Drop Tower: a didactic application of computational modeling in a high school electromagnetism problem

Authors

  • Renan de Mendonça Valente Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi
  • Douglas Santos Rodrigues Ferreira Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi https://orcid.org/0000-0003-4378-8208
  • Renato Pereira de Freitas Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi https://orcid.org/0000-0001-6011-0920
  • Elicardo Alves de Souza Gonçalves Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi https://orcid.org/0000-0003-2612-2690
  • Valter de Sousa Felix Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi
  • André Rocha Pimenta Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi https://orcid.org/0000-0002-5492-3009
  • Rafael de Sousa Dutra Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi https://orcid.org/0000-0002-1897-2313
  • Leandro de Oliveira Pereira IFRJ

DOI:

https://doi.org/10.26512/rpf.v6i2.39828

Keywords:

Electromagnetism. Interdisciplinarity. Computational Modeling.

Abstract

This paper addresses an idea suggested in the classroom by students of the technical high course in electrotechnics at the IFRJ campus Paracambi, which involves the application of electromagnetic induction concepts in the theoretical proposition of a new configuration of the amusement park toy known as Drop tower , where in this new configuration we will consider time-varying magnetic field models. Thus, the problem was mathematically modeled and computationally solved using the fourth order Runge-kutta numerical integrator implemented in C++ language. Six magnetic field configurations were implemented to determine which one offers the desired motion dynamics for the system. In this way, it was possible to deepen the discussion of the important phenomenon of electromagnetic induction with the students, through the numerical solution of a practical problem. This approach is shown as a pedagogical tool that enables students to have an expanded view of the content, showing more abstract concepts from the point of view of mathematics, physics and computing.

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Author Biographies

Douglas Santos Rodrigues Ferreira, Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi

Possui graduação em Física pela Universidade Federal Fluminense (2004), mestrado em Física pela Universidade Federal Fluminense (2010) e doutorado em Geofísica pelo Observatório Nacional (2014), com período sanduíche (2012-2013) no Florida Institute of Technology - USA, sendo bolsista da CAPES durante o período de duração do doutorado sanduíche. Atualmente é professor associado do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro. Tem experiência na área de Geociências, com ênfase em Geofísica Aplicada, atuando principalmente nos seguintes temas: Caracterizações Estatísticas de Terremotos, Redes Complexas, Mecânica Estatística Não-extensiva, Sistemas Críticos Auto-organizados, Modelos de Deposição Solid-on-Solid 

Renato Pereira de Freitas, Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi

Possui graduação em física pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro e mestrado e doutorado em Engenharia Nuclear pela COPPE/UFRJ é professor de Física efetivo do ensino técnico e tecnológico do Instituto Federal de Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro. Trabalha com Fluorescência de Raios X, Microscopia Eletrônica de Varredura, Difração de Raios X, Espectroscopia no Infravermelho e Espectroscopia Raman aplicadas à arqueometria, além disso é especialista em tratamento de dados por estatística multivariada. Realizou estágio de pós-doutorado no Laboratório Móvel de Bens Culturais (MOLAB) do Instituto de Tecnologia Molecular do Conselho Nacional de Pesquisa da Itália (ISTM-CNR), na Universidade de Perugia, trabalhando em projetos associados análise de obras de artes in situ pela técnica de macro escaneamento por Fluorescência de Raios X (Macro-XRF), com bolsa CAPES. Atualmente é membro permanente do Mestrado Nacional Profissional de Ensino de Física Polo Volta Redonda, bolsista Jovem Cientista do Nosso Estado da FAPERJ e coordenador do Laboratório Móvel do IFRJ aplicado ao patrimônio histórico cultural.

Elicardo Alves de Souza Gonçalves, Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi

Doutor pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (2016), possui mestrado em engenharia pela COPPE-UFRJ (2010) e graduação em física (2007) pela UFRJ. Também tem habilitação em física médica, e especialização em radiodiagnóstico pelo INCa (2011). É professor do quadro efetivo do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro desde 2014. Tem experiência em pesquisa e docência em áreas multidisciplinares, envolvendo principalmente física aplicada, computação aplicada, instrumentação nuclear, engenharias nuclear, de materiais e biomédica.

Valter de Sousa Felix, Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi

Possui graduação em Química Bacharel e Licenciatura pela Universidade Federal Fluminense (2005), mestrado em Química pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (2011) e doutorado em Engenharia Nuclear pela COPPE-UFRJ (2021). É pesquisador do Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Científicas Aplicadas e professor dedicação exclusiva do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro. Tem experiência na área de Engenharia Nuclear, com ênfase em aplicações dos raios X, espectroscopia Raman e FTIR, no estudo de artefatos cerâmicos e de pinturas. Tem experiência na modificação química de biopolímeros e caracterização espectroscópica de polímeros e no ensino de diversas áreas da Química desde 2003.

André Rocha Pimenta, Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi

Possui curso técnico em mecânica pelo CEFET-RJ (2000), graduação em engenharia mecânica pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro UERJ (2006), mestrado (2009) e doutorado (2016) em engenharia mecânica pela UERJ. Atuou como técnico de mecânica de 2001 a 2006, foi instrutor em escolas técnicas (SENAI e ETERJ) entre 2003 e 2007, desde 2006 até o presente momento é professor do Instituto Federal do Rio de Janeiro IFRJ. No IFRJ exerce atividades de ensino, pesquisa, extensão e administração, dentre as quais destaca-se: Atividades docentes em cursos técnico e de graduação; Coordenador do curso técnico em mecânica (2007 - 2009) e (2011 a 2012); Diretor de administração do Campus Paracambi (2012 a 2017); Diversos projetos de pesquisa aprovados junto a Pró-Reitoria de Pesquisa; Cursos de extensão ministrados perincipalmente em microscopia a processamento digital de imagens; Organização de eventos de extensão e pesquisa.

Rafael de Sousa Dutra, Laboratório de Instrumentação e Simulação Computacional Aplicada, Instituto Federal Rio de Janeiro, Campus Paracambi

Possui graduação em licenciatura em física pela Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (2005), com mestrado (2007) e doutorado (2011) em física obtidos pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, tendo realizado um ano de estágio pós-doutoral (2015-2016) no departamento de micro e nanotecnologia da Universidade Técnica da Dinamarca, sob a supervisão do professor Henrik Flyvbjerg. Atualmente é professor titular do magistério EBTT do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro (IFRJ) e desde 2007 mantém colaboração com o LPO (Laboratório de Pinças Óticas) do Instituto de Física da UFRJ. A partir de 2019 também passou a integrar o corpo docente da pós graduação do mestrado nacional profissional em ensino de física IFRJ-UFF (Campus Volta Redonda). Tem experiência na área de Física, com ênfase em Ótica, tendo interesse nos seguintes temas: pinças óticas, aberrações óticas, espalhamento Mie, momento angular da luz, problemas de contorno do campo eletromagnético com múltiplas fronteiras, teoria da imagem em sistemas óticos não paraxiais, métodos perturbativos em eletromagnetismo, aplicação de métodos de mecânica estatística no estudo de propriedades elásticas da membrana celular e em novas abordagens e metodologias, na extensão de conteúdos e problemas de física básica, aplicadas ao ensino.

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Published

2022-09-14

How to Cite

DE MENDONÇA VALENTE, Renan; SANTOS RODRIGUES FERREIRA, Douglas; PEREIRA DE FREITAS, Renato; ALVES DE SOUZA GONÇALVES, Elicardo; DE SOUSA FELIX, Valter; ROCHA PIMENTA, André; DE SOUSA DUTRA, Rafael; DE OLIVEIRA PEREIRA, Leandro. Drop Tower: a didactic application of computational modeling in a high school electromagnetism problem. Journal of the Physics Teacher, [S. l.], v. 6, n. 2, p. 105–117, 2022. DOI: 10.26512/rpf.v6i2.39828. Disponível em: https://periodicos.unb.br/index.php/rpf/article/view/39828. Acesso em: 14 mar. 2026.

Issue

Vol. 6 No. 2 (2022): Journal of the Physics Teacher

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