Mostra Nacional de Robótica (MNR) 1

O USO DE FOGUETES CONFECCIONADOS COM GARRAFA PET E DA PLATAFORMA ARDUINO VISANDO O ENSINO DE FÍSICA

Guilherme Souza Sales - 3° Ano do Curso Técnico em Informática Integrado ao Ensino Médio1,

Arthur Ferreira Medeiros 1, Matheus Ribeiro Alff1, Érico Kemper1,

Silvia de Castro Bertagnolli2, Patrícia Nogueira Hübler2 1,2 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL

Rua Dra. Maria Zélia Carneiro de Figueiredo, 870 CEP 94412-240 – Canoas – RS

Resumo Este trabalho tem como objetivo a transformação de um foguete confeccionado com garrafa PET em um artefato robótico. O foco do foguete é servir de material pedagógico complementar, para auxiliar o Ensino de Física, mas especificamente, os conceitos de aceleração, velocidade e aerodinâmica. O trabalho descreve o processo de criação do foguete, seu hardware, e detalhar como os dados obtidos durante os lançamentos são armazenados em um cartão SD, para serem analisados posteriormente. O hardware é baseado na plataforma Arduino, que foi programada para controlar um acelerômetro, que coleta os dados da aceleração, e um módulo SD, para a escrita dos dados no cartão. O circuito montado foi colocado em uma cápsula impressa em uma impressora 3D e foi alimentado usando uma bateria de 9 volts. Os lançamentos do foguete foram realizados com sucesso, a cápsula protegeu o circuito e os dados foram salvos no cartão e puderam ser lidos. Atualmente, estão em andamento a plotagem do gráfico e a organização dos dados obtidos com os lançamentos.

Palavras Chaves: Foguetes de Garrafas PET, Ensino de Física, Robótica Educacional.

Abstract: This work aims to transform a rocket made from PET bottle in a robotic device. The focus of the rocket is to serve as supplementary teaching materials to assist the Physical Education, but specifically, the concepts of acceleration, speed and aerodynamics. The work describes the process of creating the rocket, your hardware, and detail how the data obtained during the releases are stored on an SD card, to be analyzed later. The hardware is based on Arduino platform, which is programmed to control an accelerometer, collecting the acceleration data, and an SD module for writing data on the card. The assembled circuit was placed in a hard capsule on a 3D printer and is powered using a 9 Volt battery. The rocket launches were carried out successfully, the capsule protected circuit and the data saved on the card and could be read. Currently they are in progress the chart plotting and organizing data obtained with the launches.

keywords: Rocket PET bottles, Physical Education, Educational Robotics.

1 INTRODUÇÃO Este trabalho tem origem no projeto de pesquisa “A robótica como ferramenta para qualificar o ensino no IFRS Campus Canoas”, o qual tem como um dos objetivos desenvolver soluções que utilizem a Robótica Educacional (RE) e que possam demonstrar como conceitos de algumas áreas podem ser demonstrados de forma prática e real. O uso da RE foi escolhida como abordagem pedagógica, porque quando integrada de modo multidisciplinar aos conteúdos de um currículo permite ao aluno atuar de forma mais autônoma e ativa no processo de construção do conhecimento [Fornaza e Webber, 2014].

A RE propicia ainda o desenvolvimento de várias habilidades não previstas nos currículos tradicionais, como o trabalho em equipe, o que é muito importante para alunos de cursos técnicos. Além disso, ela permite ao aluno analisar uma situação ou problema real e verificar como ele pode ser resolvido. Ela favorece a aprendizagem contextualizada à realidade da sala de aula ou do próprio aluno.

Para iniciar o desenvolvimento do trabalho foram utilizados dados coletados com aproximadamente 250 alunos dos cursos técnicos do IFRS Campus Canoas, que apontou as áreas em que os alunos apresentavam maior dificuldade de aprendizagem, dentre as quais se destacou a área de Física.

O segundo passo foi definir qual tipo de dispositivo robótico seria utilizado e qual unidade de aprendizagem poderia ser abordada. Assim, com base nas proposições de Fornaza e Webber [2014] pensou-se em elaborar um objeto que viabilizasse a aprendizagem baseada na resolução de problemas “[...] Identificar quais problemas são mais propícios a suscitar determinadas aprendizagens é uma tarefa importante.” As argumentações de Schivani, Brockington e Pietrocola [2013] também influenciaram na escolha do objeto a ser elaborado “[...] ao se explorar o uso efetivo da robótica no ensino de Física é preciso a criação de atividades que possam minimamente relacionar os conhecimentos físicos a serem ensinados com os elementos intrínsecos a essa tecnologia”.

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Com base nessas argumentações, os envolvidos com o trabalho resolveram que a unidade de aprendizagem que deveria ser abordada seria o conteúdo de aceleração e que o artefato robótico mais adequado para abordar esse conteúdo seria um foguete.

A escolha da aceleração como tema central deve-se ao fato que este é um conteúdo que envolve certo nível de abstração, o que acaba dificultando o aprendizado dos alunos. Além da aceleração é possível utilizar o dispositivo par abordar conceitos vinculados com velocidade e aerodinâmica. Já a definição do foguete como objeto foco deve-se ao fato de que o professor de física da Instituição desenvolve oficinas de construção e lançamentos de foguetes de garrafa PET (Poli-tereftalato de etileno). Isso que acabou se tornando uma oportunidade de integrar as áreas de Informática e Física, bem como uma possibilidade de validação do trabalho aqui apresentado.

Para desenvolver o foguete foram utilizadas garrafas PET e a plataforma Arduino, a qual possibilitou a inclusão de um módulo acelerômetro para realizar as medições, bem como um módulo de cartão SD (Secure Digital) ao circuito, para gravar os dados dos lançamentos e manipulá-los posteriormente, através de gráficos plotados com ferramentas específicas.

Observa-se que para o funcionamento do sistema é essencial ter a plataforma Arduino, mas também o acelerômetro que, por ser capaz de mostrar as forças obtidas nos três eixos (X, Y e Z), facilita a compreensão de vários conceito.

Ao longo do desenvolvimento do projeto foi necessário utilizar softwares de modelagem 3D para a criação de uma cápsula capaz de proteger o circuito de possíveis danos com a queda do foguete. A modelagem desta cápsula foi realizada com a ferramenta GoogleSketchUp e a peça foi impressa com a utilização de uma impressora 3D, utilizando, assim, conceitos estabelecidos pelos Fab Labs (Fabrication Laboratories) [Eychenne e Neves, 2013].

Espera-se que com o foguete seja possível compreender esses conceitos de forma prática e simplificada. Além disso O processo de confecção do foguete e o próprio lançamento, são atividades lúdicas que motivam os alunos a se empenharem, assim aproximando-os da área de Física.

O artigo foi organizado em três seções, sendo que na seção 2 é abordado o trabalho proposto em nível de hardware (plataforma Arduino, o funcionamento do acelerômetro e do módulo de cartões SD). Na seção 3, são apresentados os materiais e métodos que embasaram o funcionamento do foguete e alguns das motivações usadas para desenvolver o trabalho. Na seção 4, são apresentados alguns dos testes realizados, e modificações na solução para se obter os resultados. Por fim, a seção 5 que detalha as conclusões obtidas e possíveis alterações futuras no foguete.

2 TRABALHO PROPOSTO: O HARDWARE A plataforma Arduino é baseada em prototipagem eletrônica e foi desenvolvida em 2005 na Itália. Ela tem sido muito utilizada para o desenvolvimento de soluções em diversas áreas do conhecimento, desde automação, eletrônica até educação. Neste último caso, ela tem sido utilizada para a construção de robôs ou artefatos robóticos que complementam a aprendizagem [McRoberts, 2011].

A vantagem da placa Arduino, de acordo com McRoberts (2011), é a sua facilidade de uso e aprendizado. Uma pessoa

que não é da área técnica pode aprender rapidamente o básico e fazer seus próprios projetos.

A placa utiliza o microcontrolador Atmega, o qual possui microprocessador, memória e periféricos de entrada e saída. Ela possui vários pinos digitais e analógicos, que são usados para ligar e desligar componentes acoplados à placa. Toda a placa é programada usando uma linguagem de programação semlhante à linguagem C [McRoberts, 2011].

A Figura 1 ilustra a placa Arduino Uno que será utilizada no desenvolvimento do presente trabalho.

Figura 1 – Placa Arduino Uno

O acelerômetro é um dispositivo eletrônico muito usado atualmente, principalmente em celulares e em alguns videogames. Ele é usado para calculando a posição do dispositivo, viabilizando assim identificar/reconhecer qual movimento o usuário do dispositivo está realizando.

O funcionamento do acelerômetro é baseado no cálculo/medidas realizado sobre as forças de aceleração que são aplicadas em um corpo em relação à gravidade. Essas forças são divididas em eixos. No caso deste trabalho foi utilizado um acelerômetro de três eixos (X, Y e Z).

Para o foguete foi necessário o uso desse tipo de acelerômetro porque durante o voo podem ocorrer muitas variações. Caso fosse utilizado um dispositivo baseado somente dois eixos (equivalentes a altura e distância do voo) os dados só seriam realmente úteis se o foguete voasse sem fazer nenhuma curva em sua trajetória, o que é realmente muito difícil de acontecer. Assim, com o acelerômetro de três eixos as medições tornam-se muito mais precisas

A Figura 2 ilustra o acelerômetro (Módulo Acelerômetro de 3 eixos - MMA7361) selecionado para acoplar ao foguete em desenvolvimento.

Figura 2 - Acelerômetro selecionado para o trabalho

Os dados obtidos com o uso do acelerômetro durante o lançamento do foguete devem ser salvos para uma análise posterior. Um modo simples e barato de guardar essas informações é gravá-las em um cartão SD. Assim, foi utilizado o módulo de leitura e gravação SD, o modelo escolhido foi o TF_PUSH SD (Figura 3).

Figura 3 - Módulo TF_PUSH SD

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Um dos desafios enfrentados ao implementar essa parte do trabalho foi encontrar um cartão compatível com o módulo SD. Isso porque, o cartão SD precisa ser formatado no formato FAT (File Allocation Table), e nem todo cartão funciona com este tipo de formatação. Foi utilizado um cartão micros de 16 Gb da Sandisk com um adaptador. A biblioteca utilizada no código para escrever no cartão foi a “SD.h”, que é distribuída junto com a IDE (Integrated Development Environment) de programação Arduino. Na Figura 4 é ilustrado o circuito construído e conectado à placa Arduino.

Figura 4 - Gravando dados no cartão SD usando a Arduino.

3 MATERIAIS E MÉTODOS O foco do trabalho é possibilitar aos alunos uma visão prática do que realmente ocorre no processo de aceleração, para compreenderem de maneira mais eficiente esse conteúdo. Assim, foi escolhida a plataforma Arduino, principalmente por que com a adição de somente um módulo acelerômetro e um modulo de cartão SD é possível realizar todas as medições desejadas.

O modulo de cartão SD, foi necessário para gravar os dados obtidos pelo acelerômetro. Com o uso do cartão, também foi possível criar backups e organizar os dados obtidos nos lançamentos e nos diversos testes. Além de passar os dados para um computador capaz, de mostrar o gráfico que representa o voo realizado.

O foguete de garrafa PET foi escolhido por que já havia o projeto, de um professor de física da Instituição, que utilizava esses objetos para ensino de física na prática. Desse modo, o presente trabalho auxilia a visualização da aceleração em formato de gráfico. Esse tipo de foguete é muito barato e simples de ser construído, o que faz com que mais pessoas possam usar as ideiais abordadas por este trabalho. Além disso, um ponto forte dos foguetes de garrafa PET é que o material usado é reciclado.

Cabe observar ainda que, todo o processo de construção do módulo Arduino que é acoplado ao foguete está documentado e em breve será disponibilizado em um repositório de objetos de aprendizagem para robótica educacional, o qual está sendo desenvolvido por outro projeto de pesquisa. Através desse repositório qualquer pessoa poderá baixar as documentações vinculadas à solução e reproduzir/modificar/melhorar a solução proposta e que está depositada lá.

A Figura 5 esquematiza o foguete acoplado a base de lançamento. A partir da Figura 5 pode-se realizar duas observaões: (i) há uma pequena garrafa dentro do foguete, que compreende o paraquedas do foguete, o qual tem como função reduzir a velocidade da queda e a força de impacto do foguete com o solo; (ii) a cápsula do Arduino não está inserida dentro do goquete, porque esse foi um voo de teste de funcionamento do foguete e de seu paraquedas.

Figura 5 - Foguete montado na base.

O combustível usado na maioria dos foguetes é vinagre combinado com bicarbonato de sódio, quando essas duas substâncias entram em contato há uma reação muito forte, a pressão gerada é muito alta e quando chega no nível correto da mistura o mecanismo é ativado, liberando gás carbônico e impulsionando o foguete para o voo.

Porém, nos testes realizados por este trabalho optou-se por outro combustível, a água pressurizada, ao invés de vinagre e bicarbonato. Essa forma de combustível tem um efeito quase equivalente ao vinagre e é utilizado o mesmo processo de pressão. Optou-se por este tipo de combustível, pois se acreditava que o vinagre poderia danificar o circuito eletrônico.

Observa-se que no processo de lançamento do foguete, é possível ver a 3ª lei de Newton sendo aplicada a, ela estabelece que toda força aplicada recebe uma força igual no sentido contrário.

A aerodinâmica é uma característica importante para que o foguete tenha uma velocidade e uma distância de voo maior. Dessa forma, o mlehor formato para que o foguete tenha melhor a aerodinâmica é o de cone. Esse formato faz com que o ar seja direcionado, diminuindo o atrito e o arrasto, onde arrasto compreende a força de fricção e de pressão gerado pelo deslocamento de ar. As aletas também tornam a estrutura do foguete mais aerodinâmica e são parte importante do foguete, elas são peças de material maleável e resistente colocadas na base do foguete, no caso deste trabalho as aletas foram desenvolvidas com plástico reciclado. Sua principal função é estabilizar o voo, sem as elas, o movimento seria muito irregular, devido ao atrito causado pelo ar (Souza, 2007).

Para que o circuito sofresse o mínimo de danos com o lançamento e, principalmente, com a queda do foguete, foi desenvolvida uma cápsula capaz de proteger o circuito de possíveis impactos ocorridos durante o lançamento. Para isso foi usado o software de modelagem 3D Google SketchUp, e o modelo foi impresso em uma impressora 3D. Foi necessário modelar de modo que a peça se encaixasse exatamente na garrafa PET utilizada. Assim, a chance de um movimento muito brusco ocorrer diminui significativamente. Como ilustra a Figura 6 a cápsula é divida no meio formando duas partes da peça que se encaixam, deixando um espaço para o circuito no interior dela. O circuito foi parafusado à capsula para que ficasse ainda mais firme dentro do foguete.

Uma característica importante que também se pode observar na Figura 6 do circuito é a utilização da placa ilhada. Ela é parte importante do circuito já que foi utilizada para substituir a protoboard. Os componentes que fazem parte do circuito foram soldados na placa para que não caíssem durante o lançamento. Além disso, essa solução permitiu reduzir o peso e o espaço ocupado dentro da cápsula.

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Figura 6 - Cápsula com os componentes.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Primeiro, foram realizados os testes de funcionamento do ace-lerômetro. A montagem do circuito foi simples, a placa Ardui-no foi conectada ao módulo com alguns jumpers. A programa-ção foi feita com a biblioteca AcceleroMMA7361 e de uma maneira que os dados lidos pelo acelerômetro eram enviados diretamente para o monitor serial, sendo possível assim realizar a leitura dos dados gerados. O acelerômetro é muito sensível, por isso, baseado nos dados obtidos, cálculos foram feito para que a variação entre uma medida de aceleração e a seguinte fosse menor, assim pode-se ter uma melhor visualização dos dados. Ocorreram problemas relacionados à sua calibração, mas percebeu-se para calibrar era necessário alinhar o eixo X perpendicularmente à vertical. Os testes foram satisfatórios para a compreensão do funcionamento desse módulo.

Em seguida, foram realizados alguns testes com a placa Ardui-no e o modulo SD. Nos primeiros testes, deveriam ser gravados dados aleatórios de teste na placa. Quando no momento da montando o circuito observou-se que faltava um tipo de resis-tor, que foi substituído por um muito próximo. Nos testes se-guintes foram utilizados botões e potenciômetros para gerar dados inseridos no cartão. Foram encontrados problemas com a biblioteca SdFat, e passou-se a usar a biblioteca SD, as fun-ções foram substituídas e o circuito passou a funcionar como esperado.

Depois de realizar os testes dos dois principais componentes, o circuito final foi montado e os módulos soldados em uma placa ilhada, assim diminuindo o espaço ocupado na cápsula. Foram realizados testes no laboratório sem nenhum problema. Prepa-rou-se o circuito para os testes com o foguete. Para alimentar a placa e os módulos dentro da cápsula foi usada uma bateria de 9V. Observou-se que se a bateria ficasse muito tempo ligada poderia aquecer demais, além de gastar boa parte da energia. Para resolver o problema foi instalado um interruptor, dessa maneira ele era ligado ativando a bateria somente quando ne-cessário. Para evitar danos danos causados por impactos do lançamento o suporte da bateria e a placa dentro da cápsula foram parafusados. A partir desse momento o circuito estava pronto para ser lançado.

Os lançamentos ocorreram com ajuda do professor de Física. No primeiro deles, foi usado um objeto com peso similar à cápsula, para descobrir se o peso poderia ou não atrapalhar o voo do foguete. O tanque do foguete foi preenchido com água e o foguete foi acoplado à base de lançamentos, a pressão foi aumentada até, aproximadamente 100psi para que fosse possí-vel ter força o suficiente para lançar o foguete. O voo ocorreu

como esperado. No segundo lançamento, foi usada a cápsula com o circuito. O teste ocorreu como esperado, porém o cartão se soltou do módulo em algum momento do lançamento. Ao analisar os dados e as gravações, observou-se que os momentos mais prováveis para o cartão ter se soltado foram ao abrir o paraquedas no ar ou ao colidir com o chão. O circuito não sofreu nenhum dano maior. Outros lançamentos serão realiza-dos e será utilizada presilha para prender o cartão.

5 CONCLUSÕES O projeto foi desenvolvido utilizando a plataforma Arduino, ele é capaz de calcular, gravar e enviar dados de aceleração, facilitando o entendimento do conteúdo. Analisando os dados é possível perceber as forças aplicadas sobre o foguete, e ao analisar em conjunto a gravação do lançamento fica mais fácil perceber isso. Vários objetivos foram atingidos com o anda-mento do trabalho, mas se acredita que seria interessante modi-ficar alguns pontos e refinar outros. Ainda está em estudo uma maneira funcional de gerar um gráfico de aceleração, pois até o momento todas as tentativas realizadas não representam bem o teste realizado com o foguete.

Um ponto positivo encontrado neste trabalho é o fato de que é muito barato produzir o foguete, já que são usadas garrafas PET, facilmente encontradas. E os componentes eletrônicos utilizados são facilmente encontrados. Outro aspecto que merece destaque é a disponibilização da solução no repositório de objetos de aprendizagem de robótica educacional que deverá ocorrer em breve.

AGRADECIMENTOS A equipe do projeto gostaria de agradecer ao IFRS Campus Canoas pelo apoio financeiro concedido ao projeto via AIPCT, e ao CNPq por financiar as bolsas PIBIC-EM dos alunos Guilherme Souza Sales e Arthur Ferreira Medeiros.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Eychenne, F; Neves, H. (2013) Fablab: A vanguarda da nova

revolução industrial. Editorial Fab Lab Brasil, São Pau-lo – SP.

Fornaza, R.; Webber, C. G. (2014) Robótica Educacional Aplicada à Aprendizagem em Física. RENOTE, Vol. 12, No. 1, julho.

Oliveira, S. A. M. (2008) Os Aspectos Físicos e Matemáticos do Lançamento do Foguete de Garrafa Pet. Projeto de Diplomação de Licenciatura em Física. Disponível em: < http://wp.ufpel.edu.br/pibid/files/2013/03/OS-ASPECTOS-F%C3%8DSICOS-E-MATEM%C3%81TICOS-DO-LAN%C3%87AMENTO-DO-FOGUETE-DE-GARRAFA-PET.pdf>. Acesso em: Março 2015.

Schivani, M.; Brockington, G.; Pietrocola, M. (2013). Aplicações da robótica no ensino de física: análise de atividades numa perspectiva praxeológia. Revista de Educación en Ciencias, Journal of Science Education, special issue - Vol. 14, pp. 32-36.

Souza, A. J. (2007) Um Foguete de Garrafas Pet. Física na Escola, São Carlos v.8, n.2, p. 4-11, out.

Souza F. J. (2009) Introdução Manipulação de Arquivos em C. Trabalho Individual – Universidade Federal Juiz de Fo-ra.