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Edição feita às 15h41min de 3 de setembro de 2008 por Bruno (disc | contribs)

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Tabela de conteúdo

1 Interface para auxílio em experiências de cinemática

Interface para auxílio em experiências de cinemática

Introdução

O ponto de partida para o nosso projeto é o grande problema que envolve a acessibilidade em se tratando de experiências de física de nível fundamental e médio. Na atual conjuntura a maioria das instituições de ensino fundamental e médio, principalmente as públicas, não dispõe de laboratórios de física nem tampouco realizam experiências para consolidar a teoria aprendida em sala de aula. É nesse ambiente que a nossa proposta de projeto se insere, uma interface de baixo custo e fácil manejo para dar suporte às experiências mais básicas da física, principalmente do campo da cinemática, buscando assim criar condições para que o ensino de física se dê de forma mais dinâmica e tendo como parte fundamental a visualização prática dos fenômenos e não só a fundamentação teórica. A área de cinemática do seguinte site contém exemplos práticos e interativos de algumas das experiências e funcionalidades que o nosso projeto irá abordar: http://br.geocities.com/saladefisica3/laboratorio.htm.

Desenvolvimento

Aspectos gerais

O projeto como um todo consistirá de cinco sensores de movimento, um Arduino para gerenciar todos os aspectos de hardware do projeto e um software para tratamento dos dados e visualização de aspectos diversos dos experimentos. A princípio o desenvolvimento do projeto será voltado para uma experiência muito comum no aprendizado da física que é o trilho de ar. Essa experiência consiste de um trilho triangular com várias perfurações por todo seu curso de modo que quando ar seja injetado no interior do trilho por uma bomba de ar devidamente regulada, esse ar escoe por todas as perfurações, criando uma espécie de bolsão de ar na superfície do trilho, objetivando a redução máxima do atrito por contato e possibilitando que um carrinho devidamente adaptado deslize livremente pelos trilhos. Tal arranjo possibilita o estudo de boa parte dos experimentos que envolvem movimento na física como por exemplo o Movimento Retilíneo Uniforme ou o Movimento Retilíneo Uniformemente Variado e o fato do atrito ser drasticamente reduzido aproxima em muito os resultados práticos dos resultados teóricos. O site a seguir possui informações, fotos e até vídeos da referida experiência: http://euclides.if.usp.br/~fisfoto/trilho_ar/. Em um segundo momento, quando os problemas técnicos mais graves forem resolvidos, o foco do trabalho passará a ser a portabilidade e acessibilidade do projeto com o objetivo de expandir o campo de aplicação do projeto para além da experiência do trilho de ar. Isso se dará principalmente com trabalho em cima da flexibilidade dos sensores de movimento, uma vez que estes sejam adaptáveis o suficiente para serem instalados em outros arranjos físicos, o trabalho no software começa para desenvolver as especificidades de cada experiência. A parte final do projeto envolverá principalmente o trabalho em cima da interface de software que se comunicará com o usuário e da usabilidade do produto final, ou seja, partir do protótipo técnico inicial para um protótipo que já represente algo que possa ser produzido em maior escala em um momento futuro. Do ponto de vista do software, o grande objetivo é construir um sistema que obtenha resultados sólidos para serem comparados com os resultados teóricos obtidos em sala de aula e principalmente, que seja de fácil operação e visualização para qualquer professor que venha a utilizar tal ferramenta em suas aulas de laboratório de física.

Ensino de física no Brasil

O ensino de física no Brasil é altamente precário, principalmente nas escolas públicas que não dispõem de recursos para comprar materiais didáticos nessa área. Essa falta de recursos, e principalmente pela falta de laboratórios, faz com que os estudantes da escola pública temam a física, sendo ela a disciplina com maior índice de “zeros” nos vestibulares. Afinal, mesmo tendo aulas teóricas, que às vezes são ministradas por profissionais não capacitados, falta para estes estudantes a pratica em laboratório, vista como essencial para sua formação, pois são nessas aulas que o aluno vivencia os fenômenos e experimentos. Apesar do nível de educação das escolas particulares, melhores que as escolas públicas, elas sentem falta de material de estudo e de laboratórios de física, não são todas as escolas da rede privada que tem recursos suficientes, ou não vêem vantagem nisso, para comprar os devidos materiais necessários para essas práticas. Entretanto a falta de recursos não é o único fator determinante do problema. Muitos professores não têm um equipamento pronto e fácil de ser instalado/manuseado, ou simplesmente não sabem como o fazes. Esse é um dos pontos cruciais do projeto que visa “facilitar” a vida destes professores, ao apresentar um software de fácil manuseio, simples o suficiente para mostrar os dados da atividade realizada com uma precisão suficiente para uma aula didática, tal como, uma fácil comunicação entre hardware e software através de uma porta USB.

Aspecto Financeiro

Como já foi dito antes, um dos grandes focos do projeto é sua acessibilidade a todas as camadas que possam usufruir de uma ferramenta como a que nós nos propomos a desenvolver, isso é algo que tem que ser avaliado em cada etapa do projeto e invariavelmente a questão da acessibilidade acaba recaindo sobre a questão financeira. De bons produtos extremamente caros o mercado está cheio, inclusive na área do ensino de física, e é por isso que em nosso projeto o custo final do produto é fator determinante nas decisões que serão tomadas durante o desenvolvimento do projeto. Um dos aspectos que vale destacar é o fato da utilização extensa de tecnologias livres, a princípio o projeto não se utilizará de nenhum software proprietário em sua composição e todo e qualquer código desenvolvido para o projeto será de livre acesso seguindo as licenças convenientes. A própria utilização da plataforma Arduino, que será detalhada mais abaixo, tem como objetivo o barateamento do produto final. Para utilização em protótipos estaremos utilizando Arduinos comprados prontos pela instituição, no entanto já existe um estudo para que a fabricação das placas Arduino seja feita dentro da instituição, o que possibilitaria uma redução ainda maior nos custos. O objetivo final de preço é conseguir que o produto final custe menos de R$100,00, o que já representaria um imenso avanço em relação aos preços de produtos similares no mercado, que custam a partir de R$2000,00.

Acreditamos que com um preço acessível como o proposto e com uma interface de fácil utilização a instalação de um equipamento desse em instituições de ensino passa a ser algo muito mais fácil, abrindo portas para a disseminação dos laboratórios de física por todo o Brasil.

Sensores de Movimento

Assim como dito anteriormente, toda a parte técnica do trabalho será voltada para a obtenção de dados experimentais em experiências de que envolvam movimento em física. A obtenção desses dados irá seguir toda uma cadeia de procedimentos dentro do sistema até que eles cheguem ao usuário final, devidamente formatados e tratados. Esse tópico irá tratar mais especificamente do funcionamento dos sensores de movimento.

Os sensores de movimento que serão utilizados consistem de um arranjo com um LED (Light Emiting Diode) infravermelho e um fotodiodo que opere na freqüência do infravermelho.

Os LEDs são componentes eletrônicos que quando percorridos por corrente elétrica emitem luz. Existem vários tipos de LEDs, cada um com uma cor, voltagem, corrente, consumo e tamanho especifico. Para os nossos sensores de movimento, utilizaremos principalmente LEDs infravermelhos. O motivo dessa escolha está principalmente na tentativa de reduzir a influência de fontes externas de luz no funcionamento do sensor de movimento. A aplicação desses LEDs ao projeto será simplesmente projetar um feixe infravermelho para que o fotodiodo possa captar, esquema fundamental para o funcionamento do sensor de movimento.

Já fotodiodos são sensores semicondutores de luz que geram uma corrente ou uma tensão ao serem iluminados por uma fonte luminosa. O principio de funcionamento dos fotodiodos é baseado no efeito fotoelétrico, o sensor é formado por placas semicondutoras que ficam posicionadas entre uma substancia anti-reflexiva, como alguma espécie de gás ou um cristal que faça com que a luz não seja refletida. Quando a luz penetra nessa camada seus elétrons são excitados e mudam para a camada mais externa do átomo que são “capturados” pelas placas semicondutoras, transformando a estrutura em uma espécie de bateria. Com isso é gerada uma diferença de potencial, e conseqüentemente gera uma corrente elétrica que abastece um circuito.

Eles podem ser usados de diversas maneiras, para gerar energia elétrica proveniente da luz, são colocados vários fotodiodos em uma placa, e através do funcionamento descrito acima é gerada a corrente elétrica, outra utilidade pratica é para detectar um feixe de luz em um determinado lugar, e com isso fazer circuitos eletrônicos que utilizem estes diodos como “chaves” que abrem ou fecham o circuito na presença de luz e é esta segunda abordagem que nos interessa.

O arranjo que irá compor o sensor de movimento é feito da seguinte maneira, primeiro se insere o fotodiodo em um dos pinos digitais do Arduino, para que esse possa receber dados de corrente do fotodiodo, depois se monta o arranjo de forma que o LED infravermelho esteja direcionado para o fotodiodo e que a trajetória do objeto se encontre entre o LED e o Fotodiodo. Dessa maneira quando todos os componentes forem ativados, o LED irá emitir uma luz infravermelha que será captada pelo fotodiodo, o que irá gerar uma corrente que será detectada pelo Arduino através do pino digital. Com este arranjo, toda vez que algum objeto opaco atravessar o raio infravermelho que liga o LED ao fotodiodo haverá uma queda na corrente, queda esta que será detectada pelo Arduino através do pino digital. Assim toda vez que houver uma queda na corrente sabe-se que o objeto passou por aquele sensor, criando assim um sensor de movimento de baixo custo e alta eficiência.

Software

Além de possuir um circuito eletrônico que capta os dados experimentais e os envia para o computador, através do Arduíno, o trabalho também irá conter um software que mostra dados experimentais, plota gráficos, essencial para o estudo das experiências, e que pode ser ajustado de acordo com a experiência de física desejada.

O software a princípio será feito na linguagem Java, utilizando a API gráfica Java que vem junto com o IDE Netbeans v. 6.X*, criado pela empresa SUN. A linguagem utilizada na elaboração do Software possui algumas vantagens essenciais para a construção do projeto, tais como a flexibilidade quanto ao sistema operacional na maquina que será utilizada, porque ela funciona através de uma máquina virtual, JVM (Java Virtual Machine), que faz as devidas conversões da linguagem, não importando se o O.S. (Sistema Operacional) do computador empregado na experiência é Windows, Linux ou Mac OS. Outra vantagem dessa linguagem é que caso o produto queira ser futuramente aprimorado, ela tem suporte em ser empregada em celulares e outros aparelhos móveis.

Esse será um dos principais diferencias do trabalho, existem projetos semelhantes a este, no entanto, sempre é utilizada a porta de jogos ou uma porta serial para fazer a comunicação entre o hardware e o computador, o problema é que apenas computadores antigos possuem este tipo de porta. Por isso que utilizaremos o Arduíno para facilitar a comunicação. Quando esse não é o problema, ele está no software empregado que não auxilia muito bem o trabalho dos professores, por ser complicado de se utilizar ou então é um software proprietário de valor muito alto.

Outra funcionalidade que também pode ser agregada ao software é por exemplo biblioteca de constantes físicas, que séria aplicável por exemplo em uma experiência de queda livre onde se calcula a aceleração da gravidade, com uma biblioteca de constantes físicas de alta precisão o programa poderia calcular o erro percentual da experiência e fornecer um coeficiente ao professor, que determinaria se os alunos executaram a experiência de forma correta.

Outro aspecto importante do desenvolvimento do software se encontra nos menus de ajuda inclusos nas diversas ferramentas que o software possuirá. Estes menus têm como principal função fornecer uma informação rápida e de fácil acesso sobre a utilidade da ferramenta a que ele está atrelado e também concisas instruções de operação, sempre utilizando uma linguagem acessível.

Para auxiliar no desenvolvimento do software poderá ser utilizada uma biblioteca criada por David Gilbert e Thomas Morgner chamada JFreeChart, ela é usada para auxiliar na construção de gráficos diversos e na amostragem de dados, possui uma extensa lista de tipos diferentes de imagens que podem ser importadas para auxílio no trabalho e possui LGPL (GNU Lesser General Public Licence), licença de software livre que possibilita a utilização da mesma, alem de possuir o código livre para que seja facilmente expandido caso o programador que a utiliza necessitar.

Com isso visamos criar um software que facilite a utilização do experimento em complemento com o Hardware, a ponto de criar uma espécie de kit para auxilio de algumas experiências de cinemática como: trilhos de ar, Movimento Harmônico Simples, Queda livre, entre outros. Fazendo com que o projeto possa ser expansível e futuramente se transformar em uma interface de controle e auxílio para experiências de física de baixo custo, comparado com as já existentes.

Arduino

Aspectos Gerais

O arduino é uma placa baseada em protótipos de eletrônica, com finalidade para criação de ambientes interativos. Outra característica é a pouca complexidade quanto ao controle do hardware e software isso justifica o fato de utilizarmos-lo pois o principal objetivo do projeto é construir uma interface de interação para experiências em física (cinemática).

Hardware

É uma placa constituída por um micro controlador Atmel AVR, ou ATmega8, ou até mesmo ATmega168 em versões mais recentes. Esse programador já vem programado com um gerenciador de partida. O Arduino possui no mínimo 5-volts um regulador linear 16MHz e um ressonador cerâmico.

Apesar de poder ocorrer variações de versão pra versão, os painéis estão estruturados em série RS-232. A transmissão de dados geralmente utilizada é a porta serial, porém o projeto será transportar para uma transmissão USB, como já ocorre em algumas variantes do Arduino.

Outras experiências

Movimento Harmônico Simples

A aplicação do nosso projeto em experiências de movimento harmônico simples é completamente dependente da flexibilidade de instalação dos sensores de movimento criados e da correta disposição final deles no trajeto do corpo oscilante. Nesse tipo de experiência onde não existe um trilho fixo para o móvel percorrer o arranjo dos sensores se torna uma tarefa mais difícil pois se um dos sensores não ficar corretamente instalado ele não irá fazer suas medições e poderá arruinar todo o experimento.

Falando mais especificamente da experiência do Movimento Harmônico Simples, ela geralmente é feita com um pêndulo oscilante em que os alunos manualmente determinam o período de oscilação com cronômetros. È um procedimento que geralmente apresenta erro devido à imprecisão da medição humana e ao atrito. Quanto ao atrito não há muito que se possa fazer, no entanto com a utilização dos sensores de movimento eletrônicos, o erro resultante da imprecisão na medição do tempo deve ser drasticamente reduzido, produzindo resultados mais compatíveis com a teoria aprendida em sala de aula.

Um típico roteiro para essa experiência pode ser encontrado no site: http://educar.sc.usp.br/sam/pendulo.html, bem como outras informações pertinentes a esse campo da cinemática.

Queda Livre

A experiência da queda livre é similar á experiência do trilho de ar, só que sem um trilho para guiar o móvel e utilizando-se apenas da força da gravidade para empurrá-lo. Novamente o problema se encontra em instalar os sensores de maneira adequada na trajetória do móvel para que os dados sejam colhidos e interpretados corretamente pelo software. A grande vantagem da utilização de uma plataforma como a que propomos em uma experiência dessas é o fato da precisão das medições ser muito mais confiável. Essa experiência acontece muito rápido devido à alta aceleração da gravidade o que impossibilita humanos de fazerem medições satisfatórias e por conseqüência impossibilita a realização dessa experiência em ambientes que não possuam um equipamento eletrônico capaz de realizar essas medidas.

Lançamento Oblíquo

A experiência do lançamento obliquo talvez seja a de mais difícil aplicação do nosso projeto, uma vez que a trajetória do projétil não pode ser prevista facilmente, dificultando a correta disposição dos sensores, no entanto em tese o nosso produto poderia calcular informações em cima desse tipo de experiência também. Essa experiência consiste de o lançamento de um projétil em um determinado ângulo e em seqüência o estudo da trajetória e das posições no espaço que o móvel ocupa em determinados instantes de tempo. Essa também é uma experiência que ocorre muito rápido impossibilitando que satisfatórias medições de tempo sejam feitas por humanos.

Conclusão

Através desse embasamento teórico, e muito mais que ainda estamos por aprender, devemos desenvolver nosso projeto a ponto de se tornar viável, tanto na questão financeira, baixo custo comparado ao existente no mercado, quanto na questão funcional, por ser mais “flexível” do que outros projetos do mesmo tipo. Alem da teoria, não podemos esquecer do trabalho prático que será desenvolvido pelos integrantes do grupo, afinal teremos que aprender a trabalhar como tecnologias e conhecimentos que não dominamos, fazendo com que alem de possivelmente ajudar no estudo experimental e pratico de física, também possa nos ajudar, trazendo conhecimento.