LEVITADOR SÔNICO

## Levitador Sônico

## * Márcio Fernandes 1 , Mônica Menezes Lopim 2 , Sérgio França , Bruno F. Rizzuti 3 4 Bruno Gonçalves 5

1 Instituto Federal Sudeste de Minas Gerais/Núcleo de Física/marcio@ice.ufjf.br

2 Universidade Federal de Juiz de Fora/Departamento de Física/monicamenezeslopim1@gmail.com

- 3 Instituto Federal Sudeste de Minas Gerais/Núcleo de Física/selufra@hotmail.com

## Resumo

Este trabalho foi desenvolvido no primeiro período do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física e tem como objetivo motivar o docente a criar e utilizar novos recursos didáticos para o ensino. A levitação acústica é um processo pelo qual um objeto é suspenso em uma posição estável contra a gravidade, sem contato físico aparente. O Levitador Sônico é um aparato que permite ao usuário colocar objetos de baixa densidade levitando em posições bem definidas. Com os objetos posicionados é possível calcular aproximadamente a frequência da onda emitida, compreendendo o que é o comprimento de onda e identificando os respectivos nós. Este experimento utiliza frequências inaudíveis ao ouvido humano. O uso do aparato experimental proposto neste trabalho pretende intermediar o processo de obtenção de conhecimentos físicos abstratos das ondas mecânicas, aliando a teoria básica sobre aquisição de dados com a prática experimental e o processamento de aquisição das grandezas físicas medidas.

Palavras-chave : Levitador, ultrassom, ensino, baixo custo.

## Introdução

A levitação acústica é um processo pelo qual um objeto é suspenso em uma posição estável contra gravidade, sem contato físico aparente; essa levitação se dá por meio de ondas longitudinais estacionárias, já que uma onda mecânica exerce força sobre qualquer objeto imerso no seu campo acústico. Quando aumentamos a potência em grandes intensidades acústicas, observamos que a intensidade de força é suficiente para levitar pequenos objetos.

Este trabalho consiste então em rescrever o funcionamento do Levitador Sônico que montamos com utensílios de baixo custo. Ele consiste em um aparato capaz de colocar objetos de baixa densidade levitando em uma posição específica. A partir daí, podemos calcular aproximadamente a frequência da onda emitida, compreendendo o que é o comprimento de onda e identificando os respectivos nós. Nosso foco principal aqui está na descrição do aparelho e do fenômeno físico que ele demonstra. Vamos deixar a descrição e a análise da aplicação em sala para trabalhos futuros.

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O trabalho foi desenvolvido na disciplina de Atividades Experimentais para o Ensino Médio e Fundamental do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF) no primeiro semestre do ano de 2018, a partir do qual os mestrandos deveriam desenvolver um material didático para suas aulas de Física.

Sabendo que o ensino de Física está em constante evolução, e somente aulas expositivas tornam as aulas monótonas, o aluno poderá não alcançar a plenitude de seu desenvolvimento. Portanto, deve-se procurar maneiras de trabalhar o conteúdo e mostrar como ele se relaciona ao cotidiano do estudante, conforme é sugerido pelos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN+, 2009). Para o professor atingir o potencial em suas aulas, deve-se reduzir a resistência em inovar e assim poderá atrair o discente, apresentando um campo de conhecimento rico e importante para o desenvolvimento humano do ponto de vista social e cultural, presente no diaa-dia de qualquer pessoa.

A observação dos fenômenos físicos é importante para a compreensão e o desenvolvimento da tecnologia contida no nosso cotidiano, pois é neste momento que se associam os conteúdos abordados, fazendo uma relação entre a aula expositiva e a aula demonstrativa (SANTOS, 2015. p. 10).

Existem diferentes maneiras de o professor abordar atividades experimentais e/ou demonstrativas em sala de aula. Em geral, é necessário que o aluno faça referência sobre o conhecimento adquirido e evidenciado no fenômeno do experimento. Normalmente as atividades experimentais são usadas para a abrangência dos aprendizados dos conteúdos teóricos ensinados em sala de aula. Essas atividades tornam-se enriquecedoras, pois neste momento os alunos correlacionam as práticas experimentais com o cotidiano, tornando os conceitos teóricos de entendimento fáceis e práticos (SÉRÉ, 2003).

Assim, este trabalho tem o objetivo de motivar o docente a criar e utilizar novos recursos didáticos. Em particular, focamos nossa atenção no interessante fenômeno de levitação acústica, que pode ser explicado a partir de princípios da ondulatória.

## O fenômeno pode ser entendido da seguinte forma:

'A levitação de objetos em ar é tão interessante que muitos mágicos apresentam este truque em seus espetáculos mas, infelizmente, os mágicos guardam seus segredos a sete chaves. Então, em vez de tentar explicar os truques utilizados pelos mágicos, vamos nos ater a outros tipos de levitação, que podem ser explicados a partir de princípios básicos de física.'(Andrade, 2015)

Assim, a proposta levou em consideração também a promoção do conhecimento do aluno, ou seja, para motivar e despertar o interesse pelo assunto (NASCIMENTO, 2007).Dessa forma, desenvolvemos um produto nomeado Levitador Sônico. Ele tem baixo custo para montagem além do caráter atrativo, por proporcionar a interatividade do estudante com o experimento. O experimento possui massa aproximada de 350 g e a dimensão de 26 cm de altura, 14 cm de largura e 13 cm de comprimento. É um aparato relativamente pequeno, que facilita seu transporte para a sala de aula.

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## Prototipagem do produto

Para realizar a montagem do levitador sônico, é necessário ter os seguintes componentes internos:

- a) Um microcontrolador Arduíno (plataforma open-source de prototipagem eletrônica com hardware e software flexíveis e fáceis de usar);
- b) Um Driver Motor ponte-H - L298N (é um circuito de eletrônica de potência que pode determinar o sentido da corrente, a polaridade da tensão e a tensão em um dado sistema ou componente);
- c) Dois sensores ultrassônicos (o princípio de funcionamento do HC-SR04 consiste na emissão de sinais ultrassônicos pelo sensor e na leitura do sinal de retorno (reflexo/eco) desse mesmo sinal);
- d) Um LED auto brilho vermelho, que funciona como lâmpada piloto;
- e) Fonte 12 Volts;
- f) Jumpers.

Na estruturação do Levitador, desmontamos o sensor ultrassônico para utilizar somente o transdutor, ou seja, só os sensores ultrassônicos HC-SR04 que emite as ondas ultrassônicas. Após este procedimento será tudo ligado nos demais integrantes, conforme indica a Figura 1.

Figura 1: Representação do circuito do Levitador ultrassônico, Fonte DC 12 de Volts, Arduino Uno, Drive Motor Ponte H e um par de Transdutores Ultrassônico.

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## Levitador Sônico em funcionamento

Na Figura 2 podemos visualizar o aparato em funcionamento: pequenos pedaços de isopor estão suspensos, demonstrando a levitação sônica. A emissão de ondas pelos transdutores forma um padrão de ondas estacionárias, que permite manter os pedaços de isopor no ar.

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Figura 2: Levitador Sônico em funcionamento: é possível observar pequenos pedaços de isopor flutuando

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A Figura 2 mostra também os componentes externos do Levitador, que são (a enumeração é uma legenda para a Figura).

- 1- Paquímetro;
- 2- Mini espumadeira;
- 3- Recipiente para alocar os pequenos pedaços de isopor;
- 4- Fio com um arco;
- 5- Sensores ultrassônicos;
- 6- Botão liga/desliga.

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## Utilização do Levitador Sônico

- O funcionamento do produto consiste nos seguintes passos:
- a) Conectar a fonte de 12 volts que acompanha o kit em uma tensão de 110 ou 220 volts e plugar no aparelho, no local mostrado à esquerda da base na Figura 2.
- b) Pressionar o botão liga e desliga (6). Existe um led vermelho piloto que indica quando o aparelho está ligado ou desligado, posicionado à direita do botão liga e desliga.
- c) O item (3) é um recipiente com a finalidade de armazenar pequenos pedaços de isopor, impedindo assim que os mesmos se espalhem durante o experimento.
- d) A 'mini espumadeira' (2) é utilizada para pegar os pequenos pedaços de isopor e colocá-los junto às ondas estacionárias, entre os dois transdutores. O pequeno pedaço de isopor é então posicionado em uma região bem próxima dos nós de pressão do ar.
- e) O cabo (4) é um fio que tem em uma das extremidades um arco com a finalidade de passar pelos pequenos pedaços de isopor, comprovando desta forma a legitimidade do experimento. A passagem do arco pelo isopor não interfere no seu posicionamento.

## Utilização do Levitador em sala de aula

A partir deste momento passamos a descrever uma atividade a ser desenvolvida com o aparelho em sala de aula. O objetivo principal é descobrir a frequência da onda ultrassônica através do Levitador.

O uso do aparato experimental proposto neste trabalho pretende intermediar o processo de obtenção de conhecimentos físicos abstratos das ondas mecânicas, aliando a teoria básica sobre aquisição de dados com a prática experimental. Espera-se com isso tornar tais conceitos mais relevantes e contextualizados para os alunos .

Uma onda estacionária é gerada entre os dois transdutores e a quantidade de nós de pressão do ar depende da distância entre eles. Como mencionado anteriormente, são exatamente os nós formados pela superposição das ondas emitidas pelos transdutores que sustenta os pedaços de isopor levitando, conforme indica a Figura 3. A partir desta mesma Figura, é possível inferir a seguinte relação entre comprimento de onda e distância medida com o paquímetro:

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onde L é a distância entre dois ventres consecutivos da onda.

Sabe-se também que para calcular a velocidade de uma onda, como a mostrada no experimento, utilizamos a equação

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Figura 3: Mostra um paquímetro aferindo a distância entre dois pequenos pedaços de isopor levitando.

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Unindo as equações (1) e (2), chegamos à seguinte relação:

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Na equação (3) quando inserimos a velocidade de propagação da onda como sendo de aproximadamente 340 m/s e a medida 'L' conforme obtida na Figura (3), encontra-se o resultado aproximado de 40 kHz, que é a frequência especificada para os transdutores utilizados no experimento (Datasheet Sensor Ultrassom). O professor é livre também para utilizar o experimento no sentido inverso: ele fornece a frequência da onda emitida pelo transdutor e cabe aos alunos determinar a velocidade do som no ar, comparando o resultado experimental com o valor aceito pela literatura. Neste sentido, podemos encarar ambas as atividades como investigativas (CARVALHO, 2010).

## Considerações finais

A aplicação da instrumentação e experimentação no ensino de Física é muito ampla e pode ser um importante artifício no processo de ensino e aprendizagem.

Neste trabalho apresentamos então a prototipagem, montagem, funcionamento e possível utilização em sala de aula de um Levitador Sônico. O aparato é de baixo custo e visualmente atrativo, por mostrar pequenos pedaços de isopor levitando. Com tal experimento, sugerimos como abordar temas ligados com a ondulatória, incluindo frequência, comprimento de onda e velocidade de propagação do som.

O uso da eletrônica e a possibilidade de construção de medidas através dos experimentos podem despertar a motivação e o interesse dos alunos, sendo ainda um forte aliado do professor em sala de aula ou nos laboratórios de ensino. Tais ferramentas possuem ainda o poder de tornar alguns conceitos físicos menos abstratos e mais próximos da realidade dos alunos, tornando-os sujeitos importantes

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no processo ensino-aprendizagem e colaborando ativamente na construção do conhecimento e do saber.

## Referências

ANDRADE, Marco Aurélio Brizzotti; PEREZ, Nicolás; ADAMOWSKI, Julio Cezar. 'Levitação Acústica'. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 37, n. 2, pp. 2304, 2015.

BRASIL, Ministério da Educação, Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros Curriculares Nacionais + Ensino Médio: Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias . Brasília: MEC, 2009, p.59

CARVALHO, A. M. P. Ensino de Física / Anna Maria Pessoa de Carvalho... [et al.]. São Paulo: Cengage Learning, 2010. Coleção Ideias em Ação.

Datasheet Sensor Ultrassom. Disponivel em: &lt;HC-SR04 https://s3-sa-east1.amazonaws.com/robocore-lojavirtual/620/HCSR04.pdf&gt;. Acesso em 10 de Julho de 2018.

NASCIMENTO, Benjamin Gomes do; Análise da Astronomia kepleriana no Ensino Médio A História da Ciência a favor da Aprendizagem , 2007, p.122 Dissertação de Mestrado, PPCEM/CEFETRJ , Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2007.

SANTOS, Bruno R. P. dos. Do Lúdico ao Científico: Brincadeiras da Física que Transformam o Mundo. NEO-FACCAT.REDIN , v.4, n. 1, nov.2015.

SÉRÉ, Marie-Geneviàve; COELHO, Suzana Maria; NUNE0S, António Dias. O papel da experimentação no ensino de física . Caderno Brasileiro de Física , v. 20, n.1, p. 31-43, abr. 2003.

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