PRENSA HIDRÁULICA REMOTA COMO FERRAMENTA DIDÁTICA NO ENSINO DE

CONCEITOS SOBRE MATERIAIS

Michels, Lucas Boeira1 Gruber, Vilson2 Schaeffer, Lirio3 Marcelino, Roderval4 Casagrande, Luan Carlos5

Oliveira Junior, Eduardo Tocchetto6 1 Mestre, IFSC, lucasboeira@ifsc.edu.br; 2 Doutor em Engenharia, UFSC, Vilson.gruber@ufsc.br; 3 Doutor em Engenharia, UFRGS, shaefer@ufrgs.br; 4 Doutor em Engenharia, UFSC, Marcelino@yahoo.br; 5 Graduando, UFSC, luancasagrande@gmail.com; 6 Especialista, IFSC, eduardo.junior@ifsc.edu.br;

RESUMO

As dificuldades no ensino de fenômenos das engenharias ocorrem também devido à falta da prática e da experimentação. Neste artigo é demonstrado um novo experimento remoto para estudo das propriedades elásticas das molas. O experimento trata-se de uma prensa didática remota ligada à internet disponibilizando acesso online ao dispositivo. A prensa é hidráulica e realiza a compressão de uma mola de automóvel durante a experimentação. Dados de deformação e força, bem como imagens do fenômeno são exibidos durante este processo. O objetivo do experimento é facilitar a aprendizagem do estudante em conceitos como os da Lei de Hook através da visualização e interação remota do experimento.

Palavras-chave: Prensa Didática, experimentação remota, propriedades elásticas.

ABSTRACT

Difficulties in the teaching of phenomena engineering also occur due to lack of practice and experimentation. In this paper is demonstrated a new remote experiment for study of the elastic properties of the springs. The experiment it is is a remote didactic press connected to the internet providing online access to the device. The press is hydraulic and performs the compression of a spring car during the trial. Data from deformation and strength as well as pictures of the phenomenon are displayed during this process. The objective of the experiment is to facilitate student learning in concepts such as the Hook’s Law through visualization and interaction of remote experiment. Keywords: Didactic Press, remote experiment, elastics properties.

1. INTRODUÇÃO

As dificuldades do ensino das ciências dos materiais e alguns outros

ramos da educação é a falta de prática e interação com os fenômenos de ensino. Freqüentemente, as aulas são puramente teóricas e expositivas tornando o processo de compreensão e assimilação dos conhecimentos científicos dificultados.

Por questões iguais à essas, inúmeras universidades do mundo inteiro vêm desenvolvendo experimentos remotos e laboratórios remotos, que são ambientes controláveis e administráveis à distância, visando à aprendizagem pela experimentação (1,2). As vantagens destas tecnologias de aprendizagem estão ligadas a economia de recursos, simulações de resolução de problemas práticos, segurança do estudante e a facilidade do acesso domiciliar ou de qualquer outro ponto fora da Universidade. Este tipo de experimento oferece aos estudantes uma visão do processo real de um fenômeno de forma remota, podendo aprimorar, também, a capacidade de aplicar teorias aprendidas em sala de aula ou em livros (3,4). Além disso, oferecem interatividade e assim o estudante pode visualizar simultaneamente a resposta do sistema (4).

Entretanto, há uma dificuldade em encontrar estes sistemas remotos com experimentos na área da mecânica. Nas publicações mais recentes, a maioria dos experimentos é relacionada às áreas da eletroeletrônica (3,5,6,7) ou da automação (8,9,10,11,12) sendo mais raro encontrar algo voltado para estudos de fenômenos mecânicos ou dos materiais (13).

As propriedades mecânicas dos materiais são fundamentais nos projetos de novos produtos ou na otimização de produtos existentes. Características mecânicas como dureza, módulo de Young, Poisson, Coeficiente de atrito, densidade (14). Tais parâmetros definem a qualidade final do produto produzido, tais como: Durabilidade, funcionalidade, manutenção, capacidade, desgaste etc.

Uma dos conhecimentos fundamentais aos processos de fabricação de alguns produtos é a fase elástica dos materiais. O conhecimento dessa propriedade é fundamental para determinar a capacidade de amortecimento ou armazenamento de energia de uma mola, por exemplo.

Neste artigo, o experimento desenvolvido busca facilitar a observação e o estudo da fase elástica dos materiais. Esta propriedade é percebível em gráficos Tensão-deformação (exemplo Figura 1) que são emitidos por máquinas de ensaios de tração. O gráfico indica que na fase elástica os valores de força e a deformação do material ensaiado possuem certa relação.

Figura 1 Gráfico Tensão-deformação

Fonte: [1]

A característica elástica dos materiais foi melhor estuda por Robert Hooke nos anos 60 resultando na elaboração da Lei de Hooke, a qual estabelece que a força de uma mola mecânica é igual à (15):

F = -k.x (1)

Onde: F = força realizada pela mola em kgf; k= constante elástica da mola em kgf/cm. X = deformação da mola em cm É importante explicar que a constante da mola (k) é uma característica

do material e do formato da mola, variando somente caso ocorram variações em sua temperatura interna ou deformações que extrapolem o regime elástico (deformação plástica).

As molas mecânicas são ótimos exemplos para estudos de propriedades elásticas, pois têm sido produzidas largamente para inúmeras aplicações, como suspensão de carros, camas e outros (15). O corpo de prova usado no experimento deste artigo é uma mola mecânica de formato helicoidal de uso em suspensões de automóveis (Figura 2).

Figura 2 Mola Helicoidal de suspensão de automóveis usada no experimento

Este artigo descreve o desenvolvimento de um experimento didático para estudo das propriedades elásticas dos materiais aplicado às molas helicoidais usando uma prensa didática. Através dele estudantes de engenharia e de ensino técnico poderão estudar de maneira teórica e prática o conhecimento científico sobre o tema propriedades elásticas dos materiais.

Fase Elástica: Constante

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2. FUNCIONAMENTO DO EXPERIMENTO REMOTO

Conforme Figura 3, o experimento é composto dos conjuntos: a) Prensa Hidráulica didática; b) Microcontrolador e c) Servidor WEB. Estas partes estão distribuídas em dois lados: O lado do experimento físico e o lado do usuário.

Figura 3 - Visão geral do Experimento

O lado do experimento físico é onde ficam as partes mecânicas e os dispositivos de controle e sensoriamento do experimento. O lado do usuário é simplesmente um dispositivo pessoal qualquer com acesso à internet, onde o estudante pode acessar o site hospedado no Raspberry Pi.

A. A PRENSA HIDRÁULICA DIDÁTICA

Conforme demonstrado na Figura 3a, a prensa didática é onde ocorre o fenômeno de experimentação. É um equipamento baseado na energia hidráulica, sendo que a Figura 4 oferece mais detalhes da estrutura. Os acoplamentos da mola (c), barras de sustentação (f) e a base da prensa (g) são partes mecânicas responsáveis pela estruturação e sustentação do equipamento. A mola helicoidal (f) funciona como corpo de prova do experimento, é onde ocorre o fenômeno em estudo. Já o cilindro hidráulico (a) e o Sensor de distância por infravermelho (b) (detalhes Figura 11) são respectivamente para: realizar a compressão da mola e coletar os dados sobre a deformação da mola.

Figura 4 Prensa Hidráulica Didática

Quem controla o avanço e retorno do cilindro é o fluxo de óleo direcionado pela válvula direcional acionada por solenóide (Figura 6) que controla o sentido da vazão do óleo vindo da unidade Hidráulica (Figura 5).

Figura 5 unidade Hidráulica

Figura 6 Válvula Direcional Hidráulica

Um esquema da distribuição dos elementos hidráulicos da prensa está

mais detalhado na Figura 7 através de uma diagrama Hidráulico.

Figura 7 diagrama do projeto Hidráulico da Prensa

Na da base da prensa fica uma célula de carga (sensor de força) do tipo I com capacidade de até 400Kg (detalhes Figura 12). A Figura 8 apresenta uma vista em corte da base da prensa didática com detalhes da posição deste sensor de força. A força aplicada sobre a mola é toda concentrada no pino de sustentação da mola que fica sobre a célula de carga.

Figura 8 Vista em corte da base da Prensa didática

B. AQUISIÇÃO E CONTROLE DE SINAIS - RASPBERRY PI

Ao contrário da maioria dos experimentos remotos que utilizam os cartões DAQ e outros microcontroladores, neste trabalho a aquisição e o controle de sinais é feito através de um microcontrolador programável chamado RaspBerry Pi (Figura 9). Através dele é realizada a coleta de dados de sensores (distância e força), o controle elétrico de acionamento dos reles para os solenóides da válvula direcional; e a conexão entre experimento e o servidor de internet. O Raspberry Pi um novo conceito em microcontroladores que tenta integrar funções próprias de uma computador e de um microcontrolador com baixo custo. Além disso, já vem com conexões para: rede (LAN), USB, entrada para cartão de memória microSD, entradas de vídeo (HDMI, RCA) de áudio, etc.. É um verdadeiro computador miniaturizado. Com ele é feita a aquisição,

Unidade hidráulica

processamento e interligação dos dados do experimento com a internet. A maior desvantagem deste tipo de controlador é a ausência de entradas analógicas, tornando-se necessário o uso de um conversor analógico digital (ADC) quando se usa sensores analógicos como estes do projeto (Sensores com uma grande faixa de valores).

Figura 9 Raspberry Pi

Fonte: http://www.raspberrypi.org

Devido à relativa capacidade de processamento do raspberry ele é usado como servidor local que mantêm arquivos de banco de dados e outras programações em linguagem C. O site fica hospedado em um servidor externo que acessa e processa os dados armazenados pelo Raspberry.

O Raspberry foi programado em suas saídas digitais para controle dos relés (Figura 10). Estes relés são chaves eletromecânicas que abrem e fecham seus contatos a partir de uma sinal de 5 volts (que no caso é emitido pelo Raspberry). As chaves eletromagnéticas foram distribuídas em: duas para acionamentos da válvula direcional (Figura 6); uma para ligação do motor da Unidade Hidráulica.

Figura 10 Módulo relé

Para ligação da célula de carga (Figura 12) ao Raspberry, além do conversor analógico/digital foi utilizado um amplificador de sinal, para elevar à baixa corrente de saída emitida pelo sensor (em torno de 20mV).

Entrada de tensão (Ligação no Raspberry)

Contatos (Saída)

Figura 11 Sensor de distância por infravermelho

Figura 12 Célula de Carga

C. AMBIENTE DE APRENDIZAGEM E EXPERIMENTAÇÃO

Um ambiente de aprendizagem foi desenvolvido através do sistema gerenciador de aprendizagem MOODLE para disponibilizar conteúdo e controle do experimento remotamente através do endereço www.labtel.com.br (Figura 13). Trata-se de um site que disponibiliza conteúdo organizado sobre temas relacionados ao experimento e a outros assuntos gerais ligados à tecnologia usada na construção deste projeto (Exemplo: prensas hidráulicas, Raspberry e outros).

Figura 13 Imagem da tela do site do experimento

Para executar o experimento o estudante deverá inserir em uma tabela nos campos “deformação” quatro valores de deformação em que ele queira conhecer a força correspondente. A deformação da mola está relacionada à variação do comprimento da mola (cm) e após a aplicação da força da prensa ela altera seu tamanho inicial. Ao iniciar o experimento um gráfico relacionando força e deformação da mola será exibida em tempo real e nos campos “força” da tabela serão inseridos automaticamente os valores durante o experimento.

Ao final da fase de experimentação os dados devem ser coletados pelo estudante para calcular a constante elástica da mola através da equação (1. Estes dados serão analisados pelos alunos a fim de analisar os cálculos e desenvolver as conclusões deles sobre o fenômeno visualizado.

Durante o processo de experimentação, imagens da prensa são exibidas na tela em tempo real. Caso o experimento esteja em uso por outro estudante no momento do acesso de outro usuário, serão exibidos vídeos do experimento até que o experimento seja desocupado.

3. CONSIDERAÇÕES

A função da tecnologia é promover avanços do próprio estado da ciência. Além disso, deve melhorar o potencial do ensino a partir destas tecnologias emergentes visando dar mais qualidade e facilidade para o acesso à educação técnica. Os experimentos remotos são as formas mais atuais de ampliar o acesso à experimentação e a visualização de fenômenos práticos com recursos reduzidos, com segurança ao aluno e de qualquer lugar do mundo. Na engenharia e cursos de tecnologia a observação e a prática são fundamentais no desenvolvimento do estudante, por essa razão a ampliação de recursos de experimentação remota, nestas áreas, pode complementar e produzir grandes resultados no desenvolvimento da aprendizagem em cursos de Ensino Técnico e de Educação Superior.

Referências

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9 RAMOS-PAJA, C. A.; SCARPETTA, J. M. R.; MARTÍNEZ-SALAMERO, L. Integrated Learning Platform for Internet-Based Control-Engineeing Education. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, v. 57, n. 10, p. 3284-3296, Outubro 2010. 10 QIAO, Y. et al. NCSLab: A Web-Based Global-Scale Control Laboratory With Rich Interactive Features. IEEE TRANSACTION ON INSDUSTRIAL ELECTRONICS, v. 57, n. 10, OUTUBRO 2010. 11 DZIABENKO, O. et al. Training of Microcontrollers Using Remote Experiments. Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV). 9th International Conference on, Bilbao, Julho 2012. 12 SANTANA, I. et al. Remote Laboratories for Education and Research Purposes in Automatic Control Systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics, v. 9, n. 1, p. 547-556, Fev. 2013. 13 RESTIVO, M. T. et al. A Remote Laboratory in Engeneering Measurement. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, v. 56, n. 12, p. 4836-4843, Dezembro 2009. 14 RESTIVO, M. T.; LOPES, A. M.; XIA, P. J. "Feeling" Young modulus of Materials. Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV). 9th International Conference on. Bilbao: [s.n.]. 2012. p. 412-415. 15 HUI, S. Y. (.; LEE, C. K.; WU, F. F. Electric Springs - A New Smart Grid Tecnology. IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRID, v. 3, n. 3, p. 1552-1561, SETEMBRO 2012.