Faça seu submarino na garrafa

by Alfredo Mateus

Neste artigo vamos mostrar do início ao fim como podemos criar (ou recriar) um experimento clássico usando a impressão 3D. Podemos pensar nos recursos criados na impressora 3D para a sala de aula como tendo duas vertentes. Eles podem ser usados pelo professor com os alunos pelo seu baixo custo e facilidade de se produzir muitas cópias, o que auxilia muito na execução do experimento. Mas podemos pensar também que o experimento pode ser uma excelente oportunidade para o aluno aprender como a modelagem e a impressão 3D podem se aliar aos conceitos científicos para se produzir algo.  Neste caso, o professor estabelece um desafio para os alunos que pode ser solucionado com criatividade, medidas precisas e a compreensão do fenômeno envolvido.

Livre, mas com restrições

A impressão 3D pode permitir que criemos peças com uma enorme liberdade criativa. Mas isso não quer dizer que não tenhamos que tomar cuidado ao desenhar a peça. No caso de algo tem uma função que não é decorativa, mas que deve fazer algo no mundo real, isso vai se traduzir em diversas restrições ao design final.

É importante que os alunos tenham clareza dessas restrições ao pensarem  no seu submarino. Pare um pouco e pense quais seriam as limitações para o submarino na garrafa.

Uma limitação importante é o tamanho do submarino. Ele tem de passar pela boca da garrafa, senão não vamos nem poder começar a testar. Outra questão relevante é que a parte inferior do submarino, onde fica a abertura por onde a água entra, deve ficar mais pesada e apontar para baixo, caso contrário o submarino não vai funcionar. Além disso, é preciso ajustar a densidade do submarino para que ele afunde quando apertamos a garrafa.

O submarino comum

O “submarino” não é, nem de longe, um experimento novo. Também conhecido como mergulhador cartesiano ou ludião, existe uma infinidade de maneiras de montar o experimento, como podemos ver nas imagens abaixo. 

Se o seu objetivo for apenas demonstrar o fenômeno, talvez seja interessante construir o seu submarino usando um dos métodos mostrados nas figuras. Mas, se você quiser montar uma atividade em que os seus alunos usam o seu conhecimento para criar seus próprios submarinos, usando a impressão 3D, você está no lugar certo.

No vídeo abaixo podemos ver exatamente como o submarino funciona. Ao apertar a garrafa, comprimimos o ar dentro do conta-gotas. A água que entra no conta-gotas faz com que ele fique mais denso e, ao ultrapassar a densidade da água, ele afunda. Quando soltamos a garrafa, o ar que estava comprimido empurra a água para fora, tornando o submarino menos denso e fazendo com que ele flutue. 

Os submarinos de verdade funcionam de maneira semelhante, enchendo seu lastro de água e usando tanques de ar comprimido para empurrar a água para fora. 

O submarino impresso

A impressão 3D nos permite criar um objeto a partir de um modelo tridimensional. O TinkerCAD é um software gratuito e muito simples de usar,  que pode ser usado pelos alunos para criar um submarino.

Para isso, você pode começar atraindo o interesse dos alunos com a demonstração de um dos modelos convencionais de submarino (ou vários). Em seguida, os alunos criam uma conta no TinkerCAD e fazem os tutoriais básicos para aprender a criar uma forma em 3D. O TinkerCAD tem um esquema muito simples, que usa formas básicas como esferas, cilindros e cubos, que podem ser combinados. As 3 dimensões de cada forma podem ser ajustadas em milímetros e são exatamente as dimensões do objeto final.

O plástico mais utilizado na impressão 3D é o PLA (poli ácido láctico). A densidade do filamento de PLA em geral é de 1,25 g/cm3. Isso é muito bom, pois isso quer dizer que um objeto maciço de PLA irá afundar. Para controlar a densidade do objeto final e podermos fazer o submarino afundar apenas quando apertarmos a garrafa, devemos introduzir um espaço que ficará cheio de ar no objeto. Esse espaço deve ter uma abertura, como no conta-gotas, para que a água entre e aumente a densidade do submarino.

Nas imagens abaixo podemos ver um possível modelo de submarino impresso e o modelo em 3D no TinkerCAD. Deixamos o modelo transparente e podemos ver que existe uma “bolha” no seu interior. No TinkerCAD podemos fazer “buracos” em um modelo combinando formas que são como um espaço negativo. Quando somamos um cilindro negativo com um cubo positivo, por exemplo, fazemos um furo.

O desafio é encontrar um volume para esse espaço com ar que permita que o submarino flutue, mas que ao mesmo tempo faça com que ele afunde ao se apertar a garrafa.

O "conta-gota"

Uma possível variante é fazer o seu submarino mais “vertical” e semelhante aos feitos usando pipetas de Pasteur de plástico ou conta-gotas de vidro. Novamente, o segredo está em se balancear o espaço contendo ar e a massa de plástico. Nós colocamos, como no design anterior, abas com um furo que permitem a colocação de um clipe de papel ou arame para ajustar a massa do submarino. 

Assista o vídeo abaixo, onde explicamos passo a passo como criamos o submarino no TinkerCAD e mostramos ele em ação na garrafa.

A bomba

Ao olhar para o submarino “conta-gotas”, percebemos que ele se parece com uma bomba, só que de ponta cabeça. Resolvemos inverter a posição do tubo com o furo para a entrada de ar, colocando-o na parte arredondada. Além disso, mudamos as abas com furo para aletas triangulares. 

Nós separamos o modelo em duas partes. A parte inferior da bomba, que contém o furo, foi impressa com 100% de recheio, se tornando mais densa que a parte superior, que foi impressa com 40% de recheio. Após a impressão das peças, colamos uma na outra com super cola. 

Last thoughts

Existem muitas outras possibilidades para se explorar com o experimento do submarino. Em um próximo artigo mostraremos algumas outras maneiras de se transformar esse brinquedo científico. Se você gostou, indique para seus colegas e comente abaixo. 

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