66ª Reunião Anual da SBPC

Resumo aceito para apresentação na 66ª Reunião Anual da SBPC pela(o): SBF - Sociedade Brasileira de Física

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 2. Ensino de Física

APLICAÇÃO DE CÂMERA USB NA EVIDENCIAÇÃO DAS CORRENTES DE FOUCAULT

Angelo Antonio Reis Gomes - Instituto de Física - UERJ Arnaldo José Santiago - Prof. Dr./Orientador – UERJ - DEQ Felipe Fernandes Gomes - Instituto de Física - UERJ Diogo Santos Silva da Costa - Instituto de Física - UERJ

INTRODUÇÃO:

Este trabalho contempla o desenvolvimento de um projeto para a criação de um instrumento de medição de posição. Este instrumento será aplicado na realização de atividades experimentais em laboratórios de física, primeiramente na Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). A fundamentação do projeto se baseia em utilizar os equipamentos já existentes na UERJ e materiais de baixo custo. A atividade a ser abordada faz parte de um grupo de outras em que, se utiliza de uma webcam como ferramenta principal de detecção de movimento. Os sensores de detecção são substituídos por apenas uma câmera, que tem a função de mapear todo o trajeto descrito pelo móvel. Neste experimento analisaremos o estudo de um fenômeno físico conhecido como Corrente de Foucault.

OBJETIVO DO TRABALHO:

É visada a utilização de uma tecnologia de baixo custo para auxiliar as tarefas experimentais feitas em sala de aula. Uma webcam será utilizada como uma rede de sensores de posição, aplicada em um experimento eletrodinâmico para evidenciação das Correntes de Foucault.

MÉTODOS:

O experimento consiste em um plano inclinado onde um carrinho com ímãs acoplados desliza sobre um trilho de ar que minimiza o atrito. O carrinho é solto do ponto elevado e desenvolve seu movimento. Devido ao surgimento das Correntes de Foucault, ocorre uma frenagem do móvel. A webcam é colocada em uma posição radial à posição do trilho de ar e ajustada, mantendo-a fixada posteriormente. A análise de erros relativos aos posicionamentos foi feita em trabalhos anteriores e utilizada neste para definir a melhor posição da câmera. Uma calibração é necessária, pois os parâmetros de conversão da posição em pixel (registrada pela câmera) para metros possuem certa complexibilidade de aquisição. Na calibração, o carrinho é posto em locais conhecidos e fotos são tomadas relacionando posições virtuais e reais. Ao entrar em movimento, a câmera registra todo seu percurso. A partir deste vídeo, rotinas computacionais são utilizadas no processamento das imagens para a extração das posições virtuais do carrinho em cada frame. Os dados virtuais são convertidos através de uma interpolação feita com base na calibração, obtendo assim dados métricos. Os dados métricos são associados aos seus respectivos tempos e os resultados analisados em uma curva de espaço x tempo.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

O carrinho percorreu todo seu trajeto de maneira constante durante 22 segundos, ou seja, sua aceleração foi zero. Isto é devido à força eletromagnética presente que age no sentido oposto à componente paralela ao plano da força peso. Estas duas forças se anulam, fazendo com que não haja aceleração presente. Estes fatores podem ser explicados através das Leis de Faraday e Lenz. Enquanto a Lei da indução de Faraday aborda a respeito do surgimento da corrente de Foucault, a Lei de Lenz é responsável por explicar o sentido da força gerada. As correntes de Foucault equivalem a uma força de atrito viscoso, dissipando a energia do movimento por meio do efeito Joule. Com isso, o carrinho é freado como se estivesse penetrando em um fluido viscoso. O vídeo tomado tem 480 x 640 pixels de resolução e um framerate de 30 quadros por segundo. Para análise deste movimento foram utilizados 6 quadros por segundo, onde isto representam a quantidade de imagens tomadas do carrinho ao longo do tempo. A velocidade limite encontrada foi de 8,23 cm/s sendo ela o coeficiente angular da reta calculada a partir gráfico (posição x tempo) que demonstrou perfeitamente a linearidade da curva. Diversos experimentos foram feitos para estudos dos erros relativos decorrentes dos possíveis posicionamentos da câmera. Com isso, foi verificado que os pontos mais próximos da câmera apresentaram um erro menor em relação a posição virtual convertida para real do que aqueles que ficaram maias afastados do centro óptico da câmera. Esse resultado foi obtido durante o processo de validação do experimento.

CONCLUSÕES:

O método proposto de utilizar a webcam como sensor de movimento foi validado. No experimento, usamos as Correntes de Foucault para simular um meio viscoso e nosso método determinou uma velocidade constante durante o percurso como o esperado. Este experimento contém conceitos físicos avançados que pode ser facilmente exemplificado na prática para os estudantes. A utilização da webcam torna a comprovação do fenômeno evidente de maneira experimental. Outras atividades experimentais já feitas foram devidamente validadas, constituindo assim um projeto de um “kit didático”. Neste kit devem constar diversos experimentos diferentes com seus procedimentos para a utilização do aluno em laboratórios de física.

Palavras-chave: Física Experimental, Correntes de Foucault, Tecnologia de baixo custo.