quinta-feira, 31 de março de 2016

Foi você que pediu um projeto interdisciplinar de Física, Eletrónica e Programação?

Foi há 4 anos que tomei contacto com o Scratch pela mão da professora Teresa Martinho e do inestimável Fernando Frederico (o grande especialista em Scratch a quem toda a gente, alunos inclusivé, tratava simplesmente por Fred). Nessa altura, era professora de duas turmas de Física de 12º ano na Escola Secundária de Bocage, em Setúbal, e envolvi-me num projeto de iniciação à programação em Scratch. O objetivo era incentivar os alunos a criar, em Scratch, simulações das aulas práticas realizadas na disciplina durante o ano. 

Como em todos os trabalhos desta natureza, há sempre alunos que, pela inclinação natural, pela persistência ou pela disponibilidade, se destacam nos trabalhos que realizam. Neste caso, não esqueço a máquina de Atwood que o Jorge criou (aliás, o Jorge criou várias simulações que podem ser acedidas a partir do link da máquina de Atwood - basta clicar em "mais projetos deste autor") nem o divertido jogo imaginado e implementado pela Ana que envolvia um dinossauro a lançar uma bola, recorrendo às equações do movimento oblíquo, bola essa que tentava encestar apesar dos obstáculos que surgiam a complicar-lhe a vida.

A pensar no projeto da Ana, achei que podia aproveitar a pausa letiva da Páscoa para implementar um projeto que envolvesse Física e programação de arduinos. Usei o mesmo dinossauro e a mesma bola. E apliquei, como a Ana, as equações do movimento  oblíquo. Em vez de fazer um jogo, optei por fazer uma simulação convencional de movimento oblíquo. O principal upgrade foi lançar mão do arduino e construir um consola, como as dos jogos, a partir da qual se controlam as variáveis de entrada e se dão as ordens de lançar a bola ou de fazer reset à simulação. A alteração da velocidade e do ângulo de lançamento é feita através de resistências variáveis. A alteração da aceleração gravítica é feita através de um botão de pressão que permite a adoção de 3 valores diferentes para esta grandeza (o valor da aceleração gravítica na Terra, na Lua, e em Júpiter). A ordem de lançamento da bola é feita através de outro botão de pressão, assim como o reset, que, depois de um lançamento, repõe as posições iniciais permitindo novo lançamento.

Um RGB (usei um de ânodo comum, por ser o  que tinha mais à mão) permite identificar que a simulação espera pela ordem de lançamento, ficando verde, ou que uma simulação está ainda a decorrer, ficando vermelho.

Eis a consola construída:


O programa em si é um exercício de Scratch mais complicado que os exercícios de S4A que costumo propôr. Por isso, em vez de fazer uma cópia dos blocos, como de costume, opto por desta vez disponibilizar o programa completo, para que possa ser analisado, alterado e melhorado.

Em termos de Física, as equações fulcrais são as do movimento oblíquo:

Assumindo a posição inicial na origem (x0=0; y0=0), sendo o valor inicial da velocidade e o ângulo inicial (de lançamento) dados a partir da leitura das entradas analógicas, temos todos os dados para, através de um incremento no tempo, obter todos os valores de x e y para o movimento completo. Há apenas de terminar a contagem do tempo quando a posição y voltar a ser 0. O valor da altura máxima (H, na figura) será o valor máximo assumido pela posição y e a amplitude (A, na figura) será o valor da posição x no final do movimento.

O problema põe-se  quando queremos posicionar as figuras (sprites) no ecrã do S4A. Os valores obtidos nas equações vêm em metro e essa não é, evidentemente a escala do ecrã. Na verdade, o S4A usa as mesmas definições de posição que o Scratch:




Foi altura de fazer considerações de ordem prática:
  • Limitei a velocidade inicial entre 0 e 20 m/s (1023 na entrada analógica correspondente passaram a significar 20 m/s);
  • Limitei o ângulo de lançamento entre 0º e 90º (1023 na entrada analógica correspondente passaram a significar 90º);
  • Considerei o eixo horizontal  igual a 20 metros (2x240 = 480 passaram a significar 20 m);
  • Usei a mesma escala para o eixo vertical (2x180 = 360 passaram a significar 15 m);
  • Como a posição inicial da bola é (-118; -155), tive de levar em conta essas posições no seu movimento.

E pronto. Acho que o enquadramento geral do projeto está feito. Deixo a minha proposta de trabalho com o circuito da consola, os blocos fundamentais da programação em S4A e printscreens de alguns resultados...


...o circuito esquemático do projeto da consola...


...e um pequeno vídeo com a consola e a demonstração da simulação em funcionamento (com a colaboração da Rita, 13 anos):



NOTA FINAL: Quando fiz o filme anterior, ao premir o botão de reset, o valor da amplitude não voltava a zero´. Apesar de tal não ter implicação nos cálculos posteriores, é de facto mais elegantes que depois do reset o valor da amplitude seja levado a zero. Essa situação está já corrigida no programa que deixo para download.


4 comentários:

  1. Férias... para ti é sinónimo de outro projeto. Sempre com "a mão na massa" -> Arduino + S4A

    Parabéns!! Beijinhos

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    1. Obrigada Anabela! Nas férias aproveito para me dedicar mais ao que gosto...mas há tempo para tudo! Beijinhos

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  2. Excelente divulgação de um ainda mais excelente trabalho, quer na concepção e desenvolvimento, quer na aplicação prática à experimentação da jovem menina. Dá gosto ver, como deram também os
    trabalhos dos alunos da E.S.Bocage. Parabéns!
    Frederico

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    1. Obrigada Fred! Não teria ganho o gosto por estas andanças se não fosse a sua ajuda inicial. O mundo avança de partilha em partilha!

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