MODELO EXPERIMENTAL PARA DEMONSTRAR O FUNCIONAMENTO DA LOMBADA ELETRÔNICA UTILIZANDO ARDUINO UNO

## MODELO EXPERIMENTAL PARA DEMONSTRAR O FUNCIONAMENTO DA LOMBADA ELETRÔNICA UTILIZANDO ARDUINO UNO

Gabriel P. C. Campelo , José Altenis dos Santos , Isaac S. Alves . 1 1 1

- 1 Invest Centro Educacional, pimentafisica@gmail.com.
- 1 Invest Centro Educacional, jose.altenis@bol.com.br.
- 1 Invest Centro Educacional, isaacsoares2@hotmail.com.

## Resumo

Afim de estimular o processo de aprendizagem da Física em alunos do 1º ano do Ensino Médio foi elaborado, em conjunto com eles, um experimento que reproduzisse, em escala menor, o funcionamento de uma lombada eletrônica. Para isso foi utilizado um Arduino UNO e um par de sensores de ultrassom para determinar o intervalo de tempo da passagem de um carrinho motorizado pelas barreiras estabelecidas. Foi feita a leitura da posição inicial, observada pelo primeiro sensor, assim como a de saída, por um outro detector de sinal. Foi incluída no código IDE o valor da variação de espaço percorrida pelo móvel. Utilizando a função de aferição de intervalos de tempo embutida na placa de Arduino fomos capazes de determinar o valor desta grandeza junto ao código que fizemos afim de estimar a velocidade do carro naquele trecho. Com isso podemos aplicar, de maneira prática, conceitos de variação de espaço, tempo e, principalmente, velocidade média. Além de incentivar os jovens a descobrir como as tecnologias funcionam e qual a importância de seguir corretamente as leis do trânsito em cidades e estradas.

Palavras-chave : Arduino, Lombada, Velocidade, Física, Ensino.

## Introdução

Presenciamos cotidianamente em sala de aula, a necessidade de aproximar os conteúdos abordados nas disciplinas, sobretudo no ramo das ciências da natureza, com o a realidade dos estudantes, a fim de alcançar uma aprendizagem mais significativa. Tornar o aluno parte atuante do processo de ensino facilita a aprendizagem no sentido mencionado por Moreira quando se refere à 'fazer uso dos significados que já internalizou, de maneira substantiva e não arbitrária, para poder captar os significados dos materiais educativos' (MOREIRA, 1999). Seguindo este referencial teórico, buscou-se envolver o aluno através da abordagem de temas presentes na sua realidade aliando a prática experimental. Queremos, com isso, atrair a atenção dos discente para uma realidade que já os cerca, uma vez que o uso de redutores de velocidade eletrônicos estão em todos os tipos de vias rodoviárias, sendo elas urbanas ou rurais. Com isso podemos 'ancorar' o conceito de velocidade média a uma aplicação prática do dia a dia. Ainda segundo Moreira a respeito das teoria da aprendizagem significativa que 'ocorre quando a nova informação ancora-se em conceitos ou proposições relevantes, preexistentes na estrutura cognitiva do aprendiz' (MOREIRA, 1999). Seguindo esta dinâmica, reiteramos que ao aplicar o que se estuda sobre velocidade média a um aparelho corriqueiro, estaremos nos aproximando do que o autor no que ele nos revela.

Seguindo o conteúdo programático de uma turma de 1º Ano do Ensino Médio abordou-se dentro da Cinemática, 'classificação e a comparação dos movimentos' (HALLIDAY, 2009), onde se interagiu os conceitos de velocidade, variação de espaço e intervalo de tempo com o funcionamento do redutor de

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velocidade eletrônico. Esse ramo é, sem dúvidas, um forte nicho onde podemos explorar a busca de uma aprendizagem significativa por parte de nossos alunos. Pode-se ainda verificar como ondas mecânicas podem ser utilizadas neste fim através de sua reflexão e velocidade de propagação. Considerou-se que a construção de um aparato que simule uma lombada eletrônica em baixa escala de tamanho e preço, pode agregar aos momentos de discussão em sala de aula principalmente quando apresentamos uma ferramenta de fácil acesso como o Arduino. Seguindo instruções amplamente divulgadas na internet para controlar um sensor de ultrassom qualquer aluno motivado é capaz de domina-lo e propor uma forma de simular a lombada eletrônica. Para fortalecer esta tese podemos partir do princípio que o Arduino é um freeware, que implica não pagamento de licença de uso, e que por isso possui uma wiki bem estabelecida na internet. Ou seja, há uma farta oferta de instruções e tutoriais na internet feito por outros entusiastas que inclui vídeos no portal do youtube . Sendo assim foi possível aproximar o grande interesse de nossos jovens em utilizar a rede mundial e agregamos a isso a capacidade de aplicar conceitos da Física no desenvolvimento de um experimento que, como já foi dito, é barato e fácil de ser desenvolvido.

Em 2005, no Interaction Desing Institute na Itália, procurava-se um meio barato de facilitar a interface dos alunos com a tecnologia. Dois pesquisadores, Massimo Banzi e David Cuartielles iniciaram o projeto estabelecendo que seu preço máximo não deveria ser superior ao de uma pizza com chop para tornar a ferramenta acessível aos seus alunos. O nome da placa veio a partir do nome de um bar local frequentado por aluno e professores da cidade de Ivrea, chamado Arduino. A primeira tiragem foi vendida na forma de kits para que cada usuário fizesse seu próprio projeto. Com a primeira leva foi rapidamente consumida, outros profissionais da área do Desing passaram a procurar pelo novo produto que subitamente se popularizou. Profissionais de outras áreas também se interessaram pela plataforma inclusive da educação. Além disso todo projeto pode ser adquirido na internet, o que criou um filão de mercado preenchido pelas indústrias e comércios chineses que passaram a inundar o mercado online mundial com diversos tipos e modelos de placas para os mais variados fins. Desde modelos de automação residencial até a montagem de robôs podem ser feitos com a placa de Arduino e alguns outros componentes herdados da eletrônica. Já a parte de programação é desenvolvida num software próprio numa linguagem chamada IDE. Própria para Arduino, ela foi desenvolvida toda baseada em C++. Em nosso caso foi possível adquiri um código de exemplo já pronto referente ao componente HC-SR04 (figura 1b) chamado de sensor ultrassônico. A partir das linhas da programação foi possível explicar para os alunos como funciona um sensor de ré de um veículo e, a partir dai, como adquirir valores de distância entre o sensor e um obstáculo.

## Metodologia

A escolha do Arduino (figura 1a) como instrumento de medida deve-se ao fato da facilidade na programação (visto que utiliza uma linguagem própria derivada do C++ e de fácil aprendizagem) aliado ao baixo custo de aquisição. Outro ponto forte dessa plataforma é que se enquadra na categoria de software livre, o que fortalece a comunidade de incentivadores, já bem estabelecida, na internet e disposta a contribuir nas discussões de estratégias para desenvolvimento de novos projetos. A prototipagem do Arduino Uno é baseada num processador ATMega328

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que permite controlar digitalmente 14 pinos além de seis portas analógicas. Nesse aparato utilizamos as saídas digitais para controlar um sensor ultrassônico (HCSR04), visto na figura 1b, um dispositivo capaz de emitir e receber um sinal sonoro abaixo da faixa de percepção do ouvido humano. Essa propriedade garantiu que pudéssemos aferir o tempo entre a emissão do sinal e seu retorno suficiente para determinar a posição e instante no qual o pêndulo se encontra.

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Figura 1 -a: Placa de Arduino UNO. b sensor ultrassom (HC-SR04).

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Foi desenvolvido em comunhão com os discentes uma montagem que utilizou um par de sensores. Fizeram uma angulação dos sensores para que um deles visualize a chegada do veículo e o segundo a sua saída. Ambos utilizaram o recurso de emitir um sinal sonoro abaixo da faixa da audição humana que em um momento interagiu com o plano da mesa e em outra com o carro. Neste momento nosso aparelho foi capaz de rotular o instante de tempo no qual houve a interação. De posse dos dois valores, entrada e saída, e da distância entre os pontos de visualização, determinou-se a velocidade média do veículo e, por tanto, se ultrapassou ou não o limite permitido. A reprodução de todo experimento foi bastante simples. Com um pequeno domínio de informática foi possível fazer com que toda operação matemática estivesse contida no código utilizado na IDE do Arduino.

Tão relevante quanto a discussão sobre a simulação da lombada eletrônica e quais princípios Físicos envolvem seu funcionamento é inferir juntos aos jovens a importância deste aparelho na organização do trânsito das grandes cidades bem como em estradas. Faz parte do papel da escola conscientizar junto a sua comunidade a importância de seguir leis de trânsito e, principalmente, o significado das regras impostas. Afinal, a Lei de Diretrizes e Bases da educação articula a finalidade do Ensino Médio no seu Artigo 35, parágrafo III no qual 'o aprimoramento do educando como pessoa humana, incluindo a formação ética e o desenvolvimento da autonomia intelectual e do pensamento crítico' (LDB, 1996). Fortalecendo o aspecto de cidadania presente na escola uma vez que o aluno ao se tornar um ser crítico e pensante sobra a sociedade da qual faz parte precisa reconhecer e lidar com tecnologias entendendo sua funcionalidade objetivo. No parágrafo IV do mesmo artigo, temos que: 'a compreensão dos fundamentos científico-tecnológicos dos processos produtivos, relacionando a teoria com a prática, no ensino de cada disciplina.' (LDB, 1996). Mais uma vez nota-se que a oportunidade de cumprir amplamente a proposta da Lei já que aspectos do conhecimento são aplicados numa atmosfera de aprendizagem que transforma a sala de aula num local para explorar como a tecnologia pode ser utilizada para prevenir acidentes.

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## Resultados e Discussão

Após a realização da montagem do experimento e de ajustar a posição dos sensores e do veículo de teste, obtivemos êxito na proposta inicial. O Arduino permite uma conexão serial para entrada e saída de dados. No nosso caso, após carregar o código na placa pela porta USB, pudemos monitorar a atividade da lombada eletrônica através da tela do computador. Também é possível acoplar junto ao Arduino uma tela de LCD que passará a exibir os valores programados no código devidamente carregado na placa.

Foi possível estabelecer os instantes nos quais o carro passa pela entrada e saída da lombada eletrônica. De posse da distância entre esses dois pontos, pudemos determinar a velocidade média do veículo. Na tela (figura 3) foi colocado um comando para avisar ao usuário que a lombada estava funcionando. Na sequência vemos o instante de tempo no qual o móvel passou pela primeira marca logo depois o valor para a segunda marcação. Por fim, pode-se ver a velocidade média do carrinho.

Figura 3 - Dados obtidos pela realização do experimento.

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Um detalhe importante é que fizemos a passagem da unidade de milissegundos para segundos através da própria linguagem de programação do Arduino, a IDE. Dentro da própria interface de programação é possível incluir operadores aritméticos. Com isso fizemos uma mudança com relação a unidade de medida do intervalo de tempo onde dividimos o padrão do Arduino UNO que é milissegundos por uma milhar. Desta forma, passamos a tratar o tempo pela unidade de segundos. Feito isso, promovemos a diferença entre o valor do instante da entrada pelo valor da saída e dividimos distância fixa e previamente estabelecida por essa variação de tempo. Com isso achamos a velocidade do carro sem nenhum software adicional.

Nosso protótipo dispõe de dois sensores ultrassom do modelo HC-SR04. Eles foram posicionados em lados opostos do mesmo suporte para que 'enxergassem' locais distintos da passagem do carro da nossa simulação (figura 4). Fizemos um pequeno teste para ajuste posicionando o veículo na marca de entrada e de saída. Com essa tara pudemos marcar o início e o final da contagem do tempo.

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Figura 4 - Detalhe dos dois sensores acoplados recebendo o sinal de iniciar e encerrar a contagem do intervalo de tempo.

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## Conclusões

A atividade demonstra que com empenho podemos desenvolver um trabalho que possibilite aos estudantes a ampliação de seus horizontes diferente da aprendizagem mecânica que serve para 'avaliar'. Em nossa estratégia, foi possível vivenciar um objeto prático que demonstrou claramente a qual objetivo desejava-se alcançar e como proceder para tê-lo.

Além disso, conseguimos aproximar a realidade cotidiana dos estudantes com a vivência em sala de aula sempre norteada por conceitos sólidos e bem embasados. Para isso utilizamos uma tecnologia atual e que pode auxiliar os estudantes em outras atividades ao longo dos seus estudos. Toda aparelhagem utilizada pode ser adquirida a preços módicos tornando essa atividade ainda mais atrativa.

Pretendemos realizar novos tipos de situação com a lombada eletrônica, utilizando diferentes tipos de 'veículos'. Com tamanhos (comprimentos) diversos ou, ainda, com controle de velocidade para que possamos corroborar com os resultados já obtidos. Poderemos incluir no código do IDE uma passagem para transformar a velocidade de metros por segundo para quilômetros por hora. Assim como criar um aviso sonoro ou luminoso para avisar se um veículo ultrapassar o limite de velocidade.

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## Referências

MOREIRA, Marco A. Teoria da Aprendizagem , São Paulo, EPU, 1999.

HALIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física, 4ª Edição, São Paulo, ETC, 1996.

EVANS, Martin; NOBLE, Joshua; HOCHEDAUM, Jordan. Arduino em Ação . São Paulo, Novatec, 2013.

BRASIL. Lei nº 9.394, de 20 de dezembro de 1996. Estabelece as Diretrizes e Bases da Educação Nacional. Diário Oficial [da República Federativa do Brasil], Brasília, DF, v. 134, n. 248, 23 dez. 1996. Seção 1, p. 27834-27841.

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