TECNOLOGIA APLICADA AO ENSINO DE FÍSICA: MENSURANDO A VELOCIDADE INSTANTÂNEA DE UMA ESFERA EM UMA RAMPA DE LANÇAMENTO HORIZONTAL

## TECNOLOGIA APLICADA AO ENSINO DE FÍSICA: MENSURANDO A VELOCIDADE INSTANTÂNEA DE UMA ESFERA EM UMA RAMPA DE LANÇAMENTO HORIZONTAL

Afonso Holanda de Freitas Freire , Cícero Jailton de Morais Souza , Ibson José 1 2 Maciel Leite , José Cícero Marques Vicente 3 4 , José Roberto Tavares de Lima 5

- 1 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Pernambuco - Campus Pesqueira / Licenciatura em Física / afonso\_holanda@hotmail.com
- 2 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Pernambuco - Campus Pesqueira / Licenciatura em Física / cicero.jailton@hotmail.com
- 3 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Pernambuco - Campus Pesqueira / Licenciatura em Física / ibsonmleite@hotmail.com
- 4 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Pernambuco - Campus Pesqueira / Licenciatura em Física / jcmarques360@hotmail.com

5 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Pernambuco / Coordenação do curso de Licenciatura em Física / IFPE campus Pesqueira, jroberto@pesqueira.ifpe.edu.br

## Resumo

Em nossa rotina escolar, no ensino de Física, evidenciamos grande parte dos professores não propiciando atividades experimentais principalmente devido a falta de laboratórios específicos ou pelos obstáculos de domínio do conhecimento conceitual e na interpretação dos dados obtidos. Diante deste contexto e do desafio de desenvolver um instrumento que permitisse a determinação da velocidade de lançamento de uma esfera em um experimento de lançamento horizontal, durante uma atividade experimental no curso de Licenciatura em Física no IFPE campus Pesqueira, construímos um sistema simples e de baixo custo para aquisição de dados composto por um apontador laser, um foto-sensor e de uma lente convergente. O objetivo desta investigação foi expor aos professores de Física um dispositivo agregado aos experimentos de mecânica que permita a leitura da velocidade com maior precisão e a coleta de dados, tais como altura, alcance etc., articulados com os modelos matemáticos construídos pela física, proporcionando ao aluno uma aproximação do processo prático ao conhecimento teórico. O sistema funciona conectado a entrada de microfone da placa de som de um computador, e com a utilização de um software que interpreta o intervalo de tempo da incidência de luz no foto-sensor, podemos calcular a velocidade de lançamento.

Palavras-chave : Tecnologia, Ensino de Física, Experimentos de Física.

## INTRODUÇÃO

O homem contemporâneo tem demonstrado, cada vez mais, interesse em conhecer e tentar explicar os fenômenos da natureza, assim como, prever e dimensionar o que poderá acontecer no futuro. Um dos objetivos do estudo da Física é desenvolver a capacidade do estudante de conseguir se relacionar com o mundo e procurar regularidades, na conceituação e quantificação das grandezas através das experimentações. Desta forma, o aluno, durante a sua formação acadêmica, pode

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20 a 25 de janeiro de 2013

desenvolver uma aprendizagem mais significativa quando submetido a contextos de investigações, principalmente em situações-problema a serem resolvidas (BRASIL, 1999, p.24).

Um valioso momento de pesquisa e estudo dos fenômenos da natureza é conseguido durante as vivências dos experimentos físicos nas componentes curriculares de Física Experimental nos cursos superiores. Os laboratórios de Física Experimental das instituições de ensino superior, geralmente, disponibilizam kits experimentais de diversos fabricantes que permitem ilustrar alguns fenômenos e a obtenção de resultados que possibilitam análises, reflexões e discussões. Desta forma, as atividades experimentais conseguem instigar a aquisição de competências e habilidades relacionadas ao ensino da Física, como enunciam os Parâmetros Curriculares Nacionais:

- · Desenvolver a capacidade de investigação física. Classificar, organizar, sistematizar. Identificar regularidades. Observar, estimar ordens de grandeza, compreender o conceito de medir, fazer hipóteses, testar.
- · Conhecer e utilizar conceitos físicos. Relacionar grandezas, quantificar, identificar parâmetros relevantes. Compreender e utilizar leis e teorias físicas.
- · Compreender a Física presente no mundo vivencial e nos equipamentos e procedimentos tecnológicos. Descobrir o 'como funciona' de aparelhos.
- · Construir e investigar situações-problema, identificar a situação física, utilizar modelos físicos, generalizar de uma a outra situação, prever, avaliar, analisar previsões (BRASIL, 1999, p.29).

O ensino de física tem se apresentado como um verdadeiro desafio para os professores no que diz respeito à construção dos conceitos básicos da ciência. As principais dificuldades encontradas são inerentes aos próprios conceitos físicos e a dificuldade de recursos materiais específicos para uma abordagem experimental. Nesse contexto, os alunos apresentam um desinteresse e um baixo rendimento escolar em Física diante da dificuldade do professor de mediar o estudo do fenômeno de forma atrativa e mais realística, propiciando aos alunos um maior repertório de referências para superar suas próprias limitações (RODRIGUES, 2005).

- O tratamento dessas questões nos remete ao fato de que a maioria das escolas não possui laboratórios, ou, quando os têm, não os utilizam de forma adequada. Isso é muito preocupante, já que o tratamento apenas quantitativo, com uma metodologia prioritariamente matemática dos fenômenos físicos gera uma desmotivação dos alunos e uma intensa dificuldade de compreensão das teorias científicas envolvidas.
- A física como componente curricular abrange muitos conceitos e leis da natureza, e para que eles sejam compreendidos de forma clara, é preciso que o estudante consiga articular os fenômenos observados na natureza com o conhecimento construído nos ambientes escolares.

Uma característica da Física que a torna particularmente difícil para os alunos é o facto de lidar com conceitos abstractos e, em larga medida, contra-intuitivos. [...] Em consequência, muitos deles não conseguem apreender a ligação da Física com a vida real (FIOLHAIS e TRINDADE, p.260, 2003).

Castilho (2007) desenvolveu uma pesquisa sobre a experimentação em sala de aula, sugerindo atividades experimentais e refletiu sobre as repercussões de sua prática no processo de ensino e aprendizagem da química. Nosso objetivo foi

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desenvolver uma investigação sobre como a prática experimental na Física mobiliza articulações entre as teorias científicas e o fenômeno natural real.

Um bom exemplo de como o estudo e a experiência com o fenômeno físico em contexto real pode mobilizar conhecimentos e instigar curiosidades científicas vivenciamos como licenciandos em Física do Instituto Federal de Pernambuco campus Pesqueira, em uma atividade, o experimento da Rampa de Lançamento Horizontal, durante o segundo semestre de 2011 na componente curricular de Física Experimental II. A Rampa de Lançamento Horizontal, fabricada e comercializada por diversas empresas, como exposto na Fig. 01, consiste em uma rampa principal de contorno curvo com sustentação regulável que permite o abandono de uma esfera e acompanhamento do seu alcance horizontal ao incidir sobre uma superfície inferior ao ponto de lançamento.

Figura 01: Experimentos de Rampa de Lançamento Horizontal dos fabricantes Cidepe, Brax e Azeweb.

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A tarefa da atividade experimental era executar a medida e sua incerteza para o alcance obtido pelo lançamento horizontal de uma esfera a partir de certa altura e determinar a velocidade no ponto de lançamento e no ponto de impacto com o solo. Além de estudar a relação existente entre a altura da posição de largada do móvel com o alcance obtido.

O valor da velocidade no ponto de lançamento poderia ser obtido através de cálculos matemáticos utilizando os equacionamentos derivados da cinemática ou da conservação de energia mecânica, porém as perdas por efeito do atrito derivam em resultados de velocidade imprecisos (HALLIDAY, RESNICK, WALKER, 2009). Tais limitações nos levaram a investigar um processo de medida com melhor precisão. Alguns fabricantes disponibilizam acessórios com sensores que possibilitam o dimensionamento desta velocidade, porém, ficamos interessados em desenvolver uma tecnologia de menor custo para desvendar tal medida.

Na sequência apresentaremos esta tecnologia que pode ser incorporada ao experimento da Rampa de Lançamento Horizontal , através da utilização de um apontador laser associado a um sensor óptico, acoplado ao computador através da placa de som, juntamente com um software para a aquisição e processamento de dados de forma simplificada.

Por meio desses novos dados obtidos foi possível perceber um aprofundamento das discussões sobre o fenômeno presente na montagem experimental, e que não eram possíveis sem a implementação desta tecnologia. Portanto, nossa preocupação, neste estudo, foi explorar o experimento de modo a potencializar o seu valor como ferramenta de ensino e aprendizagem.

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## METODOLOGIA

A montagem do experimento de Lançamento Horizontal consistiu em três etapas. Primeiramente, nivelamos a rampa de modo que a velocidade de saída da esfera metálica, com raio de 9 mm e massa de 20g, não descrevesse inclinação em relação a horizontal, ou seja, ângulo próximo de 0 . O segundo passo foi a o montagem da folha de papel de seda e da folha de papel carbono, a primeira foi esticada e presa com fita adesiva sobre a mesa, e depois a folha de papel carbono foi esticada e presa sobre o papel de seda. E o último passo foi o registro do espaço inicial x0 utilizando o fio de prumo para tomada de referência. Essa marcação ficou situada verticalmente abaixo do ponto de saída da rampa.

## Procedimentos experimentais

O estudo do experimento propriamente dito teve início com as medições da altura (H) de onde liberamos a esfera com velocidade inicial nula, através do lançador eletromagnético, e da altura (h) de onde a esfera abandona a rampa em relação ao plano de impacto com o papel de seda. Após realizarmos o procedimento de lançamento por 10 vezes, verificamos o alcance (d) obtido através do ponto médio das distâncias registradas pelas marcas deixadas no papel de seda devido à colisão da esfera com o papel carbono.

Os primeiros resultados obtidos durante a experimentação não nos pareceram convincentes. Utilizando um paquímetro, medimos o alcance (d) do lançamento, como ilustrado na Fig. 02, e percebemos que os dados coletados continham uma diferença que chegava a mais de 5% a menos no valor do alcance que havíamos previsto em nossos cálculos utilizando os modelos da cinemática e da conservação da energia, decorrente da velocidade estimada no ponto de abandono. Quando partimos para uma análise envolvendo a conservação da energia mecânica o erro foi ainda maior, devido ao fato de que uma parcela da energia cinética de translação da esfera foi transformada em energia cinética de rotação, ou seja, parte da velocidade que ela teria caso não houvesse giro, foi transformada em velocidade de rotação devido ao atrito entre a esfera e a rampa (HALLIDAY, RESNICK, WALKER, 2009).

Figura 02: Esboço da Rampa de Lançamento Horizontal.

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Tentando obter um valor mais preciso para a velocidade da esfera ao abandonar a rampa, buscamos uma aparelhagem que proporcionasse o dimensionamento da velocidade instantânea da esfera em uma variada gama de experimentos.

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## Construção dos sensores: Emissor e Receptor.

Graças ao desenvolvimento da tecnologia Laser e dos semicondutores, atualmente é possível montarmos sensores com excelente desempenho para aplicações práticas de Física Experimental sem que seja necessário um conhecimento muito aprofundado de eletrônica. Os ambientes virtuais e sites da Internet tem contribuído para a popularização destes modelos, uma vez que é possível encontrar dezenas de esquemas diferentes para a montagem destes sensores que, por vezes, parecem muito complicados para que um estudante ou mesmo um professor de física possa confeccioná-los.

Em nossa investigação, procuramos desenvolver um sensor capaz de capturar dados com precisão numa faixa de frequência superior a 22kHz, ou seja, os tempos medidos por este esquema são da ordem de 10 -5 s, o que nos assegura exatidão suficiente para o dimensionamento das velocidades no experimento da Rampa de Lançamento Horizontal. O dispositivo para a medição da velocidade da esfera quando abandona o contato com a rampa consiste em um emissor laser de diodo na faixa do visível e um foto receptor semicondutor de silício ligado diretamente a placa de som de um computador pessoal dotado de um software de edição de áudio tal como GoldWave que tem versão gratuita para teste disponível na internet para download, o qual fará a captura do sinal da entrada (microfone) e o tratamento dos dados obtidos.

Figura 03: Forma de onda típica.

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O foto receptor é um fotodiodo TIL78 de 3mm com tempo de resposta em torno de 5 μ s ligado diretamente a um conector tipo P2 na entrada de áudio da placa de som do computador, sem a necessidade de amplificação do sinal, uma vez que a maioria das placas deste tipo são pré-amplificadas na entrada do microfone. Também é necessário envolver o fotorreceptor em um invólucro completamente opaco com um pequeno furo no qual será inserido para evitar que as emissões de luz sob outros ângulos não frontais possam interferir nas medições, o esquema da Fig. 04, ilustra como se deve polarizar o foto sensor.

Figura 04: Esquema de conexão do Foto-Sensor.

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Figura 05: Imagem do Elemento Receptor (Sensor).

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O emissor foi construído utilizando-se um apontador laser, onde a radiação é emitida a partir de um diodo laser com comprimento de onda de aproximadamente 630nm de emissão continua que em geral se utiliza de três baterias de 1,5V ligadas em série para fornecer a potência necessária ao seu correto funcionamento. Devido ao consumo rápido das baterias substituímos as mesmas por uma fonte de 5V e 550mA, geralmente utilizada para o carregamento de baterias de aparelhos celulares. Para esta adaptação foi necessário o acréscimo de um resistor ligado em série ao laser de diodo para controle da corrente. Esta resistência foi determinada por medição direta da corrente de trabalho do componente e o valor empregado foi de 100 Ω com tolerância de 10%. Este esquema foi utilizado em diferentes apontadores laser que permaneceram ligados por mais ou menos 40 minutos, de forma ininterrupta, sem que o diodo apresentasse qualquer defeito significativo, uma vez que esta mesma montagem foi utilizada em outros experimentos sempre fornecendo bons resultados. Finalizando a confecção do sensor utilizamos um conector para fazermos a ligação do sistema com a fonte, como ilustrado na Fig.06.

Figura 06: Esquema e imagem do Elemento Emissor.

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Para um bom funcionamento do sistema, receptor e emissor devem estar alinhados e nivelados de forma que o feixe gerado pelo emissor incida diretamente à entrada do receptor. Desta forma, este sensor de simples construção pode ser facilmente utilizado propiciando excelentes resultados na aquisição de dados para uma diversidade de montagens experimentais.

## Aquisição e tratamento de dados (Placa de som e Software)

Atualmente os computadores são dotados de sistema de áudio digital capaz de reproduzir e gravar sinais sonoros com excelentes taxas de amostragem que superam em algumas vezes nossa capacidade auditiva, uma vez que percebemos apenas sons com frequências que variam de 20Hz a 20kHz, enquanto que as

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modernas placas de som conseguem capturar sinal de áudio com faixas superiores a 48kHz.

Estes dispositivos são para os físicos experimentais, com senso criativo, um poderoso recurso, pois as possibilidades de aplicações tanto para o ensino quanto para a pesquisa são inesgotáveis. Como as frequências de trabalho são muito altas, tal tecnologia nos permite medir intervalos de tempo muito pequenos. O tempo obtido é, assim, mais que suficiente para uma infinidade de experimentos de mecânica.

## ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Durante os meses de setembro e outubro de 2011, realizamos uma série de testes com o dispositivo desenvolvido para o experimento da Rampa de Lançamento Horizontal, no Laboratório de Física Experimental do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco campus Pesqueira.

No início da coleta e tratamento dos dados, nos deparamos com um problema. Mesmo utilizando o dispositivo com um apontador laser e um foto-sensor, os dados que foram obtidos através do software permaneciam levando a um erro de medição da velocidade quando comparados com os cálculos feitos preliminarmente. Compreendemos que o erro só poderia estar sendo causado por alguma falha no processo de coleta dos dados. Logo percebemos que a causa do problema poderia ser o diâmetro do feixe de luz do laser em relação ao diâmetro da esfera interferindo na leitura do tempo de passagem da esfera. Para diminuir tal influência, acoplamos ao equipamento uma lente convergente, fazendo com que o feixe de luz do laser diminuísse de diâmetro.

- A determinação da velocidade instantânea da esfera foi realizada simplesmente pela razão entre o diâmetro da esfera, obtido pela medição utilizando um paquímetro, e a leitura de intervalo de tempo de interrupção do feixe de luz do laser, dimensionado pela visualização da forma de onda do sinal recebido pelo sensor através do software. Por meio de um minucioso levantamento e análise de dados, chegamos a um resultado bastante confiável, com uma precisão próxima de 0,15% entre a velocidade calculada e a velocidade medida através do nosso equipamento.

A proposta tecnológica apresentada possibilita a mensuração da velocidade em qualquer ponto da rampa, e não apenas no ponto de lançamento. Vale salientar que, este é apenas um dos vários experimentos em que tal equipamento pode ser utilizado.

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

Através da curiosidade e dos obstáculos que surgiram na realização das atividades experimentais do experimento da Rampa de Lançamento Horizontal, e das discussões que surgiram, percebemos como um desafio para a solução de um problema físico real, como a determinação da velocidade instantânea da esfera, pode funcionar como um grande motivador para aproximar os nossos conhecimentos formalizados em ambientes escolares às nossas percepções sobre

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os fenômenos naturais do nosso dia-a-dia. Em nosso caso, tal aproximação ocorreu através da busca de novas ferramentas para a aquisição de dados que levaram a uma melhor avaliação dos fenômenos físicos.

## Referências

BRASIL. Parâmetros Curriculares Nacionais - Ensino Médio, v. 3 Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias. Brasília: MEC, 1999.

CASTILHO, Rosane. A experimentação em sala de aula. Paraná, 2007. Disponível em: &lt;http://www.gestaoescolar.diaadia.pr.gov.br/arquivos/File/producoes \_pde/artigo\_rosane\_castilho.pdf &gt;. Acesso em: 8 mar. 2012.

FIOLHAIS, Carlos; TRINDADE, Jorge. Física no computador: o computador como uma ferramenta no ensino e na aprendizagem das ciências físicas. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 25, n.3, setembro, p. 259-272. 2003.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física , v. 1. 8 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

RODRIGUES, Gizella Menezes. A abordagem do conceito de Energia através de experimentos de caráter investigativo, numa perspectiva integradora. Recife: UFRPE, 2005. 122p. Dissertação (Mestrado) - Programa de Pós-Graduação em Ensino das Ciências, Universidade Federal Rural de Pernambuco, Recife, 2005.

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