Tutorial de Experimentos de Física com Arduino

## TUTORIAL DE EXPERIMENTO DE FÍSICA COM ARDUINO

## PHYSICS EXPERIMENT OF TUTORIAL WITH ARDUINO

## Ítalo Marcos de Lima , Henrique Leal Rufino , Muriele da Silva Sousa , 1 2 3 Francisco Diasis Vieira de Araujo 4.

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Instituto Federal do Piauí, italoroci@hotmail.com 2 Instituto Federal do Piauí, henriqueleal66@hotmail.com 3 Instituto Federal do Piauí, murielesilva@gmail.com 4 Instituto Federal do Piauí, fdiasisva@gmail.com

## Resumo

Sabendo da importância da física no contexto educacional, das dificuldades encontradas pelos alunos no aprendizado da mesma e sabendo também o que a educação simboliza no futuro de toda uma nação, é que propomos um trabalho diferenciado utilizando as tecnologias inovadoras como ferramenta auxiliadora para o professor na transmissão de conhecimento para os alunos. É ai que entra o Arduino que é uma plataforma de hardware e software de fácil utilização que faz a interação entre ambiente com hardware e software, por meio de sensores e portas analógicas e digitais. A proposta adotada é a utilização de sensores por intermédio Arduino para a construção de experimentos de baixo custo que possam deixar as aulas de física mais atraente. Um fator importante pra a utilização do arduino é que o programador não precisa ter um vasto conhecimento de programação devido os códigos serem bem simples também devido a ter aulas de programação para Arduino de graça nas redes sociais. Os experimentos podem ir de encontro a cada uma das áreas da física. De todas as áreas, as mais abrangentes são a mecânica, óptica, eletricidade e eletromagnetismo. Um fator importante é que o Arduino proporcionará uma facilidade extrema e de maneira simples não deixa brecha para aquela velha desculpa que muitos professores usam para não fazerem a utilização de aulas práticas devido a ser muito trabalhoso. Nesse projeto trabalharemos o Looping que é um experimento que não encontramos com facilidade em laboratório e que engloba quase toda a mecânica. Inclusive construiremos o plano inclinado e o movimento de queda livre. Podemos aproveitar e nesse mesmo experimento trabalharmos com conceitos de energia e ver como acontece na prática.

Palavras-chave : Arduino, Looping, Experimento, Física.

## Abstract

Knowing the importance of physics in the educational context, the difficulties encountered by students in learning the same and also knowing what education symbolizes the future of a whole nation is that we propose a unique work using innovative technologies like helper tool for the teacher in transmission of knowledge to the students. This is where you enter the Arduino which is a hardware and software platform easy to use which makes the interaction between environment with hardware and software, through sensors and analog and digital ports. The adopted

proposal is the use of sensors through the Arduino for the construction of low cost experiments that can provide more attractive physical classes. An important factor for the use of Arduino is that the programmer does not need to have extensive knowledge of programming because the codes are very simple, also due to have programming classes for Arduino free access to social networks. Experiments can go against each of the areas of physics. In all areas, the most comprehensive are the mechanics, optics, electricity and electromagnetism. An important factor is that the Arduino provide an extreme and simply ease leaves no loophole for the old excuse that many teachers use to not make the use of practical classes because it is very labor intensive. In this project work the Looping is an experiment that did not find easily in the laboratory and that includes almost all the mechanics. Including build the inclined plane and the free fall movement. We can take that same experiment and work with energy concepts and see how it happens in practice.

Keywords : Arduino, Looping, Experiment, Physics

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## INTRODUÇÃO

A física antes da publicação do livro Diálogo sobre os dois máximos sistemas do mundo: Ptolomaico e Copernicano, publicado por Galileu em 1632 , era conhecida como filosofia natural, pois não se apossava do método científico, que é o método experimental. Então a partir deste cientista ter publicado o livro citado acima foi onde começou a ser usado este método no estudo da física e o mesmo vem se apossando cada vez mais da tecnologia para que tenhamos estrutura suficiente para produzir experimentos, que proporcione novas descobertas e um entendimento mais preciso sobre os conteúdos de física, mostrando assim que a física é uma ciência experimental, e com a criação do computador isso se intensificou ainda mais. E o ensino desta disciplina tem sido palco de grandes discursões no meio educacional, pois os alunos tem a física como um 'bicho de sete cabeças'. SANTOS; GOMES; PRAXEDES diz:

'Muitos têm em mente esta disciplina como algo impossível de se aprender e sem noção que a Física é uma ciência experimental e de grande aplicação no dia-a-dia'.

De fato a ciência, em especial a física, é uma disciplina de difícil entendimento, mas não impossível.

Com o desenvolvimento das tecnologias e principalmente a descoberta dos computadores, da internet, dos sistemas de comunicação e toda tecnologia de informação, sem dúvida foi um passo importante no desenvolvimento educacional. Tais ferramentas são as conhecidas como TIC - Tecnologia da Informação e Comunicação, que foi uma das áreas tecnológicas que mais cresceram e que podem ser a 'salvação' para o ensino desta disciplina. Para CORREIA 2004:

'As TIC constituem não só uma ferramenta ao serviço do processo de ensinoaprendizagem, mas principalmente um instrumento que propicia representar e comunicar o pensamento atualizá-lo continuamente, resolver problemas e desenvolver projetos. A utilização das TIC favorece a articulação entre as diversas áreas do saber, proporcionando um aprofundamento de alguns conteúdos específicos e levando à produção de novos conhecimentos.'

Então a partir deste crescimento tecnológico e a funcionalidade do mesmo, percebemos que a população em todos os aspectos fica cada vez mais dependente das TIC'S, seja, na indústria, no comércio, na vida pessoal ou na educação. E a área mais ganha com isso é a educação que deve se beneficiar das TIC'S, pois como diz MELO 2010:

'Este desenvolvimento tecnológico tem modificado profundamente o cotidiano das pessoas, e a escola não pode ficar alheia a essa realidade, ela precisa se adaptar e ensinar ao aluno como conviver com essas novas tecnologias (TIC'S) também dentro da escola, para que ele possa atuar como cidadão participante dentro e fora do contexto educacional'.

As tecnologias são os pontos acessíveis tanto para os professores quanto para os alunos dentro da sala de aula e fora dela. O uso destes como experimentos mostra diversas maneiras de apresentar um determinado conteúdo, ou seja, atua como uma nova metodologia de modo a melhorar a educação principalmente no ensino da Física. OSVALDO LOPES diz que:

'A abordagem experimental no ensino da física pode proporcionar ao estudante uma visão do acontecimento fenomenológico, cujo processo de assimilação na aprendizagem será, então, mais bem aproveitado, por intermédio da ação didática onde o educador aguçará a curiosidade do aluno, o que o levará a entender, o fato ocorrido, seguindo os desenvolvimentos teóricos ativamente.' (JÚNIOR, 2011).

Neste contexto entra o Arduino, que é um projeto de PIBIC do IFPI Campus picos (Edital nº 57 de 04/09/2015), estudado pelos autores deste artigo. O arduino uma placa que foi construída para interagir de maneira física o ambiente e o computador, fazendo esse processo por meio de sensores eletrônicos. Baseado em linguagem de programação C++, fazendo do mesmo um ambiente de desenvolvimento simples e acessível a todos, mesmo com pouco conhecimento de informática e eletrônica. Existe uma grande comunidade internacional e nacional que por meio de sites, rede social e blogs que trabalham com o uso do arduino dentre estes engenheiros, professores, alunos ate aficionados por esta tecnologia, que trabalham em todas as áreas de aplicação, mostrando assim a grande utilidade do mesmo. ( SOUZA, PAIXÃO, UZEDA, AMORIM).

Este trabalho tem como objetivo utilizar o Arduino para o ensino da física, fornecendo um tutorial para professores, de como construir um experimento desde sua programação até sua montagem, para assim facilitar o uso dessa ferramenta, principalmente em escolas públicas que normalmente não possuem laboratório e não tem uma boa estrutura para o processo de ensino aprendizagem. Arduino pode facilmente funcionar com o um laboratório portátil para qualquer professor de física de qualquer instituição. O trabalho foi feito com base em pesquisas bibliográficas, e pelo estudo desenvolvido pelo PIBIC no IFPI - Picos, visando montagem deste tutorial.

A utilização da placa citada acima ira ajudar a construir experimentos de física de maneira simples de baixo custo, o que faz do arduino uma ótima opção de TIC para educação. Para Martinazzo, Trentin, Ferrari, Piaia:

A utilização do Arduino, juntamente com os sensores acoplados, possibilita a coleta de dados de boa qualidade a partir da utilização de objetos e de conceitos físicos, restando propor que, didaticamente, o sistema Arduino

pode ser utilizado por escolas e universidades para favorecer o aprendizado do aluno.

Assim podemos perceber que o uso do arduino com uma opção metodológica no auxilio do ensino de física é de grande ajuda e aplicação que ainda para Martinazzo, Trentin, Ferrari, Piaia:

- [...] do ponto de vista didático este trabalho de pesquisa foi extremamente satisfatório, pois, em nível de Ensino Médio, por exemplo, seria suficiente para dar aos alunos subsídios práticos para a compreensão de teorias.

## DESENVOLVIMENTO

A montagem deste tutorial de experimentos de física realizou-se a partir de uma plataforma de programação do arduino, onde se defini a programação do experimento, juntamente com a confecção do experimento utilizado. O experimento escolhido foi o Looping que está relacionado com a mecânica e pode demonstrar uma grande variedade de conceitos da mesma. Para isso será explicitado como foi feita a construção da estrutura física e a programação do projeto para que de maneira fácil os professores possam usar o arduino em sala.

## MONTAGEM DO LOOPING

O looping pode ser facilmente montado, usando 3 m de cano PVC, cola de para cano, serra e furadeira. Usando cano PVC para construir o circulo do Looping basta utilizar uma técnica de modelagem do cano com fogo que geralmente é utilizada por eletricistas em tubulações subterrâneas.

Após a construção do circulo do looping teremos que usar outro pedaço de cano para fazer a rampa do plano inclinado e os suportes que devem ser milímetrados. Então basta agora fazer orifícios no início do looping e no final para acoplar os sensores. A figura a seguir mostra o looping pronto.

Figura 1 Æ Mostra o Looping acoplado ao plano inclinado sob uma base, onde ambos foram produzidos com canos de PVC. Fonte: Arquivo pessoal.

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## PROGAMAÇÃO DO PROJETO:

O arduino é uma plataforma de hardware e software de fácil utilização que faz a interação entre ambiente com hardware e software, por meio de sensores e portas analógicas e digitais acopladas no arduino. Veremos algumas partes do arduino abaixo.

- · Portas Digitais: o arduino uno possuem 14 portas digitais que podem assumir apenas dois níveis lógicos bem definidos, nível alto(aberto) e baixo(fechado). Às mesmas nos retornam valores 1 e 0 respectivamente.
- · Portas analógicas: são cinco portas que podem ser utilizadas para a leitura de dados emitidos pelos mais variados tipos de sensores.
- · Portas RX e TX : podem ser utilizadas como Portas digitais para comunicação serial tanto para entrada como para saída de dados.
- · Botão Reset: tem como única função reinicializar o arduino.
- · Processador: placa onde fica gravada o código desenvolvido e que será executado. Isso permite o arduino funcionar de forma autônoma, sendo necessária apenas uma fonte de alimentação.
- · Porta USB: usada para estabelecer a ligação entre o computador e o arduino.
- · Fonte externa: utilizados como fonte alternativa de energia sem dependência de uma porta USB.

Figura 2. Fonte: Google imagens, modificada pelo o autor.

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Uma vez construída a estrutura física, podemos então ir à parte programação. Para isso, previamente é necessário pensar qual dos sensores disponíveis nas lojas seria o mais adequados para a utilização no experimento. Então o sensor a ser utilizado, neste caso é o sensor de Movimento PIR DYPME003 que pode ser encontrado facilmente na internet, este sensor funciona como detector de movimento, e será acoplado no looping de modo a detectar a saída e chegada do objeto, marcando assim o tempo levado para realizar o trajeto.

O sensor foi ligado ao pino de alimentação que tem inscrição 5v(volts) e também ao pino GND que é o terra. O mesmo também captará a radiação infravermelha emitida pela bolinha que ocasionará uma variação de tensão que será transmitida até ao arduino pela porta digital. Após a coleta de informações geradas pelo sensor, o arduino executará as funções previamente programadas. Após isso, os resultados requeridos pelo código fonte serão transmitidos via USB para o computador que podem ser visualizados pela serial na própria interface de programação do arduino. Para o experimento utilizou-se o arduino, sensor de movimento, a protobord que é um distribuidor de corrente, uma tela de LCD (própria

para o uso com arduino), cabos de conecção, dois potenciômetros e um cabo USB para conecção com o arduino. A linguagem de programação é bem simples e os códigos fonte do programa estão disponíveis abaixo em que as equações físicas necessárias para o nosso experimento estão definidas dentro do código que pode ser facilmente intendido. Veja:

## Código fonte para o plano inclinado:

## Codigo Fonte do Looping

Para a construção desses códigos, o programador não precisa de um vasto conhecimento de programação, que como podemos observar acima são códigos simples. Já com o código feito, qualquer pessoa pode fazer a montagem desse experimento em que podemos simplesmente colocar o código fonte no arduino, copilar e o mesmo executará as funções. Os esquemas das ligações estão disponíveis abaixo:

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Figura 3 Æ Diagrama do Circuito. Fonte: Programa Fritzing Fab, Modificado pelo autor.

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Com isso basta seguir o esquema de ligações e teremos um experimento de baixo custo, fácil entendimento e que é uma importante ferramenta no aprendizado de física. Importante ressaltar novamente que para darmos início a qualquer um dos experimentos, temos que fazer download do programa fonte que está disponível na internet para qualquer modelo do arduino. Em seguida é só instalar e copiar os códigos citados acima no programa e clicar no botão que está na parte superior que de nome carregar A partir dai o arduino se encarregará de fazer o restante. Basta . apenas o usuário fazer o uso do mesmo. Para o plano inclinado, depois de carregado o programa, basta clicar no botão que está na parte superior direita que tem como nome monitor serial .

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

A partir de tudo que foi dito acima, podemos ter um laboratório portátil, de baixo custo. O arduino faz-se assim uma ferramenta extremamente útil para o professor, pois o mesmo terá um leque de experimentos de fácil manuseio e aplicação, que fará com que suas aulas fiquem cada vez mais interessantes e envolventes usando de uma metodologia excencial no estudo de física que a

utilização de experimento para melhor compreensão dos conteúdos. Estes experimentos não precisam ser exatamente de mecânica, mais podem abranger a física em contexto mais geral envolvendo também a óptica, a termodinâmica, a eletricidade e o eletromagnetismo. Para isso, na internet podemos encontrar vários outros tipos de sensores e métodos de aplicação que mostram cada um dos sensores e como usar cada um deles. Assim esta ferramenta ira ajudar no auxílio do estudo da física não só de maneira particular mais como um todo. Com a utilização destes experimentos, acreditamos que o professor de física conseguirá ter melhores resultados em suas aulas em que as mesmas deixaram de se resumir a somente conceitos e terão um novo rumo com a prática.

Assim o objetivo deste trabalho pode ser concluído, usando esta ferramenta em sala de aula e produzindo experimentos para física, de modo que melhore o entendimento dos conteúdos, torne as aulas mais agradantes e a física propriamente dita deixe de ser temida pelos alunos.

## REFERENCIAS:

JÚNIOR, OSVALDO LOPES SOARES. A Importância dos experimentos no estudo da física para uma aprendizagem eficaz no ensino médio . 2011. Trabalho de conclusão de Curso - Universidade estadual de Goiás - Unidade de Ciências exatas e tecnológicas curso de licenciatura em física, Goiás, 2011.

SANTOS, J; GOMES, A.; PRAXEDES, A. O ensino de física : da metodologia de ensino às condições de aprendizagem. Alagoas, AL, Brasil, p. 1-8.

MELO, RUTH BRITO DE FIGUEIREDO. A Utilização das TIC'S no processo de Ensino e Aprendizagem da Física . 2010. Simpósio Hipertexto e Tecnologia na Educação. Universidade Federal do Pernambuco, 2011.

CORREIA, HÉLIO PORTELA. Potencialidades educativas das TIC no Ensino Básico . 2004. Departamento de Engenharia Informática. Instituto Superior de Engenharia do Porto, 2004.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6023: Informação e documentação - Referências - Elaboração . Rio de Janeiro, 2002.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10520: Informação e documentação - Citações em documentos - Apresentação . Rio de Janeiro, 2003.

SOUZA ANDERSON R. DE, PAIXÃO ALEXSANDER C., UZEDA DIEGO D., DIAS MARCO A., AMORIM SERGIO DUARTE E HÉLIO S. DE. A placa Arduino: uma opção de baixo custo para experiências de física assistidas pelo PC. 2011. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 1, 1702 (2011).

MARTINAZZO CLAODOMIR ANTONIO, TRENTIN DÉBORA SUELEN, FERRARI DOUGLAS, PIAIA MATHEUS MATIASSO. Arduino: Uma Tecnologia no Ensino de Física. Setembro/2014 PERSPECTIVA, Erechim. V. 38, n.143, p. 21-30.