AQUISIÇÃO DE DADOS ATRAVÉS DA ENTRADA DE MICROFONE: ESTUDO DE LANÇAMENTO HORIZONTAL

## AQUISIÇÃO DE DADOS ATRTRAVÉS DA ENTRADA DE MICROFONE: ESTUDO DE LANÇAMENTO HORIZONTAL

Marisa Almeida Cavalcante [marisac@pucsp.br] Amanda Bonizzia [bonizzia@uol.com.br]r]

Leandro Cesar Pereira Gomes [l[leandrosafra@yahoo.com.br }

GoPEF -PUC/SP (Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da Pontifícia Universidade Católica de São Paulo)o)

## R ESESUMO

Nos últimos anos, o desenvolvimento tecnológico tem facilitado de várias maneiras as o nosso cotidiano. Sistemas computacionais estão presentes não apenas nas residências, mas em todos os lugares que circulamos, no controle do trânsito, nos supermercados, nas agências bancárias, nos aparelhos de telefonia celular, etc . Apesar do uso crescente dos computadores pelos alunos e das grandes potencialidades que esta tecnologia pode nos oferecer o PC ainda é pouco utilizado como um instrumento de medida em laboratórios de Física a quer pela falta de informação dos professores dos recursos oferecidos, quer pela dificuldade em adquirir interfaces e softwares de aquisição. A inserção desta nova tetecnologia para muitos ainda é algo muito distante, e muito difícil. No entanto , desde o ano de 2005 que desenvolvemos na disciplina de Instrumentação para o Ensino de Física do curso de Licenciatura em Física a da PUC/SP P sistemas de aquisição de dados extremamamente simples em que os sinais coletados através da entrada de microfone dos microcomputadores s podem ser visualizados tanto em componentes de freqüência quanto em amplitude em função do tempo através de versões shawares e/ou freeware de softwares de análise de som disponíveis na web. Neste trabalho apresentamos um sistema muito simples que nos permite ter uma boa estimativa do valor da aceleração local de queda dos corpos a partir de lançamentos s horizonta is . Acreditamos que este sistema por sua simplicidade contribui de maneira significativa para uma nova abordagem no ensino de Física no século XXI permitindo transformar a sala de aula em um ambiente de investigação, valorizando os objetivos educacionais e não meramente instrucionais.

Palavras Chave: Aquisição de dados, placa de som, entrada de microfone, aceleração de queda dos corpos, lançamento horizontal.

## 1. INTRODUÇÃO

Apesar da da a grande revolução tecnológica que estamos vivenciando , as salas de aula da grande maioria das escolas brasileiras ainda estão bem distantes deste novo panorama e o ensino de Física continua desconectado deste mundo tão fascinante que nos cerca. Os recursos computacionais quando disponíveis, , em geral se restringem ao uso de simulações, editoração de textos, planilhas de cálculo e e a internet t quando utilizada, fica restrita apenas para pesquisa nos s trabalhos escolares. A possibilidade de utilizar o computador como um instrumento de medida ainda é desconhecida pela grande maioria dos nossos professores, até porque em geral sistemas de aquisição automática de dados disponíveis no mercado, ainda apresentam um custo eleva do para a realidade das escolas, principalmente as s vinculadas à à rede pública brasileira.

Ao longo dos últimos anos muitos trabalhos têm sido realizados no sentido de apontar possibilidades de inserção desta tecnologia desde a construção de interfaces com conexão a entrada paralela dos computadores e a programação do software de aquisição em Q.Basic (Souza et al.,1998) até a utilização de placas de som como interface de aquisição de dados, em que sensores analógicos e digitais são conectados a entrada de joystick (A(Aguiar & Laudares, 2001; Haag, 2001; Dionísio & Magno, 2007) e outros em que a entrada de microfone faz a captura de sinais (Montarroyos & Magno, 2001; Cavalcante & Tavolaro, 2003 Cavalcante et al.,2002). No entanto, desde 2005 que sistemas de aquisição de dados de baixo custo que utilizam a placa de som como interface de conversão e em particular a entrada de microfone (Cavalcante et al.,2008) tem sido incorporados ao programa da disciplina de Instrumentação para o Ensino de Física no curso de licenciatura da PUC/SP. Nestes sistemas, fofototransistores são conectados diretamente a entrada de microfone dos computadores e softwares de análise sonora com versões freeware e permite obter informações de tempo com precisões da ordem de milesegundos. A partir de 2007 oficinas de extensão o têm sido oferecidas através da Coordenadoria de Extensão e Aperfeiçoamento da PUC/SP (Cogeae/PUC/SP, P, 2008) levando esta tecnologia ao conhecimemento de professores de outras instituições. s.

É importante salientar que a inserção desta nova tecnologia possibilita dentre outras coisas transformar a sala de aula em um ambiente de investigação, valorizando os objetivos educacionais e não meramente instrucucionais.

Neste trabalho apresentaremos o sistema de aquisição de dados mais barato e simples já existente e que representa um passo muito importante para o uso de novas tecnologias no ensino e aprendizagem de Física.

## 2. METODOLOGIA

## 2.1 Princípípio Básico de Funcionamento do Sistema de Aquisição de Dados

Quando gravamos um sinal sonoro de um microfone, este sinal que é um sinal analógico é convertido num código binário por um conversor A/D, disponível na placa e processado pelo PC.

A conversão pode ser feita em oito ou dezesseis bits e com uma taxa de amostragem de até 44,1 KHz com resoluções que podem atingir a faixa de 23 m?s?s, e que são suficientes para aplicações didáticas. Atualmente podemos contar com diferentes softwares, disponíveis na Internet que nos s permite tanto gerar sinais através das saídas de áudio, quanto analisar sinais através da entrada de áudio da placa de som visualizandooos tanto em componentes de freqüência quanto em amplitude em função do tempo.

Neste trabalho os impulsos provenientes de um fotosensor são enviados diretamente a entrada de microfone de um PC através de um conector tipo Jack e são analisados a partir de softwares sonoros e outros softwares disponíveis livremente na WEB (Cavalcante et al, 2008) . Para experimentos em mecânicica os intervalos de tempo de passagem de objetos nos fotosensores podem ser medidos diretamente na tela do PC o que nos permite estudar tanto características cinemáticas tais como velocidade e aceleração de objetos, quanto obter informações de sua quantidade de movimento.

Apresentaremos como exemplo o estudo de lançamento horizontal e mostraremos como é possível determinar o valor da aceleração local de queda de corpos no ar.

O uso desta tecnologia está sendo difundida entre os professores da rede de ensino pública e privada e outros experimentos como identificação dos códigos de controles remotos, determinação da aceleração da gravidade, determinação de coeficiente de restituição em colisões, dentre outros são realizados pelo Grupo de Pesquisa em Ensino de de Física através dadas oficinas de extensão citadas anteriormente (Cogeae/e/PUC/SP, P, 2008) .

## 2.2 Estudo do lançamento horizontal e a determinação da aceleração da gravidade local.

Uma das grandes vantagens deste método está na simplicicidade do equipamento utilizado. O sistema consiste de um trilho, como os utilizados em conduítes para fios, em que umuma esfera é lançada horizontalmente de uma dada altura h e cairá em uma caixa contendo areia que após a queda permite determinar o seu alcance (Fig.01) .

Um fototransisistor é cuidadosamente disposto na saída do trilho permitindo determinar o intervalo de tempo de bloqueio através de um software de analise sonoro.

Deve -se dispor o fotosensor de modo que o espaço de bloqueio se aproxime o máximo possível do diâmetro da esfefera de modo que a velocidade de lançamento possa ser determinada a partir da da informação de tempo fornecida. Para cada lançamento efetuado à à uma dada altura h, obtemos o alcance correspondente (Fig.01) .

Fig.01: Esquema experimental do lançamento horizontalal. A figura da esfera cinza (mais escura) representa o movimento vertical (ação da aceleração da gravidade) e a figura da esfera de cor verde (mais clara) representa o movimento final parabólico. Para as alturas fixadas consideraremos a componente horizontal de velocidade constante.

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Para a determinação da aceleração de queda local podemos considerar para os valores de altura fixados que:

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onde;

h... representa a altura de lançamento, fixada pelo observador

x ....alcance da esfera , determrminado quando a esfera toca a caixa de areia

vx vx ....velocidade de lançamento que pode ser determinada a partir ir r do diâmetro da esfera (D) ) e o intervalo de tempo de bloqueio no fotosensor (?t); v x = D/? /? t t (por isso a importância no posicionamento do fotosensor)

## g.... Aceleração de de queda local

- O valor da aceleração de de queda a local pode ser obtido conhecendo-se a relação entre a velocidade de lançamento e o o alcance para uma dada altura h a partitir da seguinte relação:

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Considerando vários lançamentos para uma dada altura h previamente estabelecida, um gráfico v x versus x x x nos permite, a partir de sua inclinação obter o valor da aceleração de de queda local. l.

Uma observação importante é que devido à existência de um capacitor disposto na entrada de microfone apenas os transitórios dos sinais capturados podem ser obtidos o que neste caso não representa nenhum impedimento para a determinação do intervalo de tempo de bloqueio.

A Fig.02 mostra um exemplo do sinal visualizado na área de trabalho do software utilizado. Note que os instantes das transições podem ser facilmente identificados possibilita ndo o determinar o intervalo de tempo de bloqueio na passagem da esfera .

Fig.02: O sinal mosostra o tempo de bloqueio de incidência de luz no sensor acoplado na entrada mic da placa de som, bloqueio esse ocasionado pela passagem da bola de bilhar de diâmetro (5, 647 ± 0, 002) cm na saída do trilho.

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Um gráfico que relaciona o alcance e a velocidade horizontal de lançamento foi obtido para 50 lançamentos distintos a uma altura de 82 cm e está representado nas figuras 3 e 4 4 paras duas esferas distintas de raio igual a 5,6cm e 1,9cm respectivamente.

Fig.03: Gráfico que relaciona a velocidade de lançamamento horizontal e o alcance observado para a esfera de maior diâmetro.

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Fig.04: Gráfico que relaciona a velocidade de lançamento horizontal e o alcance da esfera de diâmetro menor.

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A partir da eq.2 e 2dos coeficientes angulareres em cada caso obtivemos os valores (945 ± 23)cm/s 2 (963 ± 55) cm/s 2 para a aceleração da gravidade local, resultados bastante satisfatórios considerando a simplicidade do método proposto.

Observe que um mau posicionamento no fotosensor acarreta a em grandes desvios para o valor da aceleração, tendo em vista que a relação vx vx /x aparece ao quadrado na eq. 2.

## 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A grande revolução tecnológica que vivemos trouxe ao alcance de uma boa parcela da população brasileira sistemas computadorizados que vão desde aparelhos de tele fonia celular com sistemas de transferência de dados Bluetooth e câmeras integradas de resoluções cada vez maiores até a conjugação de tecnologias de rastreamento, posicionamento e navegação que introduziram cidadãos comuns no campo da geotecnologia. Estamos diante de uma nova era, e a cada dia a forma de comunicação entre as pessoas é transformada. No entanto , uma considerável parcela das nossas escolas parece ainda estar à margem deste processo. Ensinar Física no século XXI é uma tarefa desafiadora e terá á a função de trazer aos indivíduos uma compreensão deste te universo moderno e fantástico. Mas é preciso mais do que discutir os conceitos físicos envolvidos nos diferentes recursos que nos cercam , é preciso levar estes recursos para dentro da sala de aula. PaParece incompreensível que com tantos recursos tecnológicos disponíveis a "Física", grande responsável por toda esta revolução, ainda seja ensinada com recursos de quase dois séculos atrás.

Hoje os computadores estão na casa das pessoas e em muitas escolas, , em laboratórios de informáticas muitas vezes ociosos por total desconhecimento dos

professores dos recursos disponíveis, inclusive da possibilidade de utilizá-á-los como instrumentos de medidas em experimentos de Física.

No entanto um dos impedimentos, para a inserção desta nova tecnologia em nossas escolas se deve dentre outros fatores, ao alto custo na compra de interfaces de aquisição didáticas. Ao longo dos últimos anos muitos trabalhos têm sido realizados no sentido de apontar possibilidades de inserção o desta tecnologia e dentre elas se encontra a utilização de placas de som como interface de aquisição de dados. A maioria destes trabalhos utiliza a entrada de joystick em que sensores analógicos e digitais podem ser conectados. No sitio da Universidade Fe deral do Rio Grande do Sul pode-se inclusive baixar softwares que permitem a coleta de dados a partir da porta game, o que favorece muito a inserção desta tecnologia. Nos últimos anos, no entanto os computadores vêm utilizando cada vez mais a porta USB (Uniniversal Serial Bus) e suas placas de som não apresentam mais a conexão DB15 o que tem limitado a utilização desta tecnologia para a aquisição de dados.

É possível ainda montar interfaces de aquisição e com linguagem simples de programação como o Q.Basic, popor exemplo, obter a um custo bem reduzido um sistema bastante eficiente de coleta e analise de dados. No entanto os professores em sua grande maioria não têm formação em eletrônica básica e nem tão pouco em linguagem de programação para possibilitar o uso destas interfaces.

Para suprir todas estas dificuldades desde o ano de 2005 que iniciamos na PUC/SP o desenvolvimento de sistemas de aquisição que utilizam a entrada de microfone, para a coleta de dados. Estes sistemas estão sendo utilizados com alunos do curso de licenciatura em Física propiciando instrumentalizá-los para o uso de novas tecnologias em qualquer escola que disponha de computadores com placas de som. Mostramos neste trabalho como estes experimentos podem ser facilmente realizados e acreditamos que devido à sua simplicidade e seu baixo custo, nossas escolas púpúbúblicas finalmente possam incorporar esta nova tecnologia em sala de aula.

Acreditamos que a possibilidade de inserção desta nova tecnologia além de tornar as aulas de Física inserida no cototidiano dos alunos, permite aos indivíduos uma maior compreensão de sistemas computadorizados, deixando de ser algo que apenas "cientistas" têm o privilégio de compreendê-los. Julgamos fundamental a apresentação neste XVIII Simpósio de Ensino de Física deste trabalho, tendo em vista que é uma excelente oportunidade para que pesquisadores desta área possam conhecer os avanços que conseguimos no sentido de garantir um recurso tecnológico incrivelmente simples e que viabiliza levar para sala de aula uma Física a mais integrada ao mundo contemporâneo.

- O Grupo de Pesquisa em Ensino da PUC/SP tem divulgado o uso desta tecnologia através de oficinas de extensão oferecidas pela Coordenadoria de Geral de Extensão e Aperfeiçoamento da PUC/SP. Nestas oficinas, estes e oututros experimentos utilizando a entrada de microfone para a aquisição de dados têm sido realizados, mostrando aos professores que introduzir novas tecnologias no ensino de Física pode ser simples, fácil e permite tornar nossas aulas muito mais dinâmicas e ininseridas no século XXI.

Levando -se em conta a simplicidade e o baixo custo deste método acreditamos que sua divulgação em um Simpósio com a abrangência e importância do SNEF possa contribuir para uma ampla divulgação tecnológica no ensino de Física, no nosso país. Sem contar os inúmeros trabalhos de investigação que podem emergir em aplicações de metodologias inovadoras na prática docente com sistemas de aquisição de dados totalmente viáveis e de fácil implantação.

## REFERÊNCIAS

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- · Audacity , , Software de análise sonora: http://audacity.sourceforge.net/download/d/ Página em que se pode efetuar o download de um software de edição sonora. Pode -se gravar e analisar sinais sonoros. Acesso em 10/09/2008
- · Cavalcante M. A.; Silva , E; Prado, R. e Haag, R.(2002). " O Estudo de Colisões através do Som" Revista Brasileira de Ensino de Física 24, 2, 150 -157 (2002).
- · Cavalcante , M. A. e. Tavolaro, C. R. (2003). "M"Medindo a Velocidade do Som". Física na Escola , 4, 1, 29 -30
- · Cavalcante; M M. A.; Bonizzia , A. . e Gomes , L.C. P. (2008) "Aquisição de dados em laboratórios de Física; um método simples, fácil e de baixo custo" " Revista Brasileira de Ensino de Física, 30,2, 2501 -2506 (2008) .
- · Cogeae/PUC/SP (2008): http://cogeae.pucsp.br/index2.php?ID=23 Página dcdcoordenadoria geral de extensnsão e aperfeiçoamento da PUC/SP Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da PUC/SP onde informações sobre as Oficinas de Física de extensão para professores podem ser obtidas. Acesso em 10/09/2008.
- · CoolEdit ,software de análise sonora http://baixaki.ig.com.br/download/Cool-l-Edit-t200001 -1.htm m Página em que se pode efetuar o download do software de edição sonora Cool Edit. t. Acesso em 10/09/2008
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- · Haag, R. (2001). " Utilizando a Placa de Som do Micro PC no Laboratório Didático de Física." " Revista Brasileira de Ensino de Física, 23, 2, 176 -183
- · Magno, C. W. e Montarroyos, E. (2002) " Decodificando o Controle Remoto com a Placa de Som do PC" C" . Revista Brasileira de Ensino de Física, 24, 4, 497 -- 499
- · Montarroyos , E. e Magno, C . W. (2001). " Aquisição de Dados com a Placa de Som do Computador " " Revista Brasileirira de Ensino de Física, 23, 1, 57 -62
- · Osciloscope and Spectrum Analyser : http://polly.phys.msu.su/~zeld/oscill.html Página em que se pode efetuar um download livremente do software. Acesso em 10/09/2008.
- · Sítio da UFRGS: http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/ / Página da UFRGS em Novas Tecnologias de Ensino de Física onde encontramos softwareres desenvolvidos para a aquisição de dados através da entrada joystick da placa de som. Acesso em 10/09/2008
- · Souza,D. F. de; Sartori , J..; Bell , M.J. e. Nunes , L.A (1998). "Aquisição de dados e Aplicações Simples Usando a Porta Paralela do Micro PC." Revista Brasileira de Ensino de Física, 20, 4, 413 -422