E se a energia não se conserva? : um estudo sobre o escoamento d’água em um recipiente por meio de um orifício circular

Abstract

Compreender as limitações e as potencialidades dos modelos científicos é uma das dimensões da aprendizagem da Física. Uma alternativa para proporcionar essa compreensão é por meio da investigação experimental focada na avaliação das implicações das idealizações consideradas nesses modelos. Inseridos neste contexto, apresentamos uma investigação sobre o escoamento de fluidos em orifícios. Começamos analisando um modelo amplamente explorado em livros didáticos em que, pautado pela equação de Bernoulli, não são consideradas perdas de energia. Mostramos, a partir de dados experimentais coletados com videoanálise, que esse modelo não é adequado para representar o escoamento d’água, mesmo em orifícios com área menores do que 1% da área da superfície de fluido no recipiente. Propomos, então, um modelo de escoamento dissipativo mobilizando conceitos de hidrologia pouco usuais no ensino de Física. Mostramos que as predições desse modelo são corroboradas experimentalmente. Desse modo, o artigo é uma alternativa experimental para quem deseja explorar um problema de hidrodinâmica com enfoque no processo de modelagem científica, procurando, ao mesmo tempo, fomentar a aprendizagem conceitual e a compreensão do caráter representacional do conhecimento.

Understanding the limitations and potentialities of scientific models is a crucial aspect of learning Physics. One method to foster this understanding is through experimental investigation focused on assessing the implications of the idealizations considered in these models. Within this context, we present a study on fluid flow through orifices. We begin by analyzing a model widely explored in textbooks which, based on Bernoulli’s equation, does not account for energy losses. From experimental data collected via video analysis, we demonstrate that this model is inadequate for representing water flow, even in orifices with areas smaller than 1% of the fluid surface area in the container. Consequently, we propose a dissipative flow model, incorporating hydrology concepts that are rarely used in Physics education. We show that the predictions of this model are experimentally corroborated. Thus, this paper offers an experimental alternative for those wishing to explore a hydrodynamics problem with a focus on the scientific modeling process, aiming simultaneously to promote conceptual learning and understanding of the representational nature of knowledge.