PROPOSTA DE EXPERIMENTAÇÃO FÍSICA UTILIZANDO MICROCONTROLADOR ARDUINO

## PROPOSTA DE EXPERIMENTAÇÃO FÍSICA UTILIZANDO MICROCONTROLADOR ARDUINO

Klayton Marcondes 1 , José William Borges , Roberta Hanna , Saulo Leite , 2 3 4 Wellington Fonseca 5

- 1 Universidade Federal do Pará, klayton.08@hotmail.com
- 2 Universidade Federal do Pará, josewilliamrb01@gmail.com
- 3 Universidade Federal do Pará, ferreirahanna4@hotmail.com
- 4 Universidade Federal do Pará, saulo.joel@yahoo.com.br
- 5
- Universidade Federal do Pará, fonseca@ufpa.br

## Resumo

Em muitas escolas, a metodologia empregada no ensino de física no ensino médio é, ainda, baseada quase exclusivamente na transmissão de conteúdo teórico, utilização de experimentos envolvendo o microcontrolador Arduino de modo a aliar os conceitos físicos e tecnológicos. A utilização de microcontroladores contribui para a aquisição de dados experimentais, possibilitando desenvolver características pessoais do estudante, instigando a interdisciplinaridade entre a área tecnológica e a física. Implementou-se uma Garra Mecânica com o objetivo de apresentar conceitos relacionados às Leis de Newton e Energia e Trabalho, além de um Medidor de Período de Pêndulo Simples que demonstra ideias de Movimentos Harmônicos Simples e auxilia na validação de valores teóricos. Os experimentos contribuem para a mudança de perspectiva dos estudantes que observam os fenômenos físicos de modo alternativo, unindo a física com a tecnologia. A proposta apresentada condiz com o objetivo do programa de extensão Laboratório de Engenhocas, da Universidade Federal do Pará, que visa elaborar metodologias alternativas de ensino e auxiliem no desenvolvimento acadêmico de discentes do Ensino Fundamental e Médio.

Palavras-chave : Arduino, Experimentação Física, Ensino, Tecnologia;

## Introdução

O modelo atual de ensino de física, bem como das demais matérias de nível médio, muitas das vezes é sobrecarregado pela crescente necessidade e cobrança social de aprovação dos alunos em vestibulares. Essa forma de ensino preenche a rotina dos alunos com exaustivas resoluções de questões e exercícios de fixação, onde os professores se veem na responsabilidade de transmitir o conteúdo baseado nas necessidades referentes aos processos seletivos e cada vez menos têm a oportunidade de utilizar metodologias práticas de ensino, com experimentações práticas dos temas abordados em sala. Tal rotina de muitos exercícios, com pouca visualização real dos conceitos estudados fomenta nos aprendizes a equivocada noção de que a física está restrita à matematização e aplicação de fórmulas, como relatado em Ricardo e Freire (2007).

Esse déficit de metodologias interativas, que aliem os conceitos estudados em sala com a prática propriamente dita, vai de encontro à vontade dos discentes, que anseiam cada vez mais por atividades que utilizem das novas tecnologias desenvolvidas, as quais ampliam o acesso à educação e auxiliam a relação docente-

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23 a 27 de janeiro de 2017

discente, uma vez que há a divulgação do conhecimento científico simultaneamente ao aprendizado ativo e irrestrito de hábitos, técnicas e mecanismos de ensino. O Programa Laboratório de Engenhocas faz uso de estratégias de aprendizagem ativa e monitoria de discentes de cursos de engenharia e ciências exatas e naturais da Universidade Federal do Pará (UFPA) através de projetos nas áreas de robótica pedagógica, nanotecnologia e supercondutividade, experimentos lúdicos, acústica, feira de ciências e jogos educativos com material de baixo custo, estreitando o contato entre o ensino médio e a vida acadêmica, compartilhando conhecimento de ambas as partes. Os discentes de ensino superior têm a oportunidade de aplicação prática dos conteúdos trabalhados em sala de aula e concomitantemente difundir o conhecimento científico desenvolvido, fomentando o estímulo ao ensino, a pesquisa e a extensão, eixos fundamentais do sistema universitário brasileiro (MARCONDES et al , 2016).

Por fazer parte de um contexto social em constante mudança, a educação precisa sofrer transformações de formas cada vez mais rápidas, estimuladas pela produção de novos conhecimentos científicos e tecnológicos. A falta de aplicação e visualização dos conceitos e teorias estudados em sala evidencia a necessidade de utilização de técnicas de ensino atrativas e eficientes, uma vez que tanto a ciência, quanto a tecnologia são resultados do saber humano e que, portanto, estarão sempre presentes na nossas vidas (PINHEIRO et al , 2007).

Nesse sentido, a utilização de microcontroladores para aquisição de dados e experimentação científica, consolida-se como meio instigador do desenvolvimento do raciocínio lógico, da criatividade e da interdisciplinaridade, apresentando-se como forma de tornar o processo de aprendizagem muito mais produtivo e interessante. A utilização do computador, para processamento dos dados obtidos pelo microcontrolador, tem sido incansavelmente relatada como instrumento de laboratório e agente transformador no ensino e aprendizagem de ciências, engenharia e tecnologia, buscando assim diminuir a distância entre a tecnologia, professores e alunos.

Como proposta de experimentação prática assistida pela tecnologia, utilizouse de conceitos de física, eletrônica, aquisição e processamento de dados assistida por microcontrolador Arduino UNO R3. O objetivo dos experimentos executados é verificar e consolidar o conhecimento dos alunos acerca dos temas da física clássica: conservação de energia e trabalho, com a garra mecânica, e movimento harmônico simples, com o medidor de período de pêndulo simples.

## Metodologia

Para elaboração dos experimentos realizou-se um levantamento bibliográfico dos temas analisados, fundamentado no conhecimento a nível de ensino médio porém embasados na literatura de ensino superior. Os conceitos físicos expostos pelos experimentos aliados ao microcontrolador possibilitam a aprendizagem dos estudantes por meio de um modelo experimental diferente das aulas teóricas. Para a montagem e funcionamento dos equipamentos, conceitos de eletrônica e automação foram estudados e aplicados à experimentação física. As ferramentas necessárias demonstraram-se acessíveis e de baixo custo.

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## Microcontrolador Arduino Uno

Para aquisição dos dados foi utilizado um microcontrolador Arduino UNO R3 (ARDUINO, 2016), uma plataforma de hardware open source , de fácil manuseio, voltado para o desenvolvimento de projetos acessíveis, de baixo custo e fácil utilização, destinado à qualquer pessoa que queira desenvolver projetos interativos, possibilitando seu uso por artistas e amadores em eletrônica (MARCONDES et al , 2016).

Figura 01: Anatomia da placa Arduino Uno .

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Fonte: Adaptado de https://www.robomart.com/image/catalog/RM0058/02.jpg.

## Garra Mecânica

Para a montagem deste experimento utilizaram-se quatro potenciômetros de 10k Ω para variar as resistências internas, manipulando a tensão lida nas portas de entradas do Arduino. Assim, a partir da programação preestabelecida, um sinal de controle é enviado para acionar o motor responsável pelo correspondente grau de liberdade da garra.

Figura 02: Garra mecânica com peça em suspensão.

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Fonte: o autor.

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Tendo em vista o experimento desenvolvido, podem ser analisados, principalmente, três conceitos físicos fundamentais na Mecânica Clássica: a 2ª Lei de Newton, Trabalho e Torque. A Segunda Lei de Newton afirma que quando uma força resultante atua sobre um corpo, ele acelera. Ademais, é descrita matematicamente como uma relação entre a força resultante F , a aceleração a e a massa inercial de um corpo m , dadas pelo SI (Sistema Internacional de Unidades) em newtons ( N ), metros por segundo ao quadrado ( m/s² ) e quilogramas ( kg ), respectivamente. Além disso, pode ser enunciada como: (HALLIDAY, 2009a)

<!-- formula-not-decoded -->

A Equação 1 deve ser utilizada de modo apropriado, pois se restringe a análise de um corpo apenas, isto é, somente as forças que atuam sobre um corpo devem ser analisadas. (HALLIDAY, 2009a)

Observando a garra mecânica proposta, utiliza-se o conceito para observar a força que o braço da garra realiza de modo a levantar um objeto e a força necessária para mantê-lo no ar, relacionando com a força peso devido a aceleração da gravidade, por exemplo.

Além disso, pode ser associado ao experimento o conceito de torque também, visto que, pela estrutura da garra, as articulações se giram ao variar a resistência dos potenciômetros. O torque fornece a medida quantitativa de como a ação de uma força altera o movimento de rotação de um corpo e é expresso pela relação: (YOUNG &amp; FREEDMAN, 2008)

<!-- formula-not-decoded -->

Onde, T é a torque resultante em newton-metro ( N.m ), r é a distância entre o ponto de origem e o ponto de aplicação da força em metros ( m ), F é a força aplicada em newtons ( N ) e φ é o ângulo entre os dois.

Ademais, realiza-se uma análise alternativa utilizando o conceito do Trabalho. Segundo Halliday (2009a), é necessário que se exerça uma força para levantar um corpo em determinada distância, para se desenvolver esse deslocamento foi realizado um Trabalho (W), que pode ser positivo, quando a força e o deslocamento estão no mesmo sentido, ou negativo, quando têm sentidos opostos. O Trabalho é definido como:

<!-- formula-not-decoded -->

Onde, F é a força aplicada em newtons ( N ), d é a distância percorrida em metros ( m ), φ é o ângulo entre os dois e W é dado em Joules ( J ).

A partir dos conceitos apresentados, propõe-se o seguinte procedimento para utilização da garra mecânica como experimento físico. Inicialmente, fixa-se a garra em uma superfície plana. Em seguida, utiliza-se o equipamento para empreender a suspensão de 4 objetos de massas diferentes e pré-determinadas, separadamente, e verificar os resultados obtidos.

Dessa forma, observa-se que os conceitos explicitados são aplicáveis no desenvolvimento do experimento. Posto que para a suspensão dos objetos é realizada uma força vertical ascendente e a medida que são suspensos é realizado trabalho. Como a garra é composta por articulações, a força realizada produz um torque no equipamento. Assim, com as especificações dos servo-motores, pode-se

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calcular o torque máximo que a garra pode exercer e, consequentemente, a máxima massa que o instrumento pode suspender.

## Medidor de Período de Pêndulo Simples

Um pêndulo é um sistema composto por uma massa acoplada a um pivô que permite sua movimentação livremente. No experimento de Medidor de Período de Pêndulo Simples, aplica-se conceitos relativos a Movimentos Harmônicos Simples (MHS), abordados nos capítulos de ondulatória do nível médio. A estrutura do pêndulo simples é baseada em um fio de massa m desprezível e comprimento inextensível determinado com uma das extremidades presas em um ponto fixo e a l outra presa a um corpo qualquer (HALLIDAY, 2009b). Considerando que, para variações angulares pequenas em relação a posição de equilíbrio ( θ &lt;10º), o movimento realizado pelo pêndulo pode ser aproximado para um MHS, pode-se calcular o período T do pêndulo, segundo Nussenzveig (2009), utilizando a seguinte relação:

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Onde, T é dado em segundos ( ), em metros ( s l m ) e g é a aceleração da gravidade em metros por segundo ao quadrado ( m/s² ).

Para a montagem desse experimento utilizou-se uma base metálica, uma esfera maciça de vidro de massa 60g fixada em uma das extremidades de um fio de de aproximadamente 30 centímetros de comprimento de massa considerada desprezível. O fio, por sua vez, tem a outra extremidade fixada à base metálica. Para captação dos períodos do pêndulo, utilizou-se um sensor de distância ultrassônico HC-SR04.

Figura 03: Sensor ultrassônico.

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Fonte: LEITE et al (2015).

A figura 03 exemplifica o funcionamento do sensor ultrassônico: segundo Leite et al (2015) o sensor emite uma onda ultrassônica através do emissor no sensor T (esquerdo), esta onda sonora incide no objeto e retorna ao receptor do sensor R (direito). A partir do tempo de emissão e recepção é possível calcular a distância do objeto.

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Figura 04: Medidor de Período de Pêndulo Simples com Arduino.

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## Resultados e Discussões

Para realização do experimento da garra não houve processamento de dados, pois a utilização dos potenciômetros coordena diretamente os motores que possibilitam a movimentação das peças. O microcontrolador Arduino, neste caso, lê as variações de tensão nas portas de entrada e envia sinais de controle para os motores.

Além disso, utiliza-se a garra mecânica como instrumento lúdico de testes para suspensão de objetos. O equipamento pode ser utilizado em sala de aula como forma de exibição dos conceitos físicos apresentados, tendo em vista que pode-se explorar o motivo de ter ocorrido ou não a suspensão, analisando diagramas de corpo livre dos objetos e da própria garra, quando relacionado ao conceito de torque.

A coleta de dados fez-se necessária no experimento do medidor de pêndulo simples, os dados obtidos pelo sensor ultrassônico são lidos no Arduino e processados em um computador no software Microsoft Excel. O espaço amostral abrangeu 1007 medições, uma a cada 0,2 segundos, totalizando 201,4 segundos. A partir dos dados obtidos gerou-se o gráfico da posição da esfera em função do tempo, o que pode ser observado no gráfico 1:

Gráfico 01: Dados coletados pelo microcontrolador.

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O gráfico descreve a trajetória do pêndulo, com períodos decrescentes, justificados pelo amortecimento proporcionado pelo atrito com o ar. Alguns dos valores coletados extrapolam a real medição, visto a inconveniente instabilidade do sensor, que destoava da distância real, medida com uma régua, entre o sensor e a esfera em ±1 centímetro. Ademais, a massa do fio foi desconsiderada. Apesar disso, pode-se relacionar o valor experimental medido pelo sistema, comparando-o com o valor teórico atribuído demonstrado pela fórmula do período do pêndulo. Desse modo, demonstra-se a validade da equação apresentada em sala de aula por meio de um experimento simples utilizando a tecnologia.

## Considerações Finais

A partir do desenvolvimento dos experimentos, foi possível, aos integrantes do projeto, verificar a conexão entre a parte tecnológica com os conceitos físicos instruídos no Ensino Médio. Dessa forma, integrou-se os conhecimentos da implementação na plataforma Arduino da Garra Mecânica e do Medidor de Período de Pêndulo Simples com os conhecimentos de Mecânica Clássica e de Movimentos Harmônicos Simples (MHS), respectivamente, atribuindo uma perspectiva alternativa aos experimentos, pois não se restringe apenas a implementação computacional, mas também a demonstração da teoria exibida em sala de aula.

Ademais, observa-se que os experimentos aproximam os estudantes da ciência. Visto que o viés tecnológico das experiências atrai a curiosidade dos discentes, que dispõe da base teórica, pois podem constatar como a tecnologia auxilia na validação e percepção dos conhecimentos adquiridos.

Em decorrência disso, apresenta-se uma metodologia diversificada de ensino que alia-se ao objetivo do programa de extensão Laboratório de Engenhocas da Universidade Federal do Pará. O programa visa estabelecer o contato direto entre a comunidade acadêmica com a sociedade, de modo a auxiliar no desenvolvimento de metodologias que cativem e provoquem o interesse dos estudantes de nível Fundamental e Médio pela ciência, incentivando-os a ingressar no Ensino Superior.

## Referencial Bibliográfico

ARDUINO. Disponível em: &lt;http://arduino.cc/&gt; Acesso em 21 abr 2016.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J.. Fundamentos de Física. Vol. 1. 8 ed. Editora LTC, 2009a.

MARCONDES, K. F; FERREIRA, R. H. S.; LEITE, S. J. O.; SILVA, W. F.. Desenvolvimento de um Sistema De Detecção de Vazamento de Gás: Ensino, Pesquisa e Extensão em Engenharia. XLIV Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, 2016.

NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física Básica: Fluidos, Oscilações e Calor. Vol. 2. 4 ed. Edgard Blücher, 2002.

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PINHEIRO, N. A. M.; MATOS, E. A. S. A.; BAZZO, W. A.. Refletindo acerca da ciência, tecnologia e sociedade: enfocando o ensino médio. Revista Iberoamericana de Educación, (2007).

RICARDO, E. C.; FREIRE, J. C. A.. A concepção dos alunos sobre a física do ensino médio: um estudo exploratório. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 29, n. 2, p. 251-266, (2007).

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J.. Fundamentos de Física. Vol. 2. 8 ed. Editora LTC, 2009b.

YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A., Física II - Termodinâmica e Ondas, 12a ed. São Paulo, Pearson Education do Brasil, 2008.

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