Arduíno no ensino de física - João Cláudio Nunes Cavalho - Ifce

Arduíno no ensino de física
Prof. João Cláudio Nunes Carvalho

A relevância do laboratório de ciência é inquestionável pelos professores, pois a prática experimental consolida a aula teórica, extrapolando a abstração dos conceitos e relações estabelecidas durante a exposição teórica de um conteúdo. Em virtude desta importância, as discussões sobre o tema têm conduzido algumas pesquisas sobre o laboratório didático de Ciências, surgindo classificações quanto ao método empregado. Filho (2000), apresenta algumas concepções relativas à organização das práticas experimentais nos laboratórios de ciência.

Como uma alternativa de baixo custo para experimentos de física, temos o uso do Arduíno:

Arduino, por vezes traduzida ao português como Arduíno,[2] é uma plataforma dehardware livre, projetada com um microcontroladorAtmel AVR de placa única, com suporte de entrada/saída embutido e uma linguagem de programação padrão,[3] na qual tem origem em Wiring, e é essencialmente C/C++.[4] O objetivo d…

Uso do luxímetro - João Cláudio Nunes Carvalho

INTRODUÇÃO


O acelerado crescimento tecnológico que estamos vivenciando traz dia após dia novidades que prometem facilitar a execução de tarefas diárias em menos tempo ou de maneira mais prática e precisa. Diariamente observamos nos veículos de comunicação novos produtos que trazem recursos que chamam a atenção do público consumidor neste sentido de praticidade e facilidade, bem como na segurança e durabilidade. O aparelho celular é um dos símbolos dessa nova “sociedade tecnológica” onde seus recursos audiovisuais e design estão em constante evolução por parte das empresas com seus desenvolvedores observando sempre as necessidades e desejos dos consumidores.
Segundo Barros (2011), um smartphone (“telefone esperto”, em tradução livre) é um híbrido entre celular e computador. Não tem o hardware potente de um computador, mas também não é tão simples quanto um telefone celular qualquer. Eles englobam algumas das principais tecnologias de comunicação um único local: internet, GPS, e-mail, SMS, mensageiro instantâneo e aplicativos para muitos fins. Embora o incentivo ao consumo faça com que as pessoas busquem sempre ter o melhor smartphone, seus recursos, por mais simples que sejam, nem sempre são aproveitados como deveriam. O sensor infravermelho de um smartphone, por exemplo, pode ser utilizada como um recurso de sala pelo professor de física do ensino básico em uma aula de ótica para medir a iluminância de qualquer ambiente ou superfície na ausência de um aparelho de captação de luz real e devidamente calibrado
O luxímetro é um instrumento de medida de iluminância ou fluxo luminoso, que capta a quantidade de luz em uma determinada área. Sua unidade é o lux (lumens por metro quadrado).  O fluxo luminoso é medido em lumens (símbolo lm), que corresponde à propagação de luz em um cone de 1 esferorradiano (medida de ângulo sólido em forma de cone de símbolo sr) emitido por uma fonte pontual de intensidade 1 candela. Candela, por sua vez, é a medida de percepção da potência emitida por uma fonte luminosa em uma direção. Segundo Boivin, Gaertner e Gignac (1987), a última resolução do Bureau International des Poids et Mesures em 1979 a unidade Candela (de símbolo cd) é definida da seguinte forma: a intensidade luminosa emitida por uma fonte, em uma dada direção, de luz monocromática de frequência 540 x 10¹² Hz e cuja intensidade de radiação em tal direção é de 1/683 watts por esferorradiano.
De forma simples, é possível enriquecer uma aula fazendo uso do smartphone, fazendo “quebrar a rotina” de utilizar o aparelho apenas como ferramenta de entretenimento ou para suprir necessidades simples do dia-a-dia como efetuar e receber ligações. Ramos (2012) ressalta que “os aparelhos eletrônicos em sala de aula são um convite à distração, durante as aulas, utilizados em excesso por muitos alunos e muitas vezes prejudicam o aprendizado”. Para Vieira, Lara e Amaral (2014):
Os smartphones e tablets, tão difundidos hoje em dia, podem servir como computadores pessoais e instrumento de medida direta de grandezas físicas importantes no ensino de física. Estes aparelhos possuem diversos sensores que podem ser usados para medir aceleração, velocidade angular, intensidade sonora, campo magnético, posição (através de GPS) e intensidade luminosa.
No estudo da Física, a carência de recursos em sala de aula na escola ou universidade pode ser um fator determinante para uma desmotivação na aprendizagem do aluno. Portanto, a necessidade do professor buscar um meio simples e de fácil manuseio pode facilitar o processo de ensino-aprendizagem. Para que tal recurso seja utilizado de forma satisfatória é importante ressaltar que o luxímetro efetua a medida de fluxo luminoso de forma essencialmente eficaz ao passo que o sensor infravermelho, que não foi construído para este fim, não obtém uma medida igualmente eficaz.
A medida da intensidade luminosa através do smartphone e através do luxímetro é feita de igual maneira: apenas posicionando o aparelho de forma que o vetor intensidade luminosa e vetor fluxo luminoso esteja antiparalelo com o vetor área dos captadores de imagem do aparelho de maneira que a luz refletida pela superfície ou ambiente a ser medido seja captado de forma precisa.
Conhecer o funcionamento de aparelhos de medição de grandezas físicas faz parte do currículo do estudante de Física do nível superior nas disciplinas relacionadas à Física Experimental. O objetivo geral aqui é compreender os limites da eficiência de seu sensor infravermelho de proximidade por meio de medidas de intensidade e densidade luminosas, assim como comparar este resultado com aqueles obtidos por meio do uso de um luxímetro. Como objetivo específico temos o incentivo ao uso do smartphone como recurso didático afim de obter uma aprendizagem significativa para o aluno.


2.1 INTENSIDADE LUMINOSA

Quando as dimensões de uma determinada fonte de luz são muito pequenas quando comparadas a distância entre a fonte e um receptor ou aparelho captador desses raios de luz, pode-se admitir, de forma aproximada, que a fonte luminosa é pontual. Pode-se testar os limites de validade dessa aproximação e determinar o quanto diminui a intensidade e o fluxo de luz que chega a um determinado ponto ou uma determinada área, aumentando-se a distância entre a fonte emissora de luz e o medidor, mantendo a potência emitida pela fonte constante. É importante ressaltar que essa fonte emite luz em todas as direções de maneira uniforme, portanto, o problema permite que usemos a simetria esférica.
Ao longo deste trabalho vamos mostrar, por meio de um experimento de fácil execução que a intensidade da luz varia com o quadrado da distância. Em diversos fenômenos físicos, observa-se algo similar, como por exemplo: na lei de Coulomb da força elétrica   , na qual a força de interação (atração ou repulsão) entre duas cargas elétricas puntiformes diminui em módulo com o quadrado da distância entre elas. A mesma característica pode-se observar também na Lei da Gravitação Universal  , na qual diz que duas partículas quaisquer se atraem por meio de uma força que é diretamente proporcional às massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.
A Lei do Inverso do Quadrado da Distância se aplica de forma geral em fenômenos que envolvem força, ou energia irradiada de uma fonte pontual. Sendo a área superficial de uma esfera 4πR² proporcional ao quadrado do raio, assim que uma radiação emitida se afasta da fonte, sua intensidade deve cair e se espalhar em uma área proporcional com o quadrado da distância dessa fonte.
Outros exemplos de fenômenos conhecidos no âmbito escolar nas quais a Lei do Inverso do Quadrado da distância se aplica pode ser citada é na intensidade de Campo Elétrico E ⃗=1/(4πε_0 )  q/d^2  , Lei de Coulomb da Força Elétrica F ⃗=1/(4πε_0 )  (q_1 q_2)/d^2 , Lei da Gravitação Universal F ⃗=G Mm/d^2 , etc.
Sabemos que a luz é uma onda eletromagnética, e é capaz de transportar energia. Segundo Okuno e Vilela (2005) o fator de transporte de energia de uma onda eletromagnética é calculado através do Vetor de Poynting (S ´),S ⃗=1/μ_0  E ⃗×B ⃗, em homenagem à John Henry Poynting (1852-1914), cujo módulo é igual a energia propagada por unidade de área na unidade de tempo. O sentido deste vetor determina o sentido da propagação da luz irradiada ponto a ponto.
O fator de transporte de energia é relacionado com o valor médio da potência Pot (energia por intervalo de tempo) dissipada em uma determinada região de área A em um intervalo de tempo t determinado. Por meio de uma análise dimensional pode-se facilmente deduzir que a unidade S ⃗ no SI é W/m².
S=(Pot/A)_t
Como este fator de transporte de energia nada mais é do que a intensidade de energia transportada, podemos chegar à relação que a intensidade I é proporcional à potência da onda emitida por uma fonte pontual em uma região de superfície esférica de raio r e área 4πr^2 do ponto medido até a fonte.
I=Pot/(4πr^2 )
Com base na equação acima chegamos à conclusão teórica que a intensidade da radiação eletromagnética emitida por uma determinada fonte pontual cai com o quadrado da distância r da determinada fonte. A figura 1 mostra uma representação esquemática de uma fonte luminosa emitindo um cone de luz em todas as direções. Podemos observar a densidade superficial de raios diminuindo de forma inversamente proporcional à distância R e r da fonte. A iluminância no plano distante r da fonte é maior que a iluminância no plano distante R da mesma fonte.
Figura 1: Representação esquemática de um cone de luz advindo de uma fonte que emite igualmente em todas as direções

Fonte: VIEIRA, LARA e AMARAL, 2013, p.2.

2.2 FUNCIONAMENTO DO LUXÍMETRO

O luxímetro possui um princípio de funcionamento simples: envolve um sensor esférico de captação, na qual a luz irá incidir sempre de forma perpendicular ao sensor e direcionar os raios a um segundo sensor localizado no centro da esfera, que irá fazer a média de todas as contribuições de fluxo de luz no plano escolhido para a medição captados por cada ponto da esfera; o cálculo é feito através de um algoritmo no pequeno núcleo de processamento incluso no aparelho, então o valor obtido é mostrado em um display na tela principal.
A medição feita pelo luxímetro é baseada em plano de observação (sobre uma mesa, em relação à uma parede, por exemplo). Desta forma a medida de fluxo luminoso em uma sala iluminada por uma fonte no centro do plano superior, por exemplo, irá variar à medida que se distancia do centro da sala.

2.3 COMO FUNCIONA O SENSOR INFRAVERMELHO DE UM SMARTPHONE

Como afirma Alves (2013), também chamado de “sensor de proximidade”, o sensor infravermelho do smartphone tem um princípio de funcionamento simples que se aplica a vários outros aparelhos da mesma natureza, tais qual: portas automáticas, sensores de ré para automóveis, interruptores à base de presença, etc.
O método do funcionamento do sensor se baseia na reflexão de raios de luz infravermelha emitidos pelo próprio sensor à uma superfície ou área qualquer ao seu alcance. O sensor recebe os raios infravermelho refletidos pela superfície ou área alcançada, acionando seu circuito elétrico de funcionamento. O sensor mede a distância à partir do cálculo da frequência de raios infravermelho recebido pelo sensor. O sensor do smartphone é plano, o que pode dificultar a precisão das medições por interferência de fontes externas de luz ou fontes de calor que alteraram a medida precisa de luminosidade. A precisão do sensor infravermelho do smartphone é maior para distâncias curtas e pouca luminosidade.

2.4 FUNCIONAMENTO DO APLICATIVO LUXÍMETRO OUROLUX

O aplicativo disponível no repositório Google Play Store, para smartphones Android é o Luxímetro Ourolux (o aplicativo está disponível para download em https://play.google.com/store/apps/details?id=br.luximetro&hl=pt_BR).
O aplicativo funciona trabalha em conjunto com o sensor infravermelho presente no smartphone e baseado na emissão e reflexão de pulsos de luz infravermelha emitida pelo sensor. É realizado o cálculo em um algoritmo de conversão semelhante ao que controla automaticamente o brilho da tela presente na maioria dos smartphones atuais que, para o fim específico do aplicativo, determina a medida de iluminância no plano de observação em lumens (lm), cujo vetor-área é perpendicular ao sensor.

3 COLETA E ANÁLISE DOS DADOS

3.1 Coleta dos Dados

O meio utilizado na coleta dos dados foi um experimento executado no laboratório de Física do Campus Acaraú do IFCE utilizando um luxímetro devidamente calibrado com leituras na graduação de 10³ lux e um software simulador de luxímetro utilizado em um smartphone Motorola® modelo Moto G 2nd Gen™ com o seu calibrador ligado em -30 %, reduzindo ruídos e interferências.
As condições iniciais do laboratório foram: horário de 17:40 h às 18:20h e intensidade luminosa local de 50 lux, que foi o fator utilizado para margem de erro de interferência de 50 lux para mais ou para menos. Para tal, o experimento consistiu em capturar a intensidade luminosa emitida de uma fonte de luz posicionada em um local definido como origem em distâncias medidas com uma fita métrica variando de 10 cm à 140 cm utilizando tanto o luxímetro quanto o software em condições iguais de tempo de captura e distância da fonte. Os dados coletados foram armazenados em uma planilha que plota um gráfico I x D, onde I é a intensidade luminosa e D a distância do aparelho captador à fonte de emissão de luz.
As fontes de luz utilizadas para fator de comparação de eficiência dos medidores foram: lâmpada incandescente, lâmpada fluorescente, lâmpada dicroica e luz emitida por uma vela. Todas as medições aconteceram em condições iniciais iguais (com exceção à medição da iluminância da luz de vela e lâmpada dicroica) e feitas repetidas vezes afim de diminuir o desvio padrão de cada medição. Para simular uma situação de medição real de iluminância, foi utilizada em uma das medições uma lente semitransparente de lustre utilizada em iluminação doméstica.

3.2 Análise dos dados

Os dados coletados trouxeram dados importantes para esta pesquisa. As iluminâncias captadas tanto pelo luxímetro quanto pelo smartphone em função da distância da fonte pontual foram armazenadas em uma planilha que, através do software Microsoft Excel 2013 foram plotadas em um gráfico mostrando a medida da iluminância em função da distância tanto para o luxímetro, quanto para o smartphone.
As leituras de iluminância das luzes de lâmpada dicroica e de vela foram obtidas em horário noturno, visando uma melhor captação da iluminância total em uma região distante da fonte com interferência de luz ambiente reduzida, com iluminância local de 2 lux. O motivo desta escolha foi que estas fontes são as de menor e maior potência da luz emitida. Os gráficos obtidos à partir dos dados coletados das medidas tanto com interferência de luz ambiente (50 lux) quanto com interferência reduzida (2 lux) serão discutidos no próximo capítulo.
As iluminâncias captadas com interferência de luz ambiente tiveram pouca variação nos intervalos entre cada medida. De maneira natural, a leitura de iluminância diminuiu a cada instante em que a iluminância local diminuía (no caso das medições feitas com interferência de luz ambiente inicial de 50 lux). Em contraste, as medidas das iluminâncias captadas em horário com pouca luz ambiente (horário noturno e iluminância local de 2 lux) tiveram pouquíssima variação nos intervalos das medidas (2 lux para mais ou para menos) o que promoveu uma análise mais precisa da eficiência do captador de iluminância do software do smartphone em relação ao luxímetro.
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS

Os resultados obtidos de cada medição no luxímetro e no smartphone serão apresentados em forma de gráfico (x,y) onde o eixo das ordenadas será a medida da iluminância em lux e o eixo das abscissas será medida da distância da fonte em cm à partir de 10 cm.
O gráfico 1 apresenta a iluminância em função da distância em cm da luz de uma lâmpada incandescente lidas pelo luxímetro e pelo smartphone. A curva apresenta que a intensidade da luz por unidade infinitesimal de área diminui em função do quadrado da distância. Pode-se notar uma diferença significativa nas leituras feitas pelos instrumentos. A alta iluminância obtida pelo smartphone para pequenas distâncias da fonte luminosa se deve ao calor dissipado pela lâmpada, uma vez que o sensor do smartphone capta radiações infravermelhas.
Gráfico 1: Iluminância de uma lâmpada incandescente em função da distância

O gráfico 2 apresenta a iluminância em função da distância em cm da luz de uma lâmpada fluorescente captadas pelo smartphone e luxímetro. A curva mais suavizada apresenta que a intensidade da luz por unidade infinitesimal de área diminui em função do quadrado da distância de igual forma, porém com uma iluminância maior em comparação com a lâmpada incandescente. Pode-se notar também que a partir dos 40 cm as leituras da iluminância dos dois instrumentos passam a apresentar leituras discrepantes, porém ainda diminuindo com o quadrado da distância.
Gráfico 2: Iluminância de lâmpada fluorescente em função da distância

O gráfico 3 apresenta a leitura da iluminância em função da distância em cm da luz de uma lâmpada dicroica captada pelo luxímetro e smartphone em horário noturno. A iluminância da lâmpada dicroica apresenta uma potência por unidade de área significativa, porém a iluminância também diminui com o quadrado da distância tal qual as leituras obtidas das lâmpadas anteriores. Comparando as leituras de iluminância do smartphone e do luxímetro, não se observa uma grande diferença nas leituras. Isso se deve ao fato que a lâmpada dicroica não é uma lâmpada de calor e possui na sua composição um material refletivo o que proporciona um aumento na potência de luz emitida e um alcance maior, consequentemente maior iluminância.
Gráfico 3: Iluminância de Lâmpada Dicróica em função da distância

O gráfico 4 apresenta a leitura da iluminância em função da distância em cm da luz de uma vela captada pelo luxímetro e smartphone em horário noturno e sala escura. As leituras de iluminância obtidas caíram significativamente, porém a curva apresentada nos traz o mesmo aspecto comparado com as outras fontes: iluminância em elemento infinitesimal de área caindo com o quadrado da distância. A iluminância da vela é significativa para distâncias de até 30 cm como pode-se observar no gráfico 4 abaixo.
Gráfico 4: Iluminância de Luz de vela em função da distância

O gráfico 5 apresenta a leitura da iluminância em função da distância em cm da luz de uma lâmpada fluorescente através de uma lente semitransparente de um lustre captadas pelo smartphone e luxímetro. As leituras obtidas tiveram uma ligeira queda em comparação à leitura da mesma lâmpada sem a lente, porém a área de luminosidade devido a presença da lente é maior. A queda significativa na leitura do luxímetro em comparação ao smartphone não foi observada na presença da lente. As curvas apresentadas tem a mesma característica dos resultados obtidos anteriormente.
Gráfico 5: Iluminância de lâmpada fluorescente através de lente semitransparente em função da distância


As leituras obtidas tiveram características similares e proporcionais à potência de cada emissor de luz, seja utilizando o software presente no smartphone, seja nas medidas feitas no luxímetro. A diferença apreciável de valores leitura na lâmpada incandescente era previsível em virtude da forma como o smartphone capta luz e sofre interferência quando o sensor infravermelho está próximo a uma fonte emissora de calor em forma de radiação infravermelha.
A resposta dada pelo smartphone quando as leituras foram feitas à partir da emissão de luz de lâmpada fluorescente foram relativamente similares às medidas obtidas no luxímetro, o que indica baixa discrepância de leitura quando a luz provém de uma fonte que emite pouco ou nenhum calor. Esta perspectiva traz um resultado interessante: para medidas de luz proveniente de lâmpadas fluorescentes em um ambiente amplo a medida obtida no smartphone tem eficiência próxima à do luxímetro, mas nunca igual por razões práticas: o sensor do smartphone não possui como função principal a medição de iluminância, mas sim de captação de radiação infravermelha refletida por uma superfície onde os raios infravermelhos foram emitidos pelo próprio sensor.
Um resultado importante foi obtido quando a leitura foi feita à partir da lâmpada fluorescente com uma lente semitransparente de um lustre comum. A iluminância do ambiente foi reduzida, porém a área de alcance foi maior. Este fenômeno foi observado devido à propriedade semitransparente da lente que permitiu que parte dos raios de luz atravessassem-na refratados pelo material que a compões fazendo-os alcançar uma área maior porém com iluminância menor devido a queda na densidade de raios de luz por metro quadrado.
A mesma resposta de baixa interferência e pouca disparidade nas leituras do smartphone e luxímetro foi observada quando a iluminância da vela foi medida no laboratório, na qual a vela acesa foi a única fonte de luz no interior do ambiente com pouca interferência de iluminância externa (2 lux). O resultado obtido foi satisfatório pois indica que para baixas intensidades luminosas, ou seja, com pouca luz ambiente, a diferença na leitura entre o luxímetro e o smartphone não é alta, sendo então possível utilizar o recurso como um medidor com boa eficiência na falta de um aparelho luxímetro no laboratório.
As curvas apresentadas em cada gráfico reforça a Lei do Inverso do Quadrado da Distância para irradiações de luz. Desta maneira, a leitura da iluminância cai de forma inversamente proporcional ao quadrado da distância entre a fonte de luz e o captador de maneira válida tanto para o smartphone quanto para o luxímetro. Esta curva característica foi observada em todas as leituras de iluminância pelo smartphone e luxímetro em um plano à partir de todas as fontes de luz utilizadas na pesquisa conforme pode-se observar nos gráficos apresentados na seção anterior.
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A partir dos resultados obtidos na pesquisa, pode-se concluir que o objetivo proposto que foi comparar a eficiência do software do smartphone para medir iluminância frente ao luxímetro foi alcançado com êxito. A pesquisa traz um ganho de conhecimento satisfatório no tocante à compreender a importância do estudo da Física da iluminância e entender a necessidade de uma boa iluminação em um ambiente, seja para a leitura, seja para um fotógrafo capturar melhores detalhes ao tirar uma foto.
. Os recursos presentes nos smartphones podem ser melhor explorados pelo professor e instigar os alunos a aprenderem melhor um determinado conteúdo como o de iluminância que foi apresentado neste trabalho. Pudemos constatar também que através de uma experiência simples pode-se provar a Lei do Inverso do Quadrado da Distância e esta metodologia é aplicável em uma aula experimental e o resultado pode ser satisfatório para o professor. Vale ressaltar que a eficiência da medição do smartphone é sempre menor que a de qualquer aparelho medidor de luz, conforme mostrado no trabalho.
Podemos concluir também que eficiência da leitura do software aplicado no smartphone comparada ao luxímetro é aceitável, porém sempre com leituras acima do normal, para algumas fontes luminosas e ambientes. Foi observado também que para baixas luminosidades a eficiência da leitura do smartphone é maior que para altas luminosidades. No entanto, para lâmpadas que dissipam calor a eficiência da leitura do smartphone frente ao luxímetro torna-se menos relevante para distâncias curtas da fonte.
O aparelho smartphone está em constante evolução e melhoria de suas especificações e esse fator é fundamental na projeção de como utilizá-lo como recurso didático, não só nos conteúdos que envolvem simetrias esféricas mas também distâncias, intensidades ou temperaturas em aulas de Física no  futuro.













REFERÊNCIAS

RAMOS, Márcio Roberto Vieira. O uso de tecnologias em sala de aula. Revista Eletrônica: Ensino de Sociologia em Debate/LENPES-PIBID DE Ciências Sociais. Edição, n. 2. UEL, 2012.

VIEIRA, Leonardo Pereira; LARA, Vitor de Oliveira Moraes; AMARAL, Dayanne Fernandes. Demonstração da lei do inverso do quadrado com o auxílio de um tablet/smartphone. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 36, n. 3, p. 1-3, 2014.

GODINHO, M. da S. et al. Classificação de refrigerantes através de análise de imagens e análise de componentes principais (PCA). Quim. Nova, v. 31, n. 6, p. 1485-1489, 2008.

DARTORA, César Augusto. O Teorema de Poynting e Conservação da Energia. UFPR, 2012. Disponível em: . Acesso em 10 de julho de 2015. 

OKUNO, Emico; VILELA, Maria Apparecida Constantino. Radiação ultravioleta: características e efeitos. Editora Livraria da Fisica, 2005.

BOIVIN, L. P.; GAERTNER, A. A.; GIGNAC, D. S. Realization of the New Candela (1979) at NRC. Metrologia, v. 24, n. 3, p. 139, 1987.

ALVES, Paulo. Como funcionam os sensores de proximidade. 2013. Disponível em: Acesso em 03 de Novembro de 2015.

BARROS, Thiago. O que é smartphone e para que serve. 2011. Disponível em: Acesso em 17 de Dezembro de 2015.

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