65ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 2. Ensino de Física

METODOLOGIA EXPERIMENTAL PARA ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE UM SISTEMA MASSA-MOLA UTILIZANDO A PLATAFORMA DE PROTOTIPAGEM ARDUINO E FOTOSENSORES

Leonardo Augusto Casillo - Prof. M. Sc./Orientador – Depto. De Ciências Exatas e Naturais – UFERSA Alessandro Muras de Oliveira Pino - Universidade Federal Rural do Semiárido – UFERSA Efraim Naassom Helem Dantas Rodrigues - Universidade Federal Rural do Semiárido – UFERSA Danielle Simone da Silva Casillo - Profa. Dra. /Orientadora – Depto. De Ciências Exatas e Naturais – UFERSA Lázaro Luis de Lima Sousa - Prof. M. Sc. /Orientador – Depto. De Ciências Exatas e Naturais - UFERSA

INTRODUÇÃO:

Existem poucos trabalhos que oferecem metodologias experimentais de baixo custo para a medida da posição de um corpo em relação a um referencial. Um dos sistemas mais simples e de grandes aplicações na física é o estudo de sistemas oscilantes e periódicos, como exemplo o sistema massa-mola. Para analisar o movimento de uma massa oscilante, é utilizado um circuito com fotosensibilidade acoplada à plataforma de prototipagem Arduino. Esta plataforma eletrônica é open source e open hardware, e possibilita a interação com sensores e atuadores, sendo capaz de operar de forma autônoma ou em conjunto com um computador. A partir da medição da intensidade luminosa captada por um sensor LDR (Light Dependent Resistor) durante o movimento oscilatório, e da captação dos dados pelo Arduino, pode ser obtida a relação, de forma precisa, entre a posição do LDR, em função do tempo, a uma fonte luminosa.

OBJETIVO DO TRABALHO:

O objetivo do trabalho é medir a distância através de um sistema massa-mola com um sensor LDR acoplado ao corpo, direcionado a uma fonte luminosa por meio da variação de sua luminosidade. Esse estudo terá o comportamento do sistema massa-mola como parâmetro, para validação dos resultados comprovando a eficiência do método.

MÉTODOS:

Para o desenvolvimento deste experimento foi montado um sistema massa-mola físico posicionado na vertical, uma plataforma Arduino, um circuito contendo um divisor de tensão composto por um LDR e um resistor de 10 KOhms, e um computador para aquisição e tratamento de dados. O Arduino recebe o valor de luminosidade do LDR a partir do divisor de tensão e envia os dados ao computador por uma interface serial simulada através de uma porta USB. O movimento do corpo é dado a partir de dois parâmetros: posição e tempo. A posição do corpo é obtida por meio do conversor Analógico/Digital do Arduino de 10 bits, e o tempo é medido em milissegundos por meio de um temporizador integrado. Inicialmente foi realizada a calibração do sistema com a leitura da tensão em diferentes alturas do sensor com relação à fonte luminosa, verificando a proporcionalidade entre estas medidas. Após a calibração, o corpo é deslocado de sua posição de equilíbrio, movido para baixo e liberado, para que iniciasse sua oscilação verticalmente. Em seguida, foi realizada a leitura dos dados coletados pelo sensor. A intensidade luminosa diminui com a distância em relação à fonte. Como existe uma relação entre a luminosidade e a resistência do LDR, é possível relacionar a distância com a medida realizada pelo Arduino.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

A calibração da posição do LDR varia de forma linear em relação à distância da fonte luminosa. Esta função é utilizada para as medições realizadas quando a massa é solta e deixada oscilar livremente na vertical. As medidas de posição, com intervalos temporais de aproximadamente 50 ms, comportaram-se de forma senoidal em função do tempo. Através de um software gráfico é feito o ajuste desta variação, e este retorna com uma expressão com valores característicos da descrição do sistema oscilante. Esta equação contém as informações necessárias para a localização da massa em qualquer tempo, a partir de parâmetros simples como a frequência e a amplitude. Para o experimento desenvolvido e as medidas coletadas pelo Arduino para uma massa oscilante de 72 g, o sistema oscila com amplitude de 1,52 cm em torno da posição de equilíbrio localizada a 4,32 cm da fonte luminosa. Esta massa executa, aproximadamente, duas voltas completas a cada segundo, valor relacionado diretamente às propriedades da mola e a quantidade de massa oscilante.

CONCLUSÕES:

É possível utilizar o sensor LDR para medir a distância entre um corpo acoplado a um sistema massa-mola e uma fonte luminosa com precisão. Trata-se de um sistema de baixo custo que permite a leitura correta do Movimento Harmônico Simples de um corpo. A análise dos dados demonstrou que o sistema físico utilizando a plataforma Arduino possibilita a criação de aplicações que vão além da medição de ausência ou presença de luz em um determinado ambiente, ao mesmo tempo em que os resultados do experimento permitem validar computacionalmente os valores encontrados analiticamente a partir de equações da física.

Palavras-chave: Massa-mola, Arduino, LDR.