BÚSSOLAS DIGITAIS DE DISPOSITIVOS MÓVEIS: O CONHECIMENTO CIENTÍFICO NAS TECNOLOGIAS DE LOCALIZAÇÃO E POSICIONAMENTO

## BÚSSOLAS DIGITAIS DE DISPOSITIVOS MÓVEIS: O CONHECIMENTO CIENTÍFICO NAS TECNOLOGIAS DE LOCALIZAÇÃO E POSICIONAMENTO

Júlio César Gallio da Silva , Marcos Binderly Gaspar 1 2

- 1 Instituto de Física/Universidade Federal do Rio de Janeiro, silvajcg@if.ufrj.br
- 2 Instituto de Física/Universidade Federal do Rio de Janeiro, mgaspar@if.ufrj.br

## Resumo

Este trabalho propõe uma utilização de recursos tecnológicos atuais, magnetômetros presentes em smartphones e tablets, para estudar o magnetismo, especialmente o campo magnético terrestre e suas representações, de forma a criar visualizações capazes de auxiliar o aluno no enfrentamento das difíceis abstrações envolvidas nesse campo da Física, bem como subsidiar discussões sobre a relevância desses conhecimentos na história dos sistemas de posicionamento e orientação e entender sua aplicação em aparelhos modernos. Este trabalho inclui uma breve discussão sobre o funcionamento dos magnetômetros digitais, bem como a importância dos mesmos nos aparelhos dotados de sistemas de orientação e localização, como o GPS. Há uma breve revisão do trabalho de William Gilbert a fim de levantar aspectos fundamentais do conhecimento sobre o magnetismo terrestre e possibilidades de uso prático desse conhecimento para a navegação, por exemplo. Por fim, há a proposta de uma atividade para o terceiro ano do Ensino Médio envolvendo uma experiência a fim de observar o comportamento do campo de indução magnética de um ímã esférico com o auxílio do magnetômetro de um smartphone, a leitura de um texto problematizando a questão do magnetismo e sua importância na orientação, com menção aos estudos de Gilbert e a discussão baseada em um vídeo jornalístico sobre o GPS.

Palavras-chave : smartphone, bússola digital, magnetismo, sistemas de orientação, dispositivos móveis.

## 1- Dispositivos móveis e sistemas de orientação

Smartphone é o termo utilizado para designar a nova geração de telefones celulares dotados de uma série de dispositivos que ampliam a interface com o usuário. Estes dispositivos são integrados por um sistema operacional preparado para executar uma série de aplicativos com diversas funções. Essa expansão da função tradicional de um telefone celular faz com que os smartphones não apenas sejam ferramentas mais eficientes de comunicação (com acesso à internet, redes sociais, sistemas de localização e comunicação instantânea), mas algo mais próximo da versatilidade e da aplicabilidade de pequenos computadores portáteis.

Usualmente apresentando funções similares às de um smartphone, os tablets são um passo em direção aos computadores portáteis. Apesar de muitos modelos não permitirem realizar ligações, sua telas maiores que as de um

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smartphone os tornam escolhas preferenciais para leitura e acesso à internet. Entretanto, costumam não possuir a mesma capacidade de processamento de computadores comerciais, o que os torna instrumentos mais eficientes para uso em comunicação.

Entretanto, as funções de um smartphone ou de um tablet vão muito além daquelas de um computador portátil. Uma vez que possuem programação bem mais avançada e diversos sensores físicos e eletrônicos à disposição, é possível utilizálos para fins de comunicação, entretenimento, acesso e organização de informação, educação etc. Entre esses sensores, destacam-se os chamados MEMS (sigla para Microelectromechanical systems ). Nesta categoria se enquadram uma série de chips , microprocessadores e sensores eletrônicos capazes de realizar medições físicas do ambiente e aumentar a interação do usuário com seu aparelho. Dentre os sensores mais comuns, podemos citar os acelerômetros, barômetros, giroscópios digitais e aqueles nos quais este trabalho se aprofunda, os magnetômetros.

## 1.1- Magnetômetro, ou bússola digital: funções no GPS

Antes de permitir a utilização dos dispositivos em jogos e demais aplicativos que sejam comandados por movimentos de translação e rotação do aparelho, os MEMS têm a função principal de orientar o uso dos sensores de GPS ( Global Posiotining System, Sistema de Posicionamento Global, da sigla em inglês).

Os aparelhos de GPS podem determinar a sua própria posição na superfície terrestre através da medição das distâncias entre o aparelho e pelo menos quatro satélites geoestacionários que enviam continuamente dados sobre sua posição e hora de emissão dos sinais, possibilitando a triangulação da posição do GPS.

Entretanto, saber a posição não é o suficiente quando o problema é a orientação e traçado de rotas em tempo real. É preciso, também, saber a direção em que o aparelho se move, o que gera a necessidade de conhecer sua orientação à superfície da Terra (determinação do plano horizontal com auxílio do acelerômetro) e a orientação na superfície através do conhecimento dos pólos magnéticos (realizada pela bússola digital, ou magnetômetro).

Assim, justifica-se a presença de um dispositivo capaz de medir de forma precisa o campo de indução magnética da Terra em três dimensões espaciais. Mesmo que o aparelho seja posicionado em qualquer direção, o conhecimento das

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três componentes do campo permite a composição de um vetor campo de indução magnética e a informação da direção da superfície permite projetar esse vetor e determinar a posição dos pólos magnéticos terrestres. Razão esta pela qual as empresas fabricantes de smartphones e tablets têm investido tanto na produção de acelerômetros e magnetômetros mais avançados, sendo alguns mesmo fabricados em um único sensor com seis chips integrados (três para o acelerômetro e três para o magnetômetro).

## 1.2- Possibilidades de aplicação dos magnetômetros

Uma vez que o aparelho recebe os dados do campo de indução magnética em três dimensões e dada a capacidade relativamente elevada de processamento de smartphones e tablets, é possível utilizar esses dados em aplicativos diversos. Os aplicativos que se utilizam dos dados do magnetômetro se enquadram em algumas categorias principais:

## 1.2.1- Bússolas digitais e orientação

Trata-se da aplicação básica dos sensores de campo magnético em dispositivos móveis. Funcionam simplesmente pela composição dos dados do magnetômetro e do acelerômetro. As componentes do vetor campo magnético são compostas em um único vetor que é projetado num plano tangente ao vetor determinado pelo acelerômetro. Assim, temos a projeção plana do campo magnético que é capaz de representar a agulha de algumas bússolas.

## 1.2.2- Detectores de metais

Como os magnetômetros podem determinar o módulo do campo magnético local e sabe-se que o campo magnético da Terra (da ordem de poucas dezenas de µ T) é menor do que o proveniente de determinados metais ferromagnéticos, como o aço, é possível detectá-los através de variações bruscas no campo magnético.

## 1.2.3- Sensores

Alguns aplicativos tratam da compilação de dados de forma mais abstrata, apresentando as leituras para as componentes do campo magnético e/ou seu módulo. Supõe-se que estes aplicativos que sejam destinados a aplicações mais escolares ou acadêmicas, já que lidam com a coleta direta de dados.

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## 1.2.4- Representações Gráficas

Apesar dos aplicativos trabalharem com as componentes do vetor campo de indução magnética, poucos aplicativos foram encontrados que compusessem essas componentes em uma representação gráfica do campo magnético. Entretanto, há alguns que utilizam os valores das componentes para criar representações gráficas de um vetor em três dimensões, permitindo uma visualização mais concreta do campo magnético.

## 2- A atividade proposta

O presente trabalho propõe uma atividade para alunos de Física do Ensino Médio, sobre Magnetismo que busca seguir princípios encontrados na Lei de Diretrizes e Bases (Lei Federal nº. 9.394/1996) e aos Parâmetros Curriculares Nacionais em 1997, quando destacam a importância de domínio dos meios científicos de exposição e tratamento de dados (gráficos, tabelas, equações), entender os princípios científicos utilizados nos aparelhos modernos e sua relação com a vida cotidiana, bem como a discussão sobre o papel que a Física e as demais ciências ocuparam e ocupam no desenvolvimento das sociedades, através do trabalho dos Físicos ao longo da História.

A presente atividade constitui-se de três momentos distintos:

## 2.1- Exploração da bússola digital

Inicialmente, partimos de uma adaptação de uma das experiências descritas por Gilbert, publicada em seu célebre livro De Magnete (Gilbert, 1600), onde o autor estuda o comportamento de um ímã esférico de magnetita, que ele chamou de Terrella , ou pequena Terra, utilizando pequenas agulhas imantadas, os Versoriums, para entender a atração magnética exercida por esse ímã esférico sobre as agulhas e demonstrar a existência de polos nos ímãs. Adiante no trabalho, Gilbert utiliza esse experimento como modelo para explicar o comportamento magnético da Terra e como as bússolas se orientam a partir dele. Entre outras conclusões importantes do trabalho, supõe ser a Terra um gigantesco ímã exercendo atração sobre as bússolas.

A reprodução dessa atividade é proposta com um modelo menor de um ímã posicionado no centro de uma esfera de isopor. E a observação de seu campo

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magnético é realizada com as bússolas digitais e aplicativos de representação gráfica do vetor campo magnético local (Jones, 2013), de modo a permitir aos alunos explorar o comportamento do vetor em diversas posições da esfera auxiliando-os na construção do conceito do campo magnético terrestre.

Figura 01: Smartphone e a representação do campo magnético ao redor da esfera de isopor. A imagem utiliza o software MagnetMeter, da Plaincode

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Espera-se, com a observação do vetor representado na tela do aparelho que os estudantes sejam capazes de:

-identificar os pólos com um procedimento semelhante ao realizado com bússolas convencionais, descobrindo os pontos em que o vetor fica perpendicular à superfície da esfera;

-entender o conceito de equador magnético, como a linha imaginária que dividiria a esfera em dois hemisférios magnéticos distintos;

-observar as diferenças no vetor nos pólos e no equador, ou seja, as mudanças no módulo e na direção e facilitar a tradicional imagem das linhas de indução magnética de um ímã de dois pólos;

-discutir a relação entre o conhecimento dessas linhas e as técnicas de posicionamento e orientação, como determinação dos pólos e da latitude.

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## 2.2- As propriedades magnéticas da Terra na História

Em seguida, pede-se que os alunos façam a leitura de um texto curto que busca levar os alunos a refletir sobre como a compreensão do magnetismo foi importante para o desenvolvimento humano e como trabalhos como o de Gilbert, em parte reproduzido no nosso modelo de atividade experimental, contribuíram nesse sentido.

Para tanto, há um resgate do sentido místico dado por povos que possuem registros mais antigos de identificação do magnetismo, como os chineses e os maias. Também busca-se problematizar a importância desse conhecimento para fins de localização no contexto das grandes navegações européias e o interesse militar no domínio de tecnologias que usavam o conhecimento do magnetismo terrestre como base de posicionamento e orientação.

## 2.3- Magnetismo nos sistemas de posicionamento e orientação

Finalmente, apresentam-se como os conhecimentos discutidos anteriormente tornaram-se a base de sistemas modernos de posicionamento, como informações auxiliares ao GPS (latitude e orientação na superfície terrestre), o que justifica sua presença em dispositivos cotidianos, como celulares.

Nesta etapa, os alunos devem assistir ao vídeo do programa sobre GPS (Globo Ciência, 2013). Este apresenta a importância do GPS na localização, com representações gráficas que auxiliam na compreensão de seu funcionamento. Além disso, traz uma discussão sobre as limitações da precisão dos aparelhos devido a interesses militares, o que abre a possibilidade de discutir o sistema de GPS assistido (GPSA) e como a bússola digital pode contribuir para a melhoria dos dados. Por fim, ainda mostra uma cena em que um velejador que discute o uso de bússolas e cartas náuticas, bem como o GPS, na orientação em alto mar.

## 3- Considerações finais

O presente trabalho pode contribuir com educadores na medida em que faz um levantamento de possibilidades educacionais de uma tecnologia cada vez mais presente no cotidiano, uma vez que é notável a presença cada vez maior de smartphones e tablets nas salas de aula, trazidos por alunos e professores. Uma vez que há escassez de fontes acadêmicas sobre o assunto, o conhecimento adquirido

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em sites de fabricantes e dedicados a tecnologias pode subsidiar trabalhos posteriores.

E acredita-se que o caminho escolhido para trabalhar em sala de aula, com o estudo de sistemas de orientação e posicionamento na história e nos dias atuais, está alinhada com propostas contemporâneas ao abordar o papel da ciência no desenvolvimento tecnológico e o impacto dos mesmos na sociedade humana.

## Referências

GILBERT, William. De Magnete . Tradução: Curtis Weyantand Keith Edkins. Londres: Chiswick Press, 1600.

JONES, Willie D. A Compass in Every Smartphone . IIEE SPECTRUM. 02/2010. Disponível em:&lt;http://m.spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/a-compass-inevery-smartphone &gt; , Acesso em 21 ago. 2013.

GLOBO CIÊNCIA. GPS . Programa exibido em 04/05/2013. Disponível em: &lt;http://globotv.globo.com/rede-globo/globo-ciencia/v/globo-ciencia-04052013-gpsintegra/2551506/ &gt; , Acesso em 04 mai. 2013.

## Bibliografia recomendada

BRASIL, Ministério da Educação, Secretaria da Educação Básica, Parâmetros Curriculares Nacionais, Ensino Médio, Parte III: Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias . Brasília, 2000. Disponível em:

&lt;http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/ciencian.pdf&gt;, Acesso em 15 ago. 2013.

THE GALILEO PROJECT., William Gilbert. The Galileo Project. Disponível em: &lt;http://galileo.rice.edu/sci/gilbert.html &gt; , Acesso em 19 ago. 2013.

## Softwares

BREITLING, P., MagnetMeter 3D Vector MagnetometerandAccelerometer , Version 1.4, 2012, Plaincode, Disponível em: https://itunes.apple.com/app/id346516607, Acesso em 10/05/2013

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