USANDO O EXCEL PARA MEDIDAS VIA PORTA DE JOGOS DE UM MICROCOMPUTADOR

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## USANDO O EXCEL PARA MEDIDAS VIA PORTA DE JOGOS DE UM MICROCOMPUTADOR

Jalves Sampaio Figueira [jalvesampaio@pop.com.br] a Eliane Angela Veit [eav@if.ufrgs.br] b

a CEFET/PR e Mestrado Profissionalizante em Ensino de Física, UFRGS b Instituto de Física, UFRGS

## RESUMO

Indica-se um caminho para aquisição de dados usando planilhas Excel, desenvolvidas com a linguagem VBA ( Visual Basic Application ), para a leitura das entradas digital e analógica da porta de jogos. Apresentam-se resultados para grandezas da cinemática de um pião rotante e discorre-se sobre a determinação do calor específico sem calorímetro, em fase de implementação.

## I. INTRODUÇÃO

O microcomputador é empregado no ensino de Física especialmente em atividades que envolvem simulação 1 e aquisição automática de dados [1-3]. As simulações são especialmente apropriadas para o estudo de modelos de sistemas físicos dinâmicos, sobre os quais se deseja investigar evolução temporal e testar hipóteses. A aquisição automática de dados se faz necessária, principalmente, nas situações em que: i) são necessárias medidas em intervalos de tempo pequeno para serem coletadas manualmente, por exemplo, medidas de freqüência em polias em experimentos de determinação do momento de inércia, na determinação da força em função do tempo em uma colisão mecânica ou na obtenção da cinemática de rotação de um pião girante; ii) há necessidade de um monitoramento em tempos prolongados, como em medidas de resfriamento de um corpo ou estudo da pressão atmosférica ao longo de uma semana; ii) as grandezas não são acessíveis devido às condições de realização do experimento, por exemplo, locais em que a pressão e a temperatura são adversas ou há periculosidade, como experimentos envolvendo radiações de altas energias.

Neste trabalho apresentamos alguns experimentos usando a linguagem VBA ( Visual Basic Application) que acompanha a software Excel na aquisição automática de dados. Aguiar e Laudares [2] utilizaram a linguagem LOGO e Haag [1], um programa especial para a leitura dos dados e a planilha Excel para analisá-los. Nossa motivação para o uso de planilhas eletrônicas se deve aos seguintes fatos: i) são altamente ajustáveis às necessidades em vários campos de atividade, assim como na vida doméstica; ii) permitem cálculos numéricos sem conhecimento de qualquer linguagem de programação ou metáfora simbólica; iii) cálculos com planilhas costumam ser inteligíveis e apreciados por professores de ensino médio, enquanto programas escritos em

linguagem de programação não têm a mesma receptividade; iv) planilhas eletrônicas propiciam a construção de gráficos. O VBA permite que com poucas linhas de programação seja possível coletar dados com uma planilha Excel.

Ainda que, em princípio, sejamos partidários do uso de softwares livres ou, pelo menos, gratuitos, o Excel, por fazer parte do pacote Office, costuma estar disponível na maior parte das escolas. Adicionalmente, planilhas eletrônicas livres que apresentam grande potencialidade já existem e a adaptação de nosso trabalho para um sistema livre depende tão somente da possibilidade de leitura da entrada de jogos.

## II. LEITURA E REGISTRO DOS DADOS

A leitura de um byte na porta de jogos somente é possível com o uso de arquivos de uma biblioteca de links dinâmicos, do tipo dll 2 , que contêm funções específicas para a leitura e registro dos valores das entradas. Pode-se encontrar na rede diversas opções para acesso da porta de jogos. Foge ao escopo deste trabalho os detalhes técnicos sobre a construção de macros e configurações de dll . Em trabalhos anteriores, apresentamos um texto detalhado sobre como construir macros com o VBA no Excel e como configurar a dll para leitura da porta digital [4], disponibilizamos planilhas Excel para registro de intervalos de tempo via entrada digital [4] e discutimos resultados para o movimento de um pêndulo amortecido e de um pião girante [3].

Sinais analógicos podem ser lidos usando a porta de jogos, presente na placa de som, e a entrada da impressora (porta paralela). A primeira possui quatro entradas analógicas, pinos 3, 6, 11 ou 13 existentes no conector DB15 e, equivale a um conversor analógico-digital de oito bits. Vantagens sobre o uso e descrições da placa de som encontram-se nas ref. [1-2]. A leitura de um sinal analógico é feita conectando um sensor, que apresente uma variação da resistência em função da grandeza a ser medida.

## III. EXEMPLOS: PIÃO ROTANTE E DETERMINAÇÃO DO CALOR ESPECÍFICO

Para o estudo do movimento de um pêndulo simples e de um pião rotante, um sistema ótico de detecção foi construído com um fotodiodo emissor e um transistor receptor de infravermelho, conectados à entrada digital, para medidas de tempo [3]. Aqui nos restringimos à apresentação dos 3 resultados para a rotação de um pião, pois desconhecemos medidas semelhantes. O leitor interessado em dados para o período de um pêndulo, sem restrição de pequenas amplitudes, e para a velocidade máxima em cada oscilação, pode consultar as referências [2,3] .

No estudo do movimento de rotação de um pião, devido ao elevado valor da velocidade angular (~100rad/s), a aquisição automática de dados é indispensável. Além disto, precisou-se construir um sistema ótico de detecção do tipo reflexivo, em que o emissor e o receptor são colocados de um mesmo lado do pião e uma fita adesiva opaca, presa ao pião, serve como superfície refletora para desviar o feixe de infravermelho no sentido do receptor. A cada passagem do feixe pela fita adesiva, o sinal na saída do fototransistor é alterado de '0' e '1' (e vice versa) e o período de rotação do pião determinado. Na Fig. 1.a vê-se os dados obtidos durante 10s a 15s, em quatro distintos lançamentos, com diferentes valores iniciais de velocidade angular. No gráfico são

apresentados os valores médios da velocidade angular obtidos a cada três rotações completas do pião. Nos l ançamentos A e D, o momento de inércia é o mesmo, apenas a velocidade angular inicial varia. Nos lançamentos B e C, foram fixados no pião três pequenos parafusos simetricamente afastados do eixo, de tal modo que o momento de inércia do pião nestes lançamentos é maior do que nos lançamentos A e D. O perfil das curvas decorre da existência de forças resistivas que provocam uma redução gradativa na velocidade angular. Para um mesmo momento de inércia, a taxa de variação da velocidade angular com o tempo é qualitativamente a mesma, conforme pode ser visto comparando a curva A à D e a curva B à C. A comparação do par de curvas A-D ao par BC torna visível que, para momento de inércia maior, a taxa de variação da velocidade angular é reduzida. É possível ajustar estas curvas com uma função exponencial do tipo ) obtendo-se coeficientes de correlação cujo quadrado são superiores a 0,99. Assim, exp( t o µ ω ω -= a suposição de que a resistência é proporcional à velocidade parece ser uma boa aproximação para o tratamento do problema, especialmente nos lançamentos B e C. Uma análise mais pormenorizada pode ser feita investigando a dependência da aceleração com a velocidade. Na Fig. 1.b vê-se o módulo da aceleração angular média obtido a partir dos valores da velocidade angular média correspondente a cada cinco rotações de um dos lançamentos. Observa-se que a dependência não é linear em todo o intervalo; para valores superiores a 100 rad/s a ação das forças resistivas apresenta uma dependência na velocidade com potência superior a um.

Figura. 1 (a) Valores para a velocidade angular média obtidos para quatro lançamentos. As curvas A e D correspondem ao pião com seu momento de inércia original e as B e C com um momento de inércia maior. (b) Módulo da aceleração angular média em função da velocidade angular média para os lançamentos A e D.

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Para medidas de temperatura usamos um termistor cuja resistência diminui com o aumento da temperatura (NTC ) de 30kO, que opera na faixa de -50ºC a 150 C. A curva característica de um 4 o NTC é altamente não-linear, da forma R = R expß(1/T o o -1/T), sendo R a resistência à temperatura o To. Desenvolvemos uma macro com VBA no Excel na qual usamos a função inp32 para a leitura de um sinal em uma das entradas analógicas. Em essência, um sinal é enviado a uma das portas analógicas (pela função out32 ) e mede-se o tempo que o bit correspondente permanece no estado alto (1), usando simplesmente um contador no loop da macro que m onitora a porta de entrada. Temos, assim, uma medida do tempo em unidades arbitrárias, mas como o tempo é linear com a resistência [3], calibramos o sistema usando resistências conhecidas. Este procedimento para medidas de tempo possui limitações pois depende demasiadamente das características do processador e da configuração do sistema. Nossos resultados apresentam imprecisão da ordem de 1 C o e por isto estamos elaborando nova planilha Excel que nos permita precisão maior. Pretendemos, então, refazer as medidas para determinação do calor específico de corpos, sem o uso

de calorímetros [5]. Mede-se a curva de resfriamento de uma certa quantidade de água com temperatura inicial de aproximadamente 60 C. Quando a água se encontra a cerca de 45 C, o objeto, o o cujo calor específico se deseja determinar, é imerso na água. A temperatura da água cai bruscamente, pela perda de calor para o objeto, mas em minutos retorna à taxa de decaimento original. O cálculo da troca de calor entre os dois corpos permite a determinação do calor específico.

## IV COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES

O uso da linguagem VBA com o aplicativo Excel mostrou-se prático e flexível nas medidas de intervalo de tempo de sinais digitais com a placa de som. Em poucas linhas de programação é possível realizar experimentos de coleta de dados em tempo real. A maior parte das publicações na área usam mais de uma ferramenta na coleta e análise das medidas, despendendo tempo. Nossa planilha para a leitura da entrada analógica com o VBA necessita de aprimoramento, pois sua precisão é de 1 o C, e desejamos décimos de grau. Uma possibilidade, em estudo, requer o uso de uma biblioteca do Windows , em que a unidade arbitrária de medida de tempo seja tomada pela posição do joystick na tela do microcomputador.

O estudo do movimento de rotação de um pião, viável apenas com aquisição automática de dados, amplia a possibilidade de discussão de efeitos de forças resistivas sobre movimentos de rotação, raramente abordados nos cursos tradicionais de Física. A determinação do calor específico sem calorímetro, pode ser realizada manualmente, porém a automatização permite evitar a tarefa enfadonha de tomada de dados em intervalos regulares de tempo, além de permitir a coleta de dados em intervalos menores de tempo.

Agradecimentos a Profa. Rejane M. RibeiroTeixeira, pela leitura crítica do manuscrito.

Apoios: CAPES, CEFET/PR, PROPESQ-UFRGS, CREF/IF-UFRGS .

## BIBLIOGRAFIA

- 1. HAAG, Rafael - Utilizando a placa de som do micro PC no laboratório didático de Física. Revista Brasileira de Ensino de Física . São Paulo, v. 23, n. 2, p. 176-183, jun. 2001.
- 2. AGUIAR, C.E.; LAUDARES, F. Aquisição de dados usado Logo e a porta de jogos do PC. Revista Brasileira de Ensino de Física. São Paulo, v. 23, n. 4, p. 371-380, dez. 2001.
- 3. FIGUEIRA, J. S.; VEIT, E. A. Usando o Excel para medidas de intervalo de tempo no laboratório de Física, aceito para publicação na Revista Brasileira de Ensino de Física .
- 4. FIGUEIRA, J. S.; VEIT, E. A. Planilhas Excel para aquisição de dados via entrada digital. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/excel/excel\_digital.html. Acesso em 23 agosto 2004.
- 5. MATTOS, C.; GASPAR, A. Uma medida de calor específico sem calorímetro. Revista Brasileira de Ensino de Física , v.25., n.1, p. 45-48.