Desenvolvimento de kits experimentais de baixo custo usando Arduino e Python

## Desenvolvimento de kits experimentais de baixo custo usando Arduino e Python

## João Sales 1 , Leticia N. Coelho 2

1 Universidade de Brasília, 211032830

2 Universidade de Brasília, lcoelho@unb.br

## Palavras-chave : Física experimental; Arduino; Automação

A Física é geralmente considerada um dos cursos mais difíceis entre os cursos de ensino superior, principalmente devido aos tópicos complexos, e isso pode ser agravado pela falta de infraestrutura e falta de equipamentos adequados, principalmente em tópicos como física experimental [1]. Esse problema pode ser superado nos dias de hoje graças ao desenvolvimento de sistemas modernos de aquisição e tratamento de dados personalizáveis com placas Arduino e pacotes disponíveis para a linguagem de programação Python. Com o surgimento de novos sensores, equipamentos de alto nível com custo relativamente baixo estão ao alcance de alunos e professores, trazendo grandes benefícios para a compreensão dos estudantes, uma vez que a experimentação é um método poderoso de aprendizado, e é importante aprimorar maneiras de testar e utilizar os assuntos aprendidos nas aulas teóricas [1].

Mesmo nas universidades, há dificuldades para implementar experimentos nas disciplinas de física experimental, particularmente aqueles que permitem aquisição automatizada de dados. Na Universidade de Brasília, os laboratórios dispõem de montagens sem automação na aquisição de dados ou que requerem softwares proprietários caros para realização das medidas. Buscando resolver isso, esse projeto se baseia na construção de três experimentos de baixo custo com interface de aquisição de dados amigável sendo eles: O resfriamento de newton, calor específico e o pêndulo simples,

Para a confecção dos mesmos foi necessário a utilização de uma placa micro controladora Arduino vinculada a um software Python com uma interface interativa como mostrada na Figura 1, software esses nomeados Hubpend e Hubtemp.

Figura 1: Interface gráfico com dados de variação de temperatura e ajuste de decaimento exponencial para o experimento de resfriamento de newton

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Inicialmente para os experimentos de temperatura foram utilizados termopares tipo K dentro de uma haste metálica que permite imersão dos mesmos em líquidos sem danificar o sensor ou impactar nas medidas. Para a aquisição de dados

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do pêndulo, foi utilizada uma montagem já feita no laboratório de Física 2 experimental, que detecta o ângulo do pêndulo em relação ao eixo vertical a partir da tensão Hall medida por um sensor preso à base. No eixo de rotação do pêndulo, há um imã permanente, que gira com a haste, gerando uma variação de fluxo magnético, que se traduz em variações da tensão Hall medida mostrado na figura 2. Alternativamente, é possível utilizar um potenciômetro para a aquisição da posição angular [2].

Figura 2: Kit para experimento do Pêndulo, com Arduino e montagem já preparadas.

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O experimento do movimento pendular visa permitir o estudo do movimento oscilatório através do gráfico da posição do pêndulo em função do tempo, além de permitir estudos mais elaborados acerca do movimento pendular, como a dependência do período de oscilação com a amplitude de oscilação. O experimento do resfriamento de Newton permite determinar a taxa de resfriamento de diferentes sistemas em diversas condições, possibilitando entendimento dos fatores que impactam quão rápido a temperatura de um sistema se altera, além de permitir ao estudante do ciclo básico o ajuste de uma curva exponencial e a associar os parâmetros de ajuste a grandezas físicas reais. Finalmente, o experimento de determinação do calor específico permite avaliar se a discrepância entre o valor encontrado e o valor de referência de calor específico de diferentes metais é significativa ou não, trazendo um claro uso da teoria de erros.

A montagem desses kits como mostrado também na figura 3 são de baixo custo pois a maioria dos componentes são facilmente encontradas no mercado a preços competitivos, como por exemplo o próprio Arduino, podendo ser desenvolvida pelos próprios estudantes, sob orientação do professor. Além disso, a linguagem de programação Python na qual o software foi feito é gratuita, fácil de usar e com muitos tutoriais disponíveis online, com comunidade ativa de suporte a dúvidas dos usuários.

A interface gráfica foi programada em Python, utilizando a biblioteca TKinter[3] para uma interface interativa e fácil de compreender, acessível a todos os usuários. Para o ajuste, as bibliotecas utilizadas foram Numpy[3] e SciPy[4]. A programação desse software foi relativamente desafiadora por conta da quantidade de interações que precisam ser feitas em tempo real, por conta disso foi necessário ter um emprego maior em otimizações e estratégias para acelerar o funcionamento do código.

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Figura 3: Kit para experimento do resfriamento e calor específico com a placa arduíno e o sensor de temperatura tipo termopar e outros componentes.

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Em relações aos kits de temperatura foi utilizado um modulo de temperatura que utiliza do chip MAX6675 [5] para leitura de termopar e, por conta disso, o código de Arduino foi feito baseado no uso do módulo. As rotinas em Python foram convertidas em executáveis usando o pacote PyInstaller[6] e receberam os nomes HubPend (pêndulo) e HubTemp (temperatura).

A partir dos resultados obtidos, se torna possível fazer o ajuste dos dados, permitindo assim a análise dos fenômenos físicos, os programas possuem uma entrada para as funções onde com um botão se simula a função colocada, colocando de forma literal o que o aluno acredita que é a equação que descreve a curva, como também valores para tal. Isso permite que os alunos possam antes de fazer o ajuste, testar e experimentar os valores e equações em primeira mão, permitindo um melhor aproveitamento da aula e dos conteúdos apresentados.

Desde seu desenvolvimento, o sistema é usado corriqueiramente todos os semestres, com bom feedback dos estudantes e professores que fazem uso do laboratório. Após registro, o software é disponibilizado na plataforma GitHub, disponível para download de comunidade, seguindo a proposta código aberto da linguagem Python e da placa Arduino.

## Referências

- [1] Franklin, Allan, and Slobodan Perovic. 'Experiment in Physics.' Stanford Encyclopedia of Philosophy, Stanford University, 16 Oct. 2019, Disponível em: https://plato.stanford.edu/entries/physics-experiment/ Acesso em: 28 set. 2023
- [2] Medidor de ângulo com potenciômetro e arduíno, disponível em: https://youtu.be/HGiZXQX411w Acesso em: 28 set. 2023
- [3] Lundh, F., 1999. An introduction to tkinter. Disponível em: www.pythonware. com/library/tkinter/introduction/index. htm . Acesso em: 28 set. 2023

[4] Harris, C.R., Millman, K.J., van der Walt, S.J. et al. Array programming with NumPy. Nature 585, 357-362

[5] Pauli Virtanen et al. , and SciPy 1.0 Contributors. (2020) SciPy 1.0: Fundamental Algorithms for Scientific Computing in Python. Nature Methods , 17(3), 261-272.

[6] Analog Devices. MAX6675 - Cold-Junction-Compensated K-Thermocouple-toDigital Converter (0°C to +1024°C). Disponível em:

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/MAX6675.pdf. Acesso em: 28 set. 2023

[7] PyInstaller. GitHub, 2023. Disponível em: https://github.com/pyinstaller. Acesso em: 28 set. 2023

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