Desenvolvimento de simulações para ensino de Física utilizando a Ferramenta Blender 3D, através da interatividade virtual.

## Ferramenta Blender 3D, aplicada ao ensino da Física por meio da interatividade virtual.

Felicio H. G. Castro, K. D. Oliveira , R. C. Souza , R. O. Moura , W. L. Santos , K. L. R. Queiroz, J. E. C. Sousa, W. B. Fraga, J.W.M. Menezes*

Instituto Federal do Ceará - IFCE - CAMPUS Fortaleza/Campus Sobral, Ceará, Brasil. Grupo de Pesquisa em Física Aplicada e Docência - GFAD

## Resumo

É perceptível que a falta de simulações dificulta o ensino de Física nas escolas, deixando o aprendizado desta matéria muito a cargo do conhecimento prévio do aluno e da capacidade do professor de exibir as informações no quadro, visto que muitas instituições de ensino não têm laboratórios à sua disposição. Este artigo visa apresentar a alternativa da realidade virtual através do software livre Blender 3D versão 2.49b e o seu poder de auxiliar professores e alunos a partir da interatividade com simulações computacionais das situações discutidas em sala de aula. Os recursos e benefícios do Blender 3D serão mostrados neste documento através de explicações sobre seu funcionamento e de imagens do software em aplicações físicas na área da Mecânica que geram dificuldades na compreensão deste assunto por parte dos estudantes, mostrando como o mesmo pode aperfeiçoar o ensino da Física.

Palavras-chave: Ensino de Física, Mecânica, Realidade Virtual, Blender 3D

## 1. Introdução

Modelos conceituais, também chamados de concepções alternativas, são ideias e explicações criadas pelos estudantes a partir da observação de fenômenos presentes no seu dia a dia. Segundo Fiolhais e Trindade [1], estudos realizados por vários pesquisadores, como Trowbridge e McDermott; Caramazza, McCloskey, e Green; Clement ; Champagne e Klopfer, indicam um padrão de raciocínio nos alunos muito semelhante a uma pré-Física, ou "Física aristotélica" ou "Física do senso comum". Essas ideias são um dos principais obstáculos a serem superados pelos professores, pois começam a ser desenvolvidas na infância e tornam-se difíceis de serem mudadas.

As pesquisas em concepções alternativas realizadas já conseguiram delinear as suas características principais. A primeira característica, e talvez a mais importante, é que as concepções alternativas, em geral, não correspondem

às teorias e conceitos científicos. Outra característica das concepções alternativas é a sua universalidade. Isto é, elas são identificadas de modo semelhante nos mais diversos países. A resistência à mudança parece ser também uma característica marcante das concepções alternativas. Indivíduos com diferentes idades apresentam, em geral, o mesmo padrão de concepções alternativas independentemente do tempo de envolvimento com a instrução tradicional de ciência[2].

Para que o aluno diminua a sua resistência a assuntos como, por exemplo, mecânica e cinemática é necessário que os professores proporcionem experiências de aprendizagem eficazes e inovadoras. A utilização de recursos de multimídia e o melhor aproveitamento de softwares educacionais podem facilitar o processo de ensino uma fez que o aluno passa a interagir diretamente com o conteúdo proposto.

Com atenção especial aos recursos que o programa Blender 3D tem a oferecer, nos dedicamos ao desenvolvimento de um software que simula a colisão de objetos, o comportamento do pendulo de Newton e a interdependência dos movimentos simultâneos, com o objetivo de ajudar estudantes e professores a superarem suas concepções alternativas e que tratasse o assunto de forma que facilite o seu entendimento por meio da interatividade virtual.

Para fazer as simulações físicas devemos utilizar um software com as propriedades físicas já embutidas na sua programação e com capacidade de modelagem 3D. O Blender é um software que atende a todos esses requisitos, alem disso é gratuito, leve e possui uma grande variedade de tutoriais [6], [7], [8] e livros [9], [10]. Com o Blender, podemos, além de modelar objetos, atribuir valores às suas variáveis físicas, permitindo modificá-las para observar as diferenças de comportamento em ambiente virtual.

## 1.1 Quantidade de Movimento

Para simular a quantidade de movimento foi feita uma superfície com seis bolas, das quais três irão ser impulsionadas para colidirem com as outras três bolas. O peso (P) das seis bolas e a velocidade (V) com que as bolas serão impulsionadas estão apresentados na tabela 1, abaixo:

Tabela 1. Relação entre o peso e a velocidade das bolas no experimento.

As bolas 1, 2 e 3 de pesos P, 2P, P e velocidades V, V, 2V respectivamente, serão impulsionadas contra as bolas 4, 5 e 6 de pesos idênticos P e inicialmente em repouso, para visualizar as reações de cada bola. Simulamos todas as condições apresentadas na tabela 1, e as figuras 2A-C a baixo mostram os resultados destas simulações no programa.

Figura 2(A). Posição inicial das bolas ao rodar a simulação.

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Figura 2(B). Posição momentos antes da colisão.

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Figura 2(C). Posição final das bolas ao termino da simulação.

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## 1.2 Pêndulos de Newton

Nesta simulação, uma esfera é deslocada de sua posição de repouso e solta. Devido à existência de forças não conservativas, principalmente o atrito das esferas com o ar, a energia mecânica do sistema (compreendido pelas esferas somente) tende a diminuir com o passar do tempo. Além disso, choques não completamente elásticos entre as esferas fazem diminuir a energia mecânica total.

Para permitir a ilustração dos princípios de conservação pode-se escolher esferas massivas o suficiente para que a perda de energia por atrito com o ar seja desprezível em um intervalo pequeno de tempo. A escolha de esferas de alta dureza e de excelente coeficiente de restituição no impacto serve para tornar as forças conservativas majorantes [10] assim realizamos uma animação com pêndulos ideais colidindo conforme pode ser visualizada nas Figuras 3A-C, onde é mostrado o período e a transferência de energia de uma esfera para outra, podendo ainda estudarmos tanto colisões quanto o movimento harmônico para ângulos pequenos.

Figura 3(A). Condição inicial dos pêndulos na simulação.

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Figura 3(B). Condição observada instantes antes da colisão.

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Figura 3(C). Condição dos pêndulos quando o pêndulo da direita atinge a altura máxima.

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## 1.3 Interdependência dos movimentos

Para demonstrar a interdependência dos movimentos foi feito um programa com duas bolas de futebol, onde uma será lançada diagonalmente e a outra será lançada verticalmente. As duas serão lançadas ao mesmo tempo para mostrar que a velocidade vertical da primeira bola coincide durante todo o trajeto com a velocidade da segunda bola. O Blender permite que a massa das bolas possa ser alterada e deste modo torna-se possível mostrar que a trajetória das mesmas não se altera quando lançadas com uma mesma velocidade inicial.

Figura 5. Bolas de futebol momentos antes de se tocarem no ar.

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## 2. Conclusão

Tratar problemas físicos em ambientes de realidade virtual, que possibilitem ao aluno uma direta interatividade com as forças e grandezas que constituem a dinâmica do movimento, e outros ramos da Física, pode tornar-se uma importante ferramenta de ensino e aprendizagem.

Objetivando diminuir as dificuldades encontradas no aprendizado das ciências físicas, todas as simulações executadas no Blender, poderão ser disponibilizadas na

página da escola ou em blogs da internet e contribuir para um melhor aprendizado por parte dos estudantes que poderão a qualquer momento verificar estas simulações na internet e também executar e treinar suas próprias contribuições.

Devido a facilidade na operação do blender, espera-se, que esta ferramenta possa ajudar os alunos na disciplina de Física podendo ser expandida futuramente para outras disciplinas, pois proporcionará aos alunos e educadores o acesso a novas tecnologias para auxiliar no método de ensino, contribuindo para melhorar ainda mais o ensino e aprendizagem de nossos alunos.

Como trabalho futuro, realizaremos um banco de simulações que deverão ser utilizadas nas salas de aula, da mesma forma aplicaremos questionários de avaliação do aplicativo e os impactos das simulações na aprendizagem dos alunos. O questionário basicamente deverá analisar fatores como: interesse despertado pela matéria, visualização da informação, facilidade de uso, motivação com o material, melhora no entendimento do conteúdo e aceitação do aplicativo.

## 3. Referências

- [1] Fiolhais, C.; Trindade, J. Física Para Todos - Concepções Erradas em Mecânica e Estratégias Computacionais; 1 Colóquio de Física do Instituto Politécnico de Tomar "A Física no Ensino na Arte e na Engenharia"
- [2] Harres,J. Um teste para detectar concepções alternativas sobre tópicos introdutórios de ótica geométrica.
- [3] Burdea, G.; Coiffet, P. Virtual Reality Technology. John Wiley &amp; Sons, 1994.
- [4] Kirner,C.; Sistemas de realidade virtual; Grupo de Pesquisa em Realidade Virtual, Departamento de Computação (UFScar); Disponível em: http://www2.dc.ufscar.br/~grv/tutrv/tutrv.htm#sumario1., Acesso: 14/04/2011.
- [5] Braga, M. Realidade Virtual e Educação; Revista de Biologia e Ciências da Terra, volume 1, número 1, 2001.
- [6] http://www.cgtextures.com/
- [7] http://www.tutorialsforblender3d.com/
- [8] http://www.blender.org/
- [9] BRITO, Allan. Blender 3D - Guia do Usuário. São Paulo: Novatec, 2007. 2ª Ed.
- [10] RESNICK, Robert; HALLIDAY, David; S. KRANE, Kenneth. Fundamentos da física. 4ª edição. Volume 1.