um ser superior por trás da criação. Porém, para os cientistas mais céticos, a zona de conforto reside na explicação baseada em fatos que possam ser observados ou reproduzidos de alguma forma. A origem do universo e seus possíveis desdobramentos serão discutidos nesse plano.

 

Flexibilização
Para alunos com deficiência visual
Coloque em uma bola de gás (bexiga) pedacinhos de papel (confete) e depois ar suficiente para enchê-la. Peça ao aluno que segure-a com a mão. Avise que vai furá-la e que haverá um estampido. Quando isso ocorrer, as partículas (confete) cairão sobre suas mãos, reproduzindo de forma bem simplificada a explicação do plano para a origem  do universo.


Desenvolvimento
1ª etapa - Explosões e quantidade de movimento do sistema
Explicar a expansão do universo aos alunos não é tão complicado quando partimos do pressuposto da famosa Grande Explosão ou Big Bang, no seu nome original. Os fogos de artifício são exemplos claros e bem representativos, principalmente aqueles que deixam rastros brilhantes a partir de sua explosão, formando esferas de pontos luminosos.

Use exemplos de comemorações como os fogos do réveillon para ilustrar isto para os alunos. Uma explosão nada mais é que uma expansão gasosa repentina que provoca o lançamento de partículas para todos os lados. Impulsionados pela energia liberada na queima instantânea da pólvora, os fogos figuram uma forma de arte pirotécnica com séculos de exibição.

 

exnpansao universo


Explosão em sequência de um dos vários tipos de fogos de artifício. Note que a energia liberada é muito intensa no começo e depois vai se definhando junto com sua luminosidade.

A física por trás das expansões dos fogos ou de qualquer outra explosão é baseada na conservação da quantidade de movimento. Esse mesmo conceito é o que faz um canhão ter um recuo quando lança o projétil à frente. Por esse motivo, esse elemento de artilharia ganhou rodas e depois molas para amenizar o recuo.

A quantidade de movimento por sua vez é embasada na Terceira Lei de Newton: Toda ação gera uma reação com mesma direção e intensidade, porém em sentido oposto.

Mecanicamente falando, uma explosão obedece a seguinte fórmula:

Qantes = Qdepois

A quantidade de movimento do sistema antes é igual à quantidade de movimento do sistema depois. Entenda-se sistema como sendo todos os corpos que interagem durante o evento observado.

No caso de uma explosão, para simplificar a análise, se tomarmos a quantidade de movimento do sistema antes como zero (corpo em repouso), significa que após o evento a quantidade de movimento do sistema obrigatoriamente tem de apresentar valor nulo. Por esse motivo que se observarmos uma partícula indo para a direita depois da explosão, outra tem de ir para a esquerda a fim de anular o movimento do sistema.

Claro que no exemplo citado do canhão, o mesmo não adquire valor de velocidade de recuo igual ao do projétil lançado à frente, pois sua massa é muito maior. A velocidade assumida é inversamente proporcional à massa. Esse fato explica e nos leva à relação entre velocidade, massa e quantidade de movimento, para cada corpo isoladamente:

Q = m.v

A quantidade de movimento é o produto da massa pela velocidade de qualquer corpo em movimento. A quantidade de movimento do sistema nada mais é do que a soma dos produtos da massa de cada corpo pela sua velocidade.

Por analogia, o Big Bang segue o mesmo raciocínio, partindo do pressuposto que ele foi uma Grande Explosão. Claro que a questão do aumento da massa após o evento e quem teria lançado esse rojão não estão sendo tratados como deveriam, pelo simples fato de que ninguém sabe nada a respeito.

Mesmo desconhecendo essas importantes passagens da origem do universo, sabemos que as galáxias estão se afastando e traçando suas rotas a partir de suas supostas trajetórias, grande parte delas se cruzando em um ponto comum. Os cientistas acreditam que essa interseção das possíveis rotas seja o centro do universo, o ponto de partida de tudo que conhecemos, o início de toda história que pode ser contada.

2ª etapa - A radiação de fundo
Aprofundando a explicação sobre a origem do universo e suas consequências, a partir da década de 1920, Edwin Hubble iniciou os relatos sobre a expansão do universo, que diziam que as galáxias estão se afastando. Esse estudo embalou anos mais tarde a teoria do Big Bang, estabelecendo-a definitivamente.

Resquícios de uma explosão ocorrida há bilhões de anos começaram a ser investigados para estabelecer uma conexão entre teoria e observação. A radiação de fundo, uma espécie de onda eletromagnética gerada em consequência do Big Bang, foi teorizada na década de 1940 por George Gamow e detectada nos anos 1960.

Partindo do princípio de que todo grande evento que ocorre em qualquer parte do universo deixa rastros, a radiação de fundo foi postulada como sendo um dos indícios claros da Grande Explosão. Essa onda do tipo eletromagnética, que permeia todo o universo conhecido, traz em sua essência a criação de todos os astros do espaço.

A radiação de fundo compõe a parte invisível do grande evento que os cientistas calculam que ocorreu há cerca de 14 bilhões anos atrás. Detectado nos anos 1960, ela ainda interfere na telecomunicação através de ondas de rádio nos diversos radares distribuídos no planeta.

Nos primórdios da criação do universo, a energia era muito intensa e sua temperatura extremamente alta. Com a expansão e consequente evolução dos astros, nebulosas e galáxias a temperatura foi caindo, chegando a 2,7 Kelvins em média. Essa temperatura só não é zero por conta da radiação de fundo que sustenta esse valor. Em outras palavras o espaço sideral deveria ter temperatura nula por ser um imenso vazio, porém possui um sopro de calor por conta da onda remanescente do Big Bang.

Junto com essa radiação que se espalha estão também os planetas e matérias. Com essa evidência e um cenário elaborado em computador do retorno das galáxias às suas origens de acordo com o rastro do afastamento, os cientistas elaboraram algumas respostas ao Big Bang.

3ª etapa - aceleração e desaceleração do Universo
Uma das propriedades da matéria é a atração gravitacional, fato que deveria ocasionar a desaceleração da expansão do universo. Para entender esse fenômeno, imaginemos uma explosão de uma bomba em um local longínquo do espaço, afastado de qualquer outro astro que possa interferir de alguma forma. Esse evento espalharia partículas para todos os lados de forma quase indefinida porque existe apenas uma força que age no pós-explosão: a força gravitacional. A mesma força que nos mantém na Terra, por exemplo. Por menor que seja a força, ela, por ser única, é capaz de desacelerar as partículas ejetadas e fazer com que todas retornem ao ponto inicial, ou seja, voltem para o ponto da explosão. Isso não significa que elas voltariam a ser uma bomba integralmente - isso seria impossível do ponto de vista químico visto que houve reação na explosão. Mas o fato delas retornarem é plenamente aceitável pelo motivo da propriedade primordial da matéria: massa atrai massa.

De fato, o universo realmente sofreu uma desaceleração, pelo menos é o que relata o estudo publicado em Veja

O que intriga os cientistas é o fato de que há cerca de 5 bilhões de anos os aglomerados celestes iniciaram uma aceleração repentina. Após desacelerarem devido à atração gravitacional como estava ocorrendo, começaram a aumentar a velocidade de afastamento. De acordo com as leis da física, para que haja tal aceleração tem de haver alguma força associada. Com não encontraram nenhuma explicação para o fenômeno observado, chamaram a causa de energia escura.

Uma discussão enriquecedora que pode se transformar em uma semente para um futuro próximo seria discutir o que faria essas galáxias acelerarem. Diga aos alunos que o máximo que conseguiram até agora como explicação é apenas o nome da causa desse mistério (energia escura). Sabe-se também que 70% do universo é composto desse elemento, se é que assim podemos classificá-lo. Não pode ideias que possam soar como maluquice, nem deixe que os colegas satirizem aqueles que tentarem dar alguma sugestão. Lembre-os que os grandes personagens da humanidade por vezes foram tratados de forma injusta pela sociedade.

Avaliação
Verifique se a turma compreendeu os principais conceitos de astronomia e de física abordados brevemente. Como todos não conseguem se expressar perante a sala, peça para escreverem sobre o que faria o universo acelerar. Essa tarefa pode dar início ao despertar de uma nova visão dobre a energia escura e outros mistérios. A participação do aluno com perguntas, observações e inclusões também será um elemento essencial na composição do quadro de avaliação.

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Este plano de aula está ligado à seguinte reportagem de VEJA:

Consultoria Ilton Miyazato
Professor de Física do Colégio São Francisco de Assis em São Paulo (SP).

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