Desenvolvimento de atividades (simuladores) com o gnuplot

É bastante comum encontrar tutoriais na web sobre o uso mais simplificado do gnuplot. Cite-se por exemplo (GALO, 2017) que possui na web material de apoio (Introdução ao software). A maior parte desses tutoriais apresentam somente os principais comandos do gnuplot e exemplos de gráficos em duas e três dimensões, e algumas aplicações de uso na formatação de gráficos a partir de dados experimentais. Assim, conhecemos poucos materiais que mostram atividades usando o gnuplot no desenvolvimento de atividades mais elaboradas, como por exemplo, simuladores virtuais para o ensino de Física. A seguir mostramos alguns dos trabalhos desenvolvidos, dando destaque às atividades realizadas no Instituto Federal de Ciência e Tecnologia - IFMA, de São Luís, no curso de licenciatura em Física que possui dois trabalhos de conclusão de curso e uma dissertação no programa de pós graduação do curso, a nível de mestrado (MNPEF).

Um trabalho publicado por (GIROTO et al., 2017) no Caderno de Física da UEFS, em 2017, é discutido a viabilidade de uso do gnuplot, como uma ferramenta no ensino de Física, em atividades experimentais no laboratório de Física. Nesse trabalho, os autores apresentam as principais características do programa, e em seguida, destacam a possibilidade do gnuplot vir a ser uma excelente ferramenta no processo de análise e/ou determinação de parâmetros físicos a partir da leitura de dados obtidos em experimentos de Mecânica, elaborados em laboratórios de ensino de Física. A aplicação do gnuplot se deu no processo da linearização do período versus comprimento de um pêndulo simples, com o objetivo de determinar, de forma bastante próxima, o valor da aceleração gravitacional a partir dos dados obtidos no experimento pêndulo simples. Num segundo experimento, o do sistema massa-mola, conseguiram, por análise linear dos dados obtidos nos experimentos, determinar o valor

aproximado da constante elástica da mola.

O segundo trabalho também se trata de um artigo. Esse publicado por (DASGUPTA, 2012) naLatin-American Journal of Physics Education, em 2012. Nesse trabalho são apresen-tados pequenos scripts programáveis, baseados em funções matemáticas, que exemplificam a produção de gráficos animados como um recurso didático a auxiliar e complementar o processo de ensino e aprendizagem de Física. Nesse artigo, é fácil identificar que os recursos de programação utilizados na época, não eram os mesmos disponíveis nas versões mais recente do software gnuplot.

Além desses dois artigos, destacamos os trabalhos desenvolvidos no departamento de Física do IFMA, especificamente, no Campus do Monte Castelo, que são considerados raros nessa vertente de usar o software gnuplot como uma excelente ferramenta na prepara-ção de objetos de aprendizagem, tipos os simuladores virtuais, como materiais instrucionais de grande valia a facilitar o processo de ensino e aprendizagem no ensino de Física. Em um primeiro trabalho (TCC) intitulado deAplicações do software gnuplot no ensino de Física, (CARVALHO, 2017), apresenta o desenvolvimento de três aplicativos computacionais, tipo simuladores virtuais de sistemas físicos, por intermédio do gnuplot, e fornecem sugestões de uso nos diferentes níveis de ensino de Física.

Seguindo a linha de construção de simuladores de Física como material instrucional ao ensino de Física tem-se o trabalho intituladoSimulação de movimento em uma e duas dimensões utilizando o software gnuplotde autoria de (SOARES, 2019) onde são construídos dois aplicativos que simulam o movimento de partículas sobre o efeito de forças dissipativas.

Nesse segundo trabalho, as simulações computacionais dos sistemas físicos são descritas por equações diferenciais de modo que a modelagem desses sistemas podem ser analisados em situações próximas do comportamento real. A título de informação, os dados numéricos obtidos das resoluções numéricas das equações diferenciais foram determinados segundo as iterações do método de Euler e de Runge-Kutta de 4^aordem.

Por último, destacamos a dissertação desenvolvida por (SOARES, 2020) intitulada Simulações computacionais por intermédio do gnuplot como recurso didático para o ensino de Física, cujo propósito principal foi a construção de um material potencialmente significativo para auxiliar professores e alunos do primeiro ano do Ensino Médio. Nesse trabalho, foi disponibilizado três aplicativos, tipo simuladores virtuais, que permite trabalhar todos os conceitos e propriedades acerca dos movimentos unidimensionais, que segundo a pesquisa, os resultados foram bastante satisfatórios, uma vez que se mostrou de grande eficácia ao

que se propôs, aumentando consideravelmente o interesse e o entendimento dos alunos pelo conteúdo ministrado.

Como uma animação pode ser vista como uma sequência de imagens concebi-das uma após a outra, em intervalos de tempos infinitesimais, que objetivam simular um movimento (ou um evento) real (GRANDI; MENEZES, 2003), finalizamos esse capítulo, apresentando uma estrutura de script no gnuplot que pode ser utilizada na preparação de animações de sistemas ou fenômenos físicos. Vale salientar que, no caso de sistemas dinâmicos, para a visualização de objetos em movimentos é necessário o conhecimento das principais relações matemáticas que descreve a sua evolução e das condições iniciais do problema. Assim, apresentamos essa estrutura genérica definida por blocos de instruções, de maneira esquemática.

BLOCO 1- Entrada de Parâmetros e de Condições Inicias

BLOCO 2- Definição das Expressões Físicas envolvidas no Problema BLOCO 3- Definição das Escalas e dos Objetos Envolvidos na animação

# Discretização do Parâmetro Tempo

# Estrutura de Repetição para Gerar Sequências de Imagens do for[k=1 : N] {

set multiplot; # Divisão da tela em sub-áreas BLOCO 4- Apresentação dos Valores dos Parâmetros no instante - t BLOCO 5- Exibição do Objeto Móvel no instante - t

set parametric; # Gráficos definidos por funções paramétricas BLOCO 6- Apresentação dos Gráficos no instante - t

t=t+dt; # Incremento no tempo

pause 0.05 # Pequena pausa

}

reread; # releitura e execução do script novamente

Para que os arquivos possam ser executados sem risco de terem seus códigos fontes alterados, provocando o mau funcionamento da animação, é interessante dividir o arquivo fonte em dois arquivos: um arquivo pequeno, de nome "Arquivo Inicializador"contendo

apenas as definições dos parâmetros de entrada e das condições iniciais, definidas no BLOCO 1 da estrutura genérica apresentada acima. E, o segundo arquivo, contendo todo o restante do código fonte. Salvando-o em extensão ^∗

.plt

, o mesmo não precisa ser modificado, e para o seu pleno funcionamento, basta que esteja na mesma pasta do Arquivo Inicializador. A interação entre esses dois arquivo é feita através do comando de carrega-mento

load

ou

call

. No presente trabalho, utilizamos um segundo programa, no caso o PowerPoint do pacote Office, para criar e executar o arquivo inicializador, por intermédio de janelas de diálogo, de modo a torná-lo mais seguros e de fácil uso, com uma grau maior de interatividade que é um fator importante no processo de aplicação em ambientes de ensino. Dessa forma, teremos três arquivos armazenados numa mesma pasta, a saber:

ARQUIVOS NA MESMA PASTA

Sendo que os dois primeiros são arquivos script do gnuplot, e o terceiro é um arquivo de apresentação do PowerPoint que tem o propósito de facilitar a alteração dos valores dos parâmetros de entrada e de ativar o arquivo inicializador do gnuplot. Esses dois arquivos do gnuplot salvos na extensão ^∗

.plt

são facilmente identificados na pasta através dos ícones.

Figura 9 – Ícones de arquivos scripts do gnupot.

Fonte – O autor, 2019

4 UM POUCO DA FÍSICA DAS ONDAS

No documento DE SITUAÇÕES SIMPLES EM ENSINO DE FÍSICA (páginas 35-39)