COMO UTILIZAR UM SISTEMA DE VÍDEO E O PROGRAMA IMAGEJ PARA REALIZAR A TOMADA DE DADOS E ANÁLISE DOS EXPERIMENTOS NO LABORATÓRIO DE MECÂNICA

## COMO UTILIZAR UM SISTEMA DE VÍDEO E O PROGRAMA IMAGEJ PARA REALIZAR A TOMADA DE DADOS E ANÁLISE DOS EXPERIMENTOS NO LABORATÓRIO DE MECÂNICA

Fernanda Marques Pantoja Mineiro 1 , Marta Feijó Barroso , Nathan Bessa 2 Viana 3

1 UFRJ/Discente do Mestrado Profissional em Ensino de Física e Bolsista CAPES/fepantoja@yahoo.com.br

2 UFRJ/Docente do Instituto de Física/marta@if.ufrj.br

3 UFRJ/ Docente do Instituto de Física/nathan@if.ufrj.br

## Resumo

A ideia deste trabalho surgiu da necessidade de mudanças na metodologia de ensino praticada no laboratório de Física. O presente trabalho consiste em um relato de pesquisa realizado com grupos de alunos de uma turma de engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro realizando atividades experimentais no laboratório de mecânica do curso de Física experimental I, com o objetivo de contribuir para uma nova abordagem dos experimentos realizados, trabalhando os experimentos não apenas por meio de objetivos e roteiros a serem cumpridos, mas sim pela análise detalhada de situações problema. Não desejamos, portanto, que o aluno apenas entenda o funcionamento, ou como se opera, algum equipamento tecnológico no laboratório de Física, ou mesmo que siga um roteiro como instruções que devem ser cumpridas passo a passo, mas que seja capaz de utilizar o conhecimento científico na tomada de decisões conscientes. Com o auxílio de recurso tecnológico, como o Datashow, houve significativa melhora na percepção e compreensão dos alunos durante as atividades experimentais. As atividades realizadas no laboratório possibilitam desenvolver a curiosidade, promover discussões, elaborar hipóteses, despertar o espírito crítico, demandar reflexões, ensinar a analisar os resultados e expressa-los de forma correta.

Palavras-chave : metodologia, ensino, laboratório, mecânica, ImageJ.

## Introdução

Muitas são as dificuldades e problemas que permeiam o ensino de Física, os quais tem sido diagnosticados há vários anos e que frequentemente levam pesquisadores a refletir sobre suas causas e consequências. Nesse âmbito, o uso de atividades experimentais de Física como estratégia de ensino, portanto parte fundamental do ensino de Física, tem sido apontada por alunos e professores como um dos caminhos mais importantes para se minimizar as dificuldades de aprender e também de ensinar Física de maneira significativa e consciente [1].

Por vezes, ao realizar tarefas no laboratório, alunos e professores contam com roteiros contendo uma série de passo a passo de como realizar os experimentos. Muitos desses laboratórios contam com equipamentos que contém uma tecnologia pouco conhecida pelos alunos ou até mesmo nunca vista por eles. Atualmente computadores e câmeras digitais ou celulares que filmam e armazenam imagens digitais estão presentes na vida da maior parte desses alunos, são tecnologias muito utilizadas por eles e muitas vezes pouco utilizadas no laboratório de Física.

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26 a 30 de janeiro de 2015

Para as atividades experimentais realizadas no laboratório de Física torna-se mais efetiva a participação de cada aluno quando as atividades são realizadas em pequenos grupos, pois em um primeiro momento cada aluno tem a oportunidade de debater o assunto que está sendo abordado com esse pequeno grupo e não com toda a turma. Ao participar de uma atividade em grupo com alunos com os quais possui mais afinidade, cada aluno sente-se mais à vontade para expor opiniões e defender suas próprias ideias, desse modo o trabalho em grupo permite que os alunos desenvolvam um senso crítico e discutam com os colegas e reflitam sobre suas ideias e ações. O trabalho em grupo pode ser encarado pelo professor como uma forma de promover a cooperação coletiva em sala de aula.

Atividade realizadas no laboratório possibilitam desenvolver a curiosidade, promover discussões, elaborar hipóteses, despertar o espírito crítico, demandar reflexões, ensinar a analisar os resultados e expressa-los de forma correta.

## Metodologia (Material e Métodos)

A aplicação da proposta ocorreu na Universidade Federal do Rio de Janeiro, durante o 2º semestre do ano de 2013 e faz parte de um projeto piloto, cujo objetivo é reformular as atividades experimentais de mecânica realizadas no curso de Física Experimental I, propondo um novo sistema para a tomada de dados dos experimentos já existentes.

Inicialmente, foram discutidas as diferentes possibilidades de utilização de técnicas de coleta e análise de dados. A opção escolhida foi fazer a coleta de dados com a filmagem em vídeo do experimento, e a análise dos dados utilizando uma técnica bastante usada em atividades de pesquisa por professores da instituição, com o software ImageJ. Esta opção foi feita por motivos didáticos e pedagógicos, após análise do tipo de trabalho envolvido com os alunos com este software comparado a outros largamente utilizados, como por exemplo o Tracker.

As aulas ocorrem em encontros semanais com duração de 2 horas. Cada módulo é trabalhado por duas aulas seguidas, totalizando 4 horas por módulo. O projeto piloto foi realizado em uma turma com alunos de cursos de Engenharia, com 10 alunos inscritos e todos frequentes. Esses alunos estavam em seu primeiro ano de curso universitário, tinham idade entre 18 e 20 anos e estavam cursando a primeira disciplina experimental do curso universitário.

Há anos e atualmente os experimentos realizados no curso de Física Experimental I da Universidade Federal do Rio de Janeiro são realizados fazendo-se a tomada de dados para o registro do movimento de um carrinho sobre um trilho de ar, utilizando-se uma fita fotossensível e um centelhador para registrar o movimento do carrinho na fita. A análise dos dados é feita a partir do registro do movimento do carrinho na fita fotossensível.

Tem-se em cada sala preparada para o curso de Física Experimental I em média seis bancadas, cada uma com um trilho de ar de 2,0 m de comprimento, ligado a um compressor e ao centelhador. Duas outras bancadas estão disponíveis para que os grupos possam fazer a análise dos dados e os gráficos solicitados.

A aplicação da proposta do projeto piloto ocorreu em aulas no laboratório de Física Experimental I, sempre acompanhadas dos professores orientadores do trabalho. Durante as atividades experimentais realizadas utilizou-se um sistema de vídeo para registrar o movimento do carrinho e a tomada de dados utilizando-se o

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programa ImageJ, de acordo com a proposta apresentada no projeto piloto. Todas as aulas foram planejadas e apresentadas com slides expostos em datashow . As aulas foram registradas em caderno de campo.

Sempre na primeira aula do módulo era apresentada a proposta do experimento, após a apresentação da proposta os alunos organizavam-se em grupos de dois ou três alunos para montar o experimento e fazer a tomada de dados.

É proposto nesse trabalho, o qual descreve a prática de ensino realizada, que a aquisição de dados seja realizada utilizando-se recursos tecnológicos, como a câmera digital e o computador, os quais estão presentes no cotidiano dos alunos.

## A aquisição de dados por vídeos

No projeto piloto aplicado, os experimentos propostos foram realizados utilizando-se um sistema de vídeo para aquisição dos dados e computadores instalados no laboratório para realizar a tomada de dados e análise. Os experimentos realizados foram os mesmos realizados nas outras turmas, e que são descritos na apostila do curso de Física Experimental I da Universidade Federal do Rio de Janeiro, apenas a fase inicial, ou seja, a forma como a coleta de dados é realizada, sofreu modificação.

Os experimentos realizados foram:

Módulo 1: A descrição do movimento. Movimento retilíneo uniforme.

Módulo 2: As leis do movimento. Movimento retilíneo uniformemente variado.

Módulo 3: Trabalho e energia.

Módulo 4: Sistema de partículas. Momento linear.

Módulo 5: Rolamento e corpos rígidos.

Todos os módulos foram realizados nas aulas do projeto piloto

O sistema de vídeo adotado foi um tripé do tipo retrátil e uma câmera digital Olimpus, dispostos de forma que a câmera pudesse ficar na mesma altura da bancada do experimento, cerca de 1,0 m em relação ao chão. A câmera digital utilizada não era de qualidade profissional ou semiprofissional, portanto não foi necessário um grande investimento, o que torna o método mais acessível.

Os experimentos realizados foram registrados em pequenos vídeos de 15fps ou 30fps. Após gravar o vídeo os alunos transferem os vídeos para o computador do laboratório, onde utilizam um programa para análise de imagens e obtenção dos dados. O programa utilizado foi o ImageJ , que é um programa gratuito, o que viabiliza o aluno instalar em seu computador pessoal.

A trajetória do objeto em movimento é analisada e transformada em um conjunto de dados de posição e tempo fornecidos pelo ImageJ . Os alunos constroem tabelas e gráficos a partir dessas informações. Foram utilizadas duas técnicas diferentes para a obtenção dos dados com o ImageJ , uma delas foi a leitura direta dos dados realizada pelos alunos e a outra foi a análise automatizada, onde o programa fornecia como resultado final uma tabela com um conjunto de dados de posição e tempo do objeto analisado. A análise automatizada foi utilizada nas atividades experimentais realizadas após a primeira prova.

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Utilizando apresentações em Datashow foi possível mostrar aos alunos como utilizar o programa ImageJ , já que este era um programa não conhecido pela totalidade da turma. Além disso, um tutorial sobre o uso do programa foi desenvolvido e disponibilizado via e-mail para todos os alunos da turma.

Para a construção dos gráficos os alunos deveriam levar folhas de papel milimetrado para as aulas. Sempre na segunda aula de cada módulo cada aluno podia discutir com o grupo e com a mestranda responsável pela prática a construção dos gráficos.

Utilizou-se o programa Ajuste1.1, disponível em http://fisexp1.if.ufrj.br/ (acesso em 10/08/2014), que tem por objetivo construir o gráfico que melhor se ajusta aos dados obtidos pelos alunos na atividade experimental, e fornecer o coeficiente linear e angular da reta, no caso dos gráficos lineares, bem como a incerteza desses valores [2]. Nos computadores do laboratório estava sempre disponível o programa Ajuste 1.1 que deveria ser utilizado para confrontar os resultados obtidos pelo programa com os dados obtidos pelos alunos em seus gráficos. Os resultados eram apresentados na conclusão do relatório.

Verificou-se durante as aulas que a tomada de dados utilizando-se o método proposto deu-se de forma relativamente fácil e rápida, restando mais tempo em sala para a análise dos dados, montagem de tabelas e gráficos.

Ao fim de cada atividade, ou seja, após as duas semanas de atividades no laboratório, os alunos tinham em média mais uma semana para escrever o relatório e entregar na aula seguinte.

Apesar de realizarem o experimento em grupo e fazerem toda a discussão e tabelas em grupo, o relatório final da atividade era individual. Dessa forma cada aluno podia escrever seu próprio modelo teórico para o experimento, bem como seus gráficos e conclusões.

Forneceu-se à turma um modelo um modelo de relatório que poderia ser seguido. Esse modelo de relatório consta das seguintes etapas: 1) Título; 2)Objetivos; 3) Modelo teórico; 4) Procedimento experimental; 5) Tabelas; 6) Gráficos; 7) Resultados e conclusões.

- O modelo de relatório encontrava-se disponível, durante todo o curso, na copiadora do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro [3].

Cada relatório devia ser escrito a mão, evitando-se desta forma copias de texto em formato digital, porém em alguns experimentos permitiu-se que construíssem as tabelas no computador.

Durante a realização das atividades experimentais foram elaborados roteiros que foram disponibilizados via e-mail e utilizados pela turma.

Os quatro primeiros módulos foram realizados utilizando-se um trilho de ar sobre uma bancada. Nas atividades experimentais em que se utilizava o trilho de ar na posição horizontal os alunos deveriam primeiro verificar a horizontalidade do trilho, para isso deveriam colocar o carrinho em várias posições diferentes e verificar se o carrinho ficava acelerado. Os alunos deveriam verificar também se o sistema de vídeo (câmera) estava nivelado com o trilho de ar.

Após fazer o registro do movimento do carrinho no trilho de ar, utilizando o sistema de vídeo, cada grupo copia o arquivo do vídeo gravado para o computador

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do laboratório e, utilizando o programa ImageJ , faz-se a obtenção das medidas de posição e tempo para o movimento do carrinho.

## Sobre o ImageJ

O Image J é um programa de domínio público, que roda em Java , disponível em rsb.info.nih.gov/ij/ (acesso em 11/06/2014). É uma poderosa ferramenta de edição de imagens, disponível para Windows, Mac OS, Mac OS X e Linux.

Pode exibir, editar, analisar, processar, salvar e imprimir imagens de 8 bits, 16 bits e 32 bits e pode ler diversos formatos de imagens, incluindo TIFF, GIF, JPEG, BMP e raw. É multidirecional, assim operações demoradas podem ser realizadas em paralelo com outras operações. Pode calcular áreas de seleções feitas pelo usuário, medir distâncias e ângulos. Faz transformações geométricas, como escalonamento, rotação e inversão. A imagem pode ser ampliada até 32 vezes e reduzida até 32 vezes. Toda a análise e processamento de funções estão disponíveis em qualquer fator de ampliação. O programa suporta qualquer número de janelas de imagens ao mesmo tempo, sendo limitado apenas pela memória disponível [4].

Calibração espacial está disponível para fornecer medições dimensionais em unidades escolhidas pelo usuário. Calibração de escala de cinza também está disponível. ImageJ foi projetado para aceitar plugins via Java , tornando possível resolver quase todos os problemas de processamento ou análise de imagens. O código fonte está disponível gratuitamente [4].

## Análise manual

Este processo tem como objetivo obter manualmente, a partir do programa ImageJ , uma tabela de posições em função do tempo, do objeto analisado. Nos experimentos realizados o objeto estudado foi um carrinho preto em movimento sobre o trilho de ar de alumínio.

Após importar o vídeo pelo programa ImageJ, o mesmo abre uma janela contendo uma sequência de imagens correspondentes ao arquivo. Ao posicionar o curso do mouse em qualquer ponto na janela das imagens aparecerá na janela do ImageJ as coordenadas em pixel da posição do cursor. Na janela da imagem são fornecidos o número da imagem que está na tela e o número total de imagens referentes ao arquivo, são fornecidos também o instante de tempo referente à imagem, as dimensões da imagem em pixel, o tipo de imagem e o tamanho do arquivo da imagem.

Posicionando o cursor na extremidade do carrinho, na janela do ImageJ, aparecerá a informação com a posição do cursor e na janela da imagem aparecerá a informação do instante de tempo referente à imagem. A partir dessas informações uma tabela de posições em função do tempo, do objeto analisado, é construída.

## Análise automatizada

Este processo tem como objetivo fornecer a partir do próprio programa ImageJ uma tabela de posições do objeto analisado. Nos experimentos realizados o objeto estudado foi um carrinho preto em movimento sobre o trilho de ar de alumínio.

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Para que o programa identificasse o carrinho utilizou-se uma etiqueta branca colada no carrinho.

Figura 01: carrinho preto com etiqueta branca.

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Os filmes gravados durante as aulas foram feitos em formato avi. As imagens que formam os filmes são uma sequência de imagens RGB. Imagens RGB são imagens coloridas formadas a partir de uma combinação de três cores, vermelho ( red ), verde ( green ) e azul ( blue ).

Para obter, a partir do programa ImageJ, a análise automatizada da sequência de imagens que formam cada filme, deve-se seguir uma sequência de etapas que serão descritas a seguir.

A primeira etapa relaciona-se a formatação da imagem, transformando o filme em uma sequência de imagens de 8 bits. Imagens de 8 bits são imagens com 256 tons de cinza. Para fazer isso basta seguir a seguinte sequência de comandos: no menu do programa ImageJ clique em Image , depois em Type e 8-bit , desta forma o filme antes colorido será transformado em uma sequência de imagens com 256 tons de cinza.

Na segunda etapa deve-se binarizar a sequência de imagens. Binarizar a imagem significa que esta antes formada por 256 tons de cinza será transformada em uma imagem em preto e branco.

Para binarizar a imagem deve-se seguir a seguinte sequência de comandos: no menu do programa ImageJ clique em Image , depois Adjust e Threshold . O programa irá abrir uma janela e nesta deve-se escolher a opção B&amp;W (preto e branco). Teremos então uma sequência de imagens em preto e branco.

Figura 02: imagem em preto e branco.

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Na mesma janela que foi aberta pelo programa, utilizando as barras de rolagem, deve-se ajustar os níveis de preto e branco, até que a etiqueta branca fique preta e o carinho preto fique branco. Nesta etapa é importante que a etiqueta fique bem ajustada, pois em outra etapa mais adiante o programa deverá reconhecer a etiqueta.

A ferramenta threshold é utilizada para definir valores limites inferior e superior, em que os tons de cinza serão transformados em preto ou branco.

Figura 03: imagem em preto e branco ajustada.

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Na terceira etapa, delimita-se, usando a ferramenta seleção retangular do programa ImageJ , a área que o programa deverá reconhecer. Nesse caso queremos que o programa reconheça a etiqueta, portanto o retângulo deve ter altura um pouco maior que a etiqueta. E o comprimento do retângulo deve ser o suficiente para reconhecer a etiqueta em toda a trajetória que se deseja analisar. Para verificar se a seleção retangular está apropriada basta, utilizando a barra de rolagem da janela das imagens, passar quadro-a-quadro as imagens. O retângulo não deve tocar a borda da etiqueta.

Figura 04: imagem em preto e branco ajustada, com seleção retangular.

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Na quarta etapa deseja-se especificar quais as medidas que serão registradas pelo programa. Para fazer isso basta seguir a seguinte sequência de comandos: no menu do programa ImageJ clique em Analyse , depois em Set measurements .

- A caixa de diálogo que será aberta contém dois grupos de caixas de seleção. O primeiro grupo controla o tipo de medidas que serão registrados na tabela de resultados e o segundo grupo controla as configurações de medição. Para contemplar nosso objetivo devem ser marcados: Area e Center of mass . Neste caso marcamos Area , que corresponde a área em pixels quadrados ou em outra unidade anteriormente calibrada e Center of mass que corresponde a média das posições x e y da etiqueta.

Na quinta e última etapa deseja-se obter os resultados calculados pelo ImageJ . A análise é realizada na área de seleção que foi feita ou na imagem inteira se nenhuma seleção foi feita. Para obter os resultados executa-se a seguinte sequência de comandos: no menu do programa ImageJ clique em Analyse , depois em Analyse particles . Uma caixa de diálogo será aberta. Nesta caixa de diálogo deve-se escolher limites para o comando Size e marcar os seguintes comandos: Display results e Exclude on edges .

Ao marcar a opção Display results as medições para cada partícula serão exibidas na tabela de resultados após a análise. Ao marcar a opção Exclude on edges todas as partículas que tocam na borda da seleção retangular serão ignoradas.

O comando Size , em pixels ao quadrado, corresponde a área das partículas que serão analisadas. Partículas com área fora da faixa especificada neste campo serão ignoradas. Os valores podem variar entre zero e infinito. O objetivo é que o programa reconheça a etiqueta, portanto outras partículas devem ser ignoradas. Foi proposto à turma que utilizassem o limite de 10 até infinito, para que alguma partícula com área menor que 10 pixels² fosse ignorada. Como resultado o programa fornece uma tabela com as posições da etiqueta, indicando quantas partículas foram encontradas e a área delas.

Uma outra janela também é aberta com uma sequência de imagens numeradas. Para verificar se o limite escolhido foi apropriado, basta utilizar a barra de rolagem e verificar quadro-a-quadro a sequência de imagens. Se mais de uma partícula foi encontrada na mesma imagem, significa que o limite do comando Size não foi apropriado ou os limites escolhidos no thresohld (etapa 2) não foram bem escolhidos e devem ser corrigidos.

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Figura 05: tabela de resultados fornecida pelo programa ImageJ.

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- O comando Show especifica quais imagens serão apresentadas pelo programa ImageJ após a análise. Neste comando a opção oulines é marcada e contornos numerados das partículas são apresentados em uma janela contendo uma sequência de imagens após a análise.

Com os resultados fornecidos pelo programa pode-se montar a tabela da posição em função do tempo para a análise do experimento.

## Resultados e Discussão

Verificou-se, a partir dos resultados obtidos durante as aulas e nos relatórios apresentados pelos alunos que, a análise automatizada fornece resultados mais precisos e confiáveis acerca do estudo do movimento dos objetos. A obtenção manual da posição do objeto também constitui uma etapa importante, pois o alunos podem perceber como obter a posição do objeto analisado manualmente e comparar os resultados obtidos pelos dois métodos.

- O programa ImageJ, utilizado para realizar a análise dos dados experimentais, não era conhecido pelos alunos da turma, porém percebemos que durante as aulas não houve dificuldades para utilizá-lo. Após a primeira aula que o método foi apresentado à turma, houve um retorno por parte dos alunos, pois todos já haviam com facilidade instalado em seus computadores pessoais e, a partir da segunda aula, já utilizavam com facilidade e muito interesse.

## Referências

[1] Araújo, M. S. T., Abib, M. L. V. S. Atividades Experimentais no Ensino de Física: Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades, Revista Brasileira de Ensino de Física, V. 25, N. 2, Junho, 2003.

- [2] http://fisexp1.if.ufrj.br/
- [3] Apostila de Física Experimental I. Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro.
- [4] http://rsb.info.nih.gov/ij/features.html

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