CONSIDERAÇÕES FINAIS

O objetivo deste projeto foi buscar a melhoria do processo de ensino-aprendizagem no ensino de Física, tendo em foco o conteúdo de Movimento Circular e suas características através da robótica educacional. Assim, propomos um material voltado aos professores já em sala de aula, ou em formação, contendo todo o processo de montagem de um robô de baixo custo, que faz contato com o smartphone a partir do Bluetooth, a fim de estimular o aprendizado dos estudantes e elevar o grau de participação deles com o conteúdo que está sendo trabalho.

Com o desenvolvimento do presente trabalho, foi possível refletir com base nos resultados, sobre os desafios que foram enfrentados com a aplicação do produto, que existe a possibilidade de haver uma futura continuação desse, no intuito de aprimorar mais as metodologias já empregadas e também o material em si.

Ao analisar todo o processo, resultados e empecilhos vivenciados no decorrer do trabalho, constatou-se diversos aspectos a serem considerados; Quanto aos alunos, evidenciou-se a dificuldade em resolver os problemas sozinhos pelo fato de não serem tão autônomos em seu processo de aprendizagem, possivelmente, por consequência da sua convivência diária com aulas expositivas, sem muita interação com o que está sendo apresentado. Em contrapartida, eles procuraram se integrar ao processo que ocorria durante as aulas com o robô, conseguiram relacionar os conceitos abordados com o experimento; e alunos que geralmente se excluem nas aulas expositivas tiveram um grande nível de participação também. Dessa forma, constatou-se a falta de autonomia dos alunos, que ainda veem no professor a responsabilidade do seu grau de conhecimento, bem como o desejo por mudança no modelo de ensino e maior eficiência desse.

Ademais, no processo de efetivação do trabalho, as dificuldades se fizeram presentes, como foi abordado anteriormente, principalmente no que tange à quantidade de robôs. Essa experiência coloca em discussão a realidade do professor do sistema público de ensino brasileiro, possuidor de diversas limitações, versus a viabilidade do proposto neste trabalho, já que a obtenção da matéria-prima em quantidade funciona como um fator limitante, complicando sua efetivação no tocante à prática das escolas brasileiras. No entanto, ao longo do discutido, ficou claro a importância e a efetividade desse método de ensino, portanto, sugerem-se novas pesquisas que estudem a possibilidade de simplificar ainda mais a abordagem na utilização do robô para que a quantidade necessária seja reduzida em uma unidade por professor, adequando, assim, essa didática tão eficaz ao aspecto custo.

REFERÊNCIAS

ARAÚJO, Laís Baldissarelli de. Os três momentos pedagógicos como estruturantes de currículos. 2015. 150 f. Dissertação (Mestrado) – Curso de Programa de Pós-graduação em Educação em Ciências: Química da Vida e Saúde, Centro de Ciências Naturais e Exatas, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, 2015.

ARDUINO creat. Disponível em: https://www.arduino.cc Acesso em: 10 maio 2019.

DELIZOICOV, Demétrio. Concepção problematizadora do ensino de ciências na educação formal: relato e análise de uma prática educacional na Guiné Bissau. 1982. 227 f. Dissertação – Universidade de São Paulo, São Paulo, 1982.

DELIZOICOV, Demétrio. Conhecimento, tensões e transições. Tese (Doutorado) – FEUSP, USP, São Paulo, 1991.

HALLIDAY, David.; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física. São Paulo: LTC, 2016. v. 1.

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA (IBGE). Disponível em: https://www.ibge.gov.br/estatisticas/sociais/trabalho/17270-pnad-continua.html

=&t=downloads Acesso em: 22 jun. 2019.

MCROBERTS, M. Arduino básico. São Paulo: NovaTec, 2011. v. único.

MOREIRA, Marco Antonio. Grandes desafios para o ensino da física na educação contemporânea. Revista do Professor de Física, v. 1, n. 1, p. 1-13, 2017.

NUSSENZVEIG, H.M., Curso de física básica. São Paulo: Blucher, 2002. v. 1.

PAPERT, Seymour. A máquina das crianças: repensando a escola na era da informática. Porto Alegre: Artes Médicas, 1994.

PAPERT, Seymour. LOGO: computadores e educação. São Paulo: Brasiliense, 1986.

SANTOS, Flavia Rezende Valle dos; OSTERMANN, Fernanda. A prática do professor e a pesquisa em ensino de física: novos elementos para repensar essa relação. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 22, n. 3, p. 316-337, dez. 2005.

APÊNDICE A – TEXTO DE PROBLEMATIZAÇÃO INICIAL ESCOLA ESTADUAL ANTÔNIO GOMES

GRUPO DE PESQUISA PROMV1B

ESTUDO SOBRE AEROGERADORES DE EIXO HORIZONTAL Rotores de Eixo Horizontal

Os rotores de eixo horizontal são os mais comuns, e grande parte da experiência mundial está voltada para a sua utilização. São movidos por forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação (lift) e forças de arrasto (drag). Um corpo que obstrui o movimento do vento sofre a ação de forças que atuam perpendicularmente ao escoamento (forças de sustentação) e de forças que atuam na direção do escoamento (forças de arrasto). Ambas são proporcionais ao quadrado da velocidade relativa do vento. Adicionalmente, as forças de sustentação dependem da geometria do corpo e do ângulo de ataque (formado entre a velocidade relativa do vento e o eixo do corpo).

Os rotores que giram predominantemente sob o efeito de forças de sustentação permitem liberar muito mais potência do que aqueles que giram sob efeito de forças de arrasto, para uma mesma velocidade de vento.

Os rotores de eixo horizontal ao longo do vento (aerogeradores convencionais) são predominantemente movidos por forças de sustentação e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento. Tais rotores podem ser constituídos de uma pá e contrapeso, duas pás, três pás ou múltiplas pás (multivane fans). Construtivamente, as pás podem ter as mais variadas formas e empregar os mais variados materiais. Em geral, utilizam-se pás rígidas de madeira, alumínio ou fibra de vidro reforçada.

Figura 1 – Aerogerador de eixo horizontal

Quanto à posição do rotor em relação à torre, o disco varrido pelas pás pode estar a jusante do vento (down wind) ou a montante do vento (up wind). No primeiro caso, a “sombra” da torre provoca vibrações nas pás. No segundo caso, a “sombra” das pás provoca esforços vibratórios na torre. Sistemas a montante do vento necessitam de mecanismos de orientação do rotor com o fluxo de vento, enquanto nos sistemas a jusante do vento, a orientação realiza-se automaticamente.

Os rotores mais utilizados para geração de energia elétrica são os de eixo horizontal do tipo hélice, normalmente compostos de 3 pás, ou em alguns casos (velocidades médias muito altas e possibilidade de geração de maior ruído acústico) 1 ou 2 pás.

Pás, Cubo e Eixo

As pás são perfis aerodinâmicos responsáveis pela interação com o vento, convertendo parte de sua energia cinética em trabalho mecânico. Inicialmente fabricadas em alumínio, atualmente são fabricadas em fibras de vidro reforçadas com epoxi. Nos aerogeradores que usam controle de velocidade por passo, a pá dispõe de rolamentos em sua base para que possa girar, modificando assim seu ângulo de ataque.

As pás são fixadas através de flanges em uma estrutura metálica à frente do aerogerador denominada cubo. Essa estrutura é construída em aço ou liga de alta resistência. Para os aerogeradores que utilizam o controle de velocidade por passo, o cubo, além de

apresentar os rolamentos para fixação das pás, também acomoda os mecanismos e motores para o ajuste do ângulo de ataque de todas as pás. É importante citar que, por se tratar de uma peça mecânica de alta resistência, o cubo é montado de tal forma que, ao sair da fábrica, apresenta-se como peça única e compacta, viabilizando que, mesmo para os aerogeradores de grande porte, seu transporte seja feito sem a necessidade de montagens no local da instalação.

O eixo é o responsável pelo acoplamento do cubo ao gerador, fazendo a transferência da energia mecânica da turbina. É construído em aço ou liga metálica de alta resistência.

Figura 2 – Detalhe de um e um pátio com diversos modelos de pás

Transmissão e Caixa Multiplicadora

A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador. É composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e acoplamentos.

O projeto tradicional de uma turbina eólica consiste em colocar a caixa de transmissão mecânica entre o rotor e o gerador, de forma a adaptar a baixa velocidade do rotor à velocidade de rotação mais elevada dos geradores convencionais.

A velocidade angular dos rotores geralmente varia na faixa de 20 a 150rpm, devido às restrições de velocidade na ponta da pá (tip speed). Entretanto, geradores (sobretudo geradores síncronos) trabalham em rotações muito mais elevadas (em geral, entre 1.200 a 1.800rpm), tornando necessária a instalação de um sistema de multiplicação entre os eixos.

Mais recentemente, alguns fabricantes desenvolveram com sucesso aerogeradores sem a caixa multiplicadora e abandonaram a forma tradicional de construí-los. Assim, ao invés de utilizar a caixa de engrenagens com alta relação de transmissão, necessária para alcançar a

elevada rotação dos geradores, utilizam-se geradores multipolos de baixa velocidade e grandes dimensões.

Os dois tipos de projetos possuem suas vantagens e desvantagens e a decisão em usar o multiplicador ou fabricar um aerogerador sem caixa de transmissão é, antes de tudo, uma questão de filosofia do fabricante.

Figura 3 – Gerador conectado a caixa de engrenagens (vista à direita)

Gerador

A transformação da energia mecânica de rotação em energia elétrica através de equipamentos de conversão eletromecânica é um problema tecnologicamente dominado e, portanto, encontram-se vários fabricantes de geradores disponíveis no mercado.

Entretanto, a integração de geradores no sistema de conversão eólica constitui-se em um grande problema, que envolve, principalmente:

 variações na velocidade do vento (extensa faixa de rotações por minuto para a geração);

 variações do torque de entrada (uma vez que variações na velocidade do vento induzem variações de potência disponível no eixo);

 exigência de frequência e tensão constante na energia final produzida;

 dificuldade de instalação, operação e manutenção devido ao isolamento geográfico de tais sistemas, sobretudo em caso de pequena escala de produção (isto é, necessitam ter alta confiabilidade).

Atualmente, existem várias alternativas de conjuntos motogeradores, entre eles: geradores de corrente contínua, geradores síncronos, geradores assíncronos, geradores de comutador de corrente alternada. Cada uma delas apresenta vantagens e desvantagens que devem ser analisadas com cuidado na sua incorporação ao sistema de conversão de energia eólica.

CRESESB. Tipos de Aerogeradores para a geração de energia elétrica. Disponível em: http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&lang=pt&cid=231 Acesso em: 4 abr. 2019.

APÊNDICE B – PRODUTO EDUCACIONAL

ROTEIRO PARA EXPERIMENTOS SOBRE

MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME –

MCU – UTILIZANDO ROBÓTICA

EDUCACIONAL

Luiz Clementino Neto

Dr. Orivaldo Vieira de Santana Júnior

Apresentação

Um dos principais objetivos do desenvolvimento deste produto é mostrar uma nova alternativa para ajudar professores de física, e disciplinas afins, a definir as características do Movimento Circular, dando ênfase ao MCU através das aplicações, observações e análise de dados coletados durante o experimento, utilizando um pequeno robô em diferentes situações propostas e, a partir deste, identificar e determinar os conceitos básicos abordados em um MCU como, por exemplo, o período, frequência, velocidade tangencial e angular, aceleração centrípeta. Além disso, trabalha um pouco de análise vetorial aplicada a esse tipo de movimento com o principal auxílio da robótica educacional.

Também procura estimular o professor que deseja incorporar a experimentação atrelada às novas tecnologias em suas aulas e acompanhar as tendências da sociedade, e ter como consequência disso, uma maior aproximação dos alunos com a ciência, e em especial a Ciência Natural Física. Procura-se sempre mediar os conceitos teorizados, através de demonstrações, com a prática, promovendo a interação do aluno com o conhecimento a ser adquirido através deste experimento. Tirando os “holofotes” dos professores, que são geralmente, tidos como os detentores do conhecimento, e passar o papel principal desta trama de construção do conhecimento ao próprio aluno, assim, o professor terá seu papel de ser, realmente, o mediador entre os conhecimentos adquiridos de forma informal pelos alunos nos seu cotidiano e o conhecimento formal científico através da inserção da robótica no ensino de Física em geral.

Este produto está dividido em duas partes, que falam desde a montagem do robô, a utilização da plataforma Arduino e sua IDE, até sua aplicação no estudo e ensino do MCU. Procura facilitar a sua aplicação por aqueles que possuírem interesse na área, mas não possuem domínio sobre linguagem de programação, fornecendo os códigos utilizados para o funcionamento ideal do robô em questão.

Este material é de grande utilidade para os professores, pois o conteúdo presente neste documento poderá ser aplicado de forma fiel ao que foi demonstrado, ou, com mudanças

realizadas por quem for aplicá-lo, para melhor acompanhamento das necessidades presentes nas suas salas de aula.

SUMÁRIO Capítulo 1 – Arduino 58 1.1 Especificações do Arduino 59 1.1.1 Alimentação 59 1.1.2 Saídas de tensão 60 1.1.3 Pinagem do Arduino 60

Capítulo 2 – Montagem do robô 62

2.1 Montagem da estrutura 62

2.2 Da inserção do Arduino 68

2.3 Sensor reflexivo 71

2.4 Módulo Bluetooth 72

2.4.1 Pequeno circuito para a segurança do Bluetooth 74

Capítulo 3 – IDE do Arduino 75

3.1 Código necessários 76

3.1.1 Código 1 – MovimentoCircular.ino 76

3.1.2 Código 2 – Terminal.ccp 79

3.1.3 Código 3 – TerminalSerial.h 81

Capítulo 4 – Movimento Circular 86

4.1 Posição e deslocamento angular 86

4.2 Velocidade angular 86 4.3 Período (T) e Frequência (f) 87 Capítulo 5 – Experimentação 88 5.1 Materiais 89 5.2 Execução 89 5.2.1 Primeiro encontro 89 5.2.2 Segundo encontro 89 5.2.3 Terceiro encontro 91 Atividade 1 92 Atividade 2 94 Referências 95

CAPITULO 1 – O ARDUINO

Ouvimos falar ou lemos com frequência artigos que abordam as diversas aplicações do Arduino em projetos de automação de residências, como acendimento automático de lâmpadas, irrigação de jardins, abertura de portões e até mesmo seu uso mais refinado em projetos científicos mais elaborados, além de muitas outras finalidades. Mas o que é realmente o Arduino? Segundo a plataforma oficial do Arduino na internet,

O Arduino é uma plataforma eletrônica de código aberto baseada em hardware e software fáceis de usar. Placas Arduino são capazes de ler entradas – luz em um sensor, um dedo em um botão ou uma mensagem no Twitter – e transformá-lo em uma saída – ativando um motor, ligando um LED, publicando algo online. Você pode dizer à sua placa o que fazer enviando um conjunto de instruções para o microcontrolador na placa. Para isso, você usa a linguagem de programação Arduino (baseada em Fiação) e o Software Arduino (IDE), baseado em Processamento (arduino.cc, 2019). O seu nascimento se deu no ano de 2005, pelo italiano Massimo Banzi (e outros colaboradores), no Ivrea Interaction Design Institute, para ser uma ferramenta de prototipagem destinada a estudantes que não possuíam conhecimento em programação e eletrônica. Por essa simplicidade proposta em sua operação, em pouco tempo chegou a atingir uma grande gama de usuários, se adaptando a novas propostas de aplicações.

O hardware das placas Arduino é inteiramente de código aberto, assim dando a possibilidade de serem reproduzidas e modificadas de forma livre de acordo com as finalidades de seus usuários. Assim como o hardware, o seu software também é de código aberto, por isso a sua usabilidade aumenta, já que em todo mundo os usuários dessa placa estão compartilhando os trabalhos realizados com ela e inspirando cada vez mais a inovação de ideias.

O fato de essa placa ser inteiramente de código aberto, tanto seu hardware quanto seu software influenciam diretamente na sua procura, que aumenta cada vez mais, pois a construção livre dela tem como consequência o barateamento de seus terminais e seus componentes, como shields, sensores, motores e módulos.

A placa utilizada na construção do robô é a Uno R3, como pode ser observado na Figura 1.

Figura 1: Arduino UNO Rev 3

Fonte: arduino.cc, 2019.

Ela é ideal para aqueles que estão dando o primeiro passo em trabalhar com essa ferramenta.

1.1 Especificações do Arduino

Aqui nesta seção, nós iremos destrinchar um pouco o hardware da placa Arduino a ser utilizada neste trabalho. Especificaremos suas entradas e saídas e suas funções para melhor utilizá-lo.

1.1.1 Alimentação

A placa Arduino UNO Rev 3 pode ser alimentada de várias maneiras, sendo pela conexão USB ligada a um computador ou num power bank (bateria portátil), por uma fonte externa de tensão variável, ou por uma pilha 9V, através de um clip conector com entrada P4. A tensão mínima para funcionamento do Arduino é 5V. A partir do momento em que o valor dessa tensão ultrapassa o valor de 12V, o funcionamento da placa pode ser comprometido devido aos possíveis danos que possam ser causados em virtude de algum sobreaquecimento dos elementos que a compõem.

O circuito da entrada USB possui componentes que protegem a placa de algumas anormalidades na sua alimentação, assim evitando danos e garantindo seu funcionamento com segurança.

1.1.2 saídas de tensão

O Arduino nos dá a possibilidade de fornecer tensões de três maneiras através dos pinos 3.3V, 5V e o IOREF. Essas saídas servem para alimentar alguns componentes que necessitam dessa voltagem para funcionarem, como shields e afins. Já IOREF funciona como uma extensão do 5V e fornecerá o mesmo valor de tensão, porém com a diferença de que se pode medir se o microcontrolador está sendo alimentado por a tensão liberada.

Também podemos encontrar entre os pinos de saídas de tensão dois pinos denominados GND, que servem para fazer referência ao aterramento do circuito montado no projeto, eles não são individualmente referentes aos pinos de 3,3V ou 5V, ambos são interligados internamente. Ao total encontraremos três pinos com essa finalidade na placa.

Também temos presente próximo aos pinos de emissão de tensão o pino RESET, que tem como funcionalidade resetar o Arduino através de componente externo, um módulo, por exemplo um shield.

1.1.3 Pinagem do Arduino

O Arduino possui diversas entradas e saídas, usadas para conexões de módulos ou componentes externos, que são denominadas pinos, cada um desses pinos possui uma funcionalidade para a produção de projetos, e aqui iremos especificá-las.

Aqui neste texto, sempre que mencionar a palavra “Arduino”, estarei fazendo referência à placa Arduino UNO, que é utilizada em todo o processo de criação e desenvolvimento deste experimento.

Podemos observar que, para cada pino existente no Arduino, há uma nomenclatura ou identificação alfanumérica. Conhecer cada uma delas facilita a montagem do projeto de acordo com o software que foi desenvolvido no IDE Arduino, ou vice-versa, ou seja, a partir do projeto até desenvolvimento do software.

O hardware do Arduino, em sua composição, possui um microcontrolador ATmega328 e 14 portas digitais que podem ser utilizadas como entradas e saídas de dados – as portas superiores especificadas na Figura 2, de 0 a 13 – os pinos que à frente de suas identificações possuem este símbolo “~” (que representa corrente alternada) podem funcionar como saídas

analógicas (PDW) quando solicitadas. O microcontrolador também possui três portas destinadas ao aterramento da placa com a nomenclatura GND, uma que fica ao lado das portas digitais e duas entre os pinos de tensão.

Figura 2: Composição do Arduino UNO Rev 3

Fonte: internet, 2019

Também podemos encontrar seis portas analógicas no Arduino, partindo do A0 até A5. Os componentes da placa que estão enumerados na Figura 2 são as entradas de alimentação da placa. A entrada enumerada 5 é a entrada USB onde conecta a placa ao PC, é a partir desta em que os comandos desenvolvidos no IDE do Arduino são carregados à placa. Este também serve para fornecer a voltagem necessária para o funcionamento da placa quando conectada ao computador. Já a entrada enumerada 7, é a entrada específica para uma fonte externa de energia, com a ajuda de um adaptador clipe de bateria 9v com plug p4 para projetos externos, como poremos em prática neste produto.

É por meio de todas essas entradas e saídas que o Arduino possui, também com a ajuda de sensores, que ele se comunica com o mundo externo, mas todo esse processo de comunicação, interação com o meio externo, só é possível pela existência dos softwares desenvolvidos para esse fim.

2. MONTAGEM DO ROBÔ

Para a montagem do robô, serão necessários vários elementos que podem ser encontrados com abundância na internet e, dependendo da cidade de onde você esteja lendo este trabalho, tenha alguma loja física que os disponibilizem à pronta-entrega.

A seguir, a lista de materiais necessários para a construção desse robô:

 2 kits Motores DC 3V a 6V com Caixa de Redução e rodas;

 1 Arduino Uno Rev 3;

 1 Arduino sensor shield v5.0;

 1 módulo bluetooth HC-06;

 Miniplaca de ensaio 170 furos;

 1 sensor reflexivo fc-123;

 1 resistor 22 kohm;

 1 resistor 33kohm;

 12 cabos jumpers fêmea-fêmea;

 3 cabos macho-fêmea;

 clip de bateria 9v com plug p4;

 1 módulo Driver ponte H HG7881.

A seguir, será demonstrado o passo a passo da montagem de toda a estrutura desse robô, que servirá de ferramenta para o desenvolvimento das atividades experimentais propostas neste presente trabalho.

2.1 Montagem da Estrutura

Para a estrutura do robô, utiliza-se uma placa perfurada em mdf nesse modelo presente