PRÁTICAS PEDAGÓGICAS PARA O ENSINO DA PIEZELETRICIDADE: APLICAÇÕES E BENEFÍCIOS SOCIAIS.

Transcrição

1 PRÁTICAS PEDAGÓGICAS PARA O ENSINO DA PIEZELETRICIDADE: APLICAÇÕES E BENEFÍCIOS SOCIAIS. Henrique Yuji Inoue, Leandro Melo Campeiro, Danilo Ecidir Budoya, Bruno Albuquerque de Castro, Fabricio Guimarães Baptista. Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Bauru, Pró-reitora de Extensão Universitária. henrique_inoue@hotmail.com, leandro.campeiro@unesp.br, danilo.budoya@unesp.br, bruno.castro@unesp.br, f.baptista@unesp.br. Práticas Pedagógicas PEDAGOGICAL PRACTICES FOR THE TEACHING OF PIEZOELECTRICITY: APPLICATIONS AND SOCIAL BENEFITS Resumo. A disseminação da ciência e tecnologia incorpora um importante papel na educação. Em muitos casos, o desafio é aliar práticas pedagógicas que permitam um entendimento didático de uma tecnologia cotidiana e, ao mesmo tempo, desconhecida como, por exemplo, a piezeletricidade. A piezeletricidade é a propriedade que alguns tipos de cristais têm de gerar eletricidade quando sofrem uma deformação mecânica. Também ocorre o efeito reverso, em que o cristal é deformado quando submetido a uma tensão elétrica. Nos últimos anos, a engenharia tem encontrado na piezeletricidade duas aplicações relevantes: o monitoramento de integridade estrutural e a geração de energia elétrica. O monitoramento de integridade estrutural por meio de sensores piezelétricos permite detectar danos incipientes em diversos tipos de estruturas, aumentando a segurança dos usuários e reduzindo custos de manutenção. Já a segunda aplicação, permite a geração de energia elétrica de forma limpa e sustentável a partir do reaproveitamento de energia cinética gerada pelas pessoas em suas atividades cotidianas. Entretanto, a dificuldade atual é desenvolver aparatos e práticas pedagógicas que permitam a disseminação dessa tecnologia para as diversas camadas sociais. Portanto, este artigo tem como objetivo apresentar práticas pedagógicas que auxiliem no entendimento da piezeletricidade, permitindo, assim, sua efetiva disseminação. Palavras-chave: práticas pedagógicas, piezeletricidade, tecnologia Abstract. The spread of science and technology incorporates an important role in education. In many cases, the challenge is to combine pedagogical practices that allow a didactic understanding of an everyday and, at the same time, unknown technology such as the piezoelectricity. Piezoelectricity is the property that some types of crystals have to generate electricity when they undergo mechanical deformation. Also occurs the reverse effect, in which the crystal is deformed when subjected to an electric voltage. In recent years, the engineering has found two relevant applications in piezoelectricity: structural health monitoring and electric power generation. The structural health monitoring through piezoelectric sensors allows detecting incipient damages in various types of structures, increasing users' safety and reducing maintenance costs. The second application allows the generation of electric energy in a clean and sustainable way from the reuse of kinetic energy generated by people in their daily activities. However, the current difficulty is to develop pedagogical devices and practices that allow the dissemination of this technology to the different social strata. Therefore, this article aims to present pedagogical practices that help in the understanding of piezoelectricity, thus allowing its effective dissemination. Keywords: pedagogical practices, piezoelectricity, technology

2 1 Introdução Atualmente, a disseminação da ciência e tecnologia por práticas educacionais incorpora um importante papel em todos os seguimentos sociais. A cada descoberta, o ser humano se vale da manipulação dos recursos naturais, visando a realização eficiente das mais diversas tarefas cotidianas (COLLINS & HALVERSON, 2009). Entretanto, a disseminação de uma tecnologia muitas vezes está relacionada à complexidade de seu desenvolvimento, suscitando desafios sociais relacionados a sua aplicação e entendimento. Atualmente, além da geração de energia sustentável, uma das preocupações humanas está vinculada ao desenvolvimento de técnicas que permitam o monitoramento e diagnóstico de falhas nas áreas de engenharia aeroespacial, naval e civil. Por esse motivo, nos últimos anos, os materiais piezelétricos têm sido foco de diversos estudos na área da engenharia, que, devido às propriedades intrínsecas a este tipo de material, tornouse possível sua aplicabilidade tanto na geração de energia elétrica sustentável (ULKIR; ERTUGRUL; ALVEROGLU, 2016), como também no desenvolvimento de técnicas de monitoramento de integridade estrutural de navios, pontes, aviões, edifícios, entre outros (SWINDELL; DOYLE; ROACH, 2017). Entretanto, o desafio atual é aliar práticas pedagógicas que convirjam em uma compreensão didática deste tipo de material, tornando factível sua aplicação, disseminação e perfeito entendimento não só para os cursos de engenharia e tecnologia, como também para toda a sociedade. Tomando como base essa problemática, o objetivo deste artigo é apresentar conceitos e discussões relacionadas a práticas pedagógicas que possibilitem o correto entendimento dos materiais piezelétricos cujas aplicações são largamente empregadas no cotidiano humano. Sendo assim, este artigo abordará aspectos didáticos com a finalidade de se expor e difundir técnicas de geração de energia sustentável e de monitoramento de estruturas baseadas na técnica da impedância eletromecânica, que funciona devido às propriedades dos materiais piezelétricos. O presente trabalho está vinculado ao projeto de extensão universitária intitulado Piezeletricidade: Aplicações e Benefícios para a Sociedade, em execução pelo Laboratório de Transdutores e Aquisição de Dados (LTAD) da Universidade Estadual Paulista - Unesp, campus de Bauru. Este trabalho está dividido em cinco seções. Na Seção 2 é abordado o conceito de piezeletricidade e sua importância no cotidiano humano. A metodologia e prática pedagógicas para difusão da tecnologia abordada são apresentadas na Seção 3. Os resultados e conclusões são descritos nas Seções 4 e 5, respectivamente.

3 2 Piezeletricidade e o cotidiano humano Em 1880, na França, a piezeletricidade foi descoberta pelos irmãos Pierre e Jacques Curie, que descreveram a propriedade que alguns cristais têm de gerar energia elétrica ao sofrerem uma deformação mecânica (efeito piezelétrico direto) ou de se deformarem quando uma tensão elétrica é aplicada (efeito piezelétrico reverso). Os transdutores construídos utilizando algum material piezelétrico, tal como o quartzo, titanato de bário e titanato zirconato de chumbo ou PZT (Pb-lead zirconate titanate), são conhecidos como transdutores piezelétricos e são capazes de produzir tanto o efeito piezelétrico direto como o efeito reverso. Embora o efeito piezelétrico seja conhecido há muito tempo, o desenvolvimento de transdutores piezelétricos bem como a aplicação desses dispositivos ainda é uma ciência em pleno desenvolvimento. Entre as aplicações mais focadas na atualidade estão os sistemas de monitoramento de integridade estrutural, também conhecidos como sistemas de SHM do termo em inglês structural health monitoring (ANNAMDAS; BHALLA; SOH, 2017), que têm como objeto detectar danos incipientes em diversos tipos de estruturas como em aeronaves (SWINDELL; DOYLE; ROACH, 2017) e infraestruturas civis (LI et al., 2016). A detecção de dano estrutural utilizando transdutores piezelétricos pode ser feita por meio de várias técnicas, como a emissão acústica (WANG; GUO, 2018), ondas de Lamb (KUDELA et al., 2018) e a impedância eletromecânica (VISALAKSHI; BHALLA; GUPTA, 2018). Entre as várias técnicas de detecção de dano, uma das mais promissoras é a técnica da impedância eletromecânica, que tem como base o acoplamento gerado entre um transdutor piezelétrico e uma estrutura a ser monitorada. Devido a esse acoplamento, quando um transdutor é instalado em uma estrutura, como, por exemplo, em uma asa de um avião, uma interação é estabelecida entre as propriedades elétricas do transdutor e as propriedades mecânicas da estrutura monitorada. Desta forma, é possível avaliar a integridade da mesma por meio da medição e análise da impedância elétrica do transdutor. Outra aplicação bastante investigada no campo dos materiais piezelétricos é a geração de energia elétrica (ULKIR; ERTUGRUL; ALVEROGLU, 2016). A geração de energia é baseada no efeito piezelétrico direto, isto é, a geração de uma diferença de potencial elétrico quando o transdutor sofre algum tipo de deformação mecânica. Essa propriedade pode ser aproveitada para a geração de energia elétrica a partir de deformações e vibrações geradas naturalmente por atividades corriqueiras realizadas

4 pelas pessoas, que é uma forma limpa e abundante de geração de energia. O interesse por esse tipo de geração de energia tem crescido em todo o mundo nos últimos anos. Por exemplo, uma estação de metrô de Saint-Omer, na França, foi equipada com pisos especiais que convertem a energia cinética dos passos dos usuários em energia elétrica (PARIS, 2014). A energia é gerada a partir da indução eletromagnética causada pelos passos dos usuários e é usada para alimentar lâmpadas de LED e para recarregar os telefones celulares dos usuários por meio de portas USB disponíveis em um banco. No Brasil, também é crescente o interesse pelo reaproveitamento desse tipo de energia. A cidade de Curitiba estuda utilizar uma tecnologia semelhante para reaproveitar a energia cinética do movimento das bicicletas e, desta forma, obter energia limpa e renovável para auxiliar a iluminação de suas ciclovias (CURITIBA, 2017). O uso de transdutores ou materiais piezelétricos, como as cerâmicas de PZT mencionadas anteriormente, tem como desafio o custo elevado desses materiais para serem empregados em grandes áreas. O custo elevado é particularmente crítico no Brasil, pois esses materiais são, normalmente, importados. Nesse sentido, pesquisadores da Unesp têm buscado por novos métodos de fabricação desses materiais no Brasil, o que reduziria o custo para a aplicação em grandes áreas para a geração de energia (REVISTA ISTOÉ, 2016, REYNOL, 2010). Portanto, devido à complexidade desses fenômenos descritos acima, torna-se factível o desenvolvimento de aparatos e práticas pedagógicas tanto para os cursos de engenharia e tecnologia, quanto para a disseminação desse conhecimento no âmbito social. Nesse contexto, para este artigo, foram utilizados os diafragmas piezelétricos, comumente conhecidos como buzzer piezelétrico. Esses transdutores têm um custo extremamente baixo comparado aos transdutores convencionais e são facilmente encontrados sem a necessidade de importação direta. O baixo custo desses dispositivos tem motivado o seu uso em diversos estudos científicos recentes (LE; HEGAB, 2017, He et al., 2017). Na próxima seção são discutidas as metodologias e práticas pedagógicas utilizadas para a disseminação dos conceitos de piezeletricidade. 3 Metodologia Optou-se, devido ao alto grau de abstração dos fenômenos estudados por este artigo, a produzir e desenvolver ensaios que possibilitaram a visualização real dos princípios piezelétricos direto e reverso, além do diagnóstico de danos. O uso de vídeos

5 didáticos para a difusão de conhecimento tem crescido nos últimos anos e já é uma prática comum em outros projetos de extensão. Portanto, para difusão dos resultados obtidos, além da realização de ensaios auto explicativos pela própria visualização do fenômeno, elaborou-se vídeos didáticos os quais serão divulgados por meio da Internet. A seguir estão descritas as práticas utilizadas para tornar didática a divulgação do conhecimento dos efeitos piezelétricos direto, reverso e diagnóstico de danos em estruturas O efeito direto Como discorrido, o efeito direto se dá quando uma vibração ou um estresse mecânico atinge o transdutor piezelétrico e, este, gera energia elétrica. Sendo assim, um LED de alto brilho foi soldado ao diafragma piezelétrico, como mostrado na Figura 1. O LED, que consiste em uma fonte luminosa como uma lâmpada, foi acoplado ao sensor com a finalidade de associar a energia gerada à luz produzida, uma vez que a geração de luz torna didática e não abstrata a percepção da geração de energia elétrica. Figura 1: LED soldado junto ao diafragma piezelétrico O efeito reverso O efeito reverso ocorre quando o material piezelétrico produz uma deformação mecânica ao se aplicar uma tensão elétrica. Sendo assim, utilizou-se um diafragma fixado a uma fina placa de alumínio de modo com que uma tensão elétrica variável produzisse uma vibração variável neste material. A estratégia pedagógica adotada para tornar factível a visualização do efeito reverso foi colocar sobre o alumínio diversas mini esferas de isopor, que, por sua leveza, podem ilustrar a vibração do material piezelétrico por meio

6 de seus movimentos. Portanto, aplicou-se uma tensão com intuito de verificar o movimento das esferas de isopor. O aparato didático é apresentado na Figura 2. Figura 2: Disposição dos materiais para ilustrar o efeito reverso 3.3 Monitoramento e diagnóstico de falhas em estruturas Com objetivo de demonstrar a eficácia do diagnóstico de falhas em estruturas, utilizou-se uma placa de alumínio com dimensões de 1 x 0.5 x m na qual foram fixados 8 diafragmas piezelétricos com auxílio de cola de alta rigidez. Esse material foi escolhido devido sua grande aplicação em estruturas aeroespaciais e navais. Uma imagem digital da placa monitorada foi gerada por meio de um software que realizava as medições de impedância de cada um dos transdutores. Esse software foi desenvolvido para se gerar um mapa de cores pelo qual o local de incidência de um dano produziria cores mais quentes (laranja, vermelho) em relação à área total da estrutura. 4 - Resultados e discussão Os resultados obtidos neste trabalho são divididos em três etapas. Nas duas primeiras subseções, tem-se a apresentação do efeito piezelétrico direto e reverso, respectivamente. Logo após é discutido as práticas pedagógicas referente ao ensino de detecção de falhas em estruturas. Cabe realçar que, paralelamente a esses ensaios, vídeos explicativos foram elaborados com intuito de publicação em meios digitais.

7 4.1 - O efeito direto Na Figura 3 é ilustrado o resultado experimental do efeito piezelétrico direto. O diafragma foi apoiado sobre uma mesa, e com as luzes apagadas, para facilitar a visualização do brilho emitido pelo LED, pequenas batidas foram dadas sobre o material piezelétrico. A luz emitida foi produzida por pequenas batidas no transdutor que, devido a esse estresse mecânico, gerou eletricidade para alimentar a fonte de luz. Figura 3: Efeito direto do material piezelétrico visualizado através do LED O efeito reverso Para a constatação do efeito reverso, variou-se a intensidade da tensão elétrica no transdutor piezelétrico e, deste modo, o padrão de vibração das esferas também se alterou. O aumento do deslocamento das esferas teve relação direta com o aumento da intensidade da tensão aplicada ao transdutor. Cabe destacar que, por ser um ensaio dinâmico, que envolve percepção de movimento, a prática pedagógica é melhor alicerçada em produção de vídeos, como realizado no projeto de extensão Uso do diafragma piezelétrico para detecção de dano estrutural A técnica da impedância eletromecânica tem como objetivo realizar diagnóstico de danos por meio da extração da curva de impedância de um transdutor que é acoplado em uma estrutura. O diagnóstico de falha se dá por efeito comparativo, ou seja, a impedância é extraída quando a estrutura está íntegra e o dano é identificado quando essa assinatura apresenta mudanças. Na Figura 4 é ilustrado o aparato experimental utilizado para a extração da curva de impedância de uma estrutura considerada íntegra.

8 Figura 4: Sistema de detecção de dano: (1) estrutura, (2) software e (3) sistema de aquisição de dados do transdutor. Na Figura 5 são apresentadas duas curvas de impedância extraídas quando a estrutura não apresentava danos e após a inserção de uma falha. Figura 5: Impedâncias elétricas para a estrutura com e sem dano. Por comparação direta, pode-se verificar as divergências entre as curvas de impedância devido a presença de um dano estrutural. No caso de grandes estruturas, uma gama de sensores é empregada para que a detecção e localização do dano sejam efetivas, conforme é apresentado na Figura 6.

9 Figura 6: Sistema para localizar danos com a estrutura em estado íntegro Além disso, na prática, os sistemas tecnológicos devem se valer de técnicas pedagógicas que auxiliem as pessoas a interpretarem facilmente os resultados externados por dispositivos e softwares. Por exemplo, é comum que a quantificação de um dano seja realizada por meio de índices estatísticos que, muitas vezes, podem ser complexos para uma pessoa fora da área em questão. Neste caso, a localização de falhas se dá por meio da avaliação desses índices estatísticos cujos valores externados se relacionam com a proximidade do dano ao sensor. Com a finalidade de contornar essa dificuldade devido à complexidade de análise para um leigo, desenvolveu-se técnicas visuais que relacionaram cores com os valores dos índices estatísticos de dano. Deste modo, a condição estrutural é diagnosticada por um mapa de cores em que o dano é localizado mediante a mudança no padrão de cores, conforme é ilustrado na Figura 7. Figura 7: Tela de software do sistema para localizar danos. (a) estrutura íntegra e (b) dano localizado pela região laranja. (a) (b)

10 Na Figura 7(a) é ilustrada em tela a estrutura por meio de um retângulo cinza, cor que representa a ausência de dano na área em questão. Após a incidência de um dano na parte superior direita da estrutura, o mapa de cores produz uma área de cor quente, indicando a ocorrência de uma falha nessa região como indicado na Figura 7(b). 5 Conclusão Este artigo teve como objetivo demonstrar partes dos resultados obtidos do projeto de extensão que é executado no Laboratório de Transdutores e Aquisição de Dados na Faculdade de Engenharia de Bauru da Unesp. Atualmente, a disseminação de uma tecnologia se esbarra, muitas vezes, em sua complexidade teórica. Em muitos casos, o desafio é aliar práticas pedagógicas que convirjam em um entendimento didático de uma determinada tecnologia, tornando factível sua aplicação e disseminação pela sociedade. No artigo em questão foram apresentadas metodologias didáticas para explicar as tecnologias associadas ao efeito piezelétrico. Foram utilizadas técnicas visuais que simplificaram o entendimento dos fenômenos em questão. Além disso, paralelamente, foram elaborados vídeos explicativos que, posteriormente, serão publicados em meios digitais. Tomando como base os resultados obtidos, surge a possibilidade de aplicações das técnicas expostas neste trabalho em escolas de ensino fundamental e médio com intuito de se promover a disseminação dessas tecnologias. Referências bibliográficas ANNAMDAS, V.; BHALLA, S.; SOH, C. Applications of structural health monitoring technology in Asia. Structural Health Monitoring, v. 16, n. 3, p , COLLINS, A. HALVERSON, R. Rethinking education in the age of technology: the digital revolution and schooling in America. New York: Teachers College Press, CURITIBA. Curitiba estuda instalação de piso gerador de energia em ciclovias. Agência de Notícias da Prefeitura Municipal de Curitiba, Curitiba, PR, 09 Out HE, X.; XU, W.; LIN, N.; UZOEJINWA, B.; DENG, Z. Dynamics modeling and vibration analysis of a piezoelectric diaphragm applied in valveless micropump. Journal of Sound and Vibration, v. 405, p , KUDELA P.; RADZIENSKI, M.; OSTACHOWICZ, W.; YANG, Z. Structural health monitoring system based on a concept of Lamb wave focusing by the piezoelectric array. Mechanical Systems and Signal Processing, v. 108, p , LE, S.; HEGAB, H. Investigation of a multistage micro gas compressor cascaded in series for increase pressure rise. Sensors and Actuators A: Phys., v. 256, p , 2017.

11 LI, H.; REN, L.; JIA, Z.; YI, T.; LI, D. State-of-the-art in structural health monitoring of large and complex civil infrastructures. J. Civ. Struct. Health Monit., v. 6, n. 1, p. 3 16, PARIS, N. Commuters' footsteps power part of train station. The Telegraph, REVISTA ISTOÉ. Energia limpa sob nossos pés. Tecnologia & Meio ambiente, Edição nº 2500, 21 Jan REYNOL, F. Geração de energia piezoelétrica: passos que iluminam. FAPESP na Mídia, 13 Abr SWINDELL, P.; DOYLE, J.; ROACH, D. Integration of structural health monitoring solutions onto commercial aircraft via the Federal Aviation Administration Structural Health Monitoring Research Program. AIP Conference Proceedings 1806, , ULKIR, O.; ERTUGRUL, I.; ALVEROGLU, A. Energy production in public transport using piezoelectric material. International Journal of Scientific Research Engineering & Technology, v. 5, n. 12, p , VISALAKSHI, T.; BHALLA, S.; GUPTA, A. Monitoring early hydration of reinforced concrete structures using structural parameters identified by piezo sensors via electromechanical impedance technique. Mechanical Systems and Signal Processing, v. 99, p , WANG, J.; GUO, J. Damage investigation of ultra high performance concrete under direct tensile test using acoustic emission techniques. Cement and Concrete Composites, v. 88, p , 2018.