Experimentos de mecânica utilizando porta paralela e sensores ópticos

## EXPERIMENTOS DE MECÂNICA UTILIZANDO PORTAPARALELA A E SENSORES ÓPTICOS

Ricardo Cazetta Menzera ra

Thales Costa Soaresa,b [tcsoares@cbpf.br]r]

a Colégio Técnico Universitário - UFJF b LAFEX – CBPF e Grupo de Física Teórica José Leite Lopes

## RESUMO

Neste trabalho desenvolvemos um sistema de aquisição de dados cujo principal objetivo é a medida de tempo em experimentos de mecânica de maneira precisa. Para isso, desenvolvemos uma placa de interfaceamento que utiliza sensores ópticos que utiliza a porta paralela do computador para a aquisição de dados. Com uma programação bastante simples, o computador realiza a leitura de intervalo de tempo que um objeto leva para ultrapassar dois pontos. A partir da medida da distância em que são colocados os sensores, pode-se medir r a velocidade média do objeto em movimento, que devem ser tratados como dados de entrada. Colocando os sensores em diferentes pontos da trajetória, obtêm-se outros valores para a velocidade média. Esses resultados podem ser tratados e com isso estudados os princípios básicos do movimento com resultados bastante precisos.

A segunda parte do nosso trabalho, é desenvolver também um software que trata os dados obtidos pela placa de interface que podem ser utilizados pelo professor ou pelo através de um ambiente te interativo bastante simples.

Cumpre-se destacar que a principal contribuição e o nosso principal objetivo é reduzir custos de um experimento dessa natureza, que são vendidos pela maioria das empresas de equipamentos de laboratório, mas pouco acessíveis à à maioria das escolas brasileiras. Os dados são obtidos com precisão suficiente para se estudar as características do movimento uniforme e uniformemente variado, além do tratamento estatístico de dados. Por fim realizamos alguns experimentos, reproduzimos alalguns de nossos resultados e apontamos algumas outras possibilidades de utilização do equipamento. Disponibilizamos os dados para reprodução do mesmo.

## Introdução

A utilização da porta serial do computador para aquisição e transmissão de dados não constitui uma novidade no ensino de física quando seu objetivo é a utilização desse recurso para experimentos em sala de aula. Alguns artigos, veiculados em revistas especializadas no ensino de física, já demonstraram o potencial de aplicação desse recurso para o enriquecimento das aulas de física nas escolas de nível médio, tão carentes em laboratórios e em recursos. Em especial, para o estudo do movimento destacamos a referência [1]

Não se faz necessário nesse espaço uma defesa da importância de atividades experimentais para estudantes de nível médio pois inúmeras são as referências sobre essa assunto. Nosso ponto de partida será justamente esse: atividades experimentais são importantes para a formação do educando pois desenvolvem ferramentas cognitivas imprescindíveis ao entendimento da atividade científica.

Então, em um contexto de educação científica deteriorada sob os aspectos de práticas de laboratório, como torná-las viáveis nas escolas atuais. Nesse sentidos,

referirrnos-emos às escolas públicas de periferias e centros urbanos, onde a realidade nos mostra que nesses espaços encontram-se, em sua maioria, disponíveis computadores, mesmo que obsoletos, pois a proposta de atividade não dependerá de recursos computacionais mais avançados que um processador de 486 MHz, e com muito pouco recurso, iremos propor um dispositivo em que o professor poderá dispor de várias atividades experimentais com a utilização desse dispositivo.

Nossa proposta consiste em construir um sistema que faça interface computador -- experimento que seja capaz de colher dados de movimentos assim como tratá -los. O trabalho divide -se, então, em duas partes. A primeira discutirá o sistema de interfaceamento, desde a construção da parte de hardware como a construção do software que será responsável em tratar os dados recebidos pelo computador. O sistema de hardware é baseado no conhecido sistema de photogate vendidas por várias empresas de kits para experimentos de física, por vezes muito caro para ser adquirido por escolas onde a carência de recursos é a tônica. Ao longo do trabalho, daremos detalhes de como um professor pode reproduzir o mesmo sistema que utilizamos caso ele queira reproduzir o equipamento a um custo bem baixo. Por questões de espaço, o software responsável em tratar os dados será exibido apenas o seu algoritmo, mas que se encontra disponível no site: www.ctu.ufjf/gefam . Na segunda parte exibiremos algumas propostas de atividades e com os resultados que obtivemos com a utilização do sistema por nós desenvolvido

## 2 -Hardware:

## 2.1 A A Porta Paralela:

A Porta Paralela do PC é composta por um plugue de 25 pinos. Ela tem 1 barramentos ou buses 1 tanto de entrada como de saída. São, ao total, doze bits de saída e cinco de entrada. Como a leitura de dados da porta paralela é fefeita através de um bus de 1 byte (conjunto de 8 bits), os tres primeiros bits desse byte devem ser ignorados, pois apresentam um valor constante e servem apenas para completar o byte. O endereçamento de memória 2 da porta paralela LPT1 é feito obedecendo as s seguintes regras: o primeiro byte é o bus de saída composto por 8 bits e seu endereço de memória é 0x378h (endereço base). O segundo byte é o de entrada de dados, e seu endereço de memória é o endereço base + 0x01h, ou 0x379h. Por último, o terceiro byte é o de envio de comandos para a impressora, e seu endereço é o endereço base + 0x02h, ou 0x37Ah. Portanto, para que um dado seja lido, devemos ler o valor do endereço de memória 0x379h (cada linguagem executa essa tarefa de forma diferente, devendo portantoto, ser consultada a documentação correspondente). É importante notar que o bit 7 é lido de forma invertida, ou seja, ele estará ativo com um 0 (zero). Esta característica deverá ser "corrigida" no programa para que não seja necessário construir um sensor diferente apenas para esta entrada.

## A Base:

A base do circuito é o ponto onde se concentram todas as ligações: é onde são conectados todos os módulos e é de onde sai a conexão para o PC. Ela é constituída apenas de um regulador positivo de voltagem, que mantém a tensão de alimentação estabilizada em 5V, mesmo que a tensão na entrada não seja estabilizada, e de componentes periféricos à esse regulador, necessários ao bom funcionamento deste. Existe um retificador de onda na entrada do circuito, que permite a utilização de fonte sem uma polaridade específica e até mesmo de uma fonte de corrente alternada, embora não seja recomendável (figura1) .

## Os sensores:

Os componentes eletrônicos utilizados para a construção dos sensores óticos são simples, baratos e fáceis de se encontrar no comércio da maioria das cidades. A utilização de componentes de usos gerais facilita muito a montagem de circuitos deste tipo, pois possibilitam, com uma facilidade incrível, a construção, reparo e aperfeiçoamento do circuito. Os componenentes utilizados para a construção de cada módulo sensor são os seguintes:

Módulo receptor:

- ·
- 1 Resistor de 1kO 1/8 Watt ou mais;
- · 1 Resistor de 10kO 1/8 Watt ou mais;
- · 1 Transistor bipolar NPN BC548 ou equivalente;
- · 1 Foto -diodo comum de 5mm;

Módulo emissor:

- · 1 Diodo Emissor de Luz (LED) - - Ver texto;
- · 1 Resistor limitador de corrente para o LED - - Ver texto;

O LED utilizado no módulo emissor pode ser um do tipo 'Alto Brilho' de qualquer cor ou um do tipo Infravermelho.O LED de alto brilho facilita a visualização do funcionameto do sensor, já que podemos ver a luz sendo "interrompida" por um objeto. O LED infravermelho emite luz invisível ao olho humano, e não permite essa observação, mas é mais resistente à interferencias luminosas externas. O resistor limitador de corrente deve ser ligado em série ao led e seu valor deve ser calculado usando a seguinte ?V?V -2,4?

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fórmula: 0,04 em que R é o valor do resistor em ohms e V é a voltagem de alimentação do conjunto. Deve-se escolher uma resistência um pouco maior que a de valor encontrado, para que tenhamos uma pequena margem de segurança. Para uma voltagem de 5V, por exemplo, recomenda-se um resistor de 100 ohms. Observe os esquemas do emissor r receptor respectivamente nas figuras -2 e --3:

Observe que o módulo receptor DEVE ser alimentado com 5 volts, enquanto o módulo emissor PODE ser alimentado com qualquer voltagem, com a resistência sendo calculada com a fórmula acima.

Vamos analisar o circuito. Suponhamos que exista luz incidindo sobre o fotodiodo. Neste caso, ele conduz corrente elétrica e a base do transistor Q1 fica "conectada" à tensnsão de 5v. Dessa forma, existe condução de eletricidade entre o coletor e o emissor, então a Saída fica "conectada" ao GND (terra ou 0 volt.). Vamos agora parar de iluminar o fotodiodo. Neste momento, ele se comporta como um isolante, portanto a base do transistor está conectada ao 0v através do resistor R1. Como não há tensão positiva na base do transistor, ele também se transforma em um isolante. Agora a Saída está conectada ao 5v através de R2. A Saída de cada sensor é ligada a uma entrada da porta paralela do PC, que por sua vez é capaz de perceber se existe 0v ou 5v nessa entrada. Se houver 0v, dizemos que a entrada está em nível lógico baixo ou 0 (zero). No entanto, se houver 5v, dizemos que a entrada está em nível lógico alto ou 1 (um). Abaixo, nas figuras -4, -5 e --6 fotografamos o aparelho construído para realizar a operação.

Quando um objeto passa entre o módulo emissor e o receptor, a luz emitida por um é interrompida e temos o funcionamento descrito no parágrafo anterior. Dessa forma conseguimos dedetectar quando um objeto passa em frente ao sensor. Toda a parte de cálculo é feita no computador pelo programa que faz a leitura dos sensores.

## O Software:

O Software que monitora os sensores foi feito utilizando a suite de desenvolvimento DELPHI 7, mas pode ser desenvolvido utilizando qualquer outra linguagem de programação. O funcionamento básico é simples: o programa deve monitorar os bits de

entrada da porta paralela, que representam cada sensor, e com os dados que forem coletados, exibe os resultados na tela do computador. Os cálculos realizados são os mesmos que são apresentados aos alunos em sala de aula, tornando o entendimento dos resultados mais fácil por parte dos alunos.

O programa, ao ser ativado, monitora a passagem de um objeto pelo primeiro sensor, detectando a interrupção do feixe de luz. Neste momento, o programa registra a hora e a armazena em uma variável. Esse procedimento é repetido nos sensores seguintes. O único dado que deve ser introduzido pelo usuário é a distância de cada sensor ao primeiro sensor. Ao passar pelo último sensor, o programa já tem os dados para realizar o cálculo da aceleração. O resultado é obtido da fórmula A=2*S/T² derivada de S=S0+v0v0t+at²/2 (onde S0 e V0 são iguais a 0).

Temos ainda uma parte em que, inserindo as condições do experimento, o programa exibe os resultados teóricos da experiência. O principal objetivo desta simulação é facilitar a comparação entre o que "acontece" no papel e o que acontece na realidade.

## 2.2Algoritmos:

Toda a parte de monitoramento gira em torno de um timer. A escolha desse componente se deu ao fato de que, se tivéssemos, para esta função, um loop, o computador simplesmente ficaria "travado" enquanto a experiência é feita. Utilizando o timer, temos um controle maior sobre o intervalo entre uma leitura e outra, e o computador não ficaria travado. O código do timer fica responsável pela tarefa de ler os sensores e fazer os cálculos. A hora é lida no relógio interno do computador e tem precisão de milissegundos. O algoritmo abaixo é executatado no evento OnTimer do timer, que ocorre quando o intervalo configurado no componente na fase de desenvolvimento do software é atingido.

## 3 -Exemplos de aplicação:

Aqui vamos mostrar duas experiências que podem ser realizadas com os alunos utilizando o nosso sistema.

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## Exemplos de aplicação:

Aqui vamos mostrar duas experiências que podem ser realizadas com os alunos utilizando o sistema desenvolvido.

## 1ª Experiência: Plano inclinado

Esta experiência consiste em soltar um carrinho em um plano inclinado e medir a aceleração do mesmo. Para realizá-la será necessário uma tábua de aproximadamente 2m de comprimento, um carrinho que ofereça pouca resistência ao movimento, um transferidor e um apoio para a tábua.

Devemos fixar os sensores a distâncias uns dos oututros conhecidas (essas distâncias serão inseridas na configuração do programa mais tarde). Devemos medir o ângulo que ela forma com a horizontal, a fim de conferir os resultados obtidos com os esperados. Com o experimento montado, ligamos a fonte dos sensores e abrimos o programa de monitoramento, inserindo os dados necessários, como a distância entre cada sensor e o primeiro sensor. Feito isso, damos início à experiência: iniciamos o monitoramento dos sensores, posicionamos o carrinho rente ao primeiro sensor e, sem aplicar uma velocidade inicial, o soltamos. O programa deverá mostrar a aceleração do carrinho durante a sua descida. Essa aceleração deve se manter mais ou menos constante. Devido à baixa velocidade do carrinho no início do movimento, a medida nos primeiros sensores fica um pouco fora dos padrões.

Observe a tabela com os resultados obtidos com esse experimento:

## 2ª Experiência: Aceleração da gravidade

Esta experiência é muito semelhante à anterior, porém é utilizada uma haste que é solta no interior de um tubo de PVC, onde ficam presos os sensores. O tubo deve ficar na vertical, e a haste deve ser comprida (cerca de 20 cm) para que o sensor tenha tempo até ser detectado pelo computador. Esta experiência apresenta alguns entraves: o atrito entre a a haste e o cano, em alguns momentos, interferem significativamente nos resultados. Além disso, a haste pode movimentar-se no interior do cano, o que provoca resultados totalmente errôneos. Observe na tabela abaixo os resultados de 12 experiências feitas utilizando este método. Descrevemos apenas os resultados nos sensores 4 e 5 por apresentarem maior precisão na medida. O Primeiro registra apenas o momento em que a haste é detectada.

Conclusões

Neste trabalho desenvolvemos um sistema de aquisição de dados para utilização em experimentos de mecânica. Um dos maiores problema nesses experimentos é a obtenção de intervalos de tempo com precisão suficientemente grande para observarmos a natureza do movimento em questão. Normalmente, com experimentos de baixo custo são poucos os casos em que se consegue analisar quantitativamente e ao mesmo tempo com os resultados obtidos checá-los em relação às expectativas teóricas. As alternativas à este problema são os kits vendidos o que dificulta à maioria das escolas o acesso.

O sistema desenvolvido é bastante fácil de ser reproduzido seguindo os passos desse trabalho, resultando em um experimento de baixo custo e com precisão suficiente para estudos de alguns conceitos relacionados ao movimento. Somente com o objetivo de teste realizamos um experimento de medida para aceleração da gravidade e aceleração de um carrinho descendo um plano inclinado. Outros experimentos, tal como acontece com os kits disponível no mercado, também podem ser realizados com esse equipamento, como por exemplo análise de conservação de momento em choques, estudo de movimento bi -dimensional, força de atrito, etc..., ilimitado pela criatividade do professor.

## Bibliografia

Magno, Wictor C. et al , Realizando experimentos didáticos com o sistema de som de um PC, RBEF, p 117-123, 2004.

Ramirez, Alejandro R. G. et al, Automação para obtenção de dados de uma experiência de física: 2 2ª Lei de Newton, RBEF, p 609-612, 2005

Figura 2: Esquema elétrico do receptor.

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Figura 1: Esquema elétrico da fonte de alimentação do circuito.

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Figura 3: Esquema elétrico do emissor.

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Figura 5: Interior da base: Fonte de alimentação, conectores para os módulos e conexão com o PC.

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Figura 4: Módulos emissor e receptor montados em caixas de fósforo.Figura a 6: Experimento montado em um cano de PVC, que servirá como guia para um objeto qualquer, como por exemplo uma haste.

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