Videoanálise com o software livre Tracker no laboratório didático de Física:

movimento parabólico e segunda lei de Newton

BEZERRA, Arandi Ginane Bezerra Jr et al. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis, v.29, n.esp1, p. 469-490, set. 2012. Disponível

em: http://www.periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/2175-7941.2012v29nesp1p469. Acesso em: 15 abr. 2013.

OBJETIVO DO ARTIGO

• Neste trabalho, são apresentados resultados obtidos explorando o software livre Tracker, destinado à análise de vídeos de movimento quadro a quadro.

OBJETIVO DO ARTIGO

• O objetivo principal é demonstrar algumas potencialidades do uso do Tracker para o estudo do movimento em aulas de física.

• Neste artigo são analisados o movimento parabólico e a segunda lei de Newton.

INTRODUÇÃO

• Crescente interesse no uso da Tecnologias de Informação e Comuncação (TIC) no ensino de física.

• Uso das TIC colaborando com um aprendizagem mais efetiva e autônoma.

• Nesse sentido, é importante a realização de atividades experimentais significativas, mediadas por tais tecnologias.

INTRODUÇÃO

• O uso do computador como instrumento para aquisição de dados nos laboratórios didáticos tem sido amplamente explorado.

• Nesse contexto, a videoanálise apresenta grande potencial.

INTRODUÇÃO

• Videoanálise com o software tracker abre espaços para laborátorios não estruturados e atividades Predict – Observe –Explain (POE).

• Por ser um software livre, vai na contramão dos pacotes experimentais fechados, e do uso de “caixas pretas”.

INTRODUÇÃO

• Exemplos de formas de aquisição de dados de posição/tempo existentes.

FORMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS

FOTOGATES - Sensores fotoelétricos que medem a posição e tempo de um objeto em movimento e enviam estes dados para um computador. Fonte: http://www.inds.co.uk/education/sensors/photogate.htm

FORMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS

VIDEOANÁLISE – Coleta de dado utilizando vídeos ou imagens. Formas de uso de videoanálise: • Análise de fotografias digitais utilizando modo “burst"

(CATELI et al., 2009);

• Conversão de vídeos em VHS par vídeos digitais em AVI (BARBETA; YAMAMOTO, 2002);

• Uso de software livre TRACKER (BROWN; COX, 2009; OLIVEIRA et al., 2011).

TRACKER

• Tracker é um programa ligado ao projeto Open source Phisics (Davidson College) que cria programas abertos destinados ao ensino de física.

• Ele permite a análise de vídeos quadro a quadro, a partir de vídeos feitos como cameras digitais, web cams e celulares.

TRACKER

VANTAGENS DO TRACKER

Em relação aos outros métodos de videoanálise:

• Simplificação dos procedimentos e eliminação de tarefas intermediárias.

• O software Tracker identifica o número de quadros por segundo, bem como fornece valores de distância a partir de um padrão.

VANTAGENS DO TRACKER

• É adequado ao tempo e espaço onde ocorreria um aula de laboratório de física, ou mesmo como apoio a uma aula expositiva

• É um software livre, permitindo a distribuição gratuita, cópia, tradução para outros idiomas, etc.

VANTAGENS DO TRACKER

Em relação a aquisição de dados por fotogates:

• Não necessita de conhecimentos em eletrônica e programação, bem como não possui nenhum custo para aquisição de pacotes fechados de experimentos.

VANTAGENS DO TRACKER

• Não demanda circuitos eletrônicos, fios, conectores e interfaces que geram alguns pares ordenados;

• Pode gerar diversos pares ordenados, de acordo com a resolução da máquina.

• Ex.: Vídeo de 20 qps = 1 quadro a cada 0,05 s

DESVANTAGEM DO TRACKER

• Objetos com velocidades da ordem de dezenas de metros por segundos ficam borradas, requerendo câmeras com melhor resolução digital e encarecendo a realização dos experimentos.

PROCEDIMENTOS DE USO DO TRACKER

Basicamente consiste nas seguintes etapas:

• Organização do experimento;

• Filmagem do movimento de interesse;

• Transferência do arquivo de vídeo para o programa já instalado no computador;

• Marcação dos pontos de movimento do objeto quadro a quadro;

• Obtenção dos dados de posição e tempo.

PROCEDIMENTOS DE USO DO TRACKER

• Experimentos de queda livre demanda cerca de 5 minutos para ser realizado, e o processo de transferência e marcação dos pontos demora cerca de 10 minutos.

MOVIMENTO PARABÓLICO

MOVIMENTO PARABÓLICO

ETAPAS DO EXPERIMENTO • Montagem experimental realizada com a

participação dos alunos;

• A pista foi disposta de modo que o carrinho seja lançado numa trajetória paralela ao quadro;

• A câmera foi colocada a 5 metros paralelamente ao quadro para evitar erros de paralaxe;

MOVIMENTO PARABÓLICO

• A análise do movimento foi feita do ponto onde o carrino abandonou a pista até o ponto em que ele colide com a lousa.

• O carrinho executa um movimento parabólico, para o qual a resistência do ar pode ser desprezada.

MOVIMENTO PARABÓLICO

MOVIMENTO PARABÓLICO

• Dados da Posição Horizontal x Tempo

MOVIMENTO PARABÓLICO

• Dados da Posição Vertical x Tempo

MOVIMENTO PARABÓLICO

• Dados da Posição Vertical x Posição Horizontal

MOVIMENTO PARABÓLICO

• A análise dos dados é feita através da transferência dos valores para uma planilha eletrônica.

.

MOVIMENTO PARABÓLICO

RESULTADOS • Conduziu a resultados experimentais significativos

relacionados a conceitos como:

• Independência dos movimento vertical e horizontal;

• Compreensão da natureza parabólica do movimento;

• Equações horárias do movimento acelerado e movimento uniforme.

SEGUNDA LEI DE NEWTON

SEGUNDA LEI DE NEWTON

• Desprezando o atrito de rolamento e a massa da roldana, a análise deste movimento pelos procedimentos usuais envolvendo as Leis de Newton conduz a expressão da aceleração abaixo:

SEGUNDA LEI DE NEWTON

SEGUNDA LEI DE NEWTON

• Dados da Posição x Tempo do carrinho.

SEGUNDA LEI DE NEWTON

• Neste experimento, foram realizados dois procedimentos distintos para análise da segunda lei de newton.

• Primeiro – Massa suspensa variada, mantendo a massa do carrinho constante;

• Segundo – Massa suspensa constante e massa do carrinho variável.

SEGUNDA LEI DE NEWTON

• Tabela de dados da aceleração para diferentes valores da massa suspensa (M).

SEGUNDA LEI DE NEWTON

• Gráfico da Aceleração para diferentes valores da massa suspensa.

SEGUNDA LEI DE NEWTON

• Tabela de dados da aceleração para diferentes valores de massa do carrinho (m)

SEGUNDA LEI DE NEWTON

• Gráfico da Aceleração para diferentes valores da massa do carrinho.

SEGUNDA LEI DE NEWTON

• Observa-se na equação das retas um coeficiente linear negativo, associado às forças dissipativas (atrito, resistência do ar, etc).

• Reescrevendo a equação temos:

SEGUNDA LEI DE NEWTON

• Numa análise mais avançada, acrescentaria-se o movimento de rotação das rodas do carrinho e da polia.

• Neste caso, as massas da polia e das rodas do carrinho são muito menores que as demais massas envolvida.

• Logo, foram desprezados os efeitos de rotação no experimento.

DISCUSSÃO E CONCLUSÃO

• A realização dos dois experimentos e seus resultados sugerem a importância do software como passível de aplicação em sala de aula.

• Tracker adiciona qualidade e praticidade às aulas de física em comparação ao uso de fotogates. (não exige aparatos instrumentais complexos).

DISCUSSÃO E CONCLUSÃO

• Estimula os estudantes a realizar os experimentos fora do ambiente escolar e interagir mais com a disciplina de física.

• A dinâmica da aula permite incluir discussões sobre procedimentos e experimentais tratamento e análise de dados.

• Seu uso escolar encaixa-se no tempo disponível em aulas típicas de ensino médio (50 min);

DISCUSSÃO E CONCLUSÃO

• Em poucas semanas os usuários são capazes de empregá-los na realização de experimentos.

• Atualmente um projeto piloto está em andamento para utilizar o Tracker em aulas regulares de física em uma escola pública em Curitiba-PR.

Referências Bibliográficas

• BEZERRA, Arandi Ginane Bezerra Jr et al. Videoanálise com o software livre Tracker no laboratório didático de Física: movimento parabólico e segunda lei de Newton. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis, v.29, n.esp1, p. 469-490, set. 2012. Disponível em: http://www.periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/2175-7941.2012v29nesp1p469. Acesso em: 15 abr. 2013.

• BARBETA, V. B; YAMAMOTO, I. Desenvolvimento e utilização de um programa de análise de imagens para o estudo de tópicos de Mecânica Clássica. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 2, p. 158-167, 2002. Disponível em: http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1806-11172002000200012&script=sci_arttext . Acesso em: 15 abr. 2013.

• CATELLI, F; MARTINS, J. A.; SILVA, F. S. Um estudo de cinemática com câmara digital. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 32, n. 1, p. 1503(1-7), 2010. Disponível em: http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/321503.pdf. Acesso em: 15 abr. 2013.