Experimentos de Física com o Gravador do PC

1. Experimentos de Físicacom o Gravador do PC Carlos Eduardo Aguiar Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro Workshop Internacional sobre Objetos de Aprendizagem no Ensino de Ciências e Matemática – UFSCar – 2010

2. Resumo • O computador no laboratório didático • Aquisição de dados com a placa de som • Alguns experimentos usando áudio digital • Velocidade de uma bola de futebol • Velocidade do som • Queda livre • Ondas sonoras estacionárias • Coeficiente de restituição • Medida de frequência • Efeito Doppler na Fórmula 1 • Reverberação na sala de aula • Comentários finais

3. O computador no laboratório didático computador coletor de dados(data-logger) sensores

4. O computador no laboratório didático • Instrumento muito versátil. • Ótimo para medidas envolvendo: • tempos muito longos; • tempos muito curtos; • grandes quantidades de dados. • Torna mais simples realizar: • análises gráficas; • análises estatísticas; • modelagem matemática.

5. Data-loggers e sensores • Normalmente encontrados na forma de kits comerciais: pacotes com data-logger, sensores e programa de aquisição de dados. • Fabricantes: Vernier, Pasco, Picotech, Phywe, ... • Dispendiosos para a típica escola brasileira. Alternativas?

6. Alternativa 1: Construir seu próprio sistema de aquisição de dados Envolve: • Encontrar sensores apropriados; • Conectá-los a um conversor analógico-digital; • Escrever um programa de aquisição de dados. Meio complicado...

7. Alternativa 2: Aproveitar as interfaces já existentes no computador • Joystick • Mouse • Webcam (ou câmeras digitais) • Microfone (ou gravadores digitais) • ...

8. Microfone e Placa de Som microfone: “sensor” placa de som: “data-logger”

9. Microfone e Placa de Som Para que servem? • Experimentos envolvendo som (óbvio). • Cronômetro capaz de medir fração de milisegundo.

10. Gravadores digitais • Sensor e data-logger no mesmo instrumento. • Mais portátil e prático que o computador. • Gravações são facilmente transferidas para o PC. • Muitos alunos possuem um (como MP3 player).

11. Gravação e análise dos arquivos de áudio Audacity • Outros programas: Goldwave, CoolEdit, ...

12. Alguns experimentos de Física baseados em gravações digitais

13. D Com que velocidade você chutou a bola?

14. T chute batida na parede Com que velocidade você chutou a bola? • Elisa (14 anos) • T = 0,214 s • D = 2,5 m velocidade da bola V = D / T = 12 m/s = 42 km/h

15. Numa escola do Rio de Janeiro Aquisição de dados Análise dos dados netbook Marta Máximo Pereira, Colégio de Aplicação da UFRJ e CEFET-RJ

16. meninas meninos velocidade da bola (km/h) número de alunos altura do aluno (m) velocidade da bola (km/h) Resultados • Oportunidade para introduzir o tratamento estatístico de dados: • - Velocidade média, desvios em torno da média. • - Quem chuta mais forte? Correlação com características físicas pessoais (sexo, idade, tamanho, etc.).

17. Resumindo • Formalização do conceito de velocidade num contexto atraente aos alunos. • Medida impossível com cronômetro. • Motivação para análise estatística dos dados. • Ponto de partida para discussões da física do futebol: • a resistência do ar é importante a essas velocidades? • qual é a velocidade do pé logo antes do chute? Mais detalhes: C. E. Aguiar e M. M. Pereira, “Using the Sound Card as a Timer”, The Physics Teacher, a ser publicado (2010); arXiv:0908.1437

18. Medindo a velocidade do som(c/ Sérgio Tobias da Silva, PEF-UFRJ)

19. som entrano tubo som saido tubo Medindo a velocidade do som D = 4,97 m T = 0,0142 s Vsom = D / T = 350 m/s A 28 oC e 63% de umidade (condições locais) a velocidade do som é 349 m/s.

20. Concepções sobre a propagação do som • O som não se propaga (é parte do objeto sonoro). • O som é algo material, provido de substância e “ímpeto”, que se propaga pelo ar. • Som mais intenso propaga-se mais rapidamente. • O som “vai parando” à medida que se propaga. • Primitivas fenomenológicas: “ohmic p-prim”, “dying away p-prim” ?

21. O som se propaga? carro pára de buzinar carro começa a buzinar

22. O som se propaga? Sérgio Tobias da Silva, Colégio Pedro II, RJ

23. Som fraco anda mais devagar? Vsom = 350 m/s T = 0,0142 s mesma velocidade

24. Resumindo • Experimento fácil de montar e executar. • Método direto, conceitualmente simples: V = D / T . • Resultados extremamente precisos (erro <1%). • Os métodos usuais são baseados na observação de ressonâncias ou medidas do comprimento de onda: V = λ f . Complicados de montar e entender. • Métodos diretos já propostos usam dois microfones e exigem montagem de circuito especial. Mais detalhes: S. T. Silva e C. E. Aguiar, “Propagação do Som: Conceitos e Experimentos”, submetido ao XII EPEF (2010)

25. moeda tira de papel h Escutando a queda livre

26. Tempo de quedamedido: • t = 0,449 s • Queda livre: • h = 96,1 cm • g = 978,8 cm/s2 t pancada natira de papel moeda caino chão Escutando a queda livre

27. netbook Numa escola do Rio de Janeiro Aquisição de dados Análise dos dados Marta Máximo Pereira, Colégio de Aplicação da UFRJ e CEFET-RJ

28. Resultados g = 983 cm/s2 No Rio de Janeiro, g = 979 cm/s2 – erro de 0,4%.

29. Resultados com cronômetro g = 870 cm/s2 Difícil reconhecer a relação h x t. Erro em g da ordem de 10%.

30. Resumindo • Medida do tempo de queda livre com boa precisão. • Permite verificar que h = ½ g t2. • Determinação de g com erro inferior a 1%. • Cronômetros manuais  experimento muito precário.

31. O som no interior de tubos ressonantes(c/ Anderson Ribeiro de Souza, PEF-UFRJ) Tubo com extremidades abertas: deslocamentodo ar no modo fundamental

32. O som no interior de tubos ressonantes Qual é a intensidadedo som neste ponto? Tubo com extremidades abertas: deslocamentodo ar no modo fundamental

33. O som no interior de tubos ressonantes Qual é a intensidadedo som neste ponto? Tubo com extremidades abertas: pressãodo ar no modo fundamental

34. O som no interior de tubos ressonantes

35. O som no interior de tubos ressonantes Tubo com extremidades abertas.

36. O som no interior de tubos ressonantes 2º modo 3º modo

37. O som no interior de tubos ressonantes ladoaberto ladofechado Tubo com uma extremidade fechada: modo fundamental.

38. O som no interior de tubos ressonantes 2º modo ladoaberto ladofechado 3º modo Tubo com uma extremidade fechada.

39. Resumindo • Relação pouco intuitiva (diferença de fase de 90º) entre o deslocamento do ar e a pressão numa onda sonora. • Fonte de muita confusão entre os alunos (condições de contorno, por exemplo). • O que ouvimos: deslocamento ou pressão? • Método simples que permite mapear (com resultados “visuais”) a intensidade sonora no interior do tubo. Mais detalhes: A. R. Souza e C. E. Aguiar, “Observando ondas sonoras”, submetido ao XII EPEF (2010)

40. v’ v coefic. de restituição Berenice Abbott & PSSC Ouvindo o coeficiente de restituição

41. Altura após o quique da bola http://www.exploratorium.edu/baseball/bouncing_balls.html

42. Ouvindo o coeficiente de restituição

43. T3 T2 T1 Ouvindo o coeficiente de restituição Tn = tempo de vôo após o n-ésimo quiqueVn = velocidade logo após o n-ésimo quique

44. Ouvindo o coeficiente de restituição superbolaem granito = 0,9544 Vimpacto (4,9 m/s2) Tvôo

45. Resumindo • Medida simples do coeficiente de restituição. • Pode identificar a variação do coeficiente com a velocidade. • Permite uma determinação bastante precisa (~1%) da aceleração gravitacional. Mais detalhes: C. E. Aguiar e F. Laudares, “Listening to the coefficient of restitution and the gravitational acceleration of a bouncing ball”, American Journal of Physics 71, 499 (2003)

46. Medida de FrequênciaCom que frequência o mosquito bate asas? zumbido de mosquito período = 0,0027 s frequência = 370 Hz

47. f = 370 Hz 2 f 3 f Com que freqüência o mosquito bate asas? Espectro de freqüências(obtido com o Audacity)

48. Efeito Doppler na Fórmula 1(Marco Adriano Dias, PEF-UFRJ) M. Schumacher, Suzuka 2003, “reta oposta”

49. Efeito Doppler na Fórmula 1 Spectrogram 16

50. Efeito Doppler na Fórmula 1 antes:880 Hz depois:577 Hz V = 254 km/h