O USO DO LDR COMO SENSOR DE POSIÇÃO COM O ARDUINO PARA O ENSINO DE FÍSICA

## O USO DO LDR COMO SENSOR DE POSIÇÃO COM O ARDUINO PARA O ENSINO DE FÍSICA

## Andreia Paulino , Rodolfo Medeiros , Luciana Nunes , Leonardo Casillo , 1 2 3 4 Lázaro Lima 5,6

- 1 UFERSA/Centro de Ciências Exatas e Naturais, andreia.paulino@ifma.edu.br
- 2 UFERSA/Centro de Ciências Exatas e Naturais, rodolfofelipe15@hotmail.com
- 3 UFERSA/Centro de Ciências Exatas e Naturais, lucangelica@ufersa.edu.br
- 4 UFERSA/Centro de Ciências Exatas e Naturais, casillo@ufersa.edu.br
- 5 UFRN/Departamento de Física Teórica e Experimental, lazaro@ufersa.edu.br
- 6 UFERSA/Centro de Ciências Exatas e Naturais, lazaro@ufersa.edu.br

## Resumo

O Arduino está se tornando uma das plataformas mais utilizadas para projetos de simples aquisição pela sua versatilidade. No ensino de física, este equipamento ganha espaço no auxílio para substituir tradicionais kit's em aulas experimentais, na maioria dos casos inacessíveis às escolas do ensino médio, que não disponibilizam verba para tal, pois é considerado um sistema de baixo custo. Realizar experimentos de física em sala de aula é uma das formas mais simples de motivar, dinamizar e criar novas perspectivas no aluno. O LDR é um sensor de baixo custo que varia sua resistência com a luminosidade e pode ser utilizado para fins além do esperado por este componente. Este trabalho apresenta algumas maneiras de usar o LDR e o Arduino em conjunto para realizar diferentes experimentos, usando-o como sensor de posição, com o objetivo de dinamizar as aulas de Física.

Palavras-chave : Arduino, ensino, LDR

## Introdução

Dinamizar as aulas em um contexto experimental é um dos objetivos dos professores de física, principalmente, nos dias atuais, onde o avanço tecnológico é crescente e amplamente dissolvido na sociedade. Em muitos casos, com verba reduzida para a compra de kit 's experimentais completos, a busca por sistemas de baixo custo é uma das saídas para as aulas experimentais. Um dos equipamentos muito utilizado atualmente, e ainda vem ganhando espaço na automatização nas diferentes áreas de ensino é o Arduino . Esta placa de prototipagem é amplamente encontrada no mercado com preços acessíveis, a ela existe um quantitativo de sensores que são compatíveis, na qual sua plataforma eletrônica é open source e open hardware , ou seja, tem código aberto e possibilita a interação com sensores e atuadores, sendo capaz de operar de forma autônoma, ou em conjunto com um computador.

Em CAVALCANTE, 2011, é apresentada uma forma simples de usar este equipamento para o estudo das curvas relacionadas com o circuito RC, a curva de carga e descarga de um capacitor, bem como a corrente no circuito em função do tempo, sendo um experimento que, possivelmente pode ser aplicado numa aula experimental ou demonstrativa da área de eletricidade à alunos do Ensino Médio. Todo o equipamento utilizado foi um resistor, um capacitor, o computador e o Arduino .

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23 a 27 de janeiro de 2017

Diferentes experimentos com o uso do Arduino , um sensor ultrassônico e um de temperatura foram propostos por MARTINAZZO, 2014. Na área da Mecânica, os autores apresentam experimentos para estudo dos movimentos harmônico simples armotecido e o uniformemente variado em uma rampa. Na área da Termodinâmica, foi estudado a variação da temperatura na evaporação e a Lei de Resfriamento de Newton. Este trabalho indica que um sensor pode ser utilizado para várias aplicações, usando a mesma configuração. Por outro lado, SOUZA, 2011, realizou o mesmo experimento do oscilador amortecido, porém o sensor utilizado foi o LDR ( Light Dependent Resistor ), e a maneira de como realizar foi diferenciada, mas ainda sim é mostrada a eficácia em ambos métodos.

Este artigo propõe uma metodologia experimental diferenciada, com o uso do Arduino e do LDR para a realização de vários tipos de experimentos, objetivando criar um ambiente mais tecnológico nas aulas de Física no Ensino Médio.

## O Arduino

Um sistema de aquisição de dados que vem modificando a maneira de realizar projetos de automatização é o Arduino . Ele é uma plataforma de hardware open-source , ou seja, ele tem o código aberto, e desta forma, para diferentes implementações é possível modificá-lo ao desejo do experimentador, criando possibilidades de uso em diferentes área. A Figura 1 apresenta um dos modelos disponíveis no mercado, o Arduino UNO , este foi o modelo escolhido para uso neste trabalho (MCROBERTS, 2011).

Figura 1: Placa Arduino UNO 1

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Esta placa é composta por um microprocessador Atmel AVR , um cristal de clock e um regulador linear de 5,0 V, capaz de controlar sistema de entradas e saídas, como por exemplo, os sensores, o mesmo pode ser conectado ao computador via cabo USB. A programação é feita via linguagem Processing , que é baseada na C/C++, e desta forma é enviado o código compilado para carregar diretamente na placa. Vale ressaltar que este dispositivo pode gravar dados em função do tempo, qualidade interessante quando é necessário analisar um comportamento de uma grandeza em um experimento.

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## O LDR

O componente eletrônico chamado de LDR, que é a sigla do inglês Light Depender Resistor , tem seu valor de resistência variado se a luminosidade sobre sua face for modificada. Quanto maior for a luminosidade incidente na face deste componente, menor será o valor de resistência, por outro lado é possível obter valores da ordem do milhão de Ohms. Este efeito só é possível devido aos fótons que interagem com os elétrons que fazem parte da superfície deste material, e por conseqüência, os mesmos ganham energia, o que resulta na diminuição da resistência (THOMAZINI, 2008). Na Figura 2 é mostrado um LDR.

Figura 2: Um LDR de uso comum

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Existem vários tipos e tamanhos de faces, alguns deles são vendidos, no mercado de equipamentos especializados, por valores abaixo de R$ 10,00. Por estas características, no ensino de física, o mesmo tem ganhado espaço, ao longo dos anos, como auxiliador na demonstração de efeitos luminosos, porém, estes experimentos são restritos somente à esta característica, isso limita a diversidade no entendimento de um tipo de sensor.

O LDR é inserido no Arduino como um resistor qualquer, como parte de um divisor de tensão. A Figura 3 mostra o esquema de um divisor de tensão conectado ao Arduino , no qual um dos elementos resistivos é o LDR.

Figura 3: Divisor de tensão com o LDR conectado ao Arduino

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A ddp de saída no LDR é dada pela Equação 1, onde Vout é a tensão sentida pelo Arduino , V 0 = 5,0 V (ddp fornecida pelo próprio sistema Arduino ), R LDR é a resistência do LDR e R é a resistência de carga (geralmente usa-se o valor de R da ordem de 10k Ω ). Uma vez que o valor de RLDR varia com a luminosidade, o valor de Vout assume valores diferentes mediante esta alteração (HALLIDAY, 2001).

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## O LDR como sensor de posição

Para realizar uma medida de distância usando um LDR é necessário, primeiramente, que haja uma calibração. Desta forma, o experimentador deverá montar a equação que relaciona a variação de luminosidade em função da resistência (podendo também ser a ddp, ou de unidades binárias) do LDR, pela leitura feita usando o Arduino . A intensidade luminosa é variada se a distância da fonte ao receptor for modificada, quanto maior a distancia entre eles, menor será a intensidade luminosa captada. Desta forma, é montado o esquema demonstrado na Figura 4, usando os seguintes materiais: uma lâmpada (fonte luminosa), um LDR, fios de ligação, uma régua e suportes.

Figura 4: Aparato experimental para calibração do LDR para usá-lo como sensor de posição

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Assim foi montada um gráfico do sinal binário apresentado pelo Arduino (com valores entre 0 a 1023) em função da distância medida pela régua. Os dados são salvos pelo computador, posteriormente são transferidos a um analisador gráfico para que seja feita as análises subseqüentes de comportamento da curva. O gráfico é apresentado a seguir na Figura 5, onde é feito um ajuste linear para a melhor descrição da função em todo o espectro de possibilidades de distância da fonte luminosa e o LDR.

Figura 5: Curva de calibração do LDR como sensor de posição

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Sabendo a equação de ajuste da Figura 5, dado por y(V) = - 6,92 + 0,112*V, onde y é a distância do sensor LDR à fonte luminosa, e V é o sinal binário medido pelo Arduino sobre o LDR, é possível implementá-la no programa do Arduino para medir instantaneamente a posição de um corpo que esteja na mesma posição do LDR. Para testar esta possibilidade, foi estudado o comportamento de um sistema oscilante do tipo massa-mola, no qual o LDR é preso na massa oscilante, este sistema é mostrado na Figura 6.

Figura 6: Estudo do movimento harmônico simples com um LDR como sensor de posição

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Na Figura 6 é apresentado o sistema usado para realizar a medida de posição de uma massa ligada a uma mola, que oscila em movimento harmônico simples, em (A) tem o esquema e em (B) tem o sistema montado para execução da medida, dispondo de uma fonte luminosa, um LDR, uma massa de 100 g, uma mola helicoidal. A massa é posta para oscilar enquanto a lâmpada está acesa, ao passo que o Arduino coleta as informações trazidas pelo sensor e lança ao computador que armazena os dados.

O resultado das medidas é mostrado na Figura 7, onde é montada a curva de posição em função do tempo enquanto a massa oscilava.

Figura 7: Medidas da posição em função do tempo para uma massa oscilante em movimento harmônico simples usando o LDR como sensor de posição

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Como esperado para um sistema periódico, a função da posição em função do tempo é do tipo senoidal, isso é evidenciado fazendo o ajuste por um analisador gráfico, no qual a posição y em função do tempo t , com unidades cm e ms, respectivamente, é dado pela Equação 2, na forma y(t) = ym + A*sin( ω *t) , com ym é a menor distância da fonte luminosa, A é a amplitude de oscilação e ω é a freqüência angular, equivalente a 2* π *f , com f sendo a freqüência de oscilação e f = 1/T , ou seja, o inverso do período T (HALLIDAY, 2001). Assim,

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Então, ym = 4,33 cm, A = 1,52 cm e T = 0,495 s. Da Equação 2, as equações de velocidade e aceleração podem ser encontradas, portanto, todo o movimento pode ser descrito por este experimento.

Uma extensão deste experimento é usá-lo para caracterizar molas, ou pelo método estático, em que é medida as várias posições do sistema quando é adicionado massa, ou pelo método dinâmico, em que a massa é posta para oscilar.

## Conclusão

Neste trabalho foram apresentadas algumas maneiras de usar o LDR, associado ao Arduino , como ferramenta auxiliadora na dinamização das aulas de Física para o Ensino Médio. Foi mostrado que é possível estender as aplicabilidades das funções deste componente além das tradicionalmente apresentadas, quando tratado somente como componente que varia a resistência com a luminosidade. Para comprovar tal fato, foi feito um estudo sobre o movimento harmônico, no qual mostrou uma análise diferenciada com o uso do Arduino . O uso destas tecnologias tende a melhorar o desempenho dos alunos, bem como a compreensão de análises de sistemas físicos. Para o professor, usar estes recursos pode propiciar uma aula demonstrativa ou experimental com materiais de baixo custo e de fácil manuseio.

## Referências

CAVALCANTE, M. A., TAVOLARO, C. R., &amp; MOLISANI, E. (2011). Física com Arduino para iniciantes. Revista Brasileira de Ensino de Física , 33 , 4503.

HALLIDAY, D. (2001) Fundamentos de Física Vol. 1: Mecânica. LTC-Livros Técnicos Científicos S/A. 6 Edição.

MCROBERTS, M. (2011) Arduino Básico. Ed. Novatec. 1ª Edição.

MARTINAZZO, C. A., TRETIN, D. S., FERRARI, D., &amp; PIAIA, M. M. (2014). Arduino: Uma tecnologia no ensino de física. PERSPECTIVA, Erechim , 38 , 21 - 30.

THOMAZINI, D. ALBUQUERQUE, P. (2008) Sensores Industriais, fundamentos e aplicações. Ed. Érica. 6ª Edição.

SOUZA, A. R., PAIXÃO, A. C., UZÊDA, D. D., DIAS, M. A., DUARTE, S., &amp; AMORIM, H. S. (2011). A placa Arduino: uma opção de baixo custo para experiências de física. Revista Brasileira de Ensino de Física , 33 (1), 1702.

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