PROTÓTIPO DE UM DINAMÔMETRO USANDO ARDUINO E MATERIAL DE SUCATA PARA AULAS DE LABORATÓRIO DE FÍSICA COMO ESTUDO DE CASO DA ABP

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1 PROTÓTIPO DE UM DINAMÔMETRO USANDO ARDUINO E MATERIAL DE SUCATA PARA AULAS DE LABORATÓRIO DE FÍSICA COMO ESTUDO DE CASO DA ABP Thamyris da Silva Evangelista thamyris.tse@gmail.com Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPgEE) Davi Juvêncio Gomes de Sousa davijuvencio@gmail.com Universidade Federal de Campina Grande (UFCG) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Jurandí Marx Santana Nunes jurandi.87@gmail.com Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) Bacharelado do Curso de Engenharia Elétrica Ademar Gonçalves da Costa Júnior ademar.costa@ifpb.edu.br Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba Laboratório de Instrumentação, Sistemas de Controle e Automação (LINSCA) Av. Primeiro de Maio, 720, Jaguaribe João Pessoa Paraíba Resumo: Esse artigo tem como objetivo ilustrar um estudo de caso da Aprendizagem Baseada em Problemas (ABP) para a criação de experimentos de laboratório de Física, na disciplina de Instrumentação Eletrônica do curso de Engenharia Elétrica do IFPB. Por meio do uso de materiais de baixo custo e sucatas, foi desenvolvido um protótipo de um dinamômetro para ilustrar o experimento da lei de Hooke. Utilizando a plataforma de prototipagem eletrônica Arduino para o processamento da informação, verifica-se que o desenvolvimento é válido para o uso em escolas que possuam baixo recurso financeiro para aquisição de kits comerciais. Além disso, a aplicação da ABP em disciplinas de Engenharia faz com que os alunos possam ser desafiados com problemas que ocorrem no dia a dia de um engenheiro, transformando o conhecimento teórico em algo prático, inclusive com o uso de conhecimentos prévios adquiridos em outras disciplinas, bem como o uso de conhecimentos não abordados durante a graduação. Palavras-chave: Aprendizagem baseada em problema, Arduino, dinamômetro, ensino de física, lei de Hooke 1. INTRODUÇÃO Uma das grandes dificuldades na educação é realizar a ponte entre o conhecimento ensinado em sala de aula com a prática, gerando, muitas vezes, a apatia do aluno com o assunto abordado. Os conceitos que, se vistos somente textualmente, não são plenamente compreendidos pelos discentes, surgindo, fatalmente, lacunas de conhecimento na formação educacional dos mesmos. Desse modo, a realização de atividades experimentais é

2 extremamente importante no processo de ensino-aprendizagem, contribuindo, significativamente, para o crescimento do ensino e, consequentemente, da ciência. Ensinar não é simplesmente jogar conhecimento sobre o aluno e aguardar que este, em um piscar de olhos, passe a dominar a matéria. Freire (2005) ressalta que ensinar não é transferir conhecimento, mas criar as possibilidades para a sua própria produção ou a sua construção. Giani (2010) afirma que o professor deve estar bem preparado e motivado para o desenvolvimento de atividades experimentais, para poder explorar as potencialidades da experimentação, e desenvolver aulas experimentais com maior frequência e com melhores resultados. Essas aulas experimentais nem sempre são simples, onde a falta de estrutura nas escolas é um problema crônico, gerando grande impasse em aplicá-las, sobretudo pela falta de equipamentos, inviabilizando as aulas práticas. Uma saída alternativa para esse problema é a utilização de equipamentos construídos com materiais de baixo custo, e/ou a partir de sucatas, para a realização dos experimentos de física que envolva os conteúdos apresentados em sua forma teórica (CAVALCANTE et al, 2008; EULER, 2008; GILI et al, 2011; ANTUNES et al, 2012; VASCONCELOS et al, 2014). Como forma de utilização de uma metodologia de ensino, a Aprendizagem Baseada em Problemas ABP (RIBEIRO, 2005; FERNÁNDEZ-SAMACÁ et al, 2012; FREITAS, 2012) é utilizada na disciplina de Instrumentação Eletrônica, do curso de Engenharia Elétrica, do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB), onde são desenvolvidos ao longo de um semestre, projetos em equipe que envolvam a utilização de sensores e o desenvolvimento da etapa de condicionamento do sinal, além da integração multidisciplinar com outras disciplinas do currículo do curso (DANDA et al, 2013; ROCHA et al, 2013; DOURADO et al, 2014; MOREIRA et al, 2015; RODRIGUES et al, 2015). Desse modo, o objetivo deste artigo é apresentar a construção de um protótipo de dinamômetro automatizado de baixo custo, para aulas nos laboratórios de física, comprovando a lei de Hooke, por meio do uso da plataforma de prototipagem eletrônica Arduino, como um estudo de caso para um problema desenvolvido baseada no ABP, na disciplina de Instrumentação Eletrônica, do curso de Engenharia Elétrica do IFPB, utilizando materiais de baixo custo e sucatas. Este artigo está dividido em cinco seções, o qual na segunda seção são apresentados os principais conceitos da lei de Hooke. Na terceira seção são apresentados o protótipo desenvolvido e o algoritmo implementado no sistema automatizado. Na quarta seção, os resultados experimentais são apresentados e discutidos, e por fim, na última seção, as considerações finais deste trabalho. 2. PRINCÍPIOS BÁSICOS DO EXPERIMENTO DO DINAMÔMETRO POR DEFORMAÇÃO DE UMA MOLA A oscilação ocorre quando um sistema é perturbado, a partir de uma posição de equilíbrio estável, onde algumas aplicações podem ser encontradas como, por exemplo, em pêndulos, diapasões, cordas de instrumentos musicais, colunas de ar, e instrumentos de sopro. Se um sistema está vibrando com pequena amplitude em torno de um ponto de equilíbrio, provavelmente é executado um movimento harmônico. Um oscilador harmônico pode ser obtido pelo sistema massa-mola, na qual uma partícula de massa está presa a uma mola ideal perfeitamente elástica, como está apresentado na Figura 1. Robert Hooke verificou que, dentro de certos limites, a elongação da mola é diretamente proporcional à força aplicada na

3 extremidade dela, sendo essa lei denominada de lei de Hooke (NUSSENZVEIG, 2014; TIPLER & MOSCA, 2009; HALLIDAY et al., 2012). A Figura 1a ilustra a posição de equilíbrio estável, no qual a força devido à distensão da mola equilibra a massa, existindo uma força para baixo, além da força da mola, onde é a gravidade. Na Figura 1b, a mola foi esticada, sofrendo um deslocamento > 0 em relação ao nível de equilíbrio estável correspondente a = 0. Na Figura 1c, ela foi comprimida, com um deslocamento < 0. A força resultante sobre a massa é: em é a constante de elasticidade da mola. = + (1) Figura 1 Partícula de massa presa a uma mola helicoidal de constante elástica. Fonte: NUSSENZVEIG, Suprimindo a demonstração do desenvolvimento da Equação (1), pode ser observado que: que possui como solução, = (2) = (+) (3) o qual, =/. Desse modo, o efeito da força gravitacional é o de deslocar a massa colocada ao final da mola, deslocando-a da posição de equilíbrio, para a referência = 0 (Figura 1a). O corpo oscila em torno dessa posição de equilíbrio, com uma frequência angular, que é a mesma frequência angular de uma massa em uma mola na horizontal. 3. PROTÓTIPO ELABORADO PARA O DINÂMOMETRO AUTOMATIZADO A abordagem adotada na elaboração do projeto da disciplina de Instrumentação Eletrônica, usando o conceito da ABP, é que o aluno construa o seu próprio conhecimento a partir do desenvolvimento de um problema proposto ou sugerido pelo mesmo. Esse problema é estudado na forma de um projeto prático, que é desenvolvido em função dos conteúdos da disciplina, buscando a interdisciplinaridade, fazendo com que o problema seja compreendido,

4 fundamentado e analisado, como, por exemplo, por meio do uso de uma metodologia de gerenciamento de projetos. Dessa forma, a metodologia do trabalho para a elaboração do protótipo do dinamômetro automatizado, proposto pelos alunos para ajudar na elaboração de experimentos de baixo custo para laboratórios de física, está dividida em: Confecção: foram utilizados materiais de baixo custo, adquiridos no depósito da instituição. A Figura 2a ilustra a foto de uma mola de descanso de bicicleta, encontrada nesse depósito para tal fim; Testes da mola: foram realizados testes para a escolha da mola, que pudesse se adequar às medições necessárias ao projeto, e ao tamanho do trilho. Esses testes consistiram na busca de uma mola que viesse a se flexionar, sem ultrapassar os limites do trilho no protótipo, com a utilização de objetos de massa entre 2 e 5 kg. A Figura 2b exemplifica o teste realizado; Integração com o sistema eletrônico: para a leitura dos valores obtidos com o deslocamento causado pela distensão da mola, e a apresentação dos resultados em um display LCD, foi utilizada a plataforma de prototipagem eletrônica Arduino Uno (MCROBERTS, 2011). Também foram utilizados o conversor AD do Arduino, e dois potenciômetros para ajustes de calibração, além do desenvolvimento do algoritmo para cálculo do coeficiente de elasticidade da mola e o peso no dinamômetro. A Figura 3 ilustra a foto do protótipo de dinamômetro, e sua integração com o sistema eletrônico desenvolvido; Comparação dos resultados: após o desenvolvimento do protótipo, foi realizado um estudo para a verificação dos resultados obtidos com este. Para isso, foram medidas algumas massas, de pesos variados, em uma balança de precisão localizada no Laboratório de Instrumentação, Sistemas de Controle e Automação (LINSCA) do IFPB. Posteriormente, essas massas foram colocadas no dinamômetro para as devidas medições, sendo os resultados experimentais obtidos apresentados na Seção 4. O algoritmo de funcionamento desse projeto segue a sequência lógica, ilustrada na Figura 4. Inicialmente, é necessário conhecer o valor da constante da mola. Para isso, o método utilizado consiste em colocar um objeto de massa de valor conhecido no gancho da mola. A partir da leitura do deslocamento vertical da mola, que é medida por um potenciômetro linear, montado ao lado do trilho onde a mola está instalada. O valor da resistência do potenciômetro é função do deslocamento da mola, que por meio de um divisor de tensão, há um valor de tensão proporcional ao deslocamento, sendo esse conectado ao conversor AD do Arduino. O resultado é apresentado em um display LCD, modelo LM016L. Todo o processamento da medição, dos cálculos, e do envio da informação ao display LCD é realizado pelo Arduino, com o valor da constante da mola armazenado, para o próximo passo do algoritmo. Na segunda etapa, um objeto de massa desconhecido é colocado na extremidade dessa mesma mola. Com a leitura do valor do divisor de tensão onde o potenciômetro linear está conectado, tem-se o valor da massa do objeto no dinamômetro, já que o valor da constante foi determinado na etapa anterior. Esse valor da massa do objeto é apresentado no mesmo display LCD.

5 Figura 2 Elaboração do protótipo. (a) Medição da mola, em estado de repouso. (b) Testes realizados com a mola. (a) (b) Figura 3 Protótipo do dinamômetro elaborado.

6 Figura 4 Algoritmo do protótipo do dinamômetro. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados experimentais e a aplicação da ABP entre os alunos da equipe são apresentados nesta Seção. Inicialmente, foi medido o deslocamento da mola escolhida, proporcionalmente ao valor de tensão elétrica no Arduino, variando-se o seu comprimento na faixa entre 0,5 cm e 3,5 cm, com intervalos de 0,5 cm, utilizando um paquímetro. O objetivo foi verificar se esse era o valor real obtido no conversor AD. A Tabela 1 ilustra os resultados para três medições consecutivas. Tabela 1 Resultados das três medições de distância realizadas com o protótipo. Distância (cm) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Média das medições de distância (cm) 0,127 0,433 1,087 1,790 2,450 3,213 3,667 4,000 Desvio padrão (cm) 0,031 0,055 0,160 0,085 0,087 0,150 0,144 0,000 De acordo com os resultados da Tabela 1, foi verificado que os valores localizados entre 2,0 cm e 4,0 cm possuem uma boa precisão em relação ao deslocamento real da mola. Entretanto, os valores localizados entre 0 cm e 2,0 cm apresentaram grandes diferenças entre o valor real e o valor apresentado no display LCD, sendo necessário a utilização de um fator de correção, levantados de forma experimental e apresentados na Tabela 2, o qual representa os valores medidos, em cm. A constante da mola foi determinada, utilizando a Equação 1, e um peso de 1 kg, onde o valor estabelecido é de =131. Com isso, foi verificado o peso de alguns objetos com o protótipo de dinamômetro. Cada peso foi medido em uma balança de precisão e comparado

7 com o resultado apresentado pelo dinamômetro desenvolvido, os quais os resultados são ilustrados na Tabela 3. Tabela 2 Fator de correção para o deslocamento da massa, para valores de distância. Valores Medidos x (cm) Fator de correção (cm) < , <0.3 0,5 0.3 <0.9 1,0 0.9 < , <1.5 2,0 Tabela 3 Resultados das medições em uma balança de precisão e no experimento desenvolvido. Balança de Precisão (kg) 5,00 4,31 3,00 2,46 Balança desenvolvida no projeto (kg) 5,04 4,19 2,96 2,40 Erro de Medição (%) 0,80 2,78 1,33 2,43 Após o encerramento das atividades, os alunos do semestre respondem a um questionário que aborda sobre a aplicabilidade do método ABP na disciplina de Instrumentação Eletrônica. Entre as diversas perguntas desse questionário, nos quais os alunos fornecem uma nota para cada item, é deixado um campo para comentários sobre o projeto e a metodologia. Os alunos do projeto apresentado nesse artigo destacam que o projeto desenvolvido foi de grande importância, pois por meio dele conseguimos aliar, simultaneamente, a teoria e a prática ao nosso aprendizado acadêmico, o que gerou uma motivação e uma concretização da teoria vista em sala de aula. O desenvolvimento das atividades também acrescentou algo positivo ao nosso processo de formação como engenheiro, pois na construção do protótipo apareceram vários problemas nos quais tivemos que buscar soluções rápidas e eficientes para resolvê-los, assim como acontece no dia a dia do engenheiro no mercado de trabalho. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS A utilização da metodologia de ensino ABP que foi empregada no trabalho apresentado nesse artigo, ajuda na formação de um engenheiro preparado para os problemas encontrados no século XXI, saindo da formação antiga, ainda mais usual, de que o professor é o centro da formação, e não o aluno. Com a crescente necessidade de desenvolvimento dos engenheiros, o desenvolvimento de projetos é uma ferramenta eficaz no combate da evasão discente em cursos da área de tecnologia. Além disso, o desenvolvimento desse trabalho possibilita a contribuição para a montagem de experimentos em laboratórios de ensino de física, onde diversos lugares como escolas públicas, possuem dificuldades na aquisição de kits didáticos de empresas, que tem um alto custo para tal, impossibilitando que os alunos possam observar na prática, os conceitos teóricos da física. Em relação ao protótipo automatizado de um dinamômetro, esse mostrou promissor, visto que permitiu a medição do peso de um objeto, além da realização da estimação da constante

8 de elasticidade de uma determinada mola, com os resultados obtidos comprovando a eficiência do protótipo desenvolvido, a partir de uma determinada distância de deslocamento devido à rigidez da mola que foi utilizada. Testes adicionais com outras molas podem ser realizados, e o protótipo será apresentado em demonstrações da lei de Hooke na vertical e na horizontal, em escolas públicas, estimulando o corpo discente na buscar de comprovações experimentais das leis da Física, incentivando-os a aplicarem o conhecimento teórico. Agradecimentos Os autores agradecem ao IFPB pelo apoio na elaboração do projeto e no envio do artigo ao Cobenge REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANTUNES, M. L. P. et al. Projeto engenhocas.com e sua contribuição para a aprendizagem de física nas engenharias. Anais: XL Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Cobenge 2012, Belém PA, UFPA, CAVALCANTE, M. A. et al. Aquisição de dados em laboratórios de física: um método simples, fácil e de baixo custo para experimentos em mecânica. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 30, n. 2, pp , DANDA, E. F. et al. Projeto de um analisador básico de energia utilizando o método pedagógico ABP na disciplina de instrumentação eletrônica do IFPB. Anais: XLI Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Cobenge. Gramado RS, UFRGS, DOURADO, C. F. et al. Desenvolvimento de um Esfigmomanômetro Digital como Ferramenta de Auxílio no Ensino Prático das Disciplinas de Bioengenharia. Anais: XLII Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Cobenge. Juiz de Fora, UFJF, EULER, M. Hooke s law and material science projects: exploring energy and entropy springs. Physical Educational, v. 43, n. 1, pp , FERNÁNDEZ-SAMACÁ, L. et al. Project-based learning approach for control system courses. Revista Controle & Automação, v.23, n.01, p , jan./fev, FREIRE, P. Pedagogia do Oprimido, 45ª Edição. São Paulo: Paz e Terra, FREITAS, R. A. M. M. Ensino por problemas: uma abordagem para o desenvolvimento do aluno. Revista Educação e Pesquisa, São Paulo, v.38, n.02, p , abr./jun, GIANI, K. UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências. A Experimentação no ensino de ciências: possibilidades e limites na busca de uma aprendizagem significativa, Dissertação (Mestrado em Ensino de Ciências). GILI, C. et al. Automação de experimento para o ensino de física. Anais: XXXIX Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Cobenge Blumenau SC, UDESC, HALLIDAY, D. et al. Fundamentos de Físicas Volume 1, Mecânica. Rio de Janeiro: LTC, MCROBERTS, M. Arduino Básico. São Paulo, Novatec, 2011.

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