Proposta de kit didático de baixo custo para estudo de oscilações e dinâmica de rotações, em tempo real, usando arduíno

## Proposta de kit didático de baixo custo para estudo de oscilações e dinâmica de rotações, em tempo real, usando arduíno

## Maria Gabriela Pereira da Silva 1 , Marcelo Souza da Silva 2 , Pedro Davi Matos Pereira 3

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sertão Pernambucano, Grupo de Pesquisa em Ensino de Ciências, Campus Salgueiro (PE)

1 maria.gabriela2@aluno.ifsertao-pe.edu.br

2 marcelo.silva@ifsertao-pe.edu.br

3 pedro.matos@ifsertao-pe.edu.br

Palavras-chave : Ensino; pêndulo físico; arduíno

## Resumo expandido

O ensino de física enfrenta o desafio de estimular a curiosidade e a atenção dos estudantes, buscando combinar teoria e prática para uma aprendizagem significativa. Ao conectar os conceitos teóricos com experimentos práticos, é possível criar uma abordagem atraente e lúdica, despertando o interesse dos alunos e promovendo um melhor entendimento dos conteúdos de física. Um dos aspectos complexos a serem abordados é o cálculo teórico do momento de inércia para rotação, principalmente em corpos com distribuição de massa amorfa (RUSSEVA et al., 2010). Nesse contexto, a experimentação desempenha um papel importante, permitindo a realização de procedimentos empíricos para estudar essa grandeza física.

Do ponto de vista didático, tal questão é abordada por meio de experimentos com osciladores (pêndulo físico) e cronômetros, que não permitem a visualização do comportamento senoidal da posição ao longo do tempo, conforme previsto pela teoria, além de não acompanhar os avanços tecnológicos. Na literatura encontramos algumas alternativas como a utilização de smartphones (SALINAS;TSUTSUMANOVA; RUSSEV, 2019) ou até o uso de microcontroladores mais sofisticados (MARIN et al., 2004). Neste cenário, há a necessidade de desenvolver kits experimentais de baixo custo para o ensino de conteúdos de física que também familiarizem os estudantes com novas tecnologias, além de permitir medições precisas (PEREIRA; SILVA, 2021).

Neste trabalho, propomos a construção de um protótipo para um kit experimental que determina o momento de inércia de um corpo em tempo real. Esse kit utiliza arduino, sensores ultrassônicos e a teoria de oscilações mecânicas que permite a aquisição em tempo real de gráficos de posição versus tempo usando sensores precisos, possibilitando a determinação do momento de inércia do corpo oscilante. Além disso, um software dedicado com interface gráfica de fácil manipulação ( PMOscillator ), desenvolvido em C++ e Qt, é responsável pelo processamento de dados, plotagem e análise em tempo real.

O pêndulo físico é um sistema que consiste em um objeto suspenso que pode oscilar em torno de um eixo (HALLIDAY; RESNICK). Essa oscilação é

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influenciada por fatores como o comprimento da haste, a massa do objeto e a força gravitacional. Esse sistema obedece a uma equação diferencial de segunda ordem que tem por solução a seguinte função:

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Inicialmente, realizamos um experimento com um pêndulo confeccionado a partir de um tubo de PVC, no qual foram feitos orifícios ao longo de sua extensão. Para sustentá-lo, utilizamos um cabo de madeira equipado com uma garra C. Nesse mesmo cabo, fixamos uma haste de ferro para pendurar o pêndulo. Além disso, construímos um suporte para o arduino, e tanto o arduino quanto o sensor foram colocados dentro de uma caixa, a fim de facilitar o transporte e a fixação no suporte (ver Figura 01- arranjo experimental A).

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Figura 01: Arranjos experimentais A e B respectivamente

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O software desenvolvido ( PMOscillator ) permite plotar gráficos horários de posição, velocidade e aceleração. Na Figura 02, podemos visualizar um exemplo da interface de tratamento de dados, onde são exibidos os ajustes realizados e os parâmetros físicos, como frequência, amortecimento e amplitude.

Figura 02: Demonstração do layout do programa

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Seguindo para a análise de dados, observamos, através da Figura 02, que o software nos fornece parâmetros físicos que possibilitam a realização de diversos cálculos, como a determinação do momento de inércia a partir da frequência. Ao comparar os experimentos, observamos que a diferença entre os valores varia em torno de 1%, demonstrando boa concordância com resultados teóricos. Por fim,

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estimamos o valor do momento de inércia de uma forma amorfa (Figura 01- arranjo experimental b), isto é, uma forma geométrica cuja determinação teórica é complicada. Para este utilizamos uma caixa de pizza e acoplamos alguns discos massivos para que pudéssemos também fazer a análise deslocando o centro de massa do objeto.

O kit didático representa uma ferramenta incrivelmente versátil, com amplo potencial para aplicação em sala de aula. Esse recurso não apenas contribui significativamente para a aprendizagem, mas também oferece diversas maneiras de utilização. Em primeiro lugar, pode ser implementado por meio de aulas práticas e experimentais, nas quais os alunos têm a oportunidade de explorar parâmetros físicos específicos, conforme orientado pelo professor. Para otimizar essa experiência educacional, é possível criar roteiros didáticos que guiam os estudantes na utilização efetiva do equipamento, permitindo que eles explorem e compreendam conceitos relacionados a oscilações e dinâmica de corpos rígidos de forma prática. Durante esse processo, os estudantes têm a chance de se familiarizar com tecnologias modernas, realizar adaptações, explorar novas ideias de pesquisa e vivenciar diversas formas de assimilar conhecimento. Além disso, esse recurso revela-se valioso para as demonstrações em sala de aula. Os professores podem usá-lo para ilustrar os conceitos que estão sendo ensinados, proporcionando uma compreensão mais tangível e visual para os alunos. Uma das grandes vantagens desse material é a sua capacidade de abordar uma variedade de parâmetros físicos, indo muito além do momento de inércia de um corpo. Isso permite que os educadores explorem diversos tópicos dentro da física, enriquecendo o processo de aprendizado.O kit didático não apenas facilita a conexão entre teoria e prática, mas também oferece uma ampla gama de possibilidades para envolver os alunos na montagem, coleta de dados, experimentação e exploração de novas ideias de pesquisa. Assim, ele se torna uma ferramenta essencial para enriquecer o processo educacional e promover uma compreensão mais profunda e significativa dos conceitos físicos.

## Referências

RUSSEVA, G. B.; TSUTSUMANOVA, G. G.; RUSSEV, S. C. An experiment on a physical pendulum and Steiner's theorem . Physics Education, v. 45, n. 1, p. 58, 2010.

SALINAS, I. et al. Demonstration of the parallel axis theorem through a smartphone. The Physics Teacher , v. 57, n. 5, p. 340-341, 2019.

MARIN, Willian et al. Estudio experimental de un pendulo físico utilizando un microcontrolador AT-892051 . Scientia et technica, v. 10, n. 25, p. 245-249, 2004.

PEREIRA, Pedro; SILVA, Marcelo. Construção de um kit experimental com arduino para ensino de oscilações em tempo real . Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 43, 2021.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R. Fundamentos de Física . 10. ed., Rio de Janeiro: LTC, 2016, v. 1.

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