Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica Disponibilização remota de um modelo didático de interferômetro Allan Johnes Ferreira de Almeida Monografia apresentada como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Bacharel em Física com ênfase em Física Médica. Orientador: Prof. Walmir Thomazi Cardoso SÃO PAULO 2009
Este a a monografai do aluno Allan Johnes Ferreira de Almeida para obtenção do grau de Bacharel em Física com engase em Fisca Médica da PUC/SP em 2009
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 1 -
Disponibilização remota de um modelo didático de
interferômetro
Allan Johnes Ferreira de Almeida
Monografia apresentada como parte dos
requisitos para obtenção do Grau de
Bacharel em Física com ênfase em Física
Médica.
Orientador:
Prof. Walmir Thomazi Cardoso
SÃO PAULO
2009
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
Catarinense de Ensino de Física, v. 18, n.1, p. 108-116, abril, 2001.
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 33 -
Gráfico 2 - Intensidade do feixe transmitido e refletido pelos divisores de feixes. O eixo y é dado em graus.
O Gráfico 2 foi obtido através do espectrômetro da PASCO com a
mesma configuração especificada na análise dos lasers, porém na posição C
(Figura 11) ao invés da rede de difração, foram posicionados os divisores de
feixes. Como fonte de luz foi utilizada o laser lmr-3.
Tabela 2 - Valores das amplitudes dos feixes transmitidos e refletidos. A segunda coluna corresponde à intensidade dos feixes com o limite de detecção correspondente à 90,7% (5V), a terceira coluna corresponde aos valores normalizados para o limite de detecção correspondente à 100% .
Intensidade dos feixes (porcentagem).
Imáx = 90,7%
intensidade dos feixes (porcentagem).
Imáx = 100 %
transmitido Refletido refletido
(2ª Superfície) transmitido Refletido
refletido
(2ª Superfície)
Divisor em Cubo
(cidepe) 28,7 24,9 - 31,6 27,5 -
Divisor em lâmina
(engfilm) 50,8 31,0 - 56,0 34,2 -
placa de acrílico 75,6 7,0 9,0 83,4 7,7 9,9
Lembrando que, conforme Figura 4, um dos feixes resultantes das
reflexões e transmissões pelo divisor de feixes é um feixe composto por outros
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 34 -
dois feixes que é dirigido ao anteparo de visualização das franjas. E cada um
desses dois feixes possui amplitudes teoricamente iguais, visto que, cada feixe
passou por uma reflexão e uma transmissão no divisor de feixes. Assim
independente dos índices de transmissão e reflexão têm-se o maior contraste
na formação dos padrões de interferência, ou seja, os feixes resultantes
possuem amplitudes iguais. Porém o valor desta amplitude, que reflete na
intensidade dos padrões de interferência, depende dos índices de reflexão e
transmissão do divisor de feixes. De acordo com a diferença entre os índices
de reflexão e transmissão, o valor da amplitude desses feixes resultantes será
modificado (conforme Gráfico 3). No caso particular, em que os índices de
reflexão e transmissão sejam iguais a 50%, têm-se maior amplitude dos feixes
que irão compor os padrões de interferência. Este não é o caso do divisor de
cubo que possui grande perda de amplitude por reflexões secundárias.
Analisando a relação custo-benefício, considerando os índices de reflexão e
transmissão e perda por reflexões secundárias, o divisor em lâmina leva
vantagem entre os divisores selecionados e foi selecionado para compor o
interferômetro desta pesquisa.
Gráfico 4 - Amplitude dos feixes que irão compor os padrões de interferência em função dos índices de transmissão e reflexão do divisor
0
5
10
15
20
25
-100 -50 0 50 100
amp
litu
de
do
s fe
ixe
s re
sult
an
tes
do
div
iso
r
(p
orc
en
tage
m)
Diferença entre os índices de transmissão e reflexão do divisor de feixes (porcentagem)
Amplitude dos feixes que irão compor os padrões de interferência em função dos
índices de transmissão e reflexão do divisor
amplitude dos feixes resultantes do divisor
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 35 -
Análise dos suportes e posicionadores
Analisando os interferômetros comerciais da PASCO e Cidepe,
determinou-se que preferencialmente os suportes e posicionadores devem
possuir as seguintes características:
Proporcionar um ajuste preciso da posição dos componentes;
Serem modulares para permitir futuras modificações de
componentes;
Serem ajustáveis para os componentes selecionados.
Com relação ao interferômetro da PASCO (Figura 9), nota-se que é um
experimento que dificilmente permite a adição de outros componentes que não
sejam vendidos pela própria empresa como opcionais, porém os ajustes da
posição dos componentes é um aspecto positivo, pois permite facilmente o
alinhamento dos feixes.
Com relação ao interferômetro da Cidepe, nota-se que o ajuste da
posição dos componentes não é tão preciso e demanda um tempo razoável
para ajuste dos feixes. Porém, devido os suportes para os componentes
ópticos não possuírem posições fixas na base, é possível adicionar outros
componentes na experiência.
Levando em consideração esses fatos, optou-se por adquirir os suportes
e posicionadores da empresa OPTRON, descritos abaixo, pois estes são
modulares e, conforme especificações do fabricante possuem maiores opções
de ajustes de posição dos componentes.
Tabela 3 - Materiais comercializados pela empresa OPTRON. As especificações de cada material encontram-se disponíveis em www.optron.com.br
Materiais Sigla Quantidade
Suporte Universal (para laser) SU-50 1
Trilho TR1-200 2
Carro C1-50 2
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 36 -
Suporte de Bastão SB1-30 4
Posicionador de Espelhos PE2-25 1
Posicionador de Espelhos PE3 1
Posicionador de Divisor de Luz DL1 1
Bastão B1-50.M6 5
Análise dos espelhos.
Os espelhos utilizados nesta experiência, diferentemente dos espelhos
geralmente comercializados em vidraçarias, são espelhos que necessitam de
algumas características especiais, tais como:
Ser espelhos de 1ª superfície. O feixe incide diretamente na
camada refletora. Um revestimento de material transparente
sobre a camada refletora irá originar dois feixes refletidos pelo
espelho e estes irão interferir nos padrões de interferência
visualizada no anteparo;
Devem possuir uma superfície sem irregularidades, já que uma
irregularidade irá desviar uma parte do feixe e assim prejudicar a
visualização das franjas;
Devem possuir índice de reflexão elevado afim e assegurar que
haja pouca perda de amplitude pela reflexão dos feixes.
Para análise dos espelhos foram selecionados alguns espelhos e
superfícies refletoras que essencialmente satisfazem o requisito de serem
espelhos de 1ª superfície. Dentre eles podemos citar os espelhos cedidos por
Roberto Verzini (EngFilm) e os espelhos cedidos pela empresa OPTRON, que
os forneceu juntamente com a aquisição dos suportes.
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 37 -
Os índices de reflexão dos espelhos foram comparados
quantitativamente através do espectrômetro da PASCO, no qual foram
realizados os seguintes procedimentos experimentais:
Conforme Figura 14l, na posição A encontra-se o laser “lmr-3”. Em B
foram colocados os espelhos, sempre tomando o cuidado de colocá-los na
mesma posição. Em C foram posicionados dois polarizadores com a função de
limitar a intensidade do feixe incidente no sensor (posição D), ambos os
polarizadores foram mantidos fixos. Em D existia um sensor fixo em uma base
móvel que ao ser rotacionado era capaz de gerar uma tensão em sua saída
proporcional à intensidade de luz incidente. No suporte de fenda presente na
entrada do sensor, foi selecionada a abertura circular que permite a passagem
de todo o feixe incidente no sensor. O sensor foi ligado na entrada USB do
computador e através do software DataStudio (fornecido juntamente com o
espectrômetro) foi possível obter as amplitudes de reflexão dos espelhos.
Figura 13 – Espelhos reflexivos. A) espelho da Cidepe. B) Lente espelhada de óculoas de sol. C) Espelho cedido pela Engfilm. D) Dísco rígido de um HD. E) espelho cedido pela empresa Optron.
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 38 -
No gráfico 4 é possível visualizar o índice de reflexão dos materiais
selecionados, dentre eles verifica-se que o espelho da empresa Engfilm possui
maior índice de reflexão e portanto será utilizado em nossa pesquisa.
Gráfico 5 - Amplitude dos feixes refletidos pelos diversos espelhos
Figura 14 - montagem experimental para levantamento das amplitudes dos feixes refletidos pelas superfícies refletoras
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 39 -
Análise da base para o experimento
A base para o experimento deve ser rígida o suficiente para que não
haja desalinhamento dos feixes através da sua deformação e também deve ser
capaz de minimizar as vibrações mecânicas que podem interferir no
experimento. Neste sentido, foi adquirida uma placa de granito de
aproximadamente 50x50 cm. Esta placa é rígida o bastante para a montagem e
permitiu a fixação dos trilhos da OPTRON utilizando as ferramentas disponíveis
nos laboratórios de Física e Engenharia da PUC-SP. Dependendo da
localização do interferômetro é necessário utilizar um sistema que minimize as
vibrações mecânicas que possam interferir no experimento. Neste sentido, foi
utilizado o mesmo sistema utilizado pelo interferômetro da Cidepe e que é
composto por uma caixa de madeira, contendo areia, apoiada sob uma câmera
de ar. Neste caso, o interferômetro é posicionado sobre a areia.
Montagem do interferômetro
Baseando-se nas diversas análises apresentadas até o momento foi
selecionado os seguintes componentes para compor o interferômetro utilizado
nessa pesquisa:
1. Laser modelo lmr-3 comercializado pela empresa Laserline;
2. Divisor de feixes do tipo lâmina semi-reflexiva (~51% de transmissão e
31 de reflexão) cedido pela empresa Engfilm;
3. Espelhos de 1ª superfície cedidos pela empresa Engfilm;
4. Suportes e posicionadores comercializados pela empresa Optron;
5. Base em pedra de granito de 50cmx50cm.
Para a montagem do interferômetro utilizaram-se as ferramentas do
laboratório de física/Engenharia da PUC-SP e após a montagem obteve-se
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 40 -
uma satisfatória visualização dos padrões de interferência através do arranjo
experimental, conforme Figura 15.
Figura 15 - à esquerda, interferômetro montado em nossa pesquisa após a seleção dos componentes. À direita, os padrões de interferência visualizados através desta montagem.
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 41 -
Interface servidor-experiência
Pesquisa da interface de controle
Ao iniciar a pesquisa da interface de controle, ou seja, a interface que
proporciona a integração entre o servidor e o experimento físico, partiu-se de
duas possibilidades, a de produzir uma interface de controle específica para
esta pesquisa ou adquirir uma que adequasse à mesma.
Ao analisar a possibilidade de produzir a interface de controle, nota-se
algumas vantagens, tais como o total conhecimento do seu funcionamento e a
possibilidade serem realizados futuros reparos, caso necessário. Em
conseqüência, o seu custo deverá ser minimizado, visto que, não terá valores
agregados a não ser o custo dos próprios componentes. Por outro lado, esta
interface será específica para esta experiência e qualquer modificação ou
adição de novos controles na experiência ocasionará a modificação do projeto
inicial. Também seria gasto um tempo razoável entre o estudo e a análise de
seus componentes, bem como para a sua montagem.
Ao analisar a possibilidade de adquirir a interface de controle, nota-se
que a maioria das empresas não fornece informações técnicas do
funcionamento de suas interfaces de controle e sim parâmetros para sua
utilização. Portanto, futuros reparos devem ser realizados pelas próprias
empresas o que demanda um custo razoável. Além disso, a grande maioria das
interfaces de controle proprietárias é limitada a problemas específicos e
utilizam sensores ou acessórios proprietários. Apesar do custo relativamente
alto, caso fosse adquirida uma interface proprietária, um grande tempo seria
poupado em nossa pesquisa.
Durante a pesquisa sobre a interface de controle utilizada, deparamo-
nos com o projeto Arduino. Em sua página oficial (em inglês), encontra-se um
breve resumo sobre o projeto:
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 42 -
"Arduíno é uma plataforma de prototipagem eletrônica de código
aberto (open source) baseada na flexibilidade e facilidade de uso
de hardware e software. Ele é direcionado a designers, pessoas
com hobbies e qualquer interessado na criação de objetos ou
ambientes interativos".
(http://www.arduino.cc/ - acesso em 17/10/2010 às 11:00)
Neste breve resumo, há a definição do arduino como uma plataforma
eletrônica de código aberto4 de prototipagem que é baseada na flexibilidade, e
fácil utilização de hardware e software. Neste caso a expressão código aberto
indica que todas as especificações de montagem dessa plataforma eletrônica
estão disponíveis para qualquer pessoa com acesso à internet e esta
plataforma como um todo pode ser copiada, redistribuída, estudada e
modificada. Exatamente por sua flexibilidade e fácil utilização do hardware e
software, ela é utilizada por artistas, designers ou qualquer pessoa interessada
em criar objetos ou ambientes interativos.
O projeto arduino foi inicialmente aplicado na computação física, no qual
um computador doméstico pode controlar e captar informações de um meio
físico. A plataforma é composta por uma placa controladora e um ambiente de
desenvolvimento para programá-la.
4 O termo código aberto, ou open source em inglês, genericamente trata-se de um software livre que respeita os termos definidos pela Open Source Iniciative, dentre elas podem-se destacar: eliminação de restrições sobre a cópia, redistribuição, liberdade de acesso ao código de programação, estudo e modificação do software. (http://www.opensource.org/docs/osd acesso em: 15/11/2010 às 16:00).
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 43 -
Figura 16 – à esquerda, a placa arduino em sua última versão (UNO). Foto retirada do site: www.arduino.cc em 17/10/2010 às 21:00. À direita, o ambiente de programação arduíno.
Em suas últimas versões, o arduino é conectado ao computador através
de um cabo USB, o que reverte em mais uma vantagem, já que os
computadores atualmente possuem entradas USB em substituição das já
obsoletas entradas do tipo serial. Na placa arduino encontra-se um micro-
controlador, da marca Atmel, utilizado para controlar as portas digitais e
analógicas através de uma comunicação serial (padrão UART TTL - 5V) com o
computador. Para que a placa se comunique com o computador através do
USB, é inserida na placa um chip adaptador USB-Serial, ATmega8U2 ou FTDI
FTD232, que é capaz de fornecer a comunicação serial sobre o USB, assim, no
sistema operacional a comunicação do computador com a placa arduino é
realizada através de uma comunicação serial virtual.
A linguagem de programação do arduino é uma implementação da
linguagem Wiring, uma plataforma de computação física similar. O ambiente de
desenvolvimento do arduino, que durante o desenvolvimento desta pesquisa
estava em sua versão 20, é baseado no ambiente de programação multimídia
denominado Processing. Ambos ambientes são de códigos abertos e são
compilados na linguagem java.
No site oficial, www.arduino.cc, existe uma vasta coleção de informações
de como utilizar o arduino. Neste há informações sobre a instalação do
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 44 -
ambiente de programação de acordo com o sistema operacional utilizado,
detalhes referente à linguagem de programação e suas funções, detalhes
sobre os diferentes modelos de hardware, e uma grande variedade de
exemplos e aplicações. No apêndice A encontra-se o esquema do hardware
arduino do modelo UNO.
Na página, http://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction (acessado em
17/10/2010 às 14:00), encontram-se algumas vantagens em se utilizar a
plataforma arduino, dentre elas podem-se destacar:
Plataforma de baixo custo - a plataforma arduino possui um custo baixo
comparado a outras plataformas de computação física;
Portável - É possível utilizá-la em diferentes sistemas operacionais,
como por exemplo: Windows, Unix e Macintosh;
Ambiente de desenvolvimento simples – é de fácil utilização para
iniciantes e flexível para usuários experientes;
Software de código aberto e extensível – Possui seu código disponível
para qualquer pessoa, o que permite programadores experientes
estenda a linguagem através de bibliotecas da linguagem C++;
Hardware de código aberto e extensível – Todo o circuito do arduino é
aberto e pode se modificado conforme a necessidade. Também existem
diversos módulos prontos que podem ser plugados no hardware arduino,
tais como módulo de rede, módulo de wireless, etc.
O arduino destaca-se de outras plataformas de computação física não
só pela suas características já apresentadas, mas também por uma grande
comunidade espalhada pelo mundo. Uma simples busca pela internet por
“arduino” resulta em uma grande quantidade de projetos, sugestões, exemplos,
fóruns, vídeos, etc. Neste contexto outra definição de arduino é dada pela
revista Elektor que sintetiza o que é o projeto:
“Sim, o Arduino é uma placa com microcontrolador, um software
de desenvolvimento, uma linguagem de programação e também
uma comunidade! De fato, o Arduino é mais uma filosofia, que
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 45 -
populariza uma tecnologia e coloca ao alcance de todos”
(Valens, 2010, página 58)
Como o arduino não possui restrições de reprodução e venda de
hardware, existem diversos revendedores oficiais dessas placas pelo mundo.
No Brasil, destacam-se as empresas: Multilogica, Unite e RoboCore. A
empresa Globalcode apesar de não ser uma representante oficial, produz e
comercializada uma versão modificada da placa arduino (modelo
Duemilanove), que possui integrados diversos componentes como leds,
transistores, ldr, chaveador, etc, em seus pinos digitais e analógicos. Como a
nomenclatura arduino somente pode ser utilizada por placas aprovadas pela
comunidade arduino, a placa comercializada pela Globalcode é conhecida
como program-me.
Como um dos nossos objetivos centrais foi de desenvolver uma
montagem com um custo reduzido, o que motiva e justifica a reflexão do custo-
benefício, e pelas diversas características apresentadas, optou-se em utilizar a
plataforma arduino em nossa pesquisa, utilizando a placa program-me
adquirida através da empresa Globalcode.
Figura 17 – Placa program-me. Produzida e comercializada pela empresa Globalcode. Foto retirada do site: www.globalcode.com.br/noticias/entrevistaProgramMe
(acessado em 02/10/2010 às 16:00)
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 46 -
Comunicação entre o PC e o arduino
A placa arduino deve ser programada através do seu ambiente de
desenvolvimento para que execute determinadas tarefas de acordo com dados
recebidos pelo PC ou sinais capturados pelo meio físico. A programação
arduino é dividida em três partes básicas: estrutura, valores (variáveis e
constantes) e funções. Na área reference do site oficial do arduino existe uma
descrição detalhada do sintax de toda a programação e de seus recursos, bem
como exemplos de como aplicá-los. Desta forma, nesse trabalho não serão
abordados detalhes da programação.
Nesta pesquisa o arduino foi programado com o código apresentado no
apêndice C, cada parte do código foi comentada para que seja possível a
compreensão de sua função. As linhas que possuem os caracteres “//” indicam
que são comentários e são automaticamente ignorados quando o código é
compilado para a placa arduino. O arduino permite aplicar 5V ou 0V nos pinos
digitais 2 e 3 conforme o caractere recebido pelo computador. Assim estes
pinos serão utilizados para acionar relês associados aos dispositivos no
experimento, tais como o laser e o deslocador de espelhos.
No código também é possível verificar que o led de indicação do
deslocamento das franjas é acionado quando o valor capturado do ldr (0 a
1023) é maior que um limite de corte estabelecido.
Controle de dispositivos através do arduino
Um relê facilmente encontrado em lojas de eletrônica para controlar
dispositivos de 110V/220V com corrente máxima de 10 A é um relê de 12V
com 5 pinos.
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 47 -
Dois desses cinco pinos são utilizados para acionar o relê ao aplicar
12V. Os três pinos restantes são denominados: Normalmente Fechado (NF),
Normalmente Aberto (NA) e Comum (C), conforme Figura 18. O comum é
sempre ligado em um dos terminais do dispositivo a ser controlado. Os outros
dois pinos (NA e NF) irão definir qual o comportamento do relê ao ser
acionado, ou seja, se o relê deve fechar o circuito ao ser acionado, deve ser
utilizado o pino NA, caso contrário, deve ser utilizado o pino NF.
No entanto, o arduino pode fornecer no máximo 5V de tensão em suas
saídas digitais e analógicas totalizando 40mA de corrente, tensão e corrente
insuficientes para acionar um relê de 12V. Poder-se-ia nesse caso utilizar um
relê de 5V, porém os relês normalmente disponíveis no mercado são
destinados a controlar dispositivos de baixa amperagem (intensidade de
corrente). Para contornar esse problema, é necessário fazer um pequeno
circuito alimentado por um fonte externa de 12V capaz de acionar o relê
quando um dos terminais do arduino estiver com 5V. Na internet existem
alguns exemplos para construir estes circuitos, bem como quais componentes
utilizar, porém no intuito de auxiliar usuários iniciantes no mundo arduino, a
empresa Globalcode comercializa uma placa impressa virgem (sem
componentes) denominada de tomad@, assim basta o usuário adquirir os
componentes necessários e montar a placa. A tomad@ possui dois relês
independentes que são acionados por duas saídas digitais do arduino. A placa
deve ser alimentada com uma fonte externa de 12V e o controle da tensão
aplicado no relê é realizado por um transistor (BD139 - tipo NPN) que é
utilizado nessa placa como chaveador, ou seja, quando o terminal base do
Figura 18 - típico relê de 12 V com 5 pinos.
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 48 -
transistor é excitado com 5V fornecido pelo arduino, há a passagem de
corrente entre os terminais emissor e coletor e assim é aplicado 12V no relê. A
fonte externa utilizada para alimentar a placa tomad@, deve alimentar
simultaneamente a placa arduino para que o referencial da diferença de tensão
entre as duas placas seja o mesmo.
Figura 19 - Placa tomd@. à esquerda com os componetes soldados e à direita a placa impressa virgem. (foto retirada do site http://www.eletronlivre.com.br/2010/03/novas-placas-e-novos-kits.html, acesso em 02/11/2010 às 17:39)
O Deslocador de espelhos
O interferômetro original de Michelson-Morley foi construído no século
19 com o objetivo de mensurar o éter. Nessa época, a idéia que a luz
necessitava do éter como suporte para sua propagação era amplamente aceita
pelos cientistas. Com a existência do éter esperava-se que um feixe de luz
propagando-se na superfície da Terra pudesse possuir diferentes velocidades.
Isto ocorreria de acordo com a orientação da velocidade da Terra ao redor do
Sol e da propagação do feixe de luz, utilizando assim, a relatividade galileana
para somatória das velocidades. Como o interferômetro possui dois braços
perpendiculares onde cada feixe percorre um caminho. Esperava-se que de
acordo com a orientação do interferômetro com relação a Terra, a velocidade
desses feixes poderiam ser diferentes. Em conseqüência, seria possível
visualizar o deslocamento das franjas de interferência e medir a velocidade da
Terra com relação ao éter. Como não houve nenhuma alteração nos padrões
de interferência em diversas medidas realizadas, não foi possível mensurar o
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 49 -
éter.
Para simular o efeito esperado por Michelson e Morley, pode-se produzir
deslocamento das franjas de interferência pela alteração do percurso de um
dos feixes do interferômetro, isto ocorre pelo deslocamento de um dos
espelhos. Para ocorrer esse deslocamento no interferômetro montado nesta
pesquisa, devem ser analisadas algumas considerações referentes ao
deslocamento:
Não deve ocasionar vibrações mecânicas significativas no
experimento, pois caso contrário, as vibrações irão interferir na
visibilidade dos padrões de interferência;
Deve ser da ordem do comprimento de luz e em baixa velocidade
para que seja possível visualizar as transições dos padrões de
interferência;
Através destas considerações, determinou-se que o deslocamento deva
ser realizado com a dilatação térmica de um material, ao invés de um
deslocamento mecânico. Como solução, um ferro de solda foi utilizado e em
uma de suas extremidades foi adaptado um dos espelhos da experiência. Essa
montagem demonstrou-se satisfatória ao experimento e aos suportes. Para
evitar deformações do espelho pelo aquecimento do ferro de solda, foi
adicionado um isolante térmico entre o ferro e o espelho. E para evitar que o
ferro fosse aquecido rapidamente e atingisse temperaturas altas
desnecessariamente, foi adicionado um transformador de 110V-30V entre a
rede elétrica e o ferro de solda.
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 50 -
Figura 20 - Deslocador de espelhos. Ferro de solda adaptado com um espelho em sua extremidade.
Câmeras de monitoração
Inicialmente foi prevista a utilização de uma “webcam” para a captura
dos padrões de interferência, porém ao fazer uma análise qualitativa das
imagens transmitidas percebeu-se que a resolução da webcam utilizada não
satisfez a necessidade da pesquisa. Como solução utilizou-se uma câmera de
maior resolução, da marca Sony e modelo dcr-trv33, esta câmera produziu
imagens satisfatórias para a pesquisa. Para aumentar a taxa de transmissão
entre a câmera e o computador, a comunicação ocorreu através de um cabo
“firewire” cujo taxa de transmissão supera a do USB.
Para a visualização do experimento foi utilizada a “webcam” da empresa
Microsoft, modelo lifecam vx-2000, visto que demanda uma resolução e taxa de
transmissão menor.
O único inconveniente em utilizar as duas câmeras acima citadas é que
são incompatíveis com a distribuição Ubuntu do sistema operacional Linux.
Assim caso seja necessária a aquisição de câmeras para futuras pesquisas
similares a esta, um fator importante a ser considerado é o suporte ao sistema
Linux.
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 51 -
Figura 21 - Câmeras de Monitoração
Anteparo de visualização de franjas
Ao projetar os padrões de interferência no anteparo de visualização de
franjas notou-se que se a superfície do anteparo fosse clara e a experiência
fosse realizada em um ambiente escuro, os padrões ficavam nítidos e com um
alto contraste entre as franjas escuras e claras, porém neste caso não seria
possível capturar a imagem do experimento na webcam devido a baixa
iluminação do ambiente, adicionalmente, a câmera de mini-dv às vezes não
focalizava corretamente a imagem dos padrões de interferência quando o laser
era repentinamente acionado. Ao realizar os mesmos testes, porém com a
presença da iluminação ambiente, notou-se que a luz branca refletida pelo
anteparo prejudicava a qualidade dos padrões de interferência. Neste sentido,
para melhorar o contraste dos padrões de interferência com a presença de uma
iluminação ambiente, a superfície do anteparo foi revestida com uma superfície
escura, o que tornou o contraste das franjas melhor e possível de ser
capturada com a mini-dv sem muita dificuldade.
No anteparo também foi adicionado um foto sensor LDR (Light
Dependent Resistor) com a finalidade de capturar o deslocamento das franjas
com a movimentação de um dos espelhos. Em alguns testes realizados,
verificou-se que a região central dos padrões de interferência é a mais propícia
para alocar o LDR, pois com o deslocamento das franjas, ora o LDR estava
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 52 -
totalmente obscurecido ou iluminado, assim gerando uma grande variação de
resistência a ser mensurado pelo arduino. Conforme valor mensurado do LDR
pelo arduino é ligado ou desligado um led, assim, informando ao usuário a
presença de uma franja clara ou escura no LDR.
Como a disponibilização das imagens das câmeras por streaming gera
um atraso de aproximadamente 10 segundos entre a experiência real e a
visualização do vídeo pela internet, foi determinado que uma maneira do
usuário realizar medidas com o experimento, é alocar o led do LDR no próprio
anteparo. Para informar ao usuário o estado (ligado/desligado) do laser e do
deslocador de espelhos, também foi adicionado um led para ambos
dispositivos no anteparo, assim quando um dos dispositivos for acionado, o led
correspondente é ligado.
Figura 22 - Anteparo de visualização de franjas com os leds de monitoração
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 53 -
Diagrama da interface servidor-experiência
Após a análise e seleção dos diversos dispositivos que compõe a
interface entre o servidor e a experiência, pôde-se representá-los segundo o
seguinte diagrama.
Figura 23 - diagrama dos dipositivos que compõe a interface de controle entre o computador e o servidor.
Neste diagrama nota-se que há uma conexão entre o anteparo de
visualização e a placa tomad@, isto ocorre porque no anteparo há leds que são
ligados quando os relês são acionados. Assim, juntamente com os padrões de
interferência capturada pela câmera, o usuário pode visualizar o estado do
experimento.
As conexões da placa tomad@ com o transformador e o laser tem como
característica controlar o acionamento destes dispositivos através dos relês.
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 54 -
Interface servidor-usuário.
Pesquisa das configurações de servidor e softwares
Inicialmente com o objetivo de diminuir os custos e tornar esta pesquisa
acessível a outras pesquisas similares, imaginou-se utilizar um computador
obsoleto com relação aos computadores disponíveis atualmente no mercado,
porém com um desempenho razoável capaz de suportar o sistema operacional,
controlar a placa arduino, disponibilizar vídeos via streaming e a página de
controle do experimento. Com relação ao sistema operacional e aos softwares,
preferencialmente deviam ser open source, pois estes possuem as seguintes
características:
Código aberto: Qualquer usuário possui acesso ao código fonte do
sistema ou software e pode alterá-lo de forma que ajuste à suas
necessidades;
Gratuito: Basta acessar o site da distribuição ou do software que se
pretende instalar no computador e baixá-lo;
Suporte: As distribuições mais utilizadas como Ubuntu, Debian, Open
Suse, etc, possuem uma grande comunidade que auxilia na resolução
de problemas e problemas identificados no sistema são rapidamente
corrigidos.
Ao iniciar os testes do sistema operacional e câmeras, notou-se que não
seria possível utilizar o sistema operacional Linux Ubuntu, pois este não possui
suporte nativo às câmeras utilizadas. Apesar de se encontrar algumas soluções
possíveis em alguns fóruns na internet, notou-se poderiam ocorrer algumas
instabilidades na comunicação dessas câmeras com o sistema e assim
comprometer a pesquisa. Portanto foi selecionado o sistema operacional
Microsoft Windows na versão XP Professional. Este já estava licenciado no
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 55 -
computador utilizado e os fabricantes das câmeras fornecem drivers para o
correto funcionamento neste sistema. Apesar do sistema operacional ser
licenciado, o restantes dos softwares instalados são open source ou freeware
(gratuitos mas de código fechado).
Para o controle do arduino através do computar não é necessário que o
computador possua um hardware de alta performace, porém como o
computador é responsável em capturar o vídeo das câmeras, processá-lo e
enviar via stream5
pela internet, entre outras tarefas. Notou-se que um
computador com um processador Pentium 4 (2.8 GHz), com 1Gb de RAM (ddr
400) e um HD de 40 Gb possui uma configuração satisfatória para ser utilizado
nesta pesquisa.
Servidor streaming
Em um ambiente preparado para enviar vídeos em tempo real pela
internet, existe um computador que não precisa ter um alto poder de
processamento e é responsável por capturar o vídeo e transmiti-lo para um
servidor com alta capacidade em processamento. Neste servidor, o vídeo
poderá ser armazenado e processado para a transmissão via internet. Também
pode ser configurado no servidor as diferentes taxas de transmissão
disponíveis para a visualização dos vídeos, assim o usuário poderá determinar
qual taxa se ajusta melhor à sua banda de acesso à internet. Como para criar
uma estrutura deste tipo demanda um custo e tempo, para simplificar o
processo de configuração de um servidor streaming foi utilizado o software
Windows Media Encoder 9 series da Microsoft. Este software pode ser baixado
5 Streaming (fluxo de mídia) é uma forma de distribuir informação multimídia numa rede através de pacotes. Ela é freqüentemente utilizada para distribuir conteúdo multimídia através da Internet. Em streaming, as informações da mídia não são usualmente arquivadas pelo usuário que está recebendo a stream (a não ser a arquivação temporária no cache do sistema ou que o usuário ativamente faça a gravação dos dados) - a mídia geralmente é constantemente reproduzida à medida que chega ao usuário se a sua banda for suficiente para reproduzir a mídia em tempo real (ver underflow). Isso permite que um usuário reproduza mídia protegida por direitos autorais na Internet sem a violação dos direitos, similar ao rádio ou televisão aberta. (http://pt.wikipedia.org/wiki/Streaming - acesso em 23/10/2010 às 17:00 )
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 56 -
e instalado em qualquer computador que tenha o Windows como sistema
operacional. O Media Encoder pôde ser facilmente configurado através de
alguns passos fornecido através de um assistente presente no software.
Durante o processo de configuração do software, foi configurado para o
servidor utilizar as portas tcp/ip 1200 e 1201 para o stream das câmeras. Após
a instalação e configuração do Media Encoder, foi possível visualizar as
imagens capturadas remotamente pelas câmeras adicionando no reprodutor de
mídia Windows media player o link: http://[endereço_do _servidor]/[porta] .
Comunicação TCP/IP-serial
Como a placa arduino deve ser controlada remotamente por um usuário
através da internet (protocolo TCP/IP porta 80), e por outro lado a comunicação
entre a placa arduino e o servidor é realizada através de uma porta serial
virtual, o servidor deve ser capaz de realizar a ponte entre a internet e a porta
serial, ou seja, capturar determinadas variáveis envidadas pelo usuário pelo
protocolo tcp/ip porta 80 e repassar à placa arduino através da porta serial.
A linguagem PHP atualmente é utilizada por diversos programadores
web juntamente com a linguagem HTML em páginas da internet com o intuito
de gerar páginas dinâmicas, ou seja, páginas que são geradas em tempo real
de acordo com determinadas circunstâncias. A linguagem PHP pode ser
utilizada para controlar diretamente portas seriais, pois possui funções que
possibilitam isto. Para enviar dados à porta serial através do PHP é necessário
três passos básicos: abrir a conexão com determinados parâmetros, enviar os
dados para a porta serial e fechar a conexão. Porém em alguns testes
realizados, notou-se que quando a conexão é fechada pelo PHP, a placa
arduino é reinicializada e retorna ao seu estado inicial, ou seja, como as portas
digitais configuradas como 0V (relês desarmados). Para solucionarmos este
problema, foi utilizado o software freeware SerProxy, disponível no site oficial
do arduino, e que permite que dados sejam encaminhados à portas seriais
através de portas tcp/ip. O SerProxy possui um arquivo de configuração
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 57 -
(serproxy.cfg) onde é determinado os parâmetros da conexão com a porta
serial. Segue abaixo o arquivo configurado para esta pesquisa.
# Config file for serproxy # Transform newlines coming from the serial port into nils # true (e.g. if using Flash) or false
newlines_to_nils=true # Portas COM disponíveis
comm_ports=1,2,3,4 # Parâmetros para a comunicação serial
sentido esta pesquisa também pode ser utilizada para auxiliar futuras
pesquisas no desenvolvimento de laboratórios remotos.
Os resultados dessa pesquisa podem futuramente ser incorporados ao
projeto Kyatera, apoiado pela FAPESP, que prevê a disponibilização de
laboratórios remotos (weblabs).
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 63 -
Apêndice
Apêndice A - Esquema circuito arduino.
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 64 -
Apêncice B - Código das páginas web
Código da página controle.php
<?php if ($valor) { // Conecta na porta $port = fsockopen("127.0.0.1", 5333); // Em alguns casos a Arduino pode reiniciar, por isso // é bom esperar para enviar informação depois de conectar sleep(2); // Envia a variavel valor para o Arduino fwrite($port, $valor); // Fecha a conexão com a porta fclose($port); } ?> <HTML> <HEAD> <TITLE>Controle</TITLE> </HEAD> <?php echo " <table align=\"right\"> <tr> <td height=40 align=\"center\" colspan=3><font size=4>Menu de Controle:</font></td> </tr> <tr align=\"center\"> <td>Dispositivo</td> <td>Ligar</td> <td>Desligar</td> </tr> <tr align=\"center\"> <td>Laser:</td> <td><a href=$PHP_SELF?valor=a><image border=0 src=confirma.png></a></td> <td><a href=$PHP_SELF?valor=b><image border=0 src=nega.png></a></td> </tr> <tr align=\"center\"> <td>Deslocador:</td> <td><a href=$PHP_SELF?valor=c><image border=0 src=confirma.png></a><br></td> <td><a href=$PHP_SELF?valor=d><image border=0 src=nega.png></a><br></td> </tr> <tr align=\"center\"> <td>Tudo:</td> <td></td> <td><a href=$PHP_SELF?valor=x><image border=0 src=nega.png></a><br></td> </tr> </table> "; ?>
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
// porta 5 analogica o ldr (anteparo) int analogInput = 5; // porta do led-ldr (anteparo) int LEDpin = 4; // variavel para armazenar valor do ldr int value = 0; // limite de corte do ldr. Acende o led se for maior que este valor. int threshold = 600; void setup() { // declaracao dos modos (entrada/saida) dos pinos pinMode(analogInput, INPUT); pinMode(LEDpin, OUTPUT); // inicializa a comunicação serial com a taxa de 9600 bps Serial.begin(9600); // configura os pinos de 2 e 3 como saída for (int thisPin = 2; thisPin < 4; thisPin++) { pinMode(thisPin, OUTPUT); } } void loop() { // le o valor do ldr value = analogRead(analogInput); // se o valor do ldr for maior do que o limite o led acende, caso contrario apaga if (value > threshold) digitalWrite(LEDpin, HIGH); else digitalWrite(LEDpin, LOW); // envia o valor do ldr para a porta serial (para debug ou monitoracao) Serial.print(value,DEC); // envia um sinal para separar valores - em ascII => decimal 10 = LF (alimenta linha) Serial.print(10,BYTE); // espera um tempo para nao sobrecarregar a porta serial
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 67 -
delay(10); // verifica se há dados no buffer da porta serial para serem lidos if (Serial.available() > 0) { // define a variável inByte como inteiro e atribui o valor recebido pela porta serial int inByte = Serial.read(); // seleciona em qual caso enquadra-se o caractere recebido switch (inByte) { case 'a': // caso seja lido na porta serial o caractere 'a', o pino 2 é configurado com 5 V digitalWrite(2, HIGH); break; // caso seja lido na porta serial o caractere 'b', o pino 2 é configurado com 0 V case 'b': digitalWrite(2, LOW); break; // caso seja lido na porta serial o caractere 'c', o pino 3 é configurado com 5 V case 'c': digitalWrite(3, HIGH); break; // caso seja lido na porta serial o caractere 'd', o pino 3 é configurado com 0 V case 'd': digitalWrite(3, LOW); break; // caso seja lido na porta serial qualquer caractere diferente, os pinos 2 e 3 é configurado com 0 V default: for (int thisPin = 2; thisPin < 4; thisPin++) { digitalWrite(thisPin, LOW); } } } }
Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Bacharelado em Física – ênfase em física médica
- 68 -
Bibliografia
CARVALHO, Mariana T.. Técnicas de Interferometria óptica aplicada à
medicina, odontologia e comunicações ópticas. Recife: Universidade