PAINEL SOLAR COMO UM SOMBRA TRACKER: 7 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Uma magnitude fundamental usada na Física e em outras ciências para descrever o movimento mecânico é a velocidade. Medir tem sido uma atividade recorrente nas aulas experimentais. Eu costumo usar uma câmera de vídeo e o software TRACKER para estudar o movimento de certos objetos com meus alunos. Uma dificuldade que experimentamos é: objetos que se movem em velocidades relativamente altas aparecem borrados nos quadros de vídeo, o que introduz incertezas nas medições feitas com o software. Os métodos e instrumentos mais comuns para o estudo de objetos em velocidades relativamente altas são baseados no efeito DOPPLER e sensores ópticos acoplados a cronógrafo.

No presente INSTRUCTABLE abordo um método experimental alternativo para medir a velocidade média de um objeto com o uso de um painel solar e um osciloscópio. É aplicável nas aulas laboratoriais da disciplina de Física (Mecânica Clássica), em particular no tema: Cinemática do movimento mecânico de tradução. O método proposto e sua aplicação experimental são poderosamente aplicáveis a outras tarefas experimentais dentro da disciplina de Física para alunos não graduados e graduados. Pode ser usado também em outros cursos de ciências onde esses conteúdos são estudados.

Se você quiser encurtar os fundamentos teóricos e ir diretamente para a construção do aparato experimental, como realizar as medições, os materiais necessários e as imagens do meu projeto, vá diretamente para a etapa 6.

Etapa 1: algumas teorias:

A "velocidade" é conhecida como a distância percorrida por um objeto em um determinado intervalo de tempo. Velocidade é a quantidade escalar, ou seja, a magnitude do vetor de velocidade que também requer a direção na qual as mudanças de posição ocorrem. Falaremos neste INSTRUÍVEL para medir velocidade, mas realmente estaremos medindo velocidade média.

Etapa 2: Medir a velocidade com um painel solar?

Os painéis solares são dispositivos que operam sob o princípio do efeito fotoelétrico e que têm como principal função fazer circular uma corrente elétrica nos circuitos em que são utilizados. Por exemplo, os painéis solares são usados para operar certos tipos de relógios, carregar baterias de todos os tipos, também em sistemas de geração de CA para a rede pública e em residências. As aplicações são muitas, seu preço no mercado está cada vez mais atraente e contribui para um desenvolvimento sustentável que é ótimo.

Devido ao desenvolvimento dessa tecnologia experimentada nós a encontramos em muitos aparelhos, por exemplo, aquele que mostro a vocês foi extraído de uma lanterna barata que salvei e agora tem um novo uso.

O princípio é básico. Quando uma luz é projetada sobre um painel, causa uma diferença no potencial elétrico (tensão) em seus terminais. Quando um voltímetro é conectado, isso é facilmente verificável. Essa diferença de potencial é responsável pela circulação de uma corrente elétrica quando um dispositivo consumidor é conectado, por exemplo, uma resistência elétrica. Dependendo da "impedância" do circuito e das características do painel, ele circulará mais ou menos corrente. Em relação a esta corrente, ocorrerá uma queda de tensão nos terminais do painel solar assim que o consumidor for conectado, mas se a impedância permanecer constante, a tensão também é mantida constante enquanto as características da iluminação também o forem. Os voltímetros geralmente têm uma impedância alta, de modo que afetarão muito pouco a tensão medida com eles. Mas o que acontece se a iluminação mudar ?, também mudará a voltagem e esta é a variável que usaremos.

Resumindo:

• Um painel solar quando iluminado mostra uma tensão em seus terminais que pode ser medida com um voltímetro.

• A tensão não muda se a impedância do circuito e as características da iluminação forem mantidas constantes (deve estar no espectro sensível do painel para que ocorra o efeito fotoelétrico).

• Qualquer mudança na iluminação levará a uma variação na voltagem, variável que será utilizada posteriormente para obter a velocidade dos objetos nos experimentos.

Com base nos preceitos anteriores, pode-se formular a seguinte ideia:

A sombra projetada de um objeto, movendo-se em um painel solar, causará uma diminuição em sua voltagem terminal. O tempo que leva para a diminuição pode ser usado para calcular a velocidade média com que o objeto se move.

Etapa 3: Experiência inicial

No vídeo anterior, os princípios nos quais a ideia anterior se baseia são mostrados experimentalmente.

A imagem mostra o tempo que durou a variação de tensão, traçado por um osciloscópio. Configurando corretamente a função de disparo, você pode obter o gráfico com o qual podemos medir o tempo decorrido durante a variação. Na demonstração, a variação foi de aproximadamente 29,60ms.

Na verdade, o esboço do quadro-negro no experimento não é um objeto pontual, ele tem dimensões. A extremidade esquerda da borracha começa a projetar sua sombra no painel solar e, conseqüentemente, começa a diminuir a tensão para um valor mínimo. Quando a borracha se afasta e o painel começa a ser descoberto novamente, um aumento na voltagem é visto. O tempo total medido corresponde ao tempo que a projeção da sombra levou para percorrer todo o painel. Se medirmos o comprimento do objeto (que deve ser igual à projeção de sua sombra se tivermos alguns cuidados), o somamos com o comprimento da zona ativa do painel e o dividimos pelo tempo que durou a variação de voltagem, então obteremos a média de velocidade desse objeto. Quando o comprimento do objeto para medir sua velocidade é quantitativamente maior do que a zona ativa do painel, o painel pode ser considerado como um objeto pontual sem introduzir um erro notável nas medições (isso significa não adicionar seu comprimento ao comprimento do objeto).

Vamos fazer alguns cálculos (ver foto)

Etapa 4: para aplicar este método, algumas precauções devem ser tomadas em consideração

• O painel solar deve ser iluminado pela fonte luminosa prevista no desenho experimental, evitando-se, na medida do possível, outras fontes luminosas que o afetem.

• Os raios de luz devem incidir perpendicularmente à superfície do painel solar.

• O objeto deve projetar uma sombra bem definida.

• A superfície do painel e o plano que contém a direção do movimento devem ser paralelos.

Etapa 5: um exercício típico

Determine a velocidade de uma bola em queda de 1m de altura, considere a velocidade inicial zero.

Se a bola cair em queda livre é muito simples: ver foto

Em condições reais o valor anterior pode ser menor devido à ação do atrito com o ar. Vamos determiná-lo experimentalmente.

Etapa 6: Projeto, Construção e Execução do Experimento:

• Cole um tubo de plástico na área ativa do painel solar. • Solde novos condutores nos terminais do painel solar para evitar contatos falsos.

• Crie um suporte para o conjunto painel solar-tubo de forma que possa ser segurado horizontalmente.

• Coloque uma lanterna ou outra fonte de luz em outro suporte de forma que a projeção da luz emitida atinja o painel solar perpendicularmente.

• Verifique com um multímetro se quando uma luz atinge o painel solar, um valor de tensão constante maior que zero é registrado.

• Coloque o conjunto painel solar-tubo na frente da lanterna, deixando uma folga maior do que o objeto cuja velocidade você deseja medir. Tente manter o mais longe possível a fonte de luz (lanterna) do painel solar. Se a luz da lanterna for criada por um único led, melhor.

• Meça do centro do painel solar para cima uma distância de um metro e marque em uma haste, parede ou similar.

• Conecte a ponta de prova do osciloscópio aos terminais do painel solar, respeitando a polaridade.

• Configure a opção TRIGGER corretamente no osciloscópio, de forma que toda variação de tensão possa ser registrada durante a passagem da sombra no painel. No meu caso, as divisões de tempo eram em 5ms e as divisões de tensão na escala eram 500mv. A linha de tensão zero teve que ser ajustada para baixo para que toda a variação se encaixasse. O limite de disparo foi colocado logo abaixo da voltagem constante inicial.

• Meça o comprimento do objeto e da zona ativa do painel, adicione-os e anote para o cálculo da velocidade.

• Deixe cair o corpo da altura de 1m para que sua sombra interrompa o feixe de luz projetado pela lanterna.

• Meça o tempo de variação da tensão com os cursores do osciloscópio na escala de tempo.

• Divida a soma dos comprimentos feitos anteriormente pelo tempo medido no osciloscópio.

• Compare o valor com os cálculos teóricos e chegue a conclusões (leve em consideração os possíveis fatores que introduzem erros na medição).

Resultados obtidos: ver foto

Etapa 7: Algumas notas do experimento:

• Os resultados obtidos parecem estar corretos em correspondência com a teoria.

• O objeto selecionado para este experimento não é o ideal, pretendo repeti-lo com outros que possam projetar uma sombra melhor definida e que sejam simétricos para evitar possíveis rotações durante a queda.

• O ideal seria posicionar o tubo-painel e a lanterna em mesas separadas, deixando um espaço livre para baixo.

• O experimento deve ser repetido várias vezes, tentando controlar as possíveis causas de erros nas medições e métodos estatísticos devem ser utilizados para obter resultados mais confiáveis.

Sugestões de materiais e instrumentos para este projeto: Embora eu acredite que qualquer osciloscópio digital, fonte de luz e painel solar possam funcionar, aqui estão os que utilizo.

ATENÇÃO OSCILOSCÓPIO

PAINEL SOLAR

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