UTILIZAÇÃO DE SENSORES DE FORÇA RESISTIVO INTEGRADO AO ARDUINO PARA DEMOSNTRAR A TERCEIRA LEI DE NEWTON

## UTILIZAÇÃO DE SENSORES DE FORÇA RESISTIVO INTEGRADO AO ARDUINO PARA DEMOSNTRAR A TERCEIRA LEI DE NEWTON

## Raul Carvalho Amaral 1 *, Fábio Hoffman , Júlia Esteves Parreira 2 3

1 PUC-Minas/Instituto Politécnico, ramaral@live.com

2 PUC-Minas/ Instituto Politécnico, fabio\_hoffman@hotmail.com

3 PUC-Minas/Departamento de Física e Química, prof.julia.parreira@gmail.com

## Resumo

Apresentamos uma ferramenta visual que demonstra, em tempo real, a igualdade das intensidades de um par de forças de ação e reação exercidas por sensores de força resistivos, demonstrando a Terceira lei de Newton. Foi integrado o Arduino a um software supervisório, utilizado em sistemas de automação. Com ele é possível gerar uma animação gráfica dos dados obtidos pelo Arduino, facilitando a interpretação da resposta dos sensores de força. Possibilitando a melhora da percepção do estudante a respeito da terceira lei de Newton. Experimentos são estratégias amplamente reconhecidas como boas promotoras do processo de ensino-aprendizagem de Física, mas são muito raros os experimentos utilizados no ensino de Física que possibilitem um contato e gerem uma reflexão sobre a Terceira Lei de Newton. Usualmente as tecnologias baseadas em kits experimentais prontos possuem alto valor de aquisição, por terem complicações em sua construção física ou a utilização de sensores com alto desempenho. Apresentamos a descrição dos componentes eletrônicos e softwares necessários para a implementação da experiência e uma experiência executada em sala de aula.

Palavras-chave : Arduino, sensor de força resistivo, experimentos no ensino de Física, protocolo Modbus, terceira lei de Newton.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## 1. Introdução

Demonstrações e experimentos são meios de materializar as leis da Física. Quando utilizados em sala de aula, podem aumentar o engajamento dos estudantes em seu processo de aprendizagem e aumentar a compreensão dos mesmos a respeito das leis da Física (ALMEIDA, 2015). O uso de atividades experimentais no ensino de Física é uma das maneiras mais frutíferas para se possibilitar uma aprendizagem significativa (ARAÚJO, 2003). Ainda segundo Araújo, tais atividades podem consistir apenas em verificações das leis e teorias ou em situações que levem os estudantes a refletirem e reverem suas ideias e conceitos a respeito dos fenômenos abordados. Acreditamos que nossa proposta neste trabalho seja deste segundo tipo.

A terceira lei de Newton, conhecida como Lei de Ação e Reação, é um tema bastante central no Ensino de Física, tanto no Ensino Médio como no Ensino Superior. Ela diz que sempre que um objeto exerce uma força sobre um segundo objeto, o segundo objeto exerce uma força igual e oposta sobre o primeiro (HEWITT, 2015). No entanto são raros os experimentos didáticos através dos quais seja possível verificar a igualdade da intensidade desse par de forças. Uma exceção é a proposta de Eugenia Etkina (2013), que trouxe inspiração a este trabalho aqui apresentado.

Neste trabalho apresentamos uma proposta de experimento didático para verificar a igualdade da intensidade dos pares de ação e reação, utilizando Arduino e sensores de força resistivos. Na seção 2 apresentamos a construção do hardware, utilizando os sensores de força resistivo. Na seção 3 é apresentada a programação do Arduino. Na seção 4 é indicada a configuração do software supervisório, o Elipse Scada versão demo. Na seção 5 é apresentado um roteiro que pode ser utilizado com a montagem experimental descrita nas seções anteriores e descrita uma experiência em sala de aula com ele. Na seção 6 apresentamos as discussões finais. Na figura 1, é apresentado o diagrama em blocos final do experimento.

Figura 1: Diagrama em blocos.

<!-- image -->

## 2. Construção do Hardware

O hardware é baseado no microcontrolador Arduíno.

'O Arduíno é uma pequena placa de microcontrolador contendo um plugue de conexão USB ( Universal Serial Bus - Barramento de dados universal) que permite a ligação com um computador. Contém diversos terminais que permitem a conexão com dispositivos externos, como motores, relés, sensores luminosos, diodos a laser, alto falante e outros (MONK, 2013)'.

A resistência de um SFR (Sensor de Força Resistivo) varia de acordo com a força aplicada no sensor, aumenta ou diminui. Quando não está aplicada a pressão no SFR, a sua resistência será maior do que 1M Ω . Quando mais se pressiona o sensor, menor será a resistência entre os terminais. Combina-se o SFR com uma resistência estática (resitor) para criar um divisor de tensão, logo é possível produzir

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

uma tensão variável que pode ser lida pelo conversor analógico-digital do microcontrolador (JIMB0, 2016).

Para a confecção do hardware foram utilizados os componentes da tabela 1. O diagrama eletrônico e o diagrama esquemático da montagem são apresentados na figura 1. Na junção do sensor com o resistor (Nó) está disponível a tensão analógica que indicará a variação de resistência. Estes 'Nós' foram conectados às entradas analógicas A0 e A1 do Arduino, conforme o diagrama eletrônico, figura 2.

<!-- image -->

Figura 2: Diagrama eletrônico e diagrama esquemático

<!-- image -->

Tabela 1: Componentes utilizados

## 3. Configuração do Arduíno e a elaboração do código

'Para a comunicação do Arduíno com o software Elipse E3 ou Elipse SCADA, é necessário que o hardware tenha características de um PLC ou RTU, ou seja, ele precisa ter um protocolo de comunicação programado a fim de transmitir as informações adquiridas pelos dispositivos de campo (sensores, relés, etc.) ao sistema supervisório (FREIRE, 2016)'.

Utilizamos um protocolo de comunicação industrial, o Modbus, cujo fabricante é Modicon. Para tanto, deve-se incluir a biblioteca para executar o protocolo Modbus no Arduino. A biblioteca é utilizada para estabelecer a comunicação entre o Arduino UNO e o software Elipse Scada.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## 3.1. Configurando o Arduino IDE

'Arduino IDE é o software de programação gratuito que possibilita transferir e criar o programa de controle do Arduino. Encontra-se disponível no site do Arduino (CREATIVE, 2016) '. Após a instalação, deve-se configurar o software para que ele trabalhe com a placa do Arduino e a porta específica em que está conectado ao computador. Para seleção da placa, após abertura do software , deve-se acessar a barra de ferramentas em:

Ferramentas → Placa: 'Arduino/Genuíno Uno' → Arduino/Genuíno Uno.

Para selecionar a porta de comunicação no Arduino deve-se acessar:

Ferramentas → Placa: 'COM3 (Arduino/Genuíno Uno)' → COM3.

Usualmente o software IDE identifica o Arduino e a porta em que está instalado. É importante nesta etapa verificar qual porta será utilizada, pois precisaremos desta informação para configurar no Elipse Scada. A porta COM3 está citada acima apenas como exemplo.

## 3.2. Configurando o protocolo Modbus Slave no Arduino IDE

Após configurar o Arduino IDE, é necessário configurar o hardware (Arduino UNO) como uma unidade escrava para a rede Modbus. Para tal, é preciso uma biblioteca com as configurações do protocolo. Dentre as várias bibliotecas Modbus Slave disponíveis na internet, utilizaremos a SimpleModbusSlaveV10.zip , que é disponibilizado pelo Google (GOOGLE, 2016. A biblioteca SimpleModbusSlave.zip deve ser importada para a IDE Arduino através do seguinte caminho:

Sketch → Incluir Biblioteca → Adicionar biblioteca .ZIP, selecione o arquivo MODBUS.ZIP (baixado anteriormente).

## 3.3. Transferindo o código para o Arduino

O código consiste em fazer a leitura das entradas analógicas e enviar o valor lido via protocolo Modbus. Está mostrado na figura 3.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Figura 3: Código fonte do Arduino

<!-- image -->

Para carregar o código, após digitado no Arduino, basta seguir os passos:

Sketch → Carregar.

## 4. Instalação e configuração do Elipse Scada

'Elipse SCADA proporciona um ambiente totalmente configurável, permitindo ao usuário monitorar variáveis em tempo real através de elementos gráficos, bem como realizar acionamentos através do envio de informações aos dispositivos existentes. ' (MADEIRA, 2016)

- O download do Elipse Scada pode ser feito através do site do Elipse (ELIPSE, 2016a). Para efetuar o download é necessário fazer um cadastro. Tanto o cadastro quanto o download são gratuitos. Entretanto o programa funcionará na função demo. Como nesta aplicação não será necessário verificar muitas variáveis, a versão demo satisfaz.

## 4.1. Configuração do driver Modicon Modbus Master (ASC/RTU/TCP) no Elipse Scada

Para o Elipse Scada comunicar com o Arduino é necessário instalar o driver Modicon Modbus Master (ASC/RTU/TCP), que se encontra disponível no site do Elipse (ELIPSE, 2016B). Aparecerá uma caixa para pesquisa, basta digitar 'Modicon Modbus Master (ASC/RTU/TCP) ' nesta caixa e executar o download do driver . O driver 'Modbus.dll' deve ser salvo na pasta Drivers , que se encontra na pasta local onde o Elipse Scada foi instalado. Exemplo: C:\Program Files (x86) \Elipse SCADA\Drivers

Então deve-se iniciar o software Elipse Scada, será solicitado uma Hard Key ou serial , onde basta selecionar a opção 'Utilizar como Demo'. Com o programa iniciado, deve-se criar uma nova aplicação para iniciar a configuração do software, para tal, basta seguir a sequência:

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Arquivo → Nova aplicação.

Agora deve-se acessar o ícone ' Organizer ' (Alt+O), na barra de ferramentas.

Após aberto, deve-se acessar o item ' Drivers ' no lado esquerdo, o botão 'Novo', no canto direito da tela, e selecionar o driver Modbus.dll, previamente alocado na pasta onde foi instalado o driver . O driver será inserido na lista ' Drivers ' como um submenu 'Driver1', do lado esquerdo.

Para configura-lo, basta selecionar o driver , acessando o botão 'Configurar', a aba 'Configuração' em 'Extras' e uma nova janela surgirá.

A aba 'Modbus' deve ser selecionada e a opção 'RTU Mode' marcada, em 'Modbus Mode'. Em seguida, a aba 'Serial' deve ser acessada, a porta na qual o Arduino está conectado selecionada e o valor de 'Baud Rate' colocado como '9600', depois basta ir em 'OK' e fechar a janela 'Propriedades do Driver ' e ' Organizer '.

## 4.2. Criação das tags para aquisição de dados

Deve-se incluir os 'Registradores Holding ', já inseridos no código do Arduino. Para isso, deve-se novamente acessar o botão ' Organizer ', selecionar o item 'Tags' e selecionar o botão 'Novo Tag'. Uma janela 'Criar um novo tag' se abrirá.

Deve-se mudar a quantidade de tags para 2, representando os dois 'registradores holding ', selecionar a opção 'Tag PLC' e ir em 'OK'. Após a criação das tags, ambas aparecerão como submenus da aba 'Tags', no lado esquerdo. Para configura-las, basta selecionar a tag001 → Geral → Driver → Driver1-Elipse Driver Modicon Modbus → alterar os valores:

N1 - de 0 para 1

N2 - de 0 para 3

N3 - de 0 para 3

N4 - de 0 para 1

Para configurar a tag002, utiliza-se o mesmo procedimento, com a diferença de que deve ser modificado o valor de N4, ao invés de 1, deve-se colocar 2. Como estamos utilizando duas variáveis, o parâmetro N4 será 1 para a tag 001 e 2 para a tag002, que são, respectivamente, os valores lidos nas entradas do Arduino A0 e A1.

## 4.3. Criação dos elementos gráficos no Scada

Nesta etapa será criada a interface gráfica necessária para que os valores medidos pelo Arduino possam ser vistos na tela do computador.

Acesse o botão ' gauge ', localizado na segunda barra, quinta opção, aperte o botão do mouse com o cursor sobre a tela do Scada e arraste selecionando a área desejada para o tamanho do primeiro Gauge , que indicará a intensidade da 'Força 1'. Repita este procedimento para a criação do segundo Gauge , para a 'Força 2'.

Após criados, um duplo clique no mostrador da força 1 fará abrir uma janela. Na aba Tags deve-se acessar o sinal '+' do menu . À esquerda, deve-se ir ao item Aplicação → '+' → Tags → tag001 → Adicionar e fechar a janela de Propriedades do Gauge . O processo deve ser repetido para o Gauge da força 2 e então serão exibidos os dois Gauges das forças.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Pressionando a tecla F8, com o Arduino conectado no computador, o software Elipse Scada entrará em tela cheia exibindo somente os Gauges criados. Ao pressionar os sensores pode-se ver a alteração nos valores dos displays , como ilustrado na figura 4.

<!-- image -->

Figura 4: Gauges demonstrando os valores dos sensores.

<!-- image -->

- 5. Descrição de uma experiência em sala de aula sobre 3ª lei de Newton

## 5.1. Roteiro de atividade sobre 3ª lei de Newton

- 1. Você recebeu dois sensores de força. O computador registrará a força sentida por cada um deles.
- 2. Teste cada um dos sensores separadamente. Pressione um deles e observe o registro no computador. Pressione o outro e também observe.
- 3. Agora você pode testar qual é maior, a ação ou a reação. Apoie um dos sensores e pressione o segundo contra ele. Vá variando a força de sua mão e observe como as forças medidas se comportam. Registre por escrito suas observações.
- 4. Agora faça o contrário, apoie o segundo e pressione o primeiro. Observe e registre.
- 5. Vamos observar agora uma colisão. Deixe um sensor apoiado sobre uma superfície e o outro sensor apoiado sobre ele. Bata seu dedo no sensor de cima. O sensor de baixo registrará a força que a mesa sofre e o sensor de cima registrará a força que seu dedo sofre. Antes de fazer a experiência, discuta com seus colegas sobre o que vocês esperam encontrar como resultado deste experimento, registre isso por escrito. Faça o experimento. Discuta com seus colegas e registre suas conclusões.

## 5.2. Experiência implementada em sala de aula

O roteiro apresentado na seção 5.1 foi utilizado junto à montagem experimental descrita nas seções de 2 a 4, em duas turmas dos primeiros semestres de Engenharias, nas quais leciona uma das autoras deste trabalho. Os estudantes ficaram muito empolgados com o experimento, que gerou ricas discussões, como: 'Qual é a ação e qual é a reação?', 'Porque os resultados dos dois sensores não são completamente iguais? Seria porque as forças não são exatamente iguais ou por uma limitação do processo de medida?'

A fim de avaliar a melhoria do conhecimento da 3ª lei de Newton por parte dos estudantes, foi aplicado um pré-teste e um pós-teste sobre o assunto. Foram utilizadas as questões sobre 3ª lei de Newton do FCI ( Force Concept Inventory ) (HALLOUN, 1985), que são as questões 4, 15, 16 e 28. Este procedimento foi feito em apenas uma das duas turmas, que pertence ao 3º período e que tem apenas 8 alunos.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

O pré-teste havia sido aplicado no primeiro dia do semestre letivo e o pósteste foi aplicado ao fim de uma aula em que foram discutidas as três leis de Newton e realizado o experimento pelos estudantes. Um índice de acerto de 62% foi obtido no pré-teste e de 72% no pós-teste. Isso corresponde a um ganho bruto de 10% e a um ganho de Hake normalizado de 0,25 (HAKE, 1998) (o ganho de Hake normalizado é igual a 1 se o resultado do pós-teste é 100%, ele é calculado da seguinte forma: , sendo e as notas médias percentuais no pré e no pós-teste, respectivamente). Avaliamos esse resultado preliminar como satisfatório, embora o número de alunos seja muito pequeno para tirar conclusões. Além do que, as condições de aplicação do teste não foram as usuais, usualmente o pós-teste é aplicado completo (as 30 questões) e ao fim do assunto completo de mecânica. Temos como perspectiva utilizar o experimento em um número maior de turmas e

avaliar seu impacto aplicando o FCI da forma usual.

## 6. Discussões finais

O uso do Arduino permite desenvolver experimentos de baixo custo para o ensino de Física. Além disso permite integrar eletrônica e programação às aulas de Física, o que muitas vezes instiga a curiosidade dos estudantes, que atualmente estão extremamente conectados ao mundo virtual. Apresentamos neste trabalho um experimento didático sobre a igualdade das forças de Ação e Reação, referente à 3ª lei de Newton, um assunto central na Física Básica, mas muito raramente abordado em experimentos didáticos. Neste experimento utilizamos o Arduino e uma versão gratuita de um programa que permite uma visualização gráfica da igualdade das forças de Ação e Reação, em tempo real.

Nosso trabalho pode atender a professores que desejem reproduzir este experimento em suas aulas. Encontrarão aqui todos os detalhes necessários para a construção da montagem experimental, para a programação do Arduino e do programa que fornecerá a representação gráfica das intensidades das forças de Ação e Reação, o Scada, e um roteiro para o experimento. Acreditamos que este trabalho também possa ser útil para professores que queiram obter visualizações gráficas em tempo real de sensores do Arduino em seus próprios experimentos, utilizando um programa gratuito. Aqui eles poderão aprender com este exemplo e adaptarem os procedimentos a seus próprios experimentos.

## Referências

ALMEIDA, Tiago Dias Quintão de; VALADARES, Juarez Melgaço; JUNIOR, Juarez Melgaço. Uso de demonstrações investigativas em sala de aula de física para promover o engajamento dos estudantes. X ENPEC , 2015.

ARAÚJO, Mauro Sérgio Teixeira de; ABIB, Maria Lúcia Vidal dos Santos. Atividades experimentais no Ensino de Física: diferentes enfoques, diferentes finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física, 25(2), 176-194, 2003.

CREATIVE Commons AttributionShareAlike 3.0. Download the Arduino Software . Disponível em: &lt;https://www.arduino.cc/en/Main/Software&gt;. Acesso em: 12 de set. 2016.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

ELIPSE Software. Elipse Scada . Disponível em: &lt;http://www.elipse.com.br/port/download\_scada.aspx&gt;. Acesso em: 12 set. 2016a.

ELIPSE Software. Drivers . Disponível em: &lt;http://www.elipse.com.br/port/download\_drivers.aspx&gt;. Acesso em: 12 set. 2016b.

ETKINA, Eugenia. Lab. 3: Force and motion II . 2013. Disponível em: &lt;https://drive.google.com/file/d/0By53x8SYAF1lcF9ETUNqOHAzc2s/view&gt;. Acesso em: 10 set. 2016.

FREIRE, Luiz Fernando. Comunicando o Arduino com Elipse E3 e/ou Elipse SCADA. [S.l]: Elipse Knowledgebase. Disponível em: &lt; http://kb.elipse.com.br/ptbr/questions/5369/Comunicando+o+Arduino+com+Elipse+E3+e%7B47%7Dou+Elips e+SCADA.&gt;. Acesso em: 10 set. 2016.

GOOGLE Code. Arduino-modbus-slave . Disponível em &lt;https://code.google.com/archive/p/arduino-modbus-slave/downloads&gt;. Acesso em: 12 set. 2016.

HALLOUN, I. A., HESTENES, D. The initial knowledge state of college physics students. American Journal of Physics , 53 (11), 1043-1048. 1985.

HEWITT, Paul G. Física conceitual . Porto Alegre: Bookman, 2015.

HAKE, R. R. Interactive-engagement versus traditional methods: A six-thousandstudent survey of mechanics test data for introductory physics courses. American Journal of Physics . 66 64-74 (1998). ,

JIMB0. Force Sensitive Resistor Hookup Guide. [S.l]: Sparkfun. Disponível em: &lt;https://learn.sparkfun.com/tutorials/force-sensitive-resistor-hookup-guide&gt;. Acesso em: 10 set. 2016.

MADEIRA, Daniel. Integração Arduino e Elipse Scada. [S.l]: Embarcados. Disponível em: &lt;http://www.embarcados.com.br/integracao-arduino-e-elipsescada/&gt;. Acesso em: 10 set. 2016.

MONK, Simon. Programação com Arduino: Começando com Sketches. Tradução de Anatólio Laschuck. Porto Alegre: Bookman, 2013.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_