SENSORES DE BAIXO CUSTO PARA ENSINO DE FÍSICA

## SENSORES DE BAIXO CUSTO PARA ENSINO DE FÍSICA LOW COST SENSORS FOR TEACHING PHYSICS

Rodrigo Marques de Oliveira 1 , Rodrigo Coelho Ramos 2 , Douglas Adolfo Silva 3

- 1 Instituto Federal Minas Gerais / campus Governador Valadares, rodrigo.marques@ifmg.edu.br 2 Universidade Federal de Mato Grosso / campus Cuiabá, rodrigocoelho.ramos@gmail.com 3 Instituto Federal Minas Gerais / campus Governador Valadares, Douglas\_fl14@hotmail.com

## Resumo

As plataformas de baixo custo tornaram-se muito importantes na educação nos últimos anos. Contudo, os avanços na tecnologia da informação revolucionaram a maneira como as pessoas se comunicam e aprendem em quase todos os aspectos da vida moderna, exceto na educação. Dentre as plataformas, destaca-se o Arduino; versátil, popular e de baixo custo, possibilitando a interação de hardware com software, aceitando tanto a entrada como saída de dados. Este trabalho apresenta dois sensores simples, bem como algumas das possibilidades de uso no ensino de física. Dois experimentos foram propostos e os resultados satisfatórios. Espera-se despertar a possibilidade de se construir um sistema de monitoramento em tempo real para realizar um experimento de física básica que seja empolgante e permita abrir novos horizontes de aprendizagem para os estudantes.

Palavras-chave : Ensino de Física, sensores de baixo custo, instrumentação, Arduino.

## Abstract

The free hardware platforms have become very important in education in recent years. Nevertheless, advances in information technology have revolutionized how people communicate and learn in nearly every aspect of modern life except for education. Among these platforms, Arduino highlights, characterized by its versatility, popularity and low price, enabling a hardware interaction with software, accepting input/output data. This article presents two simple sensors as well as some of the possibilities of use in physics teaching. Two experiments were proposed, one on simple pendulum and the other on heat exchange. The results were satisfactory. It is hoped to raise the possibility of building a real-time monitoring system to conduct a basic physics experiment that is exciting and opens new horizons for learning.

Keywords : Physics teaching, Low-cost sensors, Instrumentation, Arduino.

## 1. Introdução

Nas últimas décadas, o advento de novas tecnologias desencadeou uma série de mudanças socioculturais que vem influenciando o comportamento do ser humano e suas relações sociais. Diante desse novo cenário e do papel socializador das instituições de ensino, cabe à escola fazer uso dessas tecnologias como ferramenta dinamizadora no processo de ensino-aprendizagem, sobretudo na construção de novos conhecimentos.

A utilização de recursos tecnológicos nas escolas possibilita uma aula mais dinâmica, interativa e prática. Não obstante, a carência desses recursos é ainda um problema enfrentado em muitas instituições brasileiras. No ensino de física, em particular, a carência de prática experimental é hoje um dos maiores desafios enfrentados por alunos e professores.

- O ensino de Física nas escolas é predominantemente teórico, com aulas expositivas e pouco atrativas aos alunos. Como consequência disso, grande parte deles não se interessa pela disciplina e ficam preocupados e presos a fórmulas, equações físicas, sem entendê-las. Segundo Sousa (2010) as aulas práticas são poucas e, muitas vezes, inexistentes no Ensino Médio do Brasil. Desse modo, para tornar o ensino de Física mais interessante e agradável, é necessário que a disciplina esteja ligada ao cotidiano dos alunos (CARVALHO, 2008; SOUSA, 2010).

Entretanto, conforme pontuou Moreira (2015), a aquisição de um laboratório de Física capaz de suprir as necessidades dos alunos, desde a física clássica até a moderna, exige um alto investimento monetário, fato que inviabiliza a sua obtenção por várias instituições de ensino.

- O Arduino se destaca dentre as plataformas por ser versátil, popular e de baixo custo. Segundo Michael McRoberts (2011), o Arduino pode ser definido como uma plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com o ambiente através de hardware e software. Em termos simples o Arduino é um pequeno computador que se pode programar para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. Os componentes de entrada podem ser sensores, botões, potenciômetros. Os componentes de saída podem ser displays, LED's, motores, cartões de memória, entre outros.

Neste trabalho foram usados dois sensores de baixo: a) um sensor de obstáculo que utiliza infravermelho e o sensor tipo sonda, modelo DS18B20, para medir temperatura em fluidos. Naturalmente, embora bastante elementares, a montagem de experimentos conforme sugeridos a seguir, exige conhecimento básico de eletrônica e programação em linguagem C, de um dos envolvidos no seu desenvolvimento.

## 2. Fundamentos

## 2.1 O pêndulo simples

Trata-se de um dispositivo composto por uma pequena massa m presa na extremidade de um fio de massa desprezível e inextensível, de comprimento L e que oscila num plano vertical. O pêndulo executa um movimento periódico de período T que independe da amplitude e da massa pendular.

Para pequenos ângulos de oscilação, pode-se mostrar que a força restauradora do movimento pode assumir:

- 𝐹𝐹 𝜃𝜃 = -𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = -𝑚𝑚𝑚𝑚 θ ; em que θ é o ângulo de abertura em relação à vertical. Relacionando-se o período desta situação à sua frequência angular, encontra-se que:

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## 2.2 Quantidade de calor

São clássicas as situações de calorimetria que se apresentam no ensino médio. Para o cálculo do calor trocado, ensina-se os impactos desta energia chegando à matéria. E sua proporcionalidade com o calor específico do material e com a diferença de temperatura produzida, 𝑄𝑄 = 𝑚𝑚𝑐𝑐∆𝑇𝑇 .

Com a energia fluindo do corpo de maior temperatura para o de menor, fazse o balaço de energia resumido como:

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## 3. Material e método

## 3.1 Placa Arduíno, sensor de infravermelho (IR) e sensor de temperatura DS18B20

O centro computacional do experimento é uma placa Arduino Uno R3, cujo custo no mercado local é de aproximadamente R$30,00.

Para detecção do movimento pendular foi usado um sensor de infravermelho (IR), conforme Figura 1. O custo no comércio local é de aproximadamente R$8,00. Quando algum obstáculo refletor está diante do sensor, o sinal IR é refletido para o led receptor, que se encontra no mesmo circuito. Quando isso acontece, o pino de saída OUT é colocado em nível baixo (0), e um led verde do módulo se acende, indicando que algum obstáculo foi detectado. O uso de outro sensor pode ser encontrado na literatura (Galeriu, 2018).

Para o outro experimento, encontrou-se trabalhos (Santos, 2015; Prima, 2017), que os autores usaram o sensor DS18B20 Grove para ler dados de um fluido ou corpo durante seu aquecimento ou resfriamento. O custo local deste sensor é de R$ 15,00.

Os códigos usados neste trabalho estão disponíveis para download (Rodrigo, 2018).

Com o auxílio de balança ou sabendo-se, previamente, a massa de blocos metálicos, pode-se fazer experimentos de termodinâmica básica, para se encontrar temperatura de equilíbrio ou capacidades térmicas em um sistema.

## 3.2 Cartão micro SD

Com o uso deste dispositivo foi possível transportar os dados manualmente para o computador. Para a comunicação do módulo com a plataforma UNO foi necessário a conexão de 6 pinos. Os pinos VCC e GND foram conectados diretamente nas portas de 5 volts e GND, respectivamente. Os pinos MISO (Master in Slave out), MOSI (Master out Slave in), SCK (serial clock) e CS (chip select) foram ligados diretamente às portas digitais.

Figura 1 - Arduino R3 (A) e sensor de obstáculo por infravermelho (B).

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Fonte: Próprio autor.

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## 3.4 Arranjo experimental para experimento do pêndulo simples

Foi montado o arranjo experimental conforme Figura 2. A plataforma Arduíno foi conectada ao computador pela interface USB.

Usou-se um barbante fino preso a uma haste. Uma massa de 10,0 gramas foi pendurada na ponta do barbante. À frente do sensor, o pêndulo foi posto para oscilar.

Figura 2 - Arranjo experimental. Em destaque A) massa presa ao barbante e B) sensor de IR. Em C) esquema da ligação do sensor ao Arduino.

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## 3.4.1 Resultados e discussão.

Uma vez montado o experimento, o pendulo é posto para oscilar, respeitando o ângulo de abertura a valores menores que 20 graus. Usamos este valor para avaliar quão grande seria o erro.

- O pendulo foi posto a oscilar e o tempo anotado para 20 períodos. Não foi observado alteração no tempo. Tomou-se o cuidado para que o pêndulo não girasse após abandonado.

O experimento foi repetido para diversos comprimentos, conforme Tabela 1.

Tabela 1: Períodos medidos pelo sensor para diversos comprimentos do barbante e respectivos valores encontrados para a gravidade.

Fonte: Próprio autor.

A seguir, um gráfico de T 2 x L foi construído, para que o estudante avaliasse a relação (ou não) entre as grandezas. Teoricamente, era esperado que, como 𝑇𝑇 = 2 𝜋𝜋� 𝐿𝐿 𝑔𝑔 . Isolando-se o termo T 2 ficamos com 𝑇𝑇 2 = 4𝜋𝜋 2 𝑔𝑔 𝐿𝐿 .

Portanto, uma relação linear entre T 2 e L.O gráfico é apresentado na Figura 3. Os resultados obtidos apresentaram uma excelente linearidade, verificando a hipótese acima.

Figura 3: Gráfico de T 2 (s ) x Comprimento (m). 2

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Num segundo momento, usando-se os dados da tabela 1, o valor para a gravidade foi calculado a partir da relação 𝑇𝑇 = 2 𝜋𝜋� 𝐿𝐿 𝑔𝑔 ; para cada comprimento de fio.

Observou-se que, os valores de g foram mais discrepantes para menores comprimentos do fio (Tabela 1). Nesta situação, observou-se, também, que a massa pendurada tendia a girar mais em torno do seu eixo central quando comparado com os comprimentos maiores. Este comportamento certamente poderá afetar a detecção do objeto, haja vista que o sensor trabalha 'lendo' o retorno da reflexão da luz emitida por ele, sobre o objeto à sua frente.

## 3.5 Arranjo experimental para troca de calor

Para este experimento, foi montado o arranjo ilustrado na figura 4. O sensor de temperatura modelo DS18B20 foi conectado à plataforma Arduino, jutamente com o visor.

Figura 4: Sensor de temperatura DS18B20 e visor ( display ) conectados à plataforma Arduino.

Fonte: Próprio autor.

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Dois copos foram utilizados para trazer água com diferentes temperaturas (fria e quente) e um terceiro, térmico, foi usado para misturá-las.

## 3.5.1 Resultados e discussão para troca de calor

Um experimento básico para introduzir conceitos de troca de calor, pode ser misturar duas amostras de água, com temperaturas diferentes. Assim, 220 mL foi aquecido e outros 220 mL foram retirados da geladeira. Usando-se a montagem anterior, a temperatura da água foi aferida em 64,75°C e 10,56°C.

Então, as amostras foram misturadas no copo térmico, totalizando 440 mL de água. Durante a mistura, o copo foi agitado para homogeneização da temperatura, a qual se estabilizou em 37,19°C.

Utilizando o calor específico da água e o balanço de energia ∑𝑄𝑄𝑟𝑟𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 = ∑𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 ; encontrou-se como valor final da temperatura da água para a mistura o valor Tf = 37,65°C.

Este experimento pode ser estendido a praticas com misturas entre sólidos (pequenos blocos) e fluidos, sem prejuízos devido ao sensor usado.

## 4 Considerações Finais

Foram encontrados alguns sensores com potencial para aplicação em experimentos de física, principalmente no ensino fundamental e médio. O custo, relativamente, baixo é especialmente útil para que comecem a povoar os espações de escolas, principalmente públicas e de poucos recursos financeiros.

Ambos sensores apresentaram resultados bastante satisfatórios. O sensor reflexivo infravermelho, mesmo apresentando um ângulo de abertura para sua leitura e dependente da qualidade da superfície do objeto para reflexão, simplificou a aplicação sendo desnecessário o uso de leds frente a frente (emissor/receptor) o que

traria mais fios e necessidade de alinhamento ao arranjo experimental. Ponto negativo é a necessidade de se evitar o giro do objeto na frente do sensor e garantir que sua superfície não seja escura, situação em que a leitura fica bastante prejudicada pela natureza de funcionamento do sensor.

- A gravação de dados foi especialmente útil, facilitando a leitura dos dados diretamente no computador.
- O sensor de temperatura mostrou-se muito rápido e preciso. Divergência entre valor teórico e esperado deve-se a trocas de calor não consideradas no cálculo, haja vista que o copo onde foi feita a mistura possui capacidade térmica que não foi considerada

## Referências

CARVALHO, Paulo Alex da Silva; FERNANDES, Renato José. Atividades Práticas: Possibilidades de Modificações no Ensino de Física. Perquirēre , Patos de Minas, ed. 5, jun. 2008. Disponível em:&lt;http://loos.prof.ufsc.br/files/2016/03/ATIVIDADES-PR%C3%81TICASPOSSIBILIDADES-DE-MODIFICA%C3%87%C3%95ES-NO-ENSINO-DEF%C3%8DSICA.pdf&gt;. Acesso em: 12 mar. 2018

GALERIU, Calin; EDWARDS, Scott; ESPER, Geoffrey. An Arduino Investigation of Simple Harmonic Motion. The Physics Teacher , Worcester, v. 52, n. 3, p.157-159, mar. 2014. American Association of Physics Teachers (AAPT). Disponível em: &lt;http://www.becker.edu/wp-content/uploads/2014/06/SHM.pdf&gt;. Acesso em: 28 mar. 2018.

MCROBERTS, M. Arduino básico , Novatec, 2011. 22 p.

Oliveira, R. M. Código para os experimentos do pêndulo e da troca de calor. Disponível em: &lt; https://drive.google.com/drive/folders/1tW0d77j9V8Z7SGrSWi2R61sRDc5RY9iI&gt;.

Acesso em: 09 mai. 2018.

PRIMA, E.C. et.al. Heat Transfer Lab Kit using Temperature Sensor based Arduino for Educational Purpose . Procedia Engineering , Indonésia, 2017, n. 170, p 536-540.

SOUZA, Amilson João de. A importância da Física Experimental no processo de ensino e aprendizado . 2010. Monografia (Licenciatura em Física) Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2010.

SANTOS, J, A. Instrumentação Eletrônica com Arduino Aplicada ao Ensino de Física . Monografia (Ensino de Física) - Universidade Federal Rural de Pernambuco, Garanhus. 2015.