CONSTRUÇÃO DE UM DISPOSITIVO PARA ESTUDO EXPERIMENTAL DO MOVIMENTO UNIDIMENSIONAL E APLICAÇÃO DO SOFTWARE LIVRE DE VÍDEO-ANÁLISE TRACKER NA COLETA E TRATAMENTO DE DADOS: UMA ALTERNATIVA DE BAIXO CUSTO PARA O ENSINO DE FÍSICA.

## CONSTRUÇÃO DE UM DISPOSITIVO PARA ESTUDO EXPERIMENTAL DO MOVIMENTO UNIDIMENSIONAL E APLICAÇÃO DO SOFTWARE LIVRE DE VÍDEO-ANÁLISE TRACKER NA COLETA E TRATAMENTO DE DADOS: UMA ALTERNATIVA DE BAIXO CUSTO PARA O ENSINO DE FÍSICA

Cleiton Feitosa do Nascimento , Júlio Fiori , Everton Avancini , Gabriel da 1 * 2 3 Cruz Dias , José Cândido de Souza Filho , Viviane Oliveira Soares , Ronaldo 4 5 6 Celso Viscovini 7

- 1 Universidade Estadual de Maringá/Departamento de Ciências, feitocleiton@yahoo.com.br
- 2 Universidade Estadual de Maringá/Departamento de Ciências, juliofiori78@gmail.com
- 3 Universidade Estadual de Maringá/Departamento de Ciências, evertonavancini@hotmail.com
- 4 Universidade Estadual de Maringá/Departamento de Ciências, gabriel.fct@gmail.com
- 5 Universidade Estadual de Maringá/Departamento de Ciências, souza-jc@uol.com.br
- 6 Universidade Estadual de Maringá/Departamento de Ciências, vosoares@uem.br
- 7 Universidade Estadual de Maringá/Departamento de Ciências, viscovin@gmail.com

## Resumo

A atual realidade do ensino de Física no Brasil é muito preocupante. Temas estruturantes são transmitidos aos alunos de forma mecanicista, trabalhado apenas como uma simples transmissão de conteúdos e resolução de exercícios, sem se preocupar que o aluno tenha uma aprendizagem significativa. Frente a esse patamar, faz-se necessário uma mudança, e a experimentação é uma alternativa em potencial para melhorar este panorama no ensino de Física. Porém nos deparamos com outra realidade: a falta de recursos e equipamentos para a realização de experimentos de qualidade e com boa precisão na obtenção de dados. Nesse sentido foi construído um dispositivo experimental de baixo custo para o estudo do movimento unidimensional variado. E para a coleta, tratamento e análise dos dados experimentais, foi utilizado o software livre de vídeo-análise Tracker. Neste trabalho é apresentado a montagem do dispositivo e os princípios básicos para a utilização do software de vídeo análise. Os resultados obtidos corroboram com os princípios teóricos sobre movimento uniformemente variado apresentados na literatura, demonstrando assim as potencialidades, tanto do dispositivo experimental quanto do software, para o estudo da cinemática nas aulas de Física.

Palavras-chave : Ensino de Física , vídeo análise, baixo custo, Tracker.

## 1. Introdução

A Física passou por várias modificações, sendo que em alguns casos os resultados de experimentos motivaram a busca de novas teorias para explicar fenômenos até então sem explicação, além disso, leis da natureza foram formalizadas, teorias foram unificadas, dentre outros. Esse processo foi longo, e fruto de muito esforço e dedicação de vários cientistas ao longo da história.

Frequentemente é encontrado em revistas de divulgação científica, ou outros meios como a TV, internet, rádio e jornais acerca do desenvolvimento de uma nova tecnologia. Desta forma pode-se afirmar que essas novas tecnologias estão cada vez mais presentes no cotidiano das pessoas o que muitas vezes acaba passando despercebido. Pensar um ensino voltado para o cotidiano do estudante é importante, pois com isso objetiva-se que ele possa entender o mundo que o cerca e compreender notícias em jornais, revistas e outros.

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De acordo com os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), o ensino médio deve envolver de forma combinada o desenvolvimento de conhecimentos práticos, contextualizados, que respondam às necessidades da vida contemporânea, o desenvolvimento de conhecimentos mais amplos e abstratos, que correspondam a uma cultura geral e a uma visão de mundo (BRASIL, 2000.)

Uma grande preocupação no ensino de física é de que o estudante se identifique com o objeto de estudo. Se isso ocorrer, fará com que o aluno aprenda a gostar da disciplina. Claro que somente isso não basta, é necessário também salientar a importância de um profissional bem qualificado, o modo com o qual o professor deva ensinar, qual a melhor forma de atuar para que o aluno entenda a real importância de tal aprendizagem, são fatores fundamentais para que o professor possa ser um educador qualificado.

Segundo Freire (1996):

[...] o bom professor é o que consegue, enquanto fala, trazer o aluno até a intimidade do movimento de seu pensamento. Sua aula é assim um desafio e não uma 'cantiga de ninar'. Seus alunos cansam, não dormem. Cansam porque acompanham as idas e vindas de seu pensamento, surpreendem suas pausas, suas dúvidas, suas incertezas (FREIRE, 1996, p. 96).

Para Medeiros (2005) o fato de um bom professor ajudar os alunos a encontrarem o sentido da educação, e consequentemente seu lugar no mundo, superando suas dificuldades e descobrindo seus valores é uma nobre missão (MEDEIROS, 2005).

- O professor deve ter alguns objetivos primordiais, ou seja, assegurar aos alunos o domínio mais seguro e duradouro possível dos conhecimentos científicos, criar condições e os meios para que os alunos desenvolvam capacidades, habilidades intelectuais, de modo que aprimorem métodos de estudo e de trabalho intelectual visando a sua autonomia no processo de aprendizagem, independência de pensamento e orientar as tarefas de ensino para objetivos que guiem suas opções diante dos problemas e situações do cotidiano (LIBÂNEO, 1994, p. 71).

Atualmente poucos são os alunos que efetivamente veem sentido no estudo da Física, e percebem que para melhor entender nosso mundo e ter uma sólida formação como cidadão frente aos diversos avanços tecnológicos de nossa sociedade, é necessário ter conhecimentos mínimos dos conceitos físicos envolvidos no dia a dia (GIL-PÉREZ et. al. , 1999).

Relatos descritos na literatura mostram que as aulas de física experimental têm sido melhoradas através do uso de computadores, internet e de softwares que auxiliam o processo de ensino-aprendizagem, através de simulações ou da obtenção de dados experimentais (ROCHA, GUADAGNINI, 2010).

Porém, somente o uso desse tipo de ferramenta não garante a qualidade do ensino. Segundo D'Ambrosio (2003), a tecnologia por si só não garante uma boa educação, mas é pouco provável que se obtenha uma boa educação sem a utilização da tecnologia (D'AMBROSIO, 2003).

Para Chaves e Shellard as atividades experimentais no ensino da Física é de suma importância para a formação de cientistas, professores e de cidadãos, pois é através da experimentação que conseguimos entender e estabelecer uma conexão entre os fenômenos observados na experimentação e as leis que regem a Física Clássica e Contemporânea. (CHAVES, SHELLARD, 2005).

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Nesse sentido, há uma série de discussões a respeito de como ensinar física experimental e uma das discussões é o fato de incluir alternativas que envolvam baixo custo, devido à realidade educacional brasileira (CAVALCANTE, BONIZZIA, GOMES, 2009).

Buscando unir a tecnologia e dispositivos de baixo custo para o ensino de Física, neste trabalho foi construído um dispositivo para o estudo experimental do movimento unidimensional, com foco no estudo de movimento uniformemente variado. Foi também utilizado um método de aquisição e tratamento de dados por vídeo análise utilizando o software livre de vídeo-analise Tracker .

## 2. Desenvolvimento do Trabalho

O objeto deste trabalho foi construído na disciplina de Instrumentação para o Ensino de Ciências, no curso de Licenciatura em Física oferecido pela Universidade Estadual de Maringá, campus de Goioerê-PR, para, além de suprir a necessidade do laboratório de física, servir como uma ferramenta para aulas experimentais nos estágios supervisionados dos acadêmicos do referido curso. Vale enfatizar que o dispositivo foi construído com materiais de fácil aquisição e de baixo custo.

- O Tracker é um software livre de vídeo análise, construído sobre a biblioteca Open Source Physics , baseado em JAVA, que permite aos alunos construírem e testarem modelos experimentais através de dados coletados através de um vídeo gravado por uma câmera filmadora simples ou até mesmo um celular com câmera para captura de vídeos (TRACKER VIDEO ANALYSIS AND MODELING TOOL, 2016).

Através do software é possível o monitoramento de posição, velocidade e aceleração de corpos em movimento, além da possibilidade de expressar esses dados através de gráficos. Seu funcionamento é muito simples, que consiste basicamente em abrir um arquivo de vídeo digital, definir uma escala de calibração e os eixos de coordenadas adequadas.

## 2.1 Construção do dispositivo

Os materiais utilizados para o estudo do movimento unidimensional foram respectivamente um dispositivo construído de madeira, um carrinho de brinquedo, fio de nylon, uma bola de isopor e massas diferentes em formas circulares.

Para construir o dispositivo utilizou-se:

- · Duas vigas para base 40cm x 12cm x 5cm;
- · Uma tábua de 30cm x 120cm para estrutura;
- · Duas roldanas de aço pequenas;
- · Quatro suportes de madeira feitos de caibro 10cm x 5cm x 5cm.

O primeiro passo para realizar a montagem do dispositivo, mostrado na Figura 01, foi cortar as vigas e fazer encaixes para a tábua que é fixada na vertical, logo depois a tábua foi cortada e fixada nas vigas. A próxima etapa foi fixar as roldanas nos suportes e os mesmos na estrutura do dispositivo, a distância das roldanas é aproximadamente o comprimento da tábua, uma vez que uma é fixada na extremidade superior da tábua e outra próxima a base de sustentação do dispositivo. Por fim foi feito um furo na tábua que coincidisse com a roldana mais próxima a base de sustentação para passar o fio de nylon.

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## 2.2 Método de coleta e Análise de dados

Para se obter os dados utilizou-se uma bancada posicionada na frente de um quadro branco, nesta foi colocado o dispositivo, no furo deste foi passado o fio de nylon e cada extremidade deste fio, foi fixado respectivamente um carrinho de brinquedo e um suporte para as massas. Neste mesmo suporte para massas foi fixado uma bola de isopor pintada na cor verde fluorescente para melhor visualização do movimento das massas suspensa, conforme Figura 02.

Figura 01: Foto do dispositivo para estudo do movimento acelerado unidimensional. Fonte: Próprio autor .

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Em seguida foi desenhado uma figura no formato retangular no quadro branco, com um comprimento de 30 cm para ter o parâmetro de comprimento a ser usado pelo software Tracker . Com a bola na cor verde suspensa e o carrinho colocado na posição inicial, e sabendo que ambos estavam conectados pelo mesmo fio de nylon, o sistema foi colocado em movimento. O movimento do sistema foi gravado em vídeo usando uma câmara com taxa de captura de 30 frames por segundo. Foi realizada as análises dos gráficos de posição por tempo e velocidade por tempo. A Figura 02 ilustra o experimento montado.

Figura 02: Imagem do experimento montado e calibração do Tracker. Fonte: Próprio autor .

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## 3. Resultados e Conclusões

O movimento de um corpo apresenta várias características Físicas que podem ser estudadas e analisadas em diversos casos específicos, dentre elas estão a posição e a velocidade deste corpo em relação a um determinado referencial. Essas grandezas estão presentes em grande parte dos movimentos e por conta disso se tornaram parâmetros importantes para se utilizar em pesquisas. Vários textos de livros de Física trazem em sua coleção uma parte dedicada a esse estudo ( HALLIDAY, RESNICK, WALKER, 2008; YOUNG, FREEDMAN, 2008; TIPLER, MOSCA, 2009). Utilizando-se destes textos é possível verificar que os gráficos obtidos no software Tracker a partir dos vídeos analisados condizem com os resultados previsto na literatura. A Figura 03 apresenta o gráfico de posição em função do tempo.

Figura 03: Gráfico de posição em função do tempo obtido pelo software Tracker. Fonte: Próprio autor .

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No gráfico da Figura 03 é possível observar que o mesmo obedece um caráter exponencial. Isso é característica de movimento com aceleração constante ou aproximadamente constante. A função horária característica deste tipo de movimento e prevista na literatura é apresentada abaixo:

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- O Tracker além de fornecer o gráfico fornece os parâmetros da equação acima, como mostrado na Figura 04.

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Figura 04: Parâmetros obtidos a partir da análise do vídeo no Tracker através de fit exponencial dos pontos experimentais da posição em função do tempo. Fonte: Próprio autor .

A função exponencial prevista na literatura, função (1), aparece na Figura 04 no campo fit equation , e cada parâmetro da mesma é apresentado numericamente ao lado direito desta figura. Assim, com análise destes parâmetros é possível obter a aceleração, a velocidade e a posição utilizando os dados da figura acima. Comparando a função prevista na literatura com a função fornecida pelo campo fit equation, na Figura 04, pode-se escrever a função da posição obtida para o movimento do carrinho no vídeo analisado e, dada por,

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

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A seguir, a Figura 05, apresenta o gráfico da velocidade em função do tempo.

Figura 05: Gráfico de velocidade em função do tempo obtido através do Tracker. Fonte: Próprio autor.

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De acordo com a literatura há uma correlação linear entre as variáveis velocidade e tempo, dada pela função horária,

v(t) = v

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

Na Figura 05 é possível observar que os pontos experimentais não seguem uma reta perfeitamente linear. Uma provável causa para este efeito pode estar relacionada ao atrito existente entre as rodas do carrinho e a superfície da bancada e também entre as roldanas e o fio de nylon. Porém o ajuste obtido pelo fit linear no Tracker mostra uma boa correlação linear, como mostrado na Figura 06, que apresenta um desvio quadrático médio dos pontos experimentais em torno de 0,9% (rms desv = 9,417E-3).

Figura 06: Parâmetros obtidos a partir da análise do vídeo no Tracker através de fit linear dos pontos experimentais de velocidade em função do tempo. Fonte: Próprio autor .

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A função linear prevista na literatura, função (3), aparece na Figura 06 no campo fit equation , e cada parâmetro da mesma é apresentado numericamente ao lado direito desta figura. Assim, com análise destes parâmetros é possível obter a aceleração e a velocidade utilizando os dados da figura acima. Comparando a função prevista na literatura com a função fornecida pelo campo fit equation, na Figura 06, pode-se escrever a função da velocidade para o movimento do carrinho no vídeo analisado, dada por,

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

Um parâmetro interessante para a comparação entre a função (2), e a função (4) é referente ao parâmetro em comum apresentada nesta duas funções, que é a aceleração. A aceleração para função (2) é obtida comparando esta com a função

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- (1). Fazendo esta comparação encontra-se que a aceleração é dada por ½ a = 3,116E-1 m/s resultando em a = 0,623 m/s . Já a aceleração na função (4) é 2 2 obtida comparando esta com a função (3), resultando em a = 5,953E-1 = 0,595 m/s . 2
- Os resultados apresentados para duas acelerações são ligeiramentes diferentes, mesmo pertencendo ao mesmo movimento. O desvio percentual entre as duas acelerações fica em torno de 4,5%. Essa diferença pode estar relacionada aos padrões de ajustes estatísticos do próprio software, visto que o vídeo analisado é o mesmo para os gráficos obtidos.

## 4. Considerações Finais

Tendo em vista o que fora apresentado na introdução, no que se refere aos problemas enfrentados pela atual realidade do ensino de física no Brasil, e as alternativas para melhorar este quadro, o dispositivo construído e o software Tracker , se enquadram como ótimas alternativas para o estudo experimental dos conteúdos estruturantes da disciplina de Física para o ensino médio e ensino superior. O dispositivo por se tratar de baixo custo, construído com materiais de facil aquisição. E o Tracker que traz maior precisão para a coleta de dados se comparado aos métodos manuais, é um software simples, de fácil manuseio e principalmente livre, ou seja, sem custo para adquiri-lo.

Portanto, o dispositivo construído em conjunto com o Tracker é uma excelente ferramenta para o estudo do movimento na física experimental, fazendo com que o aluno, tanto do ensino básico quanto o de ensino superior, passe a desenvolver análises e contruir dados em tempo reduzido, evitando fazer cálculos extensos e construir gráficos a mão, que tende a maximizar uma margem de erros, melhorando assim a qualidade das aulas experimentais e tornando-a menos cansativa em relação ao desenvolvimento de um relatório cientifico.

## 5. Referências

BRASIL. MEC. Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros Curriculares Nacionais: Ensino Médio, Parte III - Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias. Brasília: Ministério da Educação, 2000.

CAVALCANTE, M. A.; BONIZZIA, A.; GOMES, L. C. P. O ensino e aprendizagem de física no Século XXI: sistemas de aquisição de dados nas escolas brasileiras, uma possibilidade real. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, n. 4, p. 4501, dez. 2009.

CHAVES, A.; SHELLARD, R. C. Física para o Brasil : Pensando o Futuro. Sociedade Brasileira de Física - SBF: São Paulo, 2005.

D'AMBRÓSIO, U. (2003). Novos paradigmas de atuação e formação de docente. In: PORTO, Tânia (org.). Redes em construção : meios de comunicação e práticas educativas. São Paulo: JM. p. 55 - 77.

FREEDMAN , R. A.; YOUNG H. D. , Física 1 : mecânica. 12. ed. São Paulo: Pearson (Addison Wesley), 2008.

FREIRE, P. Pedagogia da autonomia : Saberes necessários à prática educativa. São Paulo: Paz e Terra, 1996.

GIL-PÉREZ, D.; FURIÓ, M. C. P. V.; SALINAS, J.; MARTINEZ-TORREGROSA, J.; GUISASOLA, J.; GONZÁLEZ, E.; DUMAS-CARRÉ, A.; GOFFARD, M.; PESSOA, A. M. C. (1999). ¿Tiene sentido seguir distinguiendo entre aprendizaje de conceptos,

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resolución de problemas de lápiz y papel y realización de práticas de laboratorio? Enseñanza de las Ciencias, Barcelona, v. 12, n. 2, p. 311-320, jun.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física: Mecânica . Vol 1. 8 ed. - Rio de Janeiro: LTC, 2008.

LIBÂNEO, J. C. Didática . São Paulo: Cortez, 1994.

MEDEIROS, R. Quais os saberes necessários para a prática docente, Freire, Tardif e Gauthier respondem? Revista Eletrônica Fórum Paulo Freire, v. 1, n. 1, p. 1-14, 2005.

ROCHA, F.S da., GUADAGNINI, P. H. (2010). Sensor Sonar de Movimento para Ensino de Física Experimental. Latin-American Journal of Physics Education, v. 4, p. 306-315.

TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física Para Cientistas e Engenheiros. Vol. 1. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

TRACKER VIDEO ANALYSIS AND MODELING TOOL. Disponível em http://www. opensource physics.org/items/detail.cfm?ID=7365. Acesso em 18 de Agosto de 2016.

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