Descrevemos neste artigo a montagem de um carrinho controlado por feixe de luz usando material de fácil obtenção, sendo um projeto ideal para ser adotado em cursos de mecatrônica de escolas de nível médio. De fato, o projeto já foi adotado no Coégio Mater Amabilis de Guarulhos, onde os alunos montaram o projeto e depois realizaram uma interessante competição. O projeto também pode ser adotado por clubes de mecatrônica ou mesmo por grupos de pessoas interessadas no assunto dada sua acessibilidade e simplicidade.
Usando como propulsor uma hélice acoplada a um motor de corrente contínua, o carrinho anda em linha reta e é acionado pelo feixe de luz de uma lanterna.
Trata-se de projeto ideal para alunos em fase inicial de aprendizado de eletrônica e mecânica (mecatrônica) já que todas as partes do circuito eletrônico são fáceis de obter e o carrinho em sí é montado com material improvisado como por exemplo canudinhos de refresco, papelão, CDs, rodinhas de carrinhos de brinquedo, etc.
Adoção em Escolas
Mecatrônica é uma palavra bastante pronunciada nas escolas que procuram estar em dia com as inovações do ensino de tecnologia.
No entanto, a maior dificuldade que estas escolas encontram é ter professores aptos a lecionar esta matéria e sugestões do que ensinar.
O que ocorre é que normalmente os professores da área de física que poderiam assumir esta disciplina não estão preparados para a parte eletrônica no necessário grau de profunidade (daí nosso curso de eletrônica para mecatrônica dado nesta revista).
Mas, o principal é a falta de idéias de projetos simples que possam ser assimilados tanto pelos professores como levados aos alunos de forma imediata.
O projeto que descrevemos neste artigo é ideal para esta aplicação.
Seu baixo custo permite que ele seja feito por alunos quer seja individualmente ou em grupos e a sua simplicidade, mesmo usando eletrônica, permite que ele seja facilmente assimilado pelos professores que devem passá-lo aos alunos.
Adotamos este projeto em nosso curso no Colégio Mater Amabilis em Guarulhos - SP com sucesso, onde além da simples montagem, o que mais entusiasma os alunos, é a realização de uma corrida, da qual daremos os detalhes no final do projeto.
O Projeto
Conforme mostra a foto (figura 1), o nosso carrinho é feito num chassi de papelão (ou outro material leve) e usa rodinhas de carrinhos de brinquedo adquiridos em lojas de 1,99 ou mesmo aproveitadas de brinquedos fora de uso.
A propulsão é obtida por hélice que tanto pode ser "fabricada" com um CD velho como de outros materiais, como por exemplo plástico e papelão.
Esta hélice é acoplada a um prqueno motor de corrente contínua que é controlado por um circuito eletrônico de controle.
A montagem do circuito eletrônico e o entendimento de seu princípio de funcionamento é a parte eletrônica do projeto,
Este circuito contém uma sensor fotoelétrico (foto célula) do tipo LDR (light dependent resistor) que deixa passar a corrente quando iluminado.
Como o LDR não pode controlar sozinho a corrente intensa do motor é usado um transistor Darlington de potência.
Este transistor atua como uma chave que "liga" quando o LDR recebe luz e conduz a corrente. Ao ligar o transistor alimenta o motor que aciona a hélice.
Assim, instalando o sensor de luz num pequeno tubinho de modo que ele receba luz apenas num ângulo, podemos controlar o motor e portanto o carrinho através de uma lanterna. O carrinho vai então se mover em velocidade que depende do rendimento da hélice (o que o próprio aluno deve otimizar), do peso do carrinho e também de outros fatores como a redução de atrito e a utilização de boas rodinhas.
Aspecto Didático
O que o aluno pode aprender com o projeto já vale plenamente sua adoção:
Com este projeto o aluno aprenderá:
* Como funcionam os motores elétricos
* Como funciona a propulsão por hélice
* Operação de um controle remoto com fotocélula (LDR)
* Controle de potência usando um transistor Darlington
* Como melhorar o desempenho de um veículo reduzindo o atrito
1. Montagem do Veículo
O chassi pode ser de papelão, plástico ou madeira com o formato mostrado na figura 2.
As dimensões podem variar: comprimento: 20 a 25 cm; largura: 4 a 6 cm; altura do chassi: 0,5 a 2,5 cm
Evidentemente deve ser escolhido um material leve e que seja fácil de trabalhar. Uma possibilidade interessante adotada por allguns alunos do Colégio Mater Amabilis foi usar o LEGO para a montagem do carrinho.
Para fixação dos eixos podem ser usados canudinhos de refresco que serão cortados de acordo com o comprimento dos eixos das rodas para poderem ter movimento com folga.
Os canudinhos deverão ser colados no chassi com o cuidado para que tenham um alinhamento perfeito, pois o veículo deve se mover em linha reta, o que vai ser importante numa competição. Na figura 3 mostramos como eles devem ser colados.
Qualquer cola pode ser usada como por exemplo a Brascola, Cola de Madeira, etc.
As rodas serão obtidas de carrinhos de brinquedo baratos, do tipo que pode ser adquirido nas lojas de "1,99". Procure um carrinho que tenha rodas de plástico ou borracha bem lisas. Será interessante fazer experiências depois para ver qual tem menor atrito e seja mais leve.
O diâmetro da roda deve ficar entre: 2 e 5 cm.
A distância entre eixos entre 6 e 12 cm
Evite usar rodas pesadas pois elas influem no desempenho do veículo.
Na figura 4 temos a colocação das rodas no veículo.
O suporte do motor pode ser uma caixinha de papelão, plástico ou mesmo um objeto leve com o formato apropriado como por exemplo um cartucho de impressora. Evidentemente o objeto deve ser leve.
A altura máxima recomendada deste suporte é de 6 cm.
A largura e o comprimento depende do chassi.
O suporte de pilhas deve ser colado no chassi e o circuito eletrônico pode ser colado, fixado com fita adesiva ou qualquer outro recurso que o aluno deseje empregar,
Para a hélice propulsora existem diversas opções de materiais e formatos que ficam por conta dos alunos. Cabe a cada um descobrir o melhor formato, a melhor inclinação das pás e o melhor material para resultar na melhor propulsão.
Na figura 5 damos duas sugestões de hélices: uma feita com um CD e outra de papelão.
Os CDs são moles e podem ser cortados com uma tesoura e dobrados com cuidado para não quebrar.
A hélice é colada numa rodinha de carrinho de plástico (1.99) cujo eixo seja da mesma espesura que o eixo do motor de modo a se ajustar nele. Uma gota de cola no eixo ajudará a prender bem esta hélice de modo que ela não patine quando o motor girar.
Para o caso de uma competíção é interessante limitar o tamanho da hélice:diâmetro máximo de 13 cm.
Observe que o circuito eletrônico tem um foto-sensor (LDR) que deve ficar posicionado no modo que veremos mais adiante.
Este sensor será protegido por um pedaço de canudinho de plástico de aproximadamente 1,5 cm com fita isolante em sua volta para evitar a luz lateral.
A pintura e o aspecto final do carrinho ficam por conta das equipes que podem fazer um modelo único de pintura e até montar uma carroceria usando materiais leves como o papelão, plástico, etc.
Na figura 6 damos uma sugestão de carroceria que pode ser adaptada ao veículo.
O CIRCUITO ELETRÔNICO
O circuito receptor TEM POR BASE um LDR (Foto-Resistor) que aciona um transistor Darlington de potência o qual tem como carga um motor de corrente contínua.
O LDR (Light Dependent Resistor) é um componente cuja resistência elétrica depende da quantidade de luz que incide na sua parte sensível feita de Sulfeto de Cádmio. Este tipo de sensor é usado em automatismos como alarmes, nos postes de iluminação pública para acender as luzes ao anoitecer e em muitas outras aplicações.
Este circuito é mostrado na figura 6.
Quando o LDR é iluminado uma corrente flui por este componente polarizando a base do transistor. O transistor satura (conduz) e com isso deixa passar a corrente que alimenta o motor.
Veja que a velocidade máxima do motor não depende da intensidade da luz, quando ela ultrapassa certo valor, conforme mostra o gráfico da figura 8.
Com a luz fraca a corrente aumenta até o ponto em que, por mais forte que a luz se torne a corrente se estabiliza. Por este motivo não adianta ter uma lanterna excessivamente forte ou aproximá-la excessivamente do LDR.
O circuito admite dois tipos de montagem:
a) Ponte de terminais
Esta montagem é indicada aos alunos iniciantes pois não necessita de recursos especiais, apenas a pequena ponte que até pode ser obtida de aparelhos antigos ou improvisada numa tabuinha com 5 preguinhos onde serão soldados os componentes.
A montagem em ponte é mostrada na figura 8.
b) Montagem em placa
Esta montagem é indicada aos alunos dos cursos técnicos que já dominam o projeto de circuitos impressos. Ficará por conta do aluno fazer seu projeto a partir do diagrama.
Nas figuras seguintes a seguência da montagem passo a passo:
Na montagem tenha os seguintes cuidados:
* Observe a polaridade dos fios do suporte de pilhas (cores)
* Observe a posição do transistor
* Tenha cuidado na soldagem do LDR que é um componente delicado.
* Instale o LDR num pedaço de canudinho protegido com fita isolante ou adesiva escura.
TESTE E USO
* Tampe o LDR de modo que ele não receba luz.
* Coloque as pilhas no suporte
* Deixando bater luz no LDR ou iluminando-o com a lanterna o motor deve girar
* Se o motor não girar "esfregue" as pilhas no suporte de modo a melhorar seu contacto.
* Comprovado o funcionamento instale o circuito no carro, colando o motor, suporte de pilhas e fixando o circuito com o LDR devidamente posicionado.
* Coloque a hélice e, depois da cola secar, teste o circuito em local com pouca iluminação de modo que ela não acione indevidamente o circuito. Use a lanterna.
* Se a hélice girar "ao contrário" , jogando ao para frente e não para trás, basta inverter os fios do motor.
Otimização:
Comprovado o funcionamento o montador deve procurar obter o máximo de desempenho do seu carro para a prova alterando certos elementos como:
* experimente diversos tipos de hélices ou hélices com pás inclinadas de diversos ângulos
* troque as rodas se achar necessário
* lubrifique os eixos
* obtenha o acionamento em linha reta
* diminua o peso onde for necessário
* mude a aerodinâmica do projeto onde for possível
Competição e Notas:
Uma idéia adotada na escola é que o projeto não receba nota apenas pela montagem, mas também que seja realizada uma competição entre os alunos e isso de uma forma bem realista, imitando as competições de "Fórmula I"
Assim, estabelecemos algumas regrinhas que podem ser aproveitadas (e modificadas) pelos professores que desejarem implantar este projeto em suas escolas.
O veículo montado pelo aluno receberá duas notas: uma referente à própria montagem em que se observará o esmero e também a habilidade e outra de uma competição, segundo os seguintes critérios:
Regras:
* Os alunos formarão equipes de 4 que devem montar dois veículos. Os veículos de cada equipe terão as mesmas cores e desenho (carro principal e reserva).
* Todos os veículos devem seguir as mesmas especificações de montagem dadas no texto em relação as dimensões. No caso do Colégio Mater Amabilis, para garantir igualdade de condições de competição o professor forneceu o kit copntendo motor e partes eletrônicas. Isso garantiu igualdade de desempenho elétrica, destacando-se a melhor montagem.
* Uma primeira nota será dada pela montagem do veículo valendo de 0 a 6 para os dois carros.
* A segunda nota será dada pelo desempenho na corrida do melhor veículo da equipe segundo o seguinte critério:
- Carro vencedor da prova = 4,0 pontos
- Segundo colocado = 3,5 pontos
- Carros que cruzarem a linha de chegada = 3,0 pontos
- Carros que chegarem até metade do percurso = 2,5 pontos
- Carros que conseguirem sair da posição de partida = 2,0 pontos
- Demais condições à critério do professor - 0 a 1,5 pontos
* O controle remoto consiste numa lanterna que deve ser obrigatoriamente do tipo de duas pilhas (pequenas, médias ou grandes).
* O aluno não deve tocar no veículo ao ser dada a partida e em nenhum ponto do percurso. O acionamento é feito exclusivamente com a lanterna.
* A lanterna não pode ser aproximada a menos de 1 metro do sensor.
* O aluno que ao dirigir seu carro na competição impedir ou bloquear a passagem de outro será desclassificado.
* As pilhas devem ser obrigatoriamente alcalinas ou comuns. Não é permitido usar qualquer outro tipo de alimentação.
* O percurso será de 10 a 15 metros na quadra e serão feitas "baterias" de 6 a 8 carros.
Veja mais:
* Apostilas - Veículos Mecatrônicos VM1, VM2 e VM3 (PV008)
* Fotolog com fotos das competições com os VM1, VM2 e VM3 além de fotos de veículos montados.
