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Simulador em Realidade Virtual para Aprendizagem da Física

1. 17 Figura 22 Explica o do Vivitouch Moving Touch Sensor Vivitouch 2013a 17 Figura 23 Execu o de Haptic Effect Preview Staztic 2013 eeessussse 18 Figura 24 Execu o de Haptic Muse Ggpht 2013 oooonnnnnnnnnncccnnnoncnnnnnnnnnnnnnnns 19 Figura 25 Cinto H ptico Blogcdn 2011 54 ee e ee XE MR SRL x EE MER ER Anis Irado cad 20 Figura 26 Colete h ptico de apoio a cegos Dvice 2012 20 Figura 27 Colete H ptico de jogo Singularityhub 2010 ee 20 Figura 28 CyberGrasp com CyberGlove II Uni paderborn 2013 21 Figura 29 Painel h ptico The Sound of Materials Concepthunter 2013 21 Figura 30 Uso de simulador de voo na NASA Cooper 2010 eee 23 Figura 31 Microsoft Flight Simulator 2000 Pcgameshardware 2009 24 Figura 32 Microsoft Flight Simulator joystick Itreviews 2012 24 Figura 33 exemplos de utiliza o do SHRIV Ncesubsea 2012 ccceeeeeeeeeeeeeeeeeees 25 Figura 34 Demonstra o do SHIVR Pennwellnet 2013 seseeeeeeeene 25 Figura 35 Os cinco sentidos humanos Microbemagic 2013 eeeeeesssss 26 Figura 36 Principais estilos de aprendizagem New edge 2013 26 Figura 37 Uso do Falcon ho simulad
2. Horizontal 5 Vertical 9 Figura 65 Resultados da quinta pergunta de conhecimentos 63 3 4 1 2 Sec o de avalia o de usabilidade Esta sec o pretende obter as opini es dos utilizadores relativas ao uso do deste simulador e da sua validade como meio de aprendizagem no ensino A pergunta Qual foi o n vel de for as aplicadas pelo Falcon pretende perceber as for as aplicadas s o adequadas tendo 36 dos utilizadores considerado que as for as aplicadas como sendo normal e forte ver Figura 66 As respostas corresponderam a uma avalia o geral do simulador por m podem variar mediante o m dulo do simulador Muito forte 3 Forte 5 Normal 5 Fraco 1 36 7 Figura 66 Resultados da primeira pergunta de usabilidade A pergunta Voc foi capaz de aprender entender conceitos de fisica utilizando o simulador tem como prop sito perceber se os utilizadores conseguiram efectivamente aprender atrav s da utiliza o do simulador tendo 71 utilizadores ver Figura 67 considerado que conseguiram aprender sobre for as da f sica utilizando o simulador como meio de aprendizagem Sim 10 N o 4 Figura 67 Resultados da segunda pergunta de usabilidade 64 A pergunta Voc acredita que os simuladores devem ser usados em sala de aula tem como prop sito avaliar a percep o dos utilizadores relativamente a utiliza o do simulador como meio funcional de aprendi
3. dist ncia entre o centro de massa de dois objectos demonstrada pela Lei de Newton de gravita o universal Quanto menor for a dist ncia maior ser a for a gravitacional existente entre os objectos E o inverso tamb m se aplica quanto maior for a dist ncia menor ser a for a gravitacional existente entre os objectos Verdadeiro 12 Falso 2 Figura 63 Resultados da terceira pergunta de conhecimentos 62 A pergunta Quantas for as aerodin micas podem ter o seu valor de for a alterado enquanto o avi o se move cuja resposta correcta 3 foi respondida correctamente por 43 dos utilizadores ver Figura 64 O peso a nica for a aerodin mica cujo valor n o se altera sendo constante as restantes for as sustenta o empuxo e arrasto tendem a alterar o seu valor de for a devido a v rios factores como ngulo de ataque densidade do ar rea das asas envergadura das asas factor de efici ncia aerodin mico e velocidade 1 2 2 2 3 6 4 4 43 14 Figura 64 Resultados da quarta pergunta de conhecimentos A pergunta Quando um avi o tem pouca velocidade as for as aplicadas resultantes pode ser definido como sendo de que tipo cuja resposta correcta Vertical foi respondida correctamente por 64 dos utilizadores ver Figura 65 Quando um avi o possui pouca velocidade a for a mais elevada aplicada na aeronave o peso o peso corresponde a uma for a vertical
4. 5 Acknowledgement This article is based on work undertaken within the Alfa Gaviota Grupos Acad micos para la Visualizaci n Orientada por Tecnolog as Apropiadas project funded by the European Commission Europaid 6 References ELI 2007 7 Things You Should Know about Haptics Retrieved 4 6 2013 from 7 Things You Should Know EDUCAUSE Learning Initiative ELI http net educause edu ir library pdf eli7029 pdf Farhadi Niaki F G 2013 Usability Study of Static Dynamic Gestures and Haptic Input as Interfaces to 3D Games ACHI 2013 The Sixth International Conference on Advances in Computer Human Interactions pp 315 323 Gillespie R B amp Okamura A M 2008 Haptic Interaction for Hands On Learning in System Dynamics and Controls Control Systems Magazine Han l amp Black J B 2011 Incorporating haptic feedback in simulation for learning physics Computers amp Education 57 4 2281 2290 Smith R D 2000 Simulation Retrieved 4 13 2013 from http Awww modelbenders com encyclopedia encyclopedia html Suzuki H amp Yano H 2013 1 DOF Tabletop Haptic Mouse for Shape Recognition of 3D Virtual Objects ACHI 2013 The Sixth International Conference on Advances in Computer Human Interactions pp 309 314 Watanabe K S 2012 Bilateral control with 2 DOF haptic spherical interface ECON 2012 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society pp 4394 4399 Wil
5. Blogcdn http www blogcdn com www engadget com media 2011 06 haptic belt 06 29 2011 jpg ltimo acesso 22 Jan 2013 Blogspot http 2 bp blogspot com Rhm22ib2qP8 UBo1i401HPI AAAAAAAAFWI 55 n5Jghkyg s1600 Oculus Rift Linux Vi rtual Reality Headset jpg ltimo acesso 7 Feb 2013 Butterflyhaptics http butterflyhaptics com images completeddevicerearview png ltimo acesso 22 Jan 2013 Concepthunter http concepthunter com touch images masayo jpg ltimo acesso 21 Jan 2013 Cooper http www cooper com wp content uploads journal 2010 imon nasa flight simulator jpg ltimo acesso 20 Feb 2012 DigitalTrends http icdn4 digitaltrends com image zeron 2 625x351 c png ltimo acesso 7 Feb 2013 Dlouhy Petr Wikimedia http upload wikimedia org wikipedia commons thumb 6 6d Angle of attack svg 30 69 Dvice 2012 Edn europe 2013 ELI 2007 ELI 2007 Extremetech 2012 Farhadi Niaki et al 2013 Farhadi Niaki 2013 Ggpht 2013 Gillespie and Okamura 2008 Gillespie and Okamura 2008 Gotow et al 2010 Grigio 2008 Gstatic 2013 70 5px Angle of attack svg png ultimo acesso 14 Jul 2013 Dvice http dvice com assets c 2011 04 Icsjckt9702332we thumb 550xauto 60897 jpg ultimo acesso 23 Nov 2012 Edn europe http www edn europe com cmsimages 0612 38fa jpg ltimo acesso 10 Feb 2013 ELI 7 Things You Should Know about Haptics http
6. Modules Module_ Get_Window_Name SkyBackground DAT Get App Screen Width Get App Screen Height ImagemAlfa Set Position 0 0 C digo 2 Cria o de imagens normais sem transpar ncia 48 3 2 6 2 Element Alpha Image Este tipo de objecto permite importar imagens com transpar ncia ou sem transpar ncia ver C digo 3 passando como par metros o caminho da imagem pretendida e as dimens es pretendidas sendo posteriormente necess rio definir a posi o no referencial XYZ a posi o no eixo Z corresponde ao buffer de profundidade sendo poss vel definir a profundidade pretendida da imagem a ser renderizada Este elemento permite que se desenhe uma imagem com opacidade sendo o valor da opacidade a componente alfa do formato de cor RGBA e inclui conting ncias para redimensionamento interno na classe para o caso de o programa ser executado em computadores com placas gr ficas mais antigas que ndo permitem texturas que n o sejam pot ncias de dois isto n o permitem a op o D3DX DEFAULT NONPOW2 Este objecto possui um m todo interno chamado Is MouseXY Insidelmage que permite saber se o rato se encontra por cima da imagem renderizada e que tamb m permite desconsiderar pix is com transparecia na sobreposi o do rato usando o m todo Is Pixel InsideAlphalmage por m demora mais tempo a ser executado devido ao facto de ler os pix is da imagem em memoria e depois detectar se o pixel correspondente posi
7. o Peso a for a aplicada no objecto pela gravidade Esta for a aplicada constantemente aeronave P mxg 14 onde P corresponde ao peso do objecto sendoma massa do objecto e g a constante de acelera o da gravidade 1 Existem tr s rota es aplicadas na aerodin mica sendo elas a arfagem guinada e a rolagem estas rota es podem ser aplicadas aeronave separadamente ou em conjunto Quando as rota es s o efectuadas na aeronave as for as exercidas tendem a variar porque alteram a forma com que o fluxo de ar atravessa a aeronave A arfagem corresponde rota o da aeronave segundo o eixo lateral que corresponde ao eixo imagin rio que interliga as asas ver Figura 46 esta rota o inclina a aeronave para baixo ou para cima 39 Arfagem Pitch Figura 46 Demonstra o do conceito de Arfagem Pitch A guinada corresponde rota o da aeronave segundo o eixo Normal vertical que corresponde ao eixo perpendicular aeronave ver Figura 47 esta rota o roda a aeronave para esquerda ou a direita Guinada Yaw Figura 47 Demonstra o do conceito de Guinada Yaw A Rolagem corresponde rota o da aeronave segundo o eixo longitudinal que corresponde ao eixo imagin rio que interliga o nariz e a cauda ver Figura 48 esta rota o tomba a aeronave para o lado da rolagem Rolagem Roll Figura 48 Demonstra o do conceito de Rolagem Roll 40 3 1 4 1 Simula o de F
8. 7 Figura 5 Realidade Aumentada no Google Glass Massnewsmedia 2013 8 Figura 6 HUD in a BMW E60 Affemitwaffe 2008 oooooonncccnnnnncnonnnanccnnnnnnnnnnnnnnos 9 Figura 7 Utiliza o do Wikitude perto da est tua da liberdade Skyscanner 9 Figura 8 Demonstra o da tecnologia CAVE Worldviz 2012 10 Figura 9 Demonstra o do US Army Research Lab s ODT HRED ARL 2007 10 Figura 10 VirtuSphere VR Extremetech 2012 eee 11 Figura 11 Oculus Rift Blogspot 2013 o dad dd A O 11 Figura 12 Representa o de contacto de Vicent van Gogh Wikipaintings 2007 11 Figura 13 Manuseamento do interface h ptico Novint Falcon Virtualworldlets 2012 O AA N AAN O IA DS RS RD NA 12 Figura 14 Maglev 200 da companhia Butterfly Haptics Butterflyhaptics 2013 13 Figura 15 Demonstra o de uso do ZeroN DigitalTrends 2013 13 Figura 16 Quanser 5 ligado a um componente rob tico Imath asia 2013 14 Figura 17 Novint Falcon Gstatic 2013 ooooonnncnnnnnnononononnnnnnnnnnnnnonanocnnnnnnnnnnonnnos 14 Figura 18 Demonstra o de uso do Phantom Omni Axis3d 2013 15 Figura 19 Super Haptics Hiroyuki Shinoda Physorg 2009 15 Figura 20 Tipos de actuators Edn europe 2013 erre 15 Figura 21 Explica o do Vivitouch Device Shaker Vivitouch 2013b
9. 73 Williams II 2002 Williams Il et al 2002 Worldviz 2012 74 Jan 2013 Williams II R L Chen M Y and Seaton J M Haptics augmented high school physics tutorials International Journal of Virtual Reality 5 1 2002 Williams II R L Chen M Y and Seaton J M Haptics augmented high school physics tutorials International Journal of Virtual Reality 5 1 2002 Worldviz http static worldviz com wp wp content uploads 2012 09 CAVE christie 2 jpg ltimo acesso 13 Ago 2013 Anexo 1 Artigo Exp at 13 Learning Physics with Virtual Simulations Luciano Santos GILT Graphics Interaction and Learning Technologies ISEP Porto Portugal 1050508 isep ipp pt Abstract Students worldwide find very difficult to learn sciences Therefore there is a need to find innovative ways to motivate students and help them learn One possible way is the inclusion of technology in the classroom because it is a familiar environment for these students the digital natives This article addresses the specific use of simulators as a means to improve the learning of Physics The aim of this work is to design develop and test a virtual reality simulator that allows experiencing feeling various forces of physics such as the friction force the aerodynamic force and the gravitational force To give more realism to the man machine interaction the simulator uses a haptic interface Keywords Haptics Simulation
10. Este formato gera mais estabilidade aeronave sendo utilizado em bombardeiros como o XH558 Vulcan e em alguns ca as como o F 106 Delta Dart Este formato permite alterar o formato da asa em pleno voo sendo utilizado em bombardeiros como o B 1 Lancer e em alguns ca as como o F 111 Aardvark Este formato utilizado unicamente em avi es experimentais e caracteriza se facto de permitir que a asa esteja em ngulos que n o s o comuns podendo estar a asa obl qua direc o do avi o um exemplo deste tipo de aeronave o avi o da AD 1 Oblique Wing da NASA 37 O alongamento da asa corresponde rela o entre a envergadura e a rea da asa sendo o aspecto ratio maior quando a envergadura da aeronave for maior ver Figura 45 AN A AS L J Low Moderate High aspect ratio aspect ratio aspect ratio Figura 45 Explica o visual de aspect ratio Sciencelearn 2013 2 AR 9 onde AR corresponde ao alongamento da asa da aeronave sendo S o valor da envergadura das asas e A o valor da rea total das asas Na nossa simula o foi assumido o factor de efici ncia com base em Jon Anderson jr da Revista Aircraft Performance amp Design que indica o valor 0 6 como valor comum para o factor de efici ncia para aeronaves de asa fixa e 0 6 10 onde e corresponde ao factor de efici ncia O coeficiente de arrasto a propor o da resist ncia
11. Physics Forces Learning I INTRODUCTION A simulation can be defined as the process of designing a model of a real or imaginary system and conducting experiments with that model 1 Most aspects of real life can be simulated and simulations are used in almost any area of knowledge such as education medicine etc A major concern related to simulation is the fact that it is not equal to the real world but just an approximation The use of simulation benefits education by enabling a task to be executed without the drawbacks that it would had in the real world enabling the user to perform the task countless times without the fear of error As human machine interaction evolves the need to involve all the natural human senses hearing sight smell taste and touch increases Current human machine interaction includes sight and hearing Haptics represents the addition of touch to this interaction The term Haptics comes from the Greek word haptik s Gat which refers to the sense of touch and to the technology devices and interfaces that provide tactile feedback 2 The generalization of haptic technology followed technical developments that led to a price drop of these devices Initially haptic systems were mainly mechanical but nowadays they use technologies such as ultra sounds and magnetism to create the sense of touch allowing users to manipulate virtual elements in a less constrained way with higher degrees of freedom D
12. Set Text String Hello Text Set Text Position static cast int Get App Screen Width 0 3 static cast int Get App Screen Height 0 03 C digo 4 Cria o de texto 3 2 6 4 Element Camera Este objecto facilita a cria o de uma c mera sendo poss vel definir as dimens es o posicionamento do plano pr ximo e do plano afastado da c mera a posi o da c mera e o ponto para o qual ela deve estar direccionada No C digo 5 poss vel ver a atribui o de uma c mera janela Set Window Camera new Element Camera Get App Screen Width Get App Screen Height Get Window Camera gt Create Camera Get Device 1 0f 1000 f Get Window Camera gt Set Position D3DXVECTOR3 0 0f 0 0f 6 0f Get Window Camera gt Set Look At D3DXVECTOR3 0 0f 0 0f 0 0f Get Window Camera gt Reset View C digo 5 Cria o de c mera A c mera inclui o m todo Compute Frustum para c lculo do frustum da c mera que neste caso corresponde ao volume de uma pir mide sem a sua parte superior ver Figura 56 a c mera desenha os objectos que se encontram dentro do frustrum o m todo Is Point Inside Camera Frustrum V2 permite saber se um objecto se encontra dentro do frustum bottom Z F N a gt gt di mn e es a T di x S F e pE e f PT Ac T A Figura 56 Frustum de uma c mera Acm 2013 50 3 2 6 5 Element 3D Object Este objecto facilita a inclus o objectos 3D sem cap
13. nesse caso a aprendizagem h ptica pode corresponder entre a 30 a 40 por cento da aprendizagem do individuo O construcionismo corresponde a uma teoria de aprendizagem proposta por Seymour Papert segundo a qual a aprendizagem melhorada quando existe uma interac o f sica com objectos reais para al m da cria o por parte do aprendiz de um modelo mental do ambiente circundante Kynigos 2012 isto a forma como o aluno estabelece conex es de informa o relativas ao seu meio envolvente e cria manipula objectos reais O recurso a elementos tecnol gicos para melhor a aprendizagem de v rias reas cient ficas tem sido exponencial Uma dessas vertentes corresponde ao uso de simuladores de for as f sicas pois permitem complementar a educa o tradicional que possuem conceitos f rmulas e dados com elementos de car cter pr tico que permitem uma aprendizagem mais natural com recurso aos sentidos do utilizador O uso de dispositivos h pticos valorizado em simula es porque fornecem feedback autom tico ao utilizador em termos de for as permitindo um tempo de resposta mais realista a uma situa o simulada bem como uma melhor assimila o do conte do e ambientes de simula o Este tipo de simula o pode ser usado tanto como uma ferramenta de educa o ou para fins recreativos Farhadi Niaki et al 2013 V rias reas de aprendizagem exigem que os alunos sejam capazes executar tarefas f sicas como meio de aprendiz
14. net educause edu ir library pdf eli7029 pdf ltimo acesso 6 Abr 2013 ELI 7 Things You Should Know about Haptics http net educause edu ir library pdf eli7029 pdf ultimo acesso 6 Abr 2013 Extremetech http www extremetech com wp content uploads 2012 08 VirtuSphere jpg ultimo acesso 7 Feb 2013 Farhadi Niaki F Gerroir J Arya A Etemad S A Lagani re R Payeur P and Biddle R Usability Study of Static Dynamic Gestures and Haptic Input as Interfaces to 3D Games In ACHI 2013 The Sixth International Conference on Advances in Computer Human Interactions p 315 323 2013 Farhadi Niaki F Gerroir J Arya A Etemad S A Lagani re R Payeur P and Biddle R Usability Study of Static Dynamic Gestures and Haptic Input as Interfaces to 3D Games In ACHI 2013 The Sixth International Conference on Advances in Computer Human Interactions p 315 323 2013 Ggpht https 1h3 ggpht com r CEYkuAKx Pd2qP4Nxggf4vBs77tug6ki R2JYhcBIV5d4mKVgRhg6i_gr4He NZNAV h900 rw ltimo acesso 15 Set 2013 Gillespie R B and Okamura A M Haptic Interaction for Hands On Learning in System Dynamics and Controls Control Systems Magazine 2008 Gillespie R B and Okamura A M Haptic Interaction for Hands On Learning in System Dynamics and Controls Control Systems Magazine 2008 Gotow J B Zienkiewicz K White J and Schmidt D C Addressing Challenges with Augmented Reality Applications on Smartphones I
15. o 6 1 76611 Copyright lt c gt 2089 Microsoft Corporation Todos os direitos reservados C Users Administrador Utilizador PC gt cd C Program Files x86 gt GILT Forces_Of_Physics C Program Files x86 gt GILT Forces_Of_Physics gt tree Lista de caminhos de pasta O n mero de s rie do volume 98BF 7C12 HE L Modules odule Aerodynamics odels_Aerodynamics Skybox_Aerodynami Sounds_fAerodynamics odule Force and Friction Lang DE EN ES PT odels Force and Friction Sounds Force and Friction Textures Force and Friction odule Gravitation odels Gravitation Score Gravitation Sounds Gravitation odule System odels System Figura 51 Estrutura de pastas da pasta de recursos Modules Na Figura 52 encontra se dispon vel o diagrama de classes utilizadas no desenvolvimento do simulador para uma melhor compreens o do sistema 43 3 2 3 Diagrama de classes public public Aerodynamics Sim 63 Force and Friction Sim y Gravitation Sim E StartWindow fy Aerodynamics Menu 9 Force and Friction Menu 9 Gravitation Menu E Class Class Class Class Class Class Class gt SimulationWindow gt SimulationWindow gt SimulationWindow gt SimulationWindow MenuWindow MenuWindow MenuWindow General Functions main y Class Class BoundingVolume Y Model y Point3D 2 Vector3D 2 Class Class Class Class Element Standard Image E Element_Alpha Imag
16. Laboratory for Human and Machine Haptics The Touch Lab Massachusetts Institute of Technology 1995 A M Richard C and Cutkosky M Okamura Feeling is believing Using a force feedback joystick to teach dynamic systems Journal of Engineering Education 91 3 pp 345 349 2002 R Leuschke E K Kurihara and J amp Hannaford B Dosher High fidelity multi finger haptic display in Proceedings of the First Joint Eurohaptics Conference and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems World Haptics 2 2005 pp 606 608 F Gerroir J Arya A Etemad S A Lagani re R Payeur P and Biddle R Farhadi Niaki Usability Study of Static Dynamic Gestures and Haptic Input as Interfaces to 3D Games in ACHI 2013 The Sixth International Conference on Advances in Computer Human Interactions 2013 pp 315 323 Anexo 2 Artigo ECGBL Haptic Physics Simulation Luciano Santos Carlos Vaz de Carvalho Instituto Superior de Engenharia do Porto Porto Portugal 1050508 isep ipp pt cmc isep ipp pt Abstract Advances in informatics enabled the inclusion of more senses in the interaction between user and machine One of those senses is touch made possible through the use of haptic devices interfaces Simulators with a haptic command interface such as the Novint Falcon used in the scope of this study provide realistic feedback in terms of both graphics visualization and force feedback
17. associadas s diferentes componentes de realidade A realidade aumentada engloba a inclus o de alguma informa o virtual com o mundo real e a virtualidade aumentada engloba a inclus o de elementos do mundo real num Ambiente Virtual Mixed Reality Scale Wikitude ARQuake gt AAT A Consensus Knightmare reality Based on edited data from Tom Saunter s An Opus to AR on Digital Cortex and Wikipedia akuAtaja Figura 2 Escala das realidades exemplificada por aplica es Ataja 2011 O uso de realidade aumentada capaz de associar a dispositivos electr nicos caracter sticas nicas que acrescentam valor aos mesmos Essas caracter sticas podem ser inclus o de elementos virtuais inclus o de informa es textuais ou gr ficas adicionais que permitem ao utilizador complementar a sua percep o compreens o ou aprendizagem dos elementos que o rodeiam sendo tamb m utilizada com finalidades l dicas como jogos e como forma revolucion ria de comunica o actualmente j existem an ncios publicit rios que usam esta tecnologia A virtualidade aumentada incorpora elementos do mundo f sico em ambientes virtuais mas os elementos predominantes s o de origem virtual ver Figura 3 e Figura 4 Figura 3 M os no mundo real Uni muenster 2013 Figura 4 M os inseridas no mundo virtual Uni muenster 2013b O termo realidade virtual foi criado por Jaron Lanier em 1985 e corresponde a um ambiente virtual 3D criad
18. cris eer ree eoe e eter Cor Lan casas an Ueda US ee ete pred 2 1 27 Motiva o RT m MT 2 1 3 Estrutura da Disserta o cesseeeseeeeeeeee eee eene nono roo nor nor nor narrar eren 3 2 Est do da Arte queer oO RA EVE OW NA 5 2 1 Realidade Virtual e Realidade Aumentada cesses 5 2 1 1 Dispositivos de Realidade Aumentada ceeeeeseeeeeee eene nennen 7 2 1 2 Dispositivos de Realidade Virtual de 360 graus eese 10 2 1 3 Dispositivos HAPLICOS seisa mee ere nter de e aeree erae des Ta satis daa ana 11 2 2 gt Simuladores seas irmas HE 22 2 2 1 Simuladores de Voo Flight Simulation Training Devices FSTD 23 2 2 2 Simuladores explora o de recursos ooccocconccncnncnccnccncccccncconcnnconccananccnnanes 24 2 3 Simuladores h pticos de para aprendizagem da Fisica ececececececeeeeeeeececneees 26 5 POLCOS Of PHYSICS cuoio wot p ELE e LEO io e Fa FH ot du 28 3 1 MOdelo Concepttlal cds teer eei entere eae ey epe idas 28 3 1 1 Diagrama de transi o de janelas do simulador eeeeeeeeeeees 29 3 1 2 M dulo de For as de AtritO oooocccooccncnccncnncnonccncnnononcononco re rare re re sete 30 3 1 3 M dulo de For as Gravitacionais eesesseseseseeessee eene eene nennen 33 3 1 4 M dulo de For as AerodinaMicas ccccccececceceeeeceeeeseeeeceeeeseeeeseeeesenenees 35 3 2 Descr
19. de conceitos dispositivos e tecnologias existentes Um dos prop sitos do projecto era confirmar a validade de simula es h pticas como meio de ensino perceber as expectativas geradas por este tipo de aplica es nos utilizadores e perceber de que forma se pode melhorar facilitar a aprendizagem dos utilizadores de certos conceitos cient ficos 2 1 Realidade Virtual e Realidade Aumentada A continuidade Realidade Virtualidade Reality Virtuality Continuum proposta por Milgram Milgram et al 1995 reflecte a forma como percepcionamos a realidade que nos rodeia utilizando os nossos sentidos quando essa realidade cont m elementos reais e ou elementos gr ficos gerados por computador O continuum Realidade Virtualidade ver Figura 1 define as interac es do utilizador com o meio envolvente em tr s modos realidade f sica realidade mista e a realidade virtual mm Mixed Reality MR q Q_ MM Real Augmented Augmented Virtual Environment Reality AR Virtuality AV Environment Figura 1 Escala das realidades de Milgram Turbulence 2011 A realidade f sica engloba o ambiente envolvente que existe no mundo real composto por objectos f sicos A realidade mista inclui todos os tipos de realidade que n o correspondem na totalidade a realidade f sica nem s o totalmente virtuais Esta realidade cont m o que 5 podemos designar por realidade aumentada e a virtualidade aumentada a Figura 2 cont m exemplos de aplica es
20. e menor quando o objecto est parado Quando o ch o est molhado os coeficientes de atrito s o Falso Verdadeiro maiores do que quando o ch o est seco a for a gravitacional entre dois objectos afectada pela RM 2 6 P Verdadeiro Falso dist ncia entre eles Quantas for as aerodin micas podem ter o seu valor de for a 3 124 alterado enquanto o avi o se move e Quando um avi o tem pouca velocidade as for as aplicadas Ed Vertical Horizontal resultantes pode ser definido como sendo de que tipo 60 Tabela 11 Sec o avalia o do simulador Pergunta Respostas Muito forte Forte Qual foi o n vel de for as aplicadas pelo Falcon Normal Fraco Muito fraco Voc foi capaz de aprender entender conceitos de f sica Sim N o utilizando o simulador Voc acredita que os simuladores devem ser usados em sala de Sim N o aula Excelente Muito bom bom Razo vel pobre Qual a sua opini o sobre o simulador Forces of Physics Sugest es 3 4 1 Avalia o do question rio O question rio foi respondido por 14 pessoas forma an nima na internet ap s a utiliza o do simulador de referir que algumas pessoas j possu am alguns conhecimentos sobre as for as da f sica os resultados da avalia o foram os seguintes 3 4 1 1 Sec o de avalia o de conhecimentos Esta sec o pretende obter informa es relativas aos n veis de conhecimento dos utilizadores ap s
21. em rugosidade tipo de material etc condi es externas como inclina o e a exist ncia de lubrifica o gua leo gordura etc O objecto s entra em movimento quando a for a aplicada for maior que a for a de atrito est tica Existem duas f rmulas poss veis para calcular a for a de atrito variando o coeficiente de atrito que pode ser est tico ou cin tico gerando as respectivas for as de atrito A for a de atrito est tico calculada quando os objectos est o parados ou prestes a iniciar movimento g 9 82 ms 1 F 4e XMX 8g n onde F corresponde for a de atrito est tico wz o coeficiente de atrito est tico sendo m a massa do objecto e g a constante de acelera o da gravidade A forca de atrito cin tico calculada quando existe movimento entre os objectos F u xmxg 3 onde F corresponde for a de atrito cin tico y o coeficiente de atrito cin tico sendo m a massa do objecto e g a constante de acelera o da gravidade Para este m dulo foi determinado a utiliza o de seis materiais Bet o Vidro A o Rocha Madeira e Borracha e que os materiais do cubo ser o sempre secos mas os materiais do piso podem ser secos ou molhados Foi assumido que os coeficientes que ocorrem no caso de o material do piso ser molhado e material do cubo seco s o v lidos para o seu inverso por exemplo um piso de bet o molhado com cubo de madeira possui os mesmos coeficient
22. enabling the user to feel and instinctively understand several aspects of the simulation The usage of this technology in specific contexts such as physics learning can be quite meaningful because user actions will result in force reactions This practical approach is contrary to conventional physics teaching where concepts are taught using mostly theoretical approaches rather than experimental ones This study aims to demonstrate that virtual reality simulations with haptic capabilities are viable learning tools for physics education The simulator presented in this article is divided in several modules each addressing a specific area of physics Developed modules so far relate to aerodynamics friction and gravitation The aerodynamics module allows the user to sense the forces applied to an airplane The module portrays a 3D model of a Lockheed SR 71b Blackbird and the user senses the thrust drag lift and weight as he moves the airplane inside the skybox representing the atmosphere The gravitation module was developed as a game whose concept is to use a 3D model representing the Earth to divert asteroids into a collision course with the Sun Gravitational forces are applied to the earth and to the asteroid depending on the proximity between them The asteroid s trajectory will change and the user will feel the corresponding force The friction module enables the user to drag a virtual cube over a flat surface and feel the corresponding fr
23. gravitacionais entre dois objectos ver Figura 40 s o aplicadas de forma id ntica a ambos os objectos F E max m r2 Figura 40 For a gravitacional Nilsson 2008 h b 23G Newton define que no universo objectos com massa atraem outros objectos com massa sendo inversamente proporcionais sua dist ncia ao quadrado e proporcionais ao produto das suas massas o GxM xM F R 5 onde F corresponde for a gravitacional entre dois objectos G a constante de gravita o universal 4 sendo M a massa do primeiro objecto M a massa do segundo objecto e R a dist ncia entre os centros de massa de ambos os objectos 33 3 1 3 1 Simula o de For as Gravitacionais A simula o deste m dulo foi desenvolvida como um jogo no qual existem aster ides que saem de um cintur o de aster ides e s o projectados em direc o ao ecr o aster ide activo ent o atra do gravitacionalmente pelo planeta Terra sendo poss vel sentir a for a entre eles A traject ria do aster ide alterada mediante a dist ncia Terra e a for a existente entre a terra e o aster ide activo quando se encontra pr ximo do planeta Terra tende a entrar na rbita deste A For a gravitacional aplicada ao planeta Terra medida que a dist ncia entre o aster ide e a terra diminui a for a aumenta assim dependendo da proximidade dos objectos o utilizador vai sentir a for a em conformidade medida que o aster ide se
24. i m dulo seguinte na velocidade da esquerd y at A seleccionado superf cie aeronave Aumenta o Altera a 2 Aplica a textura ngulo de l ngua do seguinte no cubo ataque da sistema aeronave 56 Diminui o Aplica a textura angulo de Altera a lingua do anterior no cubo ataque da sistema aeronave 3 3 1 Instalador O instalador Forces Of Physics StandAlone Installer exe foi criado com recurso ferramenta NSIS Nullsoft Scriptable Install System ver Figura 57 tendo sido criado um script para gerar o execut vel capaz de instala o do simulador de f sica Forces of Physics capaz de instalar o simulador com todos os ficheiros APIs e Frameworks necess rios sua execu o r NSIS Menu 0 E ullsoft scriptable install system 2 46 Compiler Documentation Plug ins Compile NSI scripts NSIS Users Manual AdvSplash splash with fade in out Installer based on ZIP file Example scripts Banner banner with custom text Modern UI 2 Bglmage background image Multi User Header File Dialer internet connection StrFunc Header File Math math operations nsDialogs custom wizard pages Developer Center On line help nsExec launch command line tools Many more examples tutorials Forum NSISdI download files plug ins and NSIS releted FAQ Splash splash screen E software are available atthe IRC Channel StartMenu Start Menu folder selection on line Developer Center Bug Tracker System Windows API
25. isso tenho o desejo de ajudar outros a compreender e perceber esta ci ncia de forma mais acess vel O facto de poder utilizar os conhecimentos obtidos durante a minha gradua o e no decorrer do Mestrado em Sistemas Gr ficos e Multim dia no desenvolvimento de software inovador para atingir esse fim algo magn fico o trabalho desenvolvido permitiu a obten o de experi ncia pessoal t cnica no desenvolvimento de aplica es gr ficas avan adas desde a sua concep o inicial at a obten o de um produto completo A disserta o foi desenvolvida no GILT Graphics Interaction and Learning Technologies sendo este um centro de investiga o afecto ao ISEP Instituto Superior de Engenharia do Porto que tem como objectivos o desenvolvimento de novas formas de aprendizagem e o desenvolvimento de formas interac o com conte dos de car cter educativo com recurso a tecnologias de informa o Integra se num dos projectos do grupo o projecto ALFA GAVIOTA que tem como objectivo precisamente desenvolver aplica es baseadas em Realidade Aumentada e ou Virtual com fins educativos ou de desenvolvimento social 1 3 Estrutura da Disserta o A disserta o encontra se dividida em quatro cap tulos O primeiro cap tulo cont m uma introdu o contendo v rios aspectos como Objectivos Motiva o e a estrutura geral do documento O segundo cap tulo cont m o levantamento do Estado da Arte descrevendo tamb m o meio tecnol gico e
26. janela activa no sistema de janelas 46 Existem dois estados de menu que s o respectivamente MENU OP NEWGAME quando o menu tem a op o de novo jogo activa e MENU OP EXIT quando o menu tem a op o de novo jogo activa estes estados s o aplicados como estados adicionais unicamente nas janelas de menu 3 2 5 2 Janela Base A janela base corresponde classe Window que permite criar uma janela com dimens es espec ficas de largura e altura mas por norma as janelas foram criadas com as dimens es do ecr A janela base possu m todos internos essenciais a todas as janelas e execu o do sistema de janelas destes m todos os mais relevantes s o m todos para detec o de cliques com o rato detec o de tecla premida defini o e ou obten o do volume de som da janela e por ltimo a defini o e ou obten o do estado actual da janela sendo estes utilizados para definir qual a janela activa num determinado instante dentro do sistema de janelas de forma a s realizar a actualiza o da janela activa bem como a renderiza o da mesma 3 2 5 3 Janelas de Menu As janelas derivadas de janela de menu permitem facilmente criar janelas que possuem um menu com duas op es op o de novo jogo ou op o de sair A op o de sair permite retornar janela anterior do sistema de janelas a op o novo jogo efectua a transi o do menu para as janelas de simula es dos m dulos nos quais s o utilizadas capacidades
27. main respons vel pela chamada deste objecto e da execu o do menu principal 52 3 2 6 8 Manager_Haptics Este objecto cria a interliga o como dispositivo Falcon usando a API HDAL devendo existir s um elemento deste tipo activo num determinado momento por cada dispositivo Falcon que exista actualmente a janela de simula o internamente possu m todos internos para a cria o e destrui o deste objecto Para a sua cria o ser v lida o Falcon deve estar devidamente conectado Este objecto permite definir as dimens es do espaco de movimento da pega do Falcon e transformar os movimentos dos referenciais internos do Falcon em posi es XYZ da aplica o A janela de simula o internamente desliga e destr i a liga o se no futuro for criado um outro tipo de janela h ptica que n o seja um janela de simula o preciso ter em conta o facto de necess rio desligar a liga o deve ser desligada antes de ser destru da usando o m todo Unlnit caso contr rio ele tenta instanciar uma liga o ao Falcon e gera comportamentos indefinidos podendo funcionar ou falhar aleatoriamente 3 2 6 9 Manager Lights Este objecto permite criar um gestor de luzes capaz de gerar e adicionar luzes posicionais que correspondem a luzes origin rias de um ponto e que se propagam de forma omnidireccional poss vel atribuir posi es e alterar o alcance de ilumina o das luzes geradas No C digo 9 encontra se um exemplo que cont m atr
28. mouse by Suzuki and Yano 2013 A device with two DOF can be for example the spherical interface proposed by Watanabe 2012 Most haptic devices nowadays have between three to six DOF The main reason why haptic technology isn t still part of everyday life is the price of hardware Certain areas like Medicine or the Oil drilling industry already use Haptics but the equipment can cost thousands of euros see Table 1 Only in recent years with the development of more affordable haptic devices such as the Novint Falcon the cost was reduced to a few hundred euros With more devices becoming affordable the consumer starts to have access to this kind of devices for personal use and it is expected that the cost of this type of hardware will continue to decrease Table 1 Samples of Haptics devices prices Haptics devices prices Haptic Device DOF Cost USD SensAble PHANTOM Omni Premium 1 0 6 20 450 SensAble PHANTOM Desktop 6 13 000 Novint Falcon Pistol Grip Bundle White 3 279 95 Novint Falcon standard bundle 3 249 95 78 The Novint Falcon is a haptic device that has three degrees of freedom 3 DOF and two types of handles one is a grip similar to a ball that contains four buttons Figure 1 and the other resembles a gun mainly used in action games like first person shooters FPS The device has a limited working area but it is very resistant to damage is capable of generating high forces and c
29. o do Falcon No C digo 7 poss vel ver a cria o do objecto e a atribui o do objecto Manager Haptics associado janela de simula o no qual o objecto 3D h ptico vai ser inclu do SR71b new Object Airplane CUBESTIFNESS Modules NModule 4Get Window Name Models Get Window Name ANBlackBird V8Rbin DAT n PUES Get_Current_Haptic_Device SR71b gt Init Get Device SR71b gt Set Mass 52250 0 SR71b gt Set Altitude 10000 SR71b gt Set Maximum Altitude 26000 0 SR71b gt Set_WingSpan 16 94 SR71b gt Set_WingsArea 166 761 SR71b gt Set_Bounding Volume Get Sim Bounding Volume SR71b gt Set Scale 0 3 0 3 0 3 Get Device SR71b gt Set Position 0 0 0 C digo 7 Cria o de objectos h pticos 3D 51 Na aplica o desenvolvida o acesso e actualiza o do Falcon s o realizados pelo m todo de update desta classe ou das suas derivadas O C digo 8 demonstra de que forma poss vel aceder posi o do Falcon actualizar a posi o do objecto virtual e aplicar for as DecimalCases 2 if Get HapticManager NULL if Is Enabled true if firsttime true time_previous Get_Current_Time firsttime false Delta T 1 Get HapticManager SynchFromServo Set Position 0 0 0 Get HapticManager Set Force XYZ 0 0 0 Set Altitude 10000 CalculateAerodynamicsForces else time_current Get_Current_Time Delta T time current time previous double CLOCKS PER S
30. o do rato possui ou n o possui transpar ncia poss vel definir uma sobreposi o de uma cor a toda a imagem a ser realizada na renderiza o para este efeito necess rio utilizar o m todo Set ColorOverlay para definir a cor RGBA e utiliza o m todo Render ColorOverlay Element Alpha Image para a renderiza o da imagem final ImagemAlfa new Element Alpha Image ImagemAlfa Load Alpha Image Get Device Modules Module_ Get_Window_Name StandardAreaImage DAT static cast int Get App Screen Width 0 17 static cast int Get App Screen Height 0 13 false false ImagemAlfa Set Position static cast int Get App Screen Width 0 25 static cast int Get App Screen Height 0 01 0 C digo 3 Criac o de imagens com transpar ncia 3 2 6 3 Element Text Este tipo de objecto permite criar textos ver C digo 4 com o tipo de letra Arial sendo poss vel definir o tamanho da letra posi o a cor do texto e as suas dimens es que correspondem altura e largura da caixa de texto que delimita o texto renderizado A janela base cont m tr s tipos de tamanhos de fontes predefinidos pequeno grande e muito grande 49 Text new Element_Text Text Set Text Dimensions static cast int Get App Screen Width 0 8 static cast int Get App Screen Height 0 5 Text Set Text Color D3DCOLOR XRGB 0 0 0 Text Init Text static cast DWORD Get Size FontType VeryLarge Get Device Text
31. o uso do simulador as perguntas est o relacionadas com conceitos abordados nas simula es A pergunta a for a de atrito maior quando o objecto est em movimento e menor quando o objecto est parado cuja resposta correcta Falso foi respondida correctamente por 50 dos utilizadores Figura 61 A for a de atrito maior quando o objecto se encontra parado por causa do coeficiente de atrito est tico ser sempre maior que que o coeficiente de atrito cin tico Verdadeiro 7 Falso 7 50 Figura 61 Resultados da primeira pergunta de conhecimentos 61 A pergunta Quando o chao esta molhado os coeficientes de atrito s o maiores do que quando o ch o est seco cuja resposta correcta Falso foi respondida correctamente por 8696 dos utilizadores Figura 62 As superf cies dos objectos tendem a gerar menos fric o quando se encontram molhadas pelo facto de estarem lubrificadas com gua e mais fric o a fric o gerada unicamente por superf cies dos objectos secos A lubrifica o reduz a fric o causada pela rugosidade das superf cies Verdadeiro 2 Falso 12 Figura 62 Resultados da segunda pergunta de conhecimentos A pergunta a for a gravitacional entre dois objectos afectada pela dist ncia entre eles cuja resposta correcta Verdadeiro foi respondida correctamente por 86 dos utilizadores Figura 63 A forca gravitacional inversamente proporcional
32. para Legacy X e posteriormente convertidos para Legacy X bin rios utilizando MeshConvert exe As convers es de modelos para Legacy X bin rio e das imagens para DDS permite reduzir o tempo de carregamento durante a execu o do simulador 3 2 1 Suporte multil ngue A simula o tem os seus conte dos traduzidos em v rios idiomas Portugu s Espanhol Ingl s e Alem o O idioma s pode ser alterado no menu principal com a sobreposi o das esferas dos idiomas ver Figura 50 com o rato ou usando as teclas seta para cima e seta para baixo sendo os conte dos do sistema alterados automaticamente em conformidade com o idioma escolhido Figura 50 Selec o de idioma 42 3 2 2 Estrutura dos recursos O simulador necessita de uma pasta chamada Modules que cont m os ficheiros dos recursos visuais necess rios ao simulador esta pasta cont m pastas para os diferentes m dulos de for as e uma pasta adicional designada por System que cont m recursos utilizados de em todo o simulador Todas as pastas de m dulos cont m as imagens gerais desse m dulo e uma pasta relativa ao idioma que internamente possui pastas cujos nomes correspondem a abrevia es por exemplo EN corresponde a English que cont m as imagens necess rias aos menus Existem pastas adicionais que cont m modelos e skyboxes sons e outras pastas para situa es espec ficas como as imagens das texturas de fric o ou de pontua o Microsoft Windows Vers
33. pessoal Espera se que o custo deste tipo de hardware continue a diminuir ao longo dos pr ximos anos o que dever aumentar a sua utiliza o 2 2 Simuladores A simula o pode ser definida como o processo de concep o de um modelo de um sistema real ou imagin rio e a realiza o de experi ncias com esse modelo Smith et al 2000 A maioria dos aspectos da vida real pode ser simulado como tal as simula es s o usadas em quase todas as reas do conhecimento como a educa o a avia o a medicina etc Naturalmente que uma simula o n o igual ao mundo real mas apenas uma aproxima o O uso de simula es beneficia a educa o permitindo que uma tarefa seja executada sem os inconvenientes que existem no mundo real permitindo ao utilizador realizar as tarefas in meras vezes sem medo de falhar ou de cometer erros Os simuladores com recurso a meios inform ticos t m adquirido cada vez mais import ncia desde o princ pio da segunda metade do s c XX at os dias de hoje O uso de simuladores permitiu humanidade treinar astronautas para ir para o espa o e eventualmente lua mas tamb m o treino de tarefas mais mundanas tais como a aprendizagem de condu o O seu uso tem forte tradi o no meio aeron utico quer pelo treino de pilotos como na recria o simula o de acidentes para descobrir o porqu da sua ocorr ncia e detec o de falhas que existam 22 2 2 1 Simuladores de Voo Flight Simula
34. relacionados com f sica como velocidade do vento gravidade Apesar do sistema permitir definir uma mesh de colis o que corresponde malha de v rtices de um objecto 3D esta fun o s utilizada em casos espec ficos devido ao facto de a sua execu o ser mais lenta devido ao n mero de c lculos efectuados Este objecto optimiza o desenho das part culas utilizando o buffer de v rtices e desenhando os v rtices com primitivas de renderiza o do DirectX com D3DPT POINTLIST Internamente a textura da part cula criada e guardada num objecto Element Alpha Image ParticleSystems LeftWing new Manager Particle Systems Get Device ModulesA Module Get Window Name NCloudParticle DAT ParticleSystems LeftWing Set Max Num Particles 200 ParticleSystems LeftWing Set NumParticles To Release 5 ParticleSystems LeftWing Set Particle Release Interval 0 00000000001f ParticleSystems LeftWing Set Particle Life Cycle 12 0f ParticleSystems LeftWing Set Particle Size 0 05f ParticleSystems LeftWing Set Color D3DXCOLOR 1 0f 1 0f 1 0f 1 0f ParticleSystems LeftWing Set Particle Position D3DXVECTOR3 1 0f 0 7f 1 3f ParticleSystems LeftWing Set Particle Velocity D3DXVECTOR3 0 0f 0 0f 0 0f ParticleSystems LeftWing Set Particle Gravity D3DXVECTOR3 0 0f 0 0f 0 0f ParticleSystems LeftWing Set Particle Wind Speed D3DXVECTOR3 0 0f 0 0f 1 0f ParticleSystems LeftWing Set P
35. where the users expressed their informal opinions about the simulator When the velocity is zero and the simulation its initiated the user only feels the aircraft weight as he increases velocity lift thrust and drag will be generated If the lift is lower than the weight the ircraft will be either taking off or landing If lift is either higher or equal the aircraft will be in flight O M J X Conclusion EEE EP PES Acknowledgement This article is based on work undertaken within an intemational project called Alfa Gaviota Grupos Acad micos para la Visualizaci n Orientada por Tecnologias Apropiadas The project is funded by the European This article covers concepts related to haptic technology focusing the use of these technologies on application development through usage of Haptics devices interfaces and computer simulation technology for the purpose of physics education A simulation platform called Forces of Physics was implemented with the intent to assist users on their learning of concepts related to several types of forces of physics the application doesn t intend to replace books and notebooks used in education system but instead it s meant to complement it The overall reception of the simulator was good several users pointed that the applied forces were in some cases a bit high a few asked if there would be any addition modules and some express the opinion t
36. will be diverted As the asteroid moves the user will be able to track its trajectory represented with green dots The game objective is the destruction of the active asteroid that can only be accomplished if the user alters the asteroid trajectory so that it will collide with the sun Each time the active asteroid is destroyed the amount of destroyed asteroids will increase as shown on the top left of Figure 4 next to the destroyed asteroid symbol and subsequently a new asteroid will become active Figure 4 Gravitation module 4 Conclusion This article covers the use of haptic technologies and computer simulation for the purpose of physics education and respective evaluation by testing its use in high school classroom and testing the knowledge acquired by students during due to the use of the haptic simulator 81 An application called Forces of Physics was implemented with the intent to assist users on their learning of concepts related to several types of forces of physics The application doesn t intend to replace books and notebooks used in education system but instead it s meant to complement it by providing the students with hands on experiences The application uses haptics as a new technological means for educational purposes with the intent of developing and validating its use in education The application will now be presented to high school students in order to compare it to the traditional way of teaching and learning
37. zero encontra se em modo estacion rio quando a velocidade n o suficiente para gerar sustenta o cuja for a seja maior ou igual ao peso da aeronave o estado corresponde a levantar voo ou a aterrar a aeronave quando suficiente a aeronave encontra se em pleno voo Figura 49 Execu o do m dulo de For as aerodin micas 41 3 2 Descri o t cnica do simulador O simulador foi desenvolvido usando a linguagem de programa o C unmanaged e utiliza v rias APIs conjunto de interfaces de programa o de aplicativos usa DirectX 9 0c para desenvolvimento gr fico TinyXML para leitura de ficheiros XML e HDAL Novint Haptic Device Abstraction Layer para interacc o com o dispositivo h ptico Novint Falcon O simulador utiliza v rios tipos de ficheiros relativos a modelos 3D imagens com e sem transpar ncia sons e ficheiros XML com a excep o dos ficheiros som todos os ficheiros que se encontram na pasta Modules possuem a extens o DAT para designar que s o dados mas internamente as imagens est o no formato de arquivo DDS DirectDraw Surface e os modelos 3D correspondem a ficheiros Legacy X bin rios e os ficheiros XML correspondem a ficheiros XML normais As imagens foram criadas usando Photoshop Paint IrfanView Inkscape e posteriormente foi utilizada a aplica o DirectX Texture Tool DxTex exe fornecida com o SDK do DirectX Os modelos foram criados e ou convertidos utilizando o Blender e exportados
38. 3 1 1 Butterfly Haptics Maglev 200 Este dispositivo possui 6DOF e por utilizar forcas magn ticas s cont m uma nica parte mov vel que cont m dois bot es tendo algumas similaridades com o uso do rato n o possu obst culos f sicos sua utiliza o ver Figura 14 poss vel definir a grandeza das for as entre valores extremamente baixos e valores extremamente altos devido sua precis o Figura 14 Maglev 200 da companhia Butterfly Haptics Butterflyhaptics 2013 2 1 3 1 2 ZeroN ZeroN um prot tipo h ptico que est a ser desenvolvido no MIT Media Lab por Jinha Lee ver Figura 15 O prot tipo considerado um LIE Levitated Interaction Element sendo este um elemento levitado interactivamente A componente h ptica obtida atrav s de campos magn ticos sendo o movimento da bola de metal obtido atrav s de rastreamento por c meras de infravermelhos Figura 15 Demonstra o de uso do ZeroN DigitalTrends 2013 2 1 3 2 Dispositivos h pticos mec nicos Os dispositivos h pticos mec nicos utilizam aparelhos mec nicos para simular for as que criam a sensa o de tacto 13 2 1 3 2 1 Quanser 5 DOF Haptic Wand Este h ptico possui 5 DOF permite um n vel elevado de precis o no seu manuseamento sendo por exemplo utilizado com Mitsubishi Pa 10 para realizar cirurgias pois permite sentir simular contacto de forma extremamente fi vel ver Figura 16 Figura 16 Quanser 5 ligado a um compon
39. EC Get HapticManager SynchFromServo 1 1 get updated haptic positions already as world coordinates Get HapticManager Obtain Position p inversao do eixo Z para corresponder com o sistema de coordenadas do DirectX p 2 1 EE RE REE ABREN RL EET pxh Math Round p DecimalCases pyh Math Round p 1 DecimalCases pzh Math Round p 2 DecimalCases Set Position pxh pyh pzh CalculateAerodynamicsForces Get HapticManager gt Set Force XYZ ForceX ForceY Forcez time previous time current else Set VariablesZero Get HapticManager Set Force XYZ 0 0 0 Jelse Set VariablesZero C digo 8 Sec o de update do objecto avi o 3 2 6 7 Manager Directx9c Este objecto respons vel pela cria o da interliga o com o DirectX que por sua vez permite a execu o de opera es na placa gr fica com o prop sito de gera o de udio imagem e v deo no computador Este permite definir o in cio e o fim da renderiza o de objectos na placa gr fica testar se num determinado momento a sua interliga o com a placa gr fica permite a renderiza o se n o permite este possibilita que se recrie a conex o e possui um m todo interno capaz de gerar uma captura de imagem do ecra tamb m designado por printscreen e salva la para um ficheiro de imagem A aplica o foi desenvolvida para que no futuro s sejam desenvolvidas as janelas e alterado o menu principal estando a classe
40. Index_Skybox_TexturesList _up DAT ModulesYWModule_ Get_Window_Name MASkybox_ Get_Window_Name XX Skybox _TexturesList Index_Skybox_TexturesList _down DAT 1920 1440 C digo 11 Cria o de skyboxes 3 2 6 12 Manager_Sounds Este objecto permite criar um gestor de sons ver C digo 12 que possibilita tocar um som Existem dois m todos para tocar sons sendo necess rio em ambos passem como par metro o caminho do ficheiro de som S s o permitidos ficheiros no formato WAV sound new Manager_Sounds if sound NULL sound Init Sounds Get Handle C digo 12 Cria o de gestor de sons Com o m todo Play Sound o som seja tocado uma Unica vez com o m todo Loop sound poss vel tocar o mesmo som indefinidamente deste o modo quando o som termina de tocar volta a tocar do in cio ver C digo 13 Enable Flag Sound true Get Sound Manager Loop Sound Modules Module_ Get_Window_Name Sounds_ Get_Window_Name AERODYNAM ICS WAV C digo 13 Uso de gestor de sons 3 3 Manual de Utiliza o O utilizador deve garantir que o simulador foi devidamente instalado aconselhado que quando o utilizador inicie as simula es esteja afastado do Falcon porque este aplica for as e se o utilizador estiver desprevenido pode sofrer les es 55 Quando executar o simulador verificar se o Falcon se encontra devidamente ligado se n o estiver apresentado um aviso ao uti
41. OF Carlos Vaz de Carvalho GILT Graphics Interaction and Learning Technologies ISEP Porto Portugal cmc isep ipp pt A haptic device can have has many as six DOF Three of those DOF are related to translation heaving movement forward back or back forward surging displacement movement both up and down or the inverse and swaying displacement movement either left to right or right to left The remaining three are related to rotation pitching tilting either forward or backward yawing swivelling either left or right and rolling pivoting side to side A device with a single DOF can be for example a haptic paddle 3 A device with two DOF can be for example a fingertip haptic display FHD 4 but most haptic devices nowadays have between three to six DOF A Haptics Simulation Haptics are valued in simulations because they provide automatic feedback to the user enabling a more realistic response time to a situation as well as an assimilation of the contents and environment of the simulation This type of simulation can be used either as an education tool or for recreational purposes such as games Several fields of study require students to perform physical tasks such tasks can be performed in the virtual environment with Haptics technology allowing the user to learn the same skills that would otherwise require superior amount of resources and equipment 5 The use of Haptics provides great possibilities in terms o
42. RA MEMS MR NASA NSIS vi Application programming interface Augmented Reality Augmented Virtuality Cave Automatic Virtual Environment DirectDraw Surface Degrees of freedom Electroactive Polymer Eccentric Rotating Mass Flight Simulation Training Devices Grupos Acad micos para la Visualizaci n Orientada por Tecnolog as Apropiadas Graphics Interaction and Learning Technologies Haptic Device Abstraction Layer Head Mounted Display Head Up Display Instituto Superior de Engenharia do Porto Linear Resonant Mass Microelectromechanical systems Mixed Reality National Aeronautics and Space Administration Nullsoft Scriptable Install System ODT OHMD Oss QR Code SDK SHIVR SR 71 TGV VAK VR VRD XSL XML Omnidirectional Treadmill Optical head mounted display Open source Software Quick Response Code Software development kit StatoilHydro Integrated Virtual Reality Strategic Reconnaissance 71 Tactile Gaming Vest Visual Auditory and Kinaesthetic Virtual Reality Visual Retinal Display Extensible Stylesheet Language Extensible Markup Language Lista de Simbolos a He Hc ngulo de ataque Coeficiente de atrito est tico Coeficiente de atrito cin tico Constante Gravitacional Constante acelera o da gravidade Pi vii 1 Introdu o The object of education is to prepare the young to educate themselves throughout their lives Robert Maynard Hutchins A utiliza
43. Shuttle tinha um custo aproximado de 450 milh es de d lares por isso existe pouca margem para erro devido aos custos que um erro acarreta ex destrui o da aeronave Os simuladores da NASA s o simuladores imersivos onde para garantir melhor desempenho e familiaridade com os sistemas reais os interfaces utlizados s o interfaces f sicos ver Figura 30 Figura 30 Uso de simulador de voo na NASA Cooper 2010 23 2 2 1 2 Microsoft Flight Simulator Actualmente o simulador de voo mais comum para o consumidor comum o Flight Simulator da Microsoft criado em 1982 usa interfaces virtuais ver Figura 31 e corre em computadores pessoais e em consolas de jogos O simulador permite experienciar e simular o voo de aeronaves conhecidas por m a sua finalidade mais l dica apesar de permitir a aprendizagem de alguns conceitos de voo Figura 31 Microsoft Flight Simulator 2000 Pcgameshardware 2009 Este simulador e permite a utiliza o de joysticks como o joystick da Figura 32 para um controlo de um modelo de avi o de forma mais aproximada realidade Figura 32 Microsoft Flight Simulator joystick Itreviews 2012 2 2 2 Simuladores explora o de recursos Uma rea que tem desenvolvido simuladores inovadores a de explora o de recursos naturais sejam estes de car cter mineral ou de outro tipo Os Simuladores mais avan ados desta rea s o utilizados na ind stria petrol fera para treino de pessoal e n
44. The Forces of Physics simulator is divided in several modules each addressing a specific area of physics Developed modules so far relate to aerodynamics friction and gravitation The aerodynamics module allows the user to sense the forces applied to an airplane The module has a 3D model of a Lockheed SR 71b Blackbird and the user senses the thrust drag lift and weight as he moves the airplane inside the skybox representing the atmosphere The gravitation module was developed as a game whose concept is to use a 3D model representing the earth to divert 3D models representing asteroids into a collision course with sun where they will be destroyed Gravitational forces are applied to the earth and to the asteroid depending on the proximity between them The asteroid s trajectory will change and the user will feel the corresponding force The friction module enables the user to drag a virtual cube over a flat surface and feel the corresponding friction force The user is able to alter the material of both the cube and the floor which changes the static and dynamic friction coefficients The simulation is multi language with its contents translated into Portuguese Spanish English and German 3 3Aerodynamics Forces Flight Dynamics Forces The aerodynamics force can be divided in four components thrust drag lift and weight This module contains a representation of an airplane and as the user handles the haptic device the model alters the po
45. a o de question rios online a Figura 60 mostra uma pergunta do question rio gerado usando o LimeSurvey O question rio pode ser respondido em ingl s alem o portugu s e espanhol e cont m duas sec es com cinco perguntas cada Inqu rito sobre Forces of Physics Esta pesquisa pretende avaliar o uso do simulador de fisica Forces of Physics em termos de usabilidade e tamb m a sua validade como uma ferramenta educacional 0 100 Portugu s v Perguntas sobre F sica As seguintes quest es pretendem avaliar conceitos aprendidos durante o uso do simulador a for a de atrito maior quando o objeto est em movimento e menor quando o objeto est parado Escolha uma das seguintes respostas Verdadeiro Falso Submeter Sair e limpar question rio Figura 60 Exemplo de uma pergunta de avalia o no LimeSurvey A primeira sec o do question rio corresponde avalia o de conhecimentos obtidos sobre f sica usando o simulador Forces of Physics ver Tabela 10 a segunda sec o do question rio corresponde a uma avalia o da experi ncia de utiliza o do simulador pelos utilizadores ver Tabela 11 O question rio de avalia o an nimo e est dispon vel no seguinte endere o http www gilt isep ipp pt Tabela 10 Sec o perguntas sobre F sica Resposta Outras Pergunta Correcta respostas a for a de atrito maior quando o objecto est em a q J Falso Verdadeiro movimento
46. a Instituto Superior de Engenharia do Porto Simulador em Realidade Virtual para Aprendizagem da Fisica Luciano Filipe Oliveira Neves dos Santos Disserta o para obten o do Grau de Mestre em Engenharia Informatica rea de Especializa o em Sistemas Gr ficos e Multim dia Orientador Prof Doutor Carlos Vaz de Carvalho Juri Presidente Doutor Joao Paulo Jorge Pereira DEI ISEP Vogais Doutor Francisco Jos Ser n Arbeloa Universidade Zaragoza Doutor Carlos Miguel Miranda Vaz de Carvalho DEI ISEP Porto Outubro 2013 Resumo A forma como aprendemos depende do contexto tecnol gico e sociocultural que nos rodeia actualmente a inclusdo de tecnologia recente na sala de aula n o mais considerada opcional mas sim uma necessidade pois a forma como o aluno aprende est em constante evolu o Tendo em aten o esta necessidade foi desenvolvido no decorrer desta tese um simulador em realidade virtual que utiliza comandos interfaces h pticos O objectivo deste simulador ensinar conceitos de f sica de forma interactiva Os dispositivos h pticos permitem adicionar o sentido t ctil ou de toque interac o entre homem e m quina permitindo assim aceder a novas sensa es relativas ao seu uso nomeadamente com objectivos de aprendizagem O simulador desenvolvido designado por Forces of Physics aborda tr s tipos de for as da f sica for as de atrito for as gravitacionais e for as aerodin mi
47. a aprendizagem de conceitos relacionados com v rios tipos de for as da f sica A aplica o n o pretende substituir os livros no sistema de ensino mas em vez disso pretende complement lo proporcionando aos alunos experi ncias pr ticas O aplicativo usa h pticos como um novo meio tecnol gico com fins educacionais com o intuito de desenvolver e validar seu uso na educa o A avalia o atrav s de question rio foi realizada por 14 pessoas tendo sido testados os conhecimentos adquiridos pelos alunos com o uso do simulador h ptico e opini es de usabilidade Em alguns casos os utilizadores expressaram tamb m as suas opini es informalmente O trabalho obteve bom feedback dos utilizadores em termos de opini es e sugest es O simulador pode ser melhorado no futuro em termos de aspecto gr fico interface e na interactividade das simula es dispon veis ou na inclus o de simula es de for as adicionais conforme sugerido por alguns utilizadores Actualmente o simulador utiliza a HDAI da Novint para interliga o com o dispositivo h ptico limitando a utiliza o do simulador a um nico dispositivo h ptico Novint Falcon de futuro o simulador poder ser alterado de forma a possibilitar a utiliza o do simulador com m ltiplos dispositivos h pticos O trabalho desenvolvido no mbito desta tese est inserido num projecto internacional designado por Alfa Gaviota Grupos Acad micos para la Visualizaci n Orientada por Tec
48. a identifica o prospec o avalia o e extrac o de reservas de petr leo Devido aos perigos associados ao manuseamento de equipamento e de acidentes em lugares remotos e isolados como o caso de plataformas em alto acrescem a necessidade de realiza o de treinos constantes para familiariza o com os procedimentos de seguran a e de boa conduta As simula es virtuais permitem reduzir alguns custos relativos a forma o pelo facto de n o utilizarem tantos meios f sicos 24 2 2 2 1 StatoilHydro Integrated Virtual Reality SHIVR Este simulador de realidade virtual desenvolvido em 1997 pela Hydro e pelo Christian Michelsen Research CMR permite v rios tipos de utiliza o para visualiza o de dados e estat sticas ver Figura 33 Uma das suas componentes mais impressionantes corresponde a uma vis o 3D dos dados geol gicos obtidos atrav s de pesquisas s smicas ver Figura 34 e consequentemente elaborar um plano mais detalhado e eficiente para a explora o de crude e g s poupando recursos e tempo na sua explora o Multivolume visualization Production analysis Figura 33 exemplos de utiliza o do SHRIV Ncesubsea 2012 Figura 34 Demonstra o do SHIVR Pennwellnet 2013 25 2 3 Simuladores h pticos de para aprendizagem da F sica O ser humano possui cinco sentidos audi o olfacto paladar tacto vis o ver Figura 35 atrav s dos quais percepcionamos a realidade envolvente obtendo infor
49. acidades h pticas em aplica es ver C digo 6 utiliza um internamente um objecto da classe Model para importar um modelo 3D no formato Legacy X bin rio ou de texto poss vel aplicar posicionamentos escalonamentos e rota es e tamb m atribuir um volume paralelep pedo relativo aos limites de movimentos nos referenciais XYZ no qual est o definidos as posi es m ximas e m nimas para cada eixo Possui varios m todos adicionais que permitem obter a mesh do modelo 3D definir a op o para renderizar s o material e n o a textura definir estados de renderiza o do objecto como S lido no qual o objecto renderizado totalmente Estrutura de arame na qual apresenta s a estrutura das arestas ligados do objecto e finalmente Pontos que apresenta os v rtices do modelo Objecto new Element 3D Object Modules A AModule Get Window Name Models Force and FrictioniNBox DAT Objecto gt Init Get Device Objecto gt Set Scale 1 1 1 Get Device Objecto gt Set_Position 0 0 0 Objecto gt Set_Object_Model_Texture Modules Module_ Get_Window_Name WallTexture DAT Get_Device C digo 6 Cria o de objectos 3D 3 2 6 6 Element Haptic 3D Object Este objecto semelhante ao objecto Element 3D Object por m permite capacidades h pticas porque cont m um objecto do tipo manager haptics que permite interligar com o dispositivo h ptico Falcon e m todos que permitem definir as for as e a obter a posi
50. aeroespacial Tabela 2 Compara o de caracter sticas dos tipos de actuadores Caracter sticas dos tipos de actuadores ERM LRA Frage EAP Piezoel ctrico Barra ou Disco de BE de F sforo Tela Plana A Hoquei Hoquei PIRENSOES 11x4 5mm 10x3 6mm 3 6x3 5x42mm 45x38x0 8mm Aproximadas 130 160 mA 65 70 mA 130 160 mA oo de energia 90 200 hz 15 200 hz 150 300 hz 90 125 hz tempo mecanica Durabilidade Vari vel ae Muito duravel Excelente duravel sensacao Esta tabela baseia se na tabela contida na imagem do seguinte url http www electronicproducts com images2 facn immersion table dec2011 gif O iPhone4 e a fam lia de telem veis Galaxy da Samsung utilizam actuadores LRA Um exemplo de uso de EAP o caso do ViviTouch HD Feel usa uma camada fina de pol meros que cont m el ctrodos EAP sendo poss vel a sua integra o em qualquer dispositivo adicionando aos mesmos capacidades h pticas a grande vantagem a possibilidade de customiza o das sensa es transmitidas ao utilizador pelas capacidades h pticas a Figura 21 explica como a sua componente Device Shaker adicionada a equipamentos de terceiros e Figura 22 explica a inclus o da componente para detec o do movimento de toque Moving Touch Sensor 16 Dowie A Shaker Front of Device Inertial Mass ViviTouch Actuator Flex Circuit Back of Device Figura 21 Explica o do Vivitouch Device Shaker Viv
51. agem tamb m designadas como Hands On essas tarefas podem ser executadas num ambiente virtual com a tecnologia h ptica permitindo ao aluno aprender as mesmas habilidades que iriam requerer quantidade superior de recursos e equipamentos se aprendizagem fosse realizada s com elementos do mundo real ELI 2007 Existem algumas simula es de realidade virtual com o prop sito de ensinar a f sica Han and Black 2011 As simula es h pticas de f sica possuem uma infinidade de usos poss veis para fins educativos permitindo a concep o de ensino e de forma o espec fica nesta rea principalmente em conceitos espec ficos de f sica J existem alguns trabalhos nesta rea por exemplo o trabalho de Williams destinado a ensinar f sica do ensino secund rio Williams Il et al 2002 e o trabalho de Han no ensino de f sica elementar Han and Black 2011 27 3 Forces of Physics Este cap tulo explica os passos relativos concep o e ao desenvolvimento do projecto de forma a atingir os objectivos propostos Numa fase inicial foram estabelecidos v rios requisitos para o desenvolvimento da aplica o e A utiliza o do interface h ptico Novint Falcon para a interac o com o utilizador e A concep o de uma aplica o educativa capaz de ter v rios m dulos capazes de simular v rias for as da f sica e Aaplica o teria que ser capaz de suportar v rios idiomas O simulador recebeu o nome de Forces of Phys
52. article Velocity Variation 0 1f ParticleSystems LeftWing Set Particle Collison Mesh SR71b gt Get 3D Object Model Mesh C digo 10 Criac o de um sistema de part culas 3 2 6 11 Manager Skybox As skyboxes permitem criar fundos em ambientes gr ficos estes fundos criam a ilus o de que um determinado espa o percepcionado como sendo mais vasto Este objecto permite criar uma skybox sendo poss vel definir o tamanho da skybox a sua posi o as seis texturas a ser aplicadas s faces da skybox que correspondem s faces interiores de um cubo e as dimens es das texturas ver C digo 11 Skybox TexturesList reserve 1 Skybox TexturesList push back TropicalSunnyDay Index Skybox TexturesList 0 Sky new Manager Skybox 200 D3DXVECTOR3 0 0f 0 0f 0 0f 54 Sky gt loadManager_Skybox Get_Device Modules Module_ Get_Window_Name Skybox_ Get_Window_Name Skybox _TexturesList Index_Skybox_TexturesList _front DAT ModulesYWModule_ Get_Window_Name MASkybox_ Get_Window_Name XX Skybox _TexturesList Index_Skybox_TexturesList _back DAT ModulesYWModule_ Get_Window_Name MASkybox_ Get_Window_Name XX Skybox _TexturesList Index_Skybox_TexturesList _right DAT ModulesYWModule_ Get_Window_Name MASkybox_ Get_Window_Name XX Skybox _TexturesList Index_Skybox_TexturesList _left DAT ModulesYWModule_ Get_Window_Name MASkybox_ Get_Window_Name XX Skybox _TexturesList
53. as nomeadamente produtos revolucion rios de design que melhorem o uso da sensa o de tacto em objectos alterando assim a nossa rela o com o ambiente que nos rodeia Masayo 2011 Masayo desenvolveu a t tulo de demonstra o alguns pain is h pticos com finalidades art sticas ver Figura 29 Figura 29 Painel h ptico The Sound of Materials Concepthunter 2013 2 1 3 6 Custo dos dispositivos h pticos Comercialmente j come am a existir mais dispositivos para utilizadores comuns com diferentes finalidades tais como jogos ou simuladores virtuais A principal raz o pela qual a tecnologia h ptica ainda n o parte da vida quotidiana o pre o do hardware ver Tabela 3 Por isso apenas algumas reas como a medicina ou a ind stria de perfura o de petr leo j usam sistemas h pticos de forma regular h v rios anos 21 Tabela 3 Compara o de pre os de alguns dispositivos hapticos Dispositivo H ptico Custo SUSD SensAble PHANTOM Omni Premium 1 0 6 20 450 SensAble PHANTOM Desktop 6 13 000 Novint Falcon Pistol Grip Bundle White 279 95 Novint Falcon standard bundle 249 95 S nos ltimos anos com o desenvolvimento de mais dispositivos h pticos comecaram a existir sistemas mais acess veis como o Novint Falcon com um custo reduzido a algumas centenas de euros Com mais dispositivos acess veis ao consumidor comum este passa a ter acesso a este tipo de dispositivos ara uso
54. bjecto que determina o coeficiente de atrito a ser utilizado do material da superf cie e do objecto neste caso um cubo e do estado do material da superf cie que pode ser seco ou molhado O utilizador pode alterar os materiais do cubo e da superf cie de apoio utilizando as setas vis veis no ecr A parte esquerda do ecr refere se ao material da superf cie e a parte direita ao material do cubo ver Figura 39 A altera o vai resultar em altera es em ambos os coeficientes est ticos e cin ticos e consequentemente a for a de atrito resultante Actualmente existem seis tipos de superf cies bet o vidro rocha borracha a o e madeira O estado do cubo sempre seco mas o estado do piso pode ser ou seco ou molhado eu Figura 39 Execu o do m dulo de fric o 32 3 1 3 M dulo de For as Gravitacionais Este m dulo permite experienciar as forcas gravitacionais que correspondem as forcas de atrac o existentes entre os corpos de dois objectos e que s o calculadas usando a lei de gravita o universal O c lculo da for a gravitacional realizado utilizando a lei de gravita o universal 5 utilizando a constante de gravita o universal 4 que corresponde ao factor que relaciona for a com a massa e a dist ncia na lei de gravita o universal 2 G 6 67 x10 ME 4 Kg onde G a constante de gravita o universal A lei de gravita o universal de Isaac Newton estabelece as for as
55. c vest lets you feel bullets knives from game close jpg ltimo acesso 10 Out 2012 Skyscanner http www skyscanner net sites default files image import wikitude jpg ultimo acesso 19 Ago 2013 Smith R D Ralston A Reilly E D and Hemmendinge D Simulation http www modelbenders com encyclopedia encyclopedia html ultimo acesso 13 Abr 2013 Smith R D Ralston A Reilly E D and Hemmendinge D http www modelbenders com encyclopedia encyclopedia html ltimo acesso 13 Abr 2013 Srinivasan M A What is haptics Laboratory for Human and Machine Haptics The Staztic 2013 Suzuki and Yano 2013 Suzuki et al 2013 Turbulence 2011 Uni muenster 2013 Uni muenster 2013b Uni paderborn 2013 Virtualworldlets 2012 Vivitouch 2013a Vivitouch 2013b Watanabe 2012 Watanabe et al 2012 Wikipaintings 2007 Touch Lab Massachusetts Institute of Technology 1995 Staztic http cdn7 staztic com app a 337 337506 haptic effect preview 101 0 s 307x512 jpg ltimo acesso 15 Set 2013 Suzuki H and Yano H Iwata H 1 DOF Tabletop Haptic Mouse for Shape Recognition of 3D Virtual Objects In ACHI 2013 The Sixth International Conference on Advances in Computer Human Interactions p 309 314 2013 Suzuki H Yano H and Iwata H 1 DOF Tabletop Haptic Mouse for Shape Recognition of 3D Virtual Objects In ACHI 2013 The Sixth International Conference
56. calls VPatch update existing files Figura 57 Exemplo de NSIS O Instalador inclui internamente v rios instaladores necess rios para a correcta instala o e subsequente execu o do simulador ver Tabela 9 Tabela 9 Conte do do instalador Forces Of Physics StandAlone Installer exe Instaladores inclu dos Instalador dos ficheiros do simulador Forces of Physics este instalador tem que ter sempre o nome app exe de forma a ser reconhecido pelo script desenvolvido Instalador respons vel pela instala o do DirectX 9 0c que extrai para uma pasta tempor ria os ficheiros do instalador directx Jun2010 redist exe e executa DXSetup exe instalando o DirectX no sistema dotNetFx40 Full x86 x64 exe Instalador da Framework dotNet app exe DX exe 57 ene Instalador dos Drivers do Dispositivo Novint Falcon Instalador que internamente possui a vers o mais setup F Gen 1 0 0 Beta3 exe recente da HDAL apesar de instalar F Gen o simulador n o utiliza a API O execut vel de instala o app exe gerado utilizando NSIS com op o Installer based on ZIP file ver Figura 57 sendo adicionado o ficheiro de ZIP chamado app zip O ficheiro ZIP cont m na sua raiz ver Figura 58 o execut vel gerado pelo Visual Studio 2010 a pasta Modules que cont m os recursos de imagens sons e modelos do simulador e quatro ficheiros necess rios execu o do simulador relativo ao Microsoft Vi
57. carregar as suas componentes internas como Imagens textos etc Quando o carregamento termina apresentada a janela de simula o ao utilizador Se a conex o ao Falcon falhar apresentado ao utilizador um conjunto de avisos com o prop sito de rectificar a conex o Y APh UY AY AY AY SAY A af A A DA DADA ie ANTENA La p a ba Wap Wap ab Wap gt Ye LY ab af 4 CAD Wap Wap Figura 54 Indicadores do carregamento Figura 55 Imagem do simbolo de Load 3 2 6 Elementos adicionados a Janelas Existem dois grupos de elementos que s o inclu dos em janelas o primeiro grupo enquadra elementos cujo nome de classes inclua Element estando estes associados a elementos simples adicionados s janelas como imagem texto etc O segundo grupo enquadra elementos complexos cujo nome de classes inclua Manager sendo estes capazes de gerir a abstrac o de objectos complexos como luz camara sistemas de part culas etc 3 2 6 1 Element Standard Image Este tipo de objecto permite importar imagens sem transpar ncia ver C digo 2 passando como par metros o caminho da imagem pretendida e as dimens es pretendidas sendo posteriormente necess rio definir a posi o no referencial XY Este objecto possui um m todo interno chamado Is MouseXY Insidelmage que permite saber se o rato se encontra por cima da imagem renderizada Imagem new Element Standard Image Imagem gt Load Standard Image Get Device
58. cas Cada tipo de for a corresponde a um m dulo do simulador contendo uma simula o individual em que s o explicados conceitos espec ficos dessa for a num ambiente visual estimulante e com uma interac o mais realista devido inclus o do dispositivo h ptico Novint Falcon O simulador foi apresentado a v rios utilizadores bem como comunidade cient fica atrav s de apresenta es em confer ncias A avalia o foi realizada com recurso a um question rio com dez perguntas cinco de sobre aprendizagem e cinco sobre a utiliza o tendo sido preenchido por 14 utilizadores O simulador obteve uma boa recep o por parte dos utilizadores tendo v rios utilizadores expressado as suas opini es sobre estado actual do simulador do futuro do mesmo e da respectiva validade para uso na sala de aula Palavras chave H ptico Simula o F sica Abstract The way we learn depends on the technological and socio cultural context that surrounds us nowadays the inclusion of recent technology in the classroom is no longer considered optional but a necessity since the way a student learns is constantly evolving Taking into account this need a simulator was developed in the course of this thesis that makes use of virtual reality haptic interfaces The purpose of this simulator is to teach physics concepts interactively Haptic devices allow you to add tactile sense of or touch to the interaction between man and machine allowing access
59. csssssseeeeeeeeceeaseeeeeeeeeeessssueeeeseeeeeeessauaaseeeeeess 50 C digo 5 Cria o de c mera ccoooooccccnnnnnnnnnnnnononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnonnnnninennss 50 C digo 6 Cria o de objectos 3D cccccccnccoccnnncnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnonanananenss 51 C digo 7 Cria o de objectos h pticos 3D occcccccccnconononcnnnnnnnnnnnnnnanonnnnnnnnnnnnonanononss 51 C digo 8 Sec o de update do objecto avidoO ccccccococnnccnnnnnnnncnnnannnnnnnnnnnnnnnnnanonanos 52 C digo 9 Cria o e uso de gestor de LUZES ooccccccncnnconononnnnnnnnnnnononanonnnnnnnnnnnononanonnnss 53 C digo 10 Cria o de um sistema de part culas ooooocccnnnnnncnconnnannnnnnnnnnnnononaninenos 54 C digo 11 Cria o de skyboxes ineine ronnie nn i e a a a 55 C digo 12 Cria o de gestor de SONS ccccccconnocccnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnonnnannnnnnnnnnnnonnnannnnnss 55 C digo 13 Uso de gestor de sons ooooooooccocccncncnnnnononnnnnonononnnnnonnnonono nono no nono nnnnnnnnnnnnnnos 55 Lista de Anexos Anexo 1 Artis amp o Expat 13 as pus Sak hays ee eer eser Pep eder DA Du Da TU oi 75 Anexo 2 Artigo ECGBL eere eee ee ne tra So ne Te et a ve nude idea Fa Ye dat 77 Anexo 3 Poster ECGBL erroe a nad 83 Acronimos e Simbolos Lista de Acr nimos API AR AV CAVE DDS DOF EAP ERM FSTD GAVIOTA GILT HDAL HMD HUD ISEP L
60. da aeronave aos fluxos de ar C A an 11 mxARxe onde C corresponde ao coeficiente de arrasto da aeronave sendo C o coeficiente de sustenta o 8 7 uma constante AR representa a alongamento da asa da aeronave 9 e refere se ao factor de efici ncia 10 38 A forca de arrasto a forca de resist ncia ao movimento da aeronave no ar ocorre devido fric o gerada pela resist ncia do ar quando atravessado pela aeronave esta for a depende da velocidade do avi o depende tamb m do formato e tamanho do avi o e coincidente com o eixo da for a de empuxo por m o seu sentido oposto for a de empuxo D C xAx ixpxv 12 onde D corresponde a for a de arrasto da aeronave sendo C 11 o coeficiente de arrasto A a rea total das asas do avi o p a densidade do ar V a velocidade do ar A for a de empuxo Thrust a for a que move a aeronave pelo ar no caso deste simulador o avi o um SR 71 Blackbird e o seu meio de propuls o s o turbinas os avi es a jacto usam turbinas e por isso geram mais for a de empuxo do que avi es cujo meio de propuls o a h lices T x cos a Dx cos a Lxsin o mxa e 13 T mxa Dx cos a Lx sin a cos a onde T corresponde for a de empuxo da aeronave amp corresponde ao ngulo de subida ou descida da aeronave sendo m o valor massa da aeronave D a for a de arrasto L a for a de sustenta o e a a componente horizontal da acelera
61. da informa o do Falcon com uma dura o aproximada de 1 KHz sendo poss vel aceder s informa es b sicas do Falcon como por exemplo posi o estado actual de um bot o a actualiza o permite ao programador actualizar a forca aplicada pelo dispositivo F Gen F Gen a API de alto n vel criada pela Novint usada para o seu dispositivo Falcon foi criada para facilitar a integrac o do Falcon com um elevado n mero de jogos existentes com o uso de scripts alguns sdo da Novint outros sdo externos criados por exemplo pela comunidade nomeadamente Falcon Army sendo o seu uso em princ pio mais simples que HDAL mais pouco poderoso usado para adicionar certas forcas existentes em jogos por exemplo forca de disparo F Gen tamb m pode ser utilizado como um rato 3D sem capacidades h pticas isto sem ter forcas aplicadas permitindo o seu uso em qualquer jogo computador Os scripts s o criados especificamente para cada jogo muito dif cil um script funcionar num jogo que n o seja aquele para o qual foi criado 45 3 2 5 Sistema de Janelas Para esta aplica o foi criado um sistema de janelas que permite criar a janela seguinte dentro da janela actual e verificar se a janela seguinte deixou de existir ou possu indica o de retorno janela anterior O sistema permite que quando uma janela for activada ap s uma desactiva o temporaria da janela devido utiliza o de teclas do sistema operativo por exemplo qua
62. e E Element Text 63 Element_Camera E Class Class Class Class public public public Object_Airplane 63 Class E E Y gt Element Haptic 3D Object Manager Directx9c EV 3 mem j Figura 52 Diagrama de classes do projecto 44 3 2 4 Novint Falcon API As APIs usadas no Novint Falcon podem ser usadas para criar capacidades h pticas internas aplica o existem v rias aplica es criadas de raiz pela Novint ou podem ser tamb m utilizadas para adicionar capacidades h pticas a aplica es criadas por terceiros Aplica es que utilizam o Falcon podem ser classificadas como sendo Falcon HD ou F Gen Aplica es Falcon HD a designa o utilizada para definir as aplica es que possuem acesso directo ao c digo fonte e por isso usam HDAL Aplica es F Gen a designa o utilizada para definir as aplica es que utilizam a API F Gen como complemento a aplica es existentes para as quais n o existe acesso directo ao c digo fonte HDAL Haptic Device Abstraction Layer HDAL a API de baixo n vel criada pela Novint usada para o seu dispositivo Falcon a API est escrita em c e permite a comunica o entre o Falcon e o computador HDAL permite acesso a mais fun es e recursos do Falcon mas deve ser utilizada por programadores com conhecimentos em c tendo este a responsabilidade de garantir uma boa inicializac o e encerramento do dispositivo Cada vez que existe uma actualiza o interna
63. e as vantagens e desvantagens da utiliza o de interfaces h pticos bem como sobre os custos associados aquisi o deste tipo de equipamento V rios utilizadores indicaram que as for as aplicadas estavam um bocado altas em alguns m dulos alguns perguntaram se iriam ser criados m dulos adicionais tendo alguns expressado a opini o de que ainda levaria um longo per odo de tempo para validar o uso do simulador como uma ferramenta de aprendizagem na sala de aula No dia 3 e 4 de Outubro de 2013 o simulador foi apresentado como poster na confer ncia ECGBL ver o artigo em Anexo 2 e a imagem do poster apresentado no Anexo 3 Durante a apresenta o do projecto na ECGBL foi sugerido que devido aos custos de aquisi o de um dispositivo h pticos devemos disponibilizar mais dados que justifiguem a sua compra por parte de escolas e que para esse efeito se devia desenvolver o simulador de forma a ser poss vel utilizar o simulador sem o dispositivo h ptico utilizando unicamente um rato de forma a estabelecer a compara o da aprendizagem entre os dois tipos de utiliza o do simulador 66 4 Conclusao Esta tese aborda o uso de tecnologias h pticas e simula o de computador com intuito de ensinar conceitos de f sica com recurso a um simulador com capacidades h pticas e avalia o dos resultados No decorrer desta tese foi desenvolvido um simulador h ptico chamado Forces of Physics com a inten o de ajudar os utilizadores na su
64. em torno do eixo vertical e rolagem rota o em torno do eixo longitudinal e podem ser executados num dispositivo h ptico como o da Figura 13 Figura 13 Manuseamento do interface haptico Novint Falcon Virtualworldlets 2012 Um dispositivo com um nico DOF pode ser por exemplo o rato h ptico criado por Suzuki Suzuki et al 2013 ou a pega h ptica criada por Okamura usada em sistemas mec nicos din micos Okamura et al 2002 Um dispositivo com duas DOF pode ser por exemplo a interface esf rica proposta por Watanabe Watanabe et al 2012 ou o dispositivo proposto por Leuschke onde a interac o feita com dedos das m os do utilizador Leuschke et al 2005 Hoje em dia a maioria dos dispositivos h pticos possu entre tr s a seis DOF Os dispositivos h pticos utilizam v rias tecnologias que possibilitam a sensa o de toque os primeiros a serem constru dos foram os mec nicos usando mecanismos f sicos mec nicos seguidos pelos h pticos de vibra o e em anos recentes novas tecnologias foram criadas que permitiram a inclus o do magnetismo e de ultra sons no desenvolvimento de dispositivos h pticos 12 2 1 3 1 Dispositivos hapticos magn ticos Os dispositivos h pticos magn ticos utilizam for as el ctricas magn ticas para simular forcas que criam a sensa o de tacto tendo como caracter stica principal a total inexist ncia de fios permitindo um uso mais natural por parte do utilizador 2 1
65. ente rob tico Imath asia 2013 2 1 3 2 2 Novint Falcon Este dispositivo possui 3DOF e considerado como o primeiro dispositivo criado especificamente para o utilizador comum o seu preco foi reduzido ao m ximo a vers o representada na Figura 17 custa cerca de 250SUSD mas a maioria dos dispositivos h pticos com este tipo de caracter sticas custam v rios milhares de d lares poss vel alterar o formato da pega existindo uma com formato de pistola para jogos de ac o O dispositivo tem uma taxa de actualiza o de informa o de entrada de cerca de 1KHz sendo por isso muito realista a reacc o f sica a movimentos virtuais gerados pelo computador e subsequentemente transmitidos aos motores do Falcon Figura 17 Novint Falcon Gstatic 2013 2 1 3 2 3 Phantom Omni Este h ptico possui 6 DOF a pega possu o formato de uma caneta destina se principalmente a profissionais de v rias reas o preco da vers o demonstrada na Figura 18 de 2 400SUSD quase 100 vezes mais que o Novint Falcon 14 j m Figura 18 Demonstra o de uso do Phantom Omni Axis3d 2013 2 1 3 3 Dispositivos h pticos de ultra sons Uma rea inovadora de desenvolvimento de interfaces h pticos foi criada por Hiroyuki Shinoda professor da universidade de T quio O uso de ultra sons permite uma liberdade de movimentos excepcional em termos de espa o f sico para a interac o homem maquina mas o ponto mais interessante que o interface pr
66. ento reduzido ao m nimo necess rio para assistir invisuais ver Figura 26 estando a ser desenvolvido por Stephanie Wiriahardja Figura 26 Colete h ptico de apoio a cegos Dvice 2012 2 1 3 5 3 Colete t ctil de jogo Tactile Gaming Vest TGV O colete criado por Saurabh Palan ver Figura 27 recria contacto pois converte reac es virtuais em reac es f sicas sendo poss vel sentir colis es com objectos e no caso de jogos de combate permite sentir balas O colete cria as sensa es h pticas com recurso a solen ides e de elementos Peltier controlados electronicamente por computador Figura 27 Colete H ptico de jogo Singularityhub 2010 20 2 1 3 5 4 CyberGrasp O CyberGrasp usado em conjunto com CyberGlove ver Figura 28 permite ao utilizar efectuar movimentos realistas como agarrar objectos virtuais mas tamb m tem limita es de movimento devido estrutura A estrutura funciona como um exosqueleto complementado a estrutura f sica do utilizador e aplicando individualmente a cada dedo da m o a for a de reac o de um determinado movimento num contexto espec fico Figura 28 CyberGrasp com CyberGlove II Uni paderborn 2013 2 1 3 5 5 Masayo Ave Haptic Touch Panel Masayo Ave designer e fundadora do instituto de Haptic Interface Design da Universidade de artes de Berlim criou o conceito de Haptic Interface Design O conceito tem como princ pios o desenvolvimento de materiais com capacidade h ptic
67. ento da sociedade de informa o esses sentidos interagem tamb m com elementos do mundo digital O termo h ptico um termo associado ao toque da palavra grega haptik s Amo e que significa pr prio para tocar sens vel ao tato Este termo designa os sistemas associado ao toque sistemas t cteis que aplicam for a Srinivasan 1995 Figura 12 Representa o de contacto de Vicent van Gogh Wikipaintings 2007 11 As tecnologias h pticas criam a sensa o de toque o que permite aos usu rios manipular elementos virtuais de uma forma menos restrita do que as que actualmente existem permitindo tamb m um movimento mais natural com a inclusdo de mais possibilidades de movimento No caso dos dispositivos h pticos isto designado por Degrees of Freedom DOF A utilizac o de meios h pticos oferece assim maior realismo interac o homem m quina adicionando um outro sentido Um dispositivo h ptico pode ter at seis DOF referindo se ao movimento de um objecto 3D no espaco nomeadamente nos seis tipos de movimento que podem ser aplicadas a ele Tr s desses tipos est o relacionados com a transla o movimento de deslocamento para cima e para baixo ou o inverso movimento de deslocamento da esquerda para a direita ou da direita ou o inverso e por ltimo o movimento da frente para tr s ou o inverso Os tr s restantes est o relacionados com a rota o arfagem rota o em torno do eixo transversal guinada rota o
68. es que um piso de madeira molhada com cubo de bet o A rela o entre os coeficientes e os materiais est representada na Tabela 4 30 Tabela 4 Tabela de Coeficientes de atrito do m dulo de fric o Cubo seco cube seco Piso molhado Piso molhado madeira 0204 047 015 01 Borracha 10 oe Jos 02 ma 10 oz 65 foa me Madera os os 03 Jo Borana 10 os os fo aude 10 os fos 0 iso O A A viro 0 Pago 07 Joss os 009019 Madeira penne ed Borracha i0 fos 03 Jos Borracha 10 Jos fos ozs 31 3 1 2 1 Simula o de For as de Fric o A simula o pretende demonstrar conceitos associados fric o As For as aplicadas a um objecto podem ser divididas em quatro componentes a for a motriz que corresponde for a aplicada directamente ao objecto a for a de atrito for a normal que a corresponde for a de reac o exercida por uma superf cie sobre um corpo de um objecto que esteja em contacto com a superf cie e o peso do objecto Para a simula o usamos um modelo 3D de um cubo com uma pega que representa a pega do Novint Falcon no mundo f sico O cubo pode ser movido ao longo de uma superf cie limitada Quando o objecto se encontra parado aplicada a for a de atrito est tico quando o objecto movimentado a for a altera se sendo aplicada a for a de atrito cin tico portanto a for a de atrito depende do estado do movimento do o
69. f physics learning by adding another sense to the way we relate to technology some aspects of learning can now be perceived in a more immediate way in which the user actual feels the forces This type of simulators allow certain concepts to be better understood in a more interactive way through the affinity between virtual reality and physical reality allowing for a better understanding of physics expressed in simulators Haptics physics simulations have a multitude of possible uses for education purposes allowing for concept teaching and specific training such is the case of physics where the perception of physical forces can be immediate 75 II FORCES OF PHYSICS SIMULATOR The simulator presented in this article is divided in several modules The class Manager_Haptics as seen in Fig 1 is responsible for direct access to the haptic device Manager Haptics Class Y hapt Element Haptic 3D Object Y Class pas public public public Airplane E Object Friction Object Stellar y Class Class Class gt Element Haptic 3D Object gt Element Haptic 3D Objet gt Element Haptic 3D Object public public Object Earth E Object Asteroid E Class Class gt Object Stellar Object Stellar Fig 1 Class diagram related to haptics The aerodynamics module allows the user to sense the aerodynamics forces applied to an airplane The module has an airplane 3D model Loc
70. ge in C the basic accessible information of the Falcon is related for example with position and current button states and also enables the programmer to update the force applied unto the device The simulator uses 3D elements mainly 3D models in X legacy file format and 2D elements images with and without transparency in DirectDraw Surface DDS file format III CONCLUSION This article covers concepts related to haptic technology focusing the use of these technologies on application development through usage of Haptics devices interfaces and computer simulation technology for the purpose of physics education A simulation platform called Forces of Physics was implemented with the intent to assist users on their learning of concepts related to several types of forces of physics the application doesn t intend to replace books and notebooks used in education system but instead it s meant to complement it ACKNOWLEDGMENT This article is based on work undertaken within an international project called Alfa Gaviota Grupos Acad micos para la Visualizaci n Orientada por Tecnolog as Apropiadas funded by the European Commission in which Portugal participates through the research centre GILT Graphics Interaction and Learning Technologies from ISEP Instituto Superior de Engenharia do Porto REFERENCES R D Ralston A Reilly E D and Hemmendinge D Smith 2000 Simulation Online M A Srinivasan What is haptics
71. h pticas A janela de menu corresponde classe MenuWindow que possui m todos internos que gerem o menu como transi o entre as op es e a renderiza o autom tica das imagens de fundo do bot o novo jogo e bot o de sa da O utilizador possui o m todo Init App Images para a inclus o de imagens adicionais 3 2 5 4 Janelas de Simula o As janelas derivadas da janela de simula o permitem facilmente criar janelas que permitem a execu o de simula es h pticas A janela de simula o corresponde classe SimulationWindow Um caso particular foi o caso do menu principal que a primeira janela a ser executada e que corresponde classe StartWindow Apesar de esta classe ser derivada de uma janela simula o n o teve nenhuma capacidade h ptica atribu da As capacidades h pticas s o providenciadas pela classe Manager Haptics que cria a interliga o com o Falcon e pelas subclasses de Element Haptic 3D Object nas quais se obt m e se alteram as for as e a posi o do Falcon Estas janelas possuem um sistema de interno carregamento no qual apresentado ao utilizador uma transi o de imagens do s mbolo de carregamento ver Figura 54 a transi o efectuada para cada fase de carregamento na qual a imagem 47 base rodada 36 graus e aplicando uma cor sobreposi o de cores que varia do vermelho para o verde ver Figura 55 alterando a cor e a rota o deste de forma a indicar ao utilizador que a janela est a
72. hat it would still take a to validate the simulator as a tool for a classroom Commission in which Portugal participates through the research centre GILT Graphics Interaction and Leaming Technologies from ISEP Instituto Superior de Engenharia do Porto Instituto Superior de OLFA Engenharia do Porto isep V Graphics Interaction and Learning Technologies 9 83
73. i o t cnica do simulador cscessssesseseseeeese eene eene nennen 42 3 2 1 Suporte multilingue cede eder eere nin si ereta nenne naue reseau eae dara eue 42 3 2 2 Estrutura dos recursos ossessi ee nennen ran ne nennen aee ee aria arcaicos 43 3 2 3 Diagrama de classes eec eee teste eee een nes een aer dad een aer eee 44 3 2 4 Novint Falcon APl cs escort rtr reae E ark E aussie ue REN SERE sus RES SENTO EO coa 45 3 2 5 Sistema de Janelas ioco ebore a babar ads ERR REN SER Re ae EE des OE EC acess manto 46 3 2 6 Elementos adicionados a Janelas cesses 48 3 3 Manual de Utilizacao iiec tet retento see vaend PR tenes Ra S acer P or des EE E 55 3 301 Instalado i ioris eee te Srt rr rra PE EE P EREREU REN ERR PES FREU PR VeRO edi ro eens 57 ES NE EI oo 60 3 4 1 Avalia o do question rio ecesssssssssseseseseee esent ene 61 3 4 2 Avalia o da apresenta o do simulador em confer ncias uuusuuus 66 4 CONCIUS O uictis eo eer a STORE EE da 67 Lista de Figuras Figura 1 Escala das realidades de Milgram Turbulence 2011 5 Figura 2 Escala das realidades exemplificada por aplica es Ataja 2011 6 Figura 3 M os no mundo real Uni muenster 2013 cccconocnnncnnnnnnnncnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnns 6 Figura 4 M os inseridas no mundo virtual Uni muenster 2013b
74. ibui o do gestor de luzes janela juntamente com a cria o de novas luzes Set Lights Manager new Manager Lights Get Device int light one Get Lights Manager gt Create Light Get Lights Manager gt Set Light Position light one D3DXVECTOR3 0 0f 7 0f 13 0f Get Lights Manager Set Light Range light one 100 0f int light two Get Lights Manager Create Light Get Lights Manager Set Light Position light two D3DXVECTOR3 0 0f 7 0f 10 0f Get Lights Manager Set Light Range light two 100 0f C digo 9 Cria o e uso de gestor de Luzes 3 2 6 10 Manager Particle Systems Este objecto permite criar um sistema de part culas tridimensional que corresponde ao desenho de um n mero elevado de imagens de forma a simular fen menos reais ou imagin rios Alguns dos fen menos mais reconhecidos que s o recriados pelos sistemas de part culas correspondem ao fogo vento explos es fumo O sistema de part culas desenvolvido permite definir v rios par metros como textura a ser aplicada s part culas s permite que a mesma textura seja aplicada a todas as part culas n mero m ximo de part culas intervalo de liberta o de part culas dura o das part culas tamanho das part culas a cor de sobreposi o da textura que aplicada s 53 part culas definir a posi o inicial das part culas velocidade da part culas e varia o da velocidade tamb m poss vel alterar par metros
75. ic learners because they tend to learn better by doing hands on tasks the constructionism learning theory states that learning is improved when there is physical interaction with real objects in addition to the mental model of the surrounding environment constructed by the learner Simulators used together with a haptic command interface provide the user with realistic feedback in terms of both graphics visualization and force feedback enabling the user to feel and instinctively understand several aspects of the simulation The friction module enables the user to drag a cube over the floor and depending on the objects material feel the corresponding friction force The user is able to alter the material concrete glass steel rock rubber wood of both the cube and the floor Which changes the static and coefficients of friction Some of the materials applied to the ground can be either dry or wet the cube material is always dry learning can be quite meaningful because user actions will result im force reactions contrary to conventional physics teachings where concepts are taught using mostly theoretical approaches rather than experimental ones The simulator presented in this article was custom build from scratch It was programmed in C Unmanaged and makes use of DirectX 9 set of application programming interfaces APIs as a graphic development tool For haptic capabilities it uses Novint HDAL Haptic Device Ab
76. ics e o seu logotipo reflecte os v rios tipos de for as existentes 3 1 Modelo Conceptual O simulador h ptico Forces of Physics um simulador de F sica que possui v rios m dulos cada um abordando uma rea espec fica de F sica Os m dulos desenvolvidos at agora est o relacionados com as for as Atrito Fric o Gravita o e Aerodin mica O simulador possui uma componente f sica pelo facto de utilizar um dispositivo f sico e uma componente virtual de realidade virtual relativa ao uso ambientes imagin rios criados para o enquadramento do m dulo pretendido A ac o do utilizador no mundo real com o Falcon implicam altera es correspondentes no simulador e vice versa como se pode ver na Figura 37 que representa a forma como o utilizador interage com o simulador Figura 37 Uso do Falcon no simulador O diagrama seguinte ver Figura 38 apresenta todas as janelas dispon veis no simulador 28 3 1 1 Diagrama de transi o de janelas do simulador Menu Principal Janelas de Menu Janelas de Simula o NON SOS NAN CA M dulo de fric o M dulo de gravita o M dulo de aerodin mica Figura 38 Diagrama de Janelas 29 3 1 2 M dulo de For as de Atrito A forca de atrito a forca de contacto entre duas superficies contr ria ao movimento exercido sobre um objecto sendo o valor da sua for a alterado mediante a rea de contacto as caracter sticas dos materiais que as comp
77. iction force The user is able to alter the material of both the cube and the floor which changes the static and dynamic friction coefficients The use of these simulations in learning contexts is now being assessed The first collected data is quite promising and it is expected to have a full set of results and conclusions in the next few months Keywords Haptics Simulation Physics Forces Learning 77 1 Introduction We live in a technological world that is in constant change and education needs to evolve in order to improve learning efficiency Therefore there is a need to find innovative ways to scaffold students learning But the way people gather information differs between individuals and depends on several factors For instance some people can be defined as haptic learners because they tend to learn better by doing hands on tasks Gillespie and Okamura 2008 One possible way of addressing these needs is the inclusion of information and communication technologies in the classroom The aim of this work was to design develop and validate a virtual reality simulator that allows the user to experience feel several forces of physics such as friction forces aerodynamic forces and gravitational forces and evaluate its use for education As human machine interaction evolves the need for inclusion of all the existing natural human senses hearing sight smell taste and touch increases Current human machine interaction already i
78. icult to divert If the user allows the asteroid to gain enough velocity he will be unable to affect the asteroid trajectory Once the asteroid passes the camera frustum or is destroyed a new asteroid will be activated The aerodynamics module allows the user to sense the four aerodynamic forces thrust drag lift and weight The user can alter the angle of attack and the velocity graphically and aircraft position using falcon The module has an airplane 3D model the Lockheed SR 71b Blackbird a skybox that represents the well as physics particles that simulate the wings rcraft afterburners The user initiates this ic rwards he will able to alter the values of both the angle of attack and the velocity Evaluation A A The evaluation consists of quiz can be answered in English German Portuguese and Spanish this quiz contains two sections with five questions each The first section presented the user with questions related to physics concepts that were learned as a result of using the simulator the second section of questions were related to usability The quiz is available at www giltisep ipp pt and was answered by 14 users some of which had already sor knowledge of physics the following tables detail the results of quiz as they were in 13 September 2013 The quiz was used means of post testing the simulator in order to validate its usability in the classroom as a means of learning The simulator was also tested in a conference
79. itam uma interac o entre as ac es do utilizador e esse g nero de objectos Estes dispositivos possuem uma c mera e v rios sistemas electromec nicos MEMS como por exemplo o magnet metro que funciona como b ssola Outros dispositivos a destacar s o culos de realidade aumentada tamb m designados como Optical Head Mounted Display OHMD Head Up Displays HUD Tablets e Smartphones Alguns dispositivos em fase de desenvolvimento procuram miniaturizar dispositivos de realidade aumentada de tal forma que possam ser Por exemplo o Vuzix Wrap 920 AR ou os Google Glasses aplicados directamente ao olho humano como por exemplo lentes de contacto de realidade aumentada Visual Retinal Display VRD 2 1 1 1 Google Glass O Google Glass apesar de ainda n o estar dispon vel comercialmente j um dos projectos mais inovadores na rea de realidade aumentada e representa um grande avan o tecnol gico que pode afectar o dia a dia de milh es de pessoas O Google Glass vislumbra um mundo mais conectado com acesso constante internet e consequentemente a informa o O Google Glass pertence a uma classe de dispositivos electr nicos que s o efectivamente usados como acess rios no corpo dos seus utilizadores ver Figura 5 Para conectividade com redes sem fios utilizado Bluetooth e Wi Fi 802 11b g permite a grava o de v deo realiza o de videoconfer ncias tirar fotografias e no caso do som utiliza um transdutor de c
80. itouch 2013b Moving Touch Sensor Figura 22 Explica o do Vivitouch Moving Touch Sensor Vivitouch 2013a 17 2 1 3 4 1 Immersion s Haptic SDK Este SDK gratuito cont m cerca de 120 vibra es predefinidas permite criar utilizar vibra es em aplica es em v rias plataformas Para telem veis com o sistema operativo android existe na p gina do Google Play duas aplica es de demonstra o da Immersion A aplicac o Haptic Effect Preview ver Figura 23 que permite experienciar alguns exemplos de vibra es isoladamente e Haptic Muse ver Figura 24 que permite experienciar vibrac es com contexto gr fico Single clicks E ml Double clicks J Triple clicks Ramp ups m n Ramp downs a Figura 23 Execu o de Haptic Effect Preview Staztic 2013 18 Figura 24 Execu o de Haptic Muse Ggpht 2013 19 2 1 3 5 Outros tipos de dispositivos h pticos Existem outros dispositivos gr ficos que n o se enquadram nos grupos descritos anteriormente 2 1 3 5 1 Cinto H ptico Esta tecnologia est a ser desenvolvida pelo ex rcito americano para no futuro ser poss vel indicar a soldados no terreno a direc o que devem tomar recorrendo a indica es de GPS fornecidas por UAV ou sat lites ver Figura 25 Figura 25 Cinto H ptico Blogcdn 2011 2 1 3 5 2 Colete H ptico O conceito quase similar ao conceito do cinto h ptico com a excep o que o equipam
81. kheed SR 71b Blackbird in which the user senses the thrust drag lift and weight as he moves the airplane inside the skybox that represents the atmosphere as well as physics particles that simulate the wings airflow and the aircraft afterburners The friction module as seen in Fig 2 enables the user to drag a cube over the floor and depending on the objects material feel the corresponding friction force The user is able to alter the material of both the cube and the floor which changes the static and coefficients of friction Fig 2 Demonstration of simulator usage with falcon The gravitation module was developed as a game whose concept is to use the planet earth to divert asteroids to the sun where they will be destroyed The user is able to use a 3D model representing the earth to divert 3D models representing asteroids into de sun the game background shows a stellar sky Gravitational forces are applied to the earth and to the asteroid depending on the proximity 76 between the earth and the asteroid the asteroid s trajectory will change and the user will feel the corresponding force The simulator uses DirectX 9 C the Novint Haptic Device Abstraction Layer HDAL and the Novint Falcon as hardware HDAL is a Novint low level API written in C that enables the communication between the Falcon and the computer This API has access to more functions and resources and so should be used by programmers with knowled
82. liams II R L 2002 Haptics augmented high school physics tutorials International Journal of Virtual Reality 5 1 82 Anexo 3 Poster ECGBL ECGBL 2013 3 4 October Porto Portugal Haptic Physics Simulation 1 2 Luciano Santos Carlos Vaz de Carvalho Graphics Interaction and Learning Technologies GILT Instituto Superior de Engenharia do Porto 1 1050508 sep ipp pt 2 cmc isep ipp pt Students demonstrate difficulties in science learning therefore The usage of this technology in specific contexts such as physics Haptics As human machine interaction evolves the need for inclusion of all the natural human senses hearing sight smell taste and touch increases Current human machine interaction already includes sight and hearing and Haptics represents the inclusion of touch to the interaction The term Haptics come from the Greek word haptik s rrru which refers to the sense of touch and in modern days refers to technology devices and interfaces that provide tactile feedback The use of haptic technology has been evolving initially was mainly mechanical but nowadays already includes new areas of technology such as ultra sounds and magnetism to create the sense of touch allowing users to manipulate virtual elements in a less constrained way with higher degrees of freedom DOF There are six types of movement of an object in 3D space Three of those DOF are related to translation heaving
83. lizador contendo indica es de forma a solucionar o problema ver Tabela 6 Tabela 6 Cuidados a ter com a liga o do dispositivo h ptico Avisos Se o Falcon n o for detectado pelo computador conv m verificar se tanto o cabo USB e o cabo de energia est o devidamente conectados ao seu computador Se o Falcon n o for devidamente inicializado durante uma simula o conv m verificar a cor do emblema no dispositivo h ptico que indica o estado do dispositivo a fim de utilizar correctamente o Falcon para dentro at ao centro e depois para o exterior at a cor mudar para verde necess rio mover a pega at a simula o iniciar Para al m do uso do rato poss vel utilizar teclas para a realiza o de ac es no simulador estando estas descritas na Tabela 7 Tabela 7 Configura o geral de teclas Fun es Cancelar aviso ou janela Ajuda Seleccionar Activar elemento seleccionado Aumentar Som ES Diminuir Som Setas Permitem mudar elementos As teclas representativas das setas possuem v rias fun es mediante a janela activa ver Tabela 8 Tabela 8 Fun es das setas Simula o do Simula o do Simula o do Menu A A hr m dulo de m dulo de m dulo de Principal NC aan AL Fric o Gravita o Aerodin mica Seta Aplica a textura Aumenta a para a m dulo anterior na velocidade da direita seleccionado superf cie aeronave Seta c Se Aplica a textura Diminui a para a
84. ma o da mesma e aprendendo factos e conceitos da mesma AE bs Mi Figura 35 Os cinco sentidos humanos Microbemagic 2013 Segundo o modelo de aprendizagem VAK Visual Auditory and kinaesthetic de Neil Fleming a aprendizagem formal de conhecimento est associada essencialmente aprendizagem obtida de tr s sentidos tacto som e visdo A aprendizagem visual obtida atrav s do sentido da visdo que permite para experienciar o ambiente circundante visualizar textos e informa es gr ficas e reter essa informa o em mem ria A aprendizagem h ptica t ctil cinest tica obtida atrav s do sentido do tacto e requer contacto f sico continuado na tarefa de resolu o de tarefas A aprendizagem ocorre tamb m atrav s da repeti o de tarefas sendo melhorados os reflexos do aprendiz bem como a sua capacidade para recordar informa o aprendida anteriormente Aprendizagem Auditiva obtida atrav s do sentido da audi o que permite obter e compreender os sons que nos rodeiam e associ los com situa es contextos objectos factos e palavras Preferred Learning Styles Approximate percentages m Visual 4096 8i Auditory 20 30 m Kinaesthetic 30 40 Figura 36 Principais estilos de aprendizagem New edge 2013 26 O estilo de aprendizagem varia conforme o individuo e a situa o a figura exemplifica os valores em m dia dos estilo de aprendizagem de individuo num contexto espec fico
85. mente a tecnologia mais utilizada para interac o com objectos imagin rios com os smartphones ou acesso a s tios da internet com prop sitos publicit rios divulga o Os QR Codes s o reconhecidos pela c mera do smartphones atrav s de aplica es instaladas para esse efeito Existem v rias aplica es que utilizam GPS como por exemplo Wikitude ver Figura 7 que combina a realidade com informa es de posicionamento e navega o em tempo real ec e Mes Qi ciuem Feed rd Peotie 402 Checho 439 Figura 7 Utilizac o do Wikitude perto da est tua da liberdade Skyscanner 2 1 2 Dispositivos de Realidade Virtual de 360 graus Existem v rios tipos de dispositivos de realidade virtual que permitem movimentac es dos seus utilizadores em todos os ngulos 360 graus Este tipo de movimenta o permite ao utilizador uma desloca o mais natural e com maior liberdade de movimentos sem grandes restri es f sicas Este tipo de dispositivos permite que o utilizador possa visualizar elementos virtuais no seu meio evolvente na totalidade ou quase na totalidade do seu ngulo de vis o com ou sem recurso a visores sendo os seguintes dispositivos os mais conhecidos deste g nero 2 1 2 1 CAVE O sistema de Realidade Virtual que permite uma maior imers o virtual de forma natural o CAVE CAVE Automatic Virtual Environment que consiste na projec o de imagens nas faces interiores de um cubo entre tr s a seis faces Na Fig
86. move o utilizador ser capaz de seguir sua traject ria representada com pontos verdes O objectivo do jogo a destrui o de aster ide activo que s pode ser realizado se o utilizador alterar a traject ria dos aster ides para que estes colidam com o sol Cada vez que o aster ide activo destru do aumentado o contador relativo quantidade de aster ides destru dos ver Figura 41 posteriormente destrui o do aster ide um novo aster ide ficar activo Se o aster ide tiver a sua traject ria desviada ao ponto de n o ser destru do pelo sol ele continua o seu movimento pelo espa o deixando de existir quando se encontra fora do frustum da c mera sendo ent o activado outro aster ide O utilizador deve evitar que o aster ide se aproxime em demasia do planeta Terra por causa de a dist ncia ser reduzida a for a ser elevada e ser dif cil alterar a traject ria por m se o planeta estiver muito afastado pode n o conseguir alterar a traject ria do aster ide devido velocidade do mesmo e por causa da for a gravitacional aplicada ser reduzida Figura 41 Execu o do m dulo de Gravita o 34 3 1 4 M dulo de For as Aerodin micas As for as aerodin micas s o as for as exercidas sobre um corpo devido ao seu movimento num meio gasoso ou liquido no caso desta simula o o meio gasoso e corresponde ao ar Existem quatro for as aerodin micas exercidas sobre o avi o ver Figura 42 sustenta o pes
87. movement forward back surging displacement movement both up and down and swaying displacement movement either left to right or right to left The remaining three are related to rotation pitching tilting either forward or backward yawing swivelling either left or right and rolling pivoting side to side A haptic device can have has many as six DOF The main reason why haptic technology isn t part of everyday life is the price of the hardware Certain areas like Medi e or the Oil drilling industry already use Haptics but the equipment can still cost thousands of euros In recent years more affordable haptic devices appeared such as the Novint Falcon with a cost reduced to a few hundred euros With more devices becoming available in the market the common consumer starts to have access to this kind of devices for personal use either for recreational use or other ends innovative ways to motivate students and im One possible way is the inclusion of technology in isroom This article addresses the use of Haptics in tors as a means to improve the learning of Physics The aim work is to design develop and test a virtual reality simulator lows experiencing feeling various forces of physics that such as the friction force aerodynamic force and gravitational force To give more realism to the man machine interaction the simulator uses a haptic interface This type of learning is more beneficial for people that can be defined as hapt
88. n Mobile Wireless Middleware Operating Systems and Applications Springer Berlin Heidelberg p 129 143 2010 Grigio Uomo Wikimedia http upload wikimedia org wikipedia commons 7 74 Wing angles jpg ltimo acesso 2 Set 2013 Gstatic http t2 gstatic com images q tbn ANd9GcS1jXAO2fSsLFPSOGheQ6P pxdUyHi5CEW qc qLOIVpt WPNMNS58T ltimo acesso 26 Abr 2013 Han and Black 2011 Han and Black 2011 HRED ARL 2007 Imath asia 2013 Itreviews 2012 Kynigos 2012 Leuschke et al 2005 Masayo 2011 Massnewsmedia 2013 Microbemagic 2013 Milgram et al 1995 Nasa 2013 Ncesubsea 2012 New edge 2013 Han I and Black J B Incorporating haptic feedback in simulation for learning physics Computers amp Education 57 4 p 2281 2290 2011 Han I and Black J B Incorporating haptic feedback in simulation for learning physics Computers amp Education 57 4 p 2281 2290 2011 HRED ARL Wikimedia http upload wikimedia org wikipedia commons 2 28 ARL ODT jpg ltimo acesso 13 Out 2012 Imath asia http www imath asia com assets wp content uploads 2012 03 5DOF telepresence jpg ultimo acesso 6 Feb 2013 Itreviews http www itreviews com wp content uploads 2012 10 h378 jpg ultimo acesso 28 Ago 2013 Kynigos C Constructionism theory of learning or theory of design In 12th ICME International Congress on Mathematical Education 2012 Leu
89. ncludes sight and hearing and haptics represents the inclusion of touch to the interaction The term haptics come from the Greek word haptik s rrrw which refers to the sense of touch and in modern days refers to technology devices and interfaces that provide tactile feedback Haptic technology evolved from the initial mechanical approach to new areas of technology such as ultra sounds and magnetism Haptic technology creates the sense of touch allowing users to manipulate virtual elements in a less constrained way with higher degrees of freedom DOF The use of haptics provides greater realism to the man machine interaction by adding another sense So although anyone could learn by using haptic devices those who tend to be haptic learners tend to benefit more from this way of learning A haptic device can have as many as six DOF referring to the movement of a 3D object in space and to the six types of movement that can be applied to it Three of those types are related to translation heaving movement forward back or back forward surging displacement movement both up and down or the inverse and swaying displacement movement either left to right or right to left The remaining three are related to rotation pitching movement of tilting either forward or backward yawing movement of swivelling either left or right and rolling movement of pivoting side to side A device with a single DOF can be for example the table top haptic
90. ndo utilizada a combina o de teclas Alt e Tab A forma como ele faz a reactiva o autom tica e simples apresentada uma imagem do ecr da ltima vez que a janela foi utilizada antes de ser desactivada por cima da imagem apresentada uma imagem simbolizando pausa ver Figura 53 enquanto o sistema reinicializa as janelas em background Existem v rias classes directamente relacionadas com o sistema de Janelas existente v rias classes correspondem a diferentes tipos de janelas mas a maior parte corresponde a elementos que podem ser inclu dos nas janelas 1 Figura 53 Indicador de pausa 3 2 5 1 Estados de Janela Os estados da janela est o definidos na classe WINDOWSTATE ver C digo 1 o estado actual de uma janela sempre a um dos seguintes estados PREV STANDARD e NEXT No caso de a janela ser uma janela de menu existem dois estados de menu que tamb m s o aplicados a janela struct WINDOWSTATE enum PREV 0 STANDARD 1 NEXT 2 MENU_OP_NEWGAME 3 MENU_OP_EXIT 4 C digo 1 Estados de janela O estado PREV aplicado a uma janela quando se pretende que esta deixe de existir e que o sistema de janelas retorne janela anterior O estado STANDARD aplicado a uma janela quando se pretende indicar que a janela corresponde janela activa no sistema de janelas O estado NEXT aplicado a uma janela quando se pretende indicar que a janela n o est activa mas a sua janela seguinte corresponde
91. nologias Apropiadas financiado pela Comiss o Europeia em que Portugal participa atrav s do centro de investiga o GILT Graphics Interaction and Learning Technologies do ISEP Instituto Superior de Engenharia do Porto 67 68 Refer ncias As refer ncias foram geradas utilizando uma vers o modificada do ficheiro xsl criado por Yves Dhondt relativo ao estilo de refer ncias de Harvard do tipo Anglia A versdo modificada foi criada de prop sito para esta tese de forma a gerar automaticamente as refer ncias com os requisitos pretendidos tendo sida adicionada manualmente na pasta C Program Files Microsoft OfficeVOffice14 Bibliography Style Acm 2013 Affemitwaffe 2008 Ataja 2011 Axis3d 2013 Biocca and Levy 1995 Blogcdn 2011 Blogspot 2013 Butterflyhaptics 2013 Concepthunter 2013 Cooper 2010 DigitalTrends 2013 Dlouhy 2003 Acm http cie acm org media 04 frustum jpg ltimo acesso 1 Set 2013 Affemitwaffe Wikimedia http upload wikimedia org wikipedia commons thumb f f3 E60hud JPG 800px E60hud JPG ltimo acesso 19 Ago 2013 Ataja A Wikimedia http upload wikimedia org wikipedia commons 7 7a Mixed Reality Scale png ltimo acesso 20 Ago 2013 Axis3d http www axis3d com tw product phantom omni 02 jpg ltimo acesso 6 Feb 2013 Biocca F and Levy M R 1995 In Communication in the age of virtual reality Routledge 57 58
92. nto esses 48 Figura 55 Imagem do s mbolo de LOad ccccccccsssssssseseceeeeeeeaeeeeseeeeceeeeesaaaaaeeeeeeess 48 Figura 56 Frustum de uma c mera Acm 2013 eres 50 Figura 57 Exemplo de NSIS ioca id 57 Figura 58 Visualiza o do conte do de app zip usando WinRAR 58 Figura 59 Escolha de idioma de instalacdO cccccccccoooonnccnonnnnnonononannnnnnnnnnnnonnananenonos 59 Figura 60 Exemplo de uma pergunta de avalia o no LimeSurvey 60 Figura 61 Resultados da primeira pergunta de conhecimentos 61 Figura 62 Resultados da segunda pergunta de conhecimentos 62 Figura 63 Resultados da terceira pergunta de conhecimentos 62 Figura 64 Resultados da quarta pergunta de conhecimentos ssssss 63 Figura 65 Resultados da quinta pergunta de conhecimentos ssssss 63 Figura 66 Resultados da primeira pergunta de usabilidade 64 Figura 67 Resultados da segunda pergunta de usabilidade 64 Figura 68 Resultados da terceira pergunta de usabilidade 65 Figura 69 Resultados da quarta pergunta de usabilidade sssse 65 Lista de Tabelas Tabela 1 Tipos de c
93. nvolvente que levou cria o do projecto o passado e o futuro do desenvolvimento de simuladores e de interfaces h pticos e uma descri o sobre os elementos da f sica contemplados pelo projecto O terceiro cap tulo refere se fase de desenvolvimento do simulador e debru a se sobre aspectos Conceptuais e Tecnol gicos tais como o conceito geral ferramentas elementos do desenvolvimento do projecto e itera es relativas ao mesmo a forma como o trabalho desenvolvido foi avaliado O ltimo cap tulo refere as conclus es e avalia es finais do projecto Existe uma sec o de anexos contendo dois artigos e um poster resultantes deste trabalho e que foram apresentados em confer ncias 2 Estado da Arte A forma como aprendemos depende do nosso meio envolvente e da quantidade de conhecimento que existe e por isso as formas de obten o de informa o t m que acompanhar a evolu o dos tempos Hoje em dia o uso das novas tecnologias na educa o n o mais algo descabido mas uma verdadeira necessidade dado que os jovens procuram e recolhem informa o sobretudo em meios tecnol gicos e n o tanto em livros e sala de aula O ensino deve acompanhar essa tend ncia devendo ser capaz de fornecer conte dos educativos interactivos e capazes de estimular a aprendizagem das novas gera es Para uma melhor contextualiza o do projecto em termos de funcionalidades e expectativas de desenvolvimento foi realizado um levantamento
94. o empuxo e arrasto Sustenta o Lift Figura 42 Exemplifica o das for as aerodin micas Para o c lculo das for as existem v rios conceitos aerodin micos relativos s for as aerodin micas aplicados no simulador relacionados com os elementos necess rios ao c lculo das for as aerodin micas O ngulo de ataque de uma aeronave corresponde ao ngulo entre a linha de refer ncia da asa e o vector representativo do fluxo de ar ngulo por norma representado utilizando a letra grega alfa a ver Figura 43 Figura 43 Exemplifica o do ngulo de ataque Dlouhy 2003 35 A densidade do ar depende de varios factores como temperatura da substancia gasosa que neste caso corresponde ao ar e da press o do ar A densidade do ar possui um c lculo muito complexo para esta simula o para o c lculo da densidade do ar foi utilizada uma f rmula mais simples de Michael Richmond Richmond 2012 do Rochester Institute of Technology que cria uma aproxima o do valor da densidade real tendo como nico par metro a altura da aeronave soo p 1 21x 000 x onde p corresponde densidade do ar e uma constante designada por n mero de Neper h a altura da aeronave em metros O coeficiente de sustenta o entre a press o de sustenta o e a press o din mica neste caso do ar o seu valor depende do formato da asa e respectivo angulo de ataque C 2xxxau 7 onde C corresponde ao coeficiente de s
95. o As 28 Figura 38 Diagrama de Janelas esses ene 29 Figura 39 Execu o do m dulo de fric o seen 32 Figura 40 For a gravitacional Nilsson 2008 eesseeseeeeeeeeee 33 Figura 41 Execu o do m dulo de GravitacdO ccccccccoccocnncnnnnnnnononnnancnnnnnnnnnononananenenos 34 Figura 42 Exemplificac o das for as aerodin micas seen 35 Figura 43 Exemplifica o do ngulo de ataque Dlouhy 2003 35 Figura 44 Formatos de asas da aeronave Grigio 2008 esesessssss 37 Figura 45 Explica o visual de aspect ratio Sciencelearn 2013 38 Figura 46 Demonstra o do conceito de Arfagem PitCh ccccnnncooonocannnccononaannnnnnss 40 Figura 47 Demonstra o do conceito de Guinada Yaw ccccnnncooononcnnnccononannnnnnnos 40 Figura 48 Demonstra o do conceito de Rolagem Roll 40 Figura 49 Execu o do m dulo de For as aerodin micaS ccccccccoconoccnnnnnnncncnnnnannnnnos 41 Fretira 50 Selecta de NUMA sas id ouam o cade SR DS 42 Figura 51 Estrutura de pastas da pasta de recursos Modules 43 Figura 52 Diagrama de classes do projecto ccccccccncoooooncnnnnnnnnnnnnnananonnnnnnnnnononananenoss 44 Figlira 53 Indicador de Pausa cid ad inten ca ct edu e dina occ dunes 46 Figura 54 Indicadores do carregame
96. o atrav s de computadores que simulam recriam o mundo f sico envolvente ou criam mundos que n o existem podendo representar situa es lugares e acontecimentos A realidade virtual imersiva caracterizada pelo facto de utilizador do utilizador percepcionar o seu meio envolvente como sendo unicamente virtual Biocca and Levy 1995 a imers o torna se mais realista atrav s da inclus o dos sentidos essa inclus o utiliza dispositivos que permitem o utilizador abstrair se da realidade f sica permitindo que este possa interagir com o envolvente virtual directamente limitando a sua interac o com o mundo f sico A realidade virtual n o imersiva ocorre quando percepciona o seu meio envolvente como n o sendo totalmente virtual A realidade virtual est normalmente associada a ambientes imersivos 3D sendo os seus usos mais comuns relacionados com aprendizagem arte testes de performance entre outros A realidade virtual usa v rios tipos de dispositivos como luvas capacetes ou visores culos Head Mounted Display HMD ratos e joysticks 2 1 1 Dispositivos de Realidade Aumentada Os dispositivos de realidade aumentada permitem uma interac o tecnol gica com o ambiente que nos rodeia sendo capazes de nos fornecer informa es uteis em tempo real complementares as informa es que o utilizador obteria s com recurso aos seus sentidos Estes dispositivos permitem associar objectos imagin rios no contexto de aplica es que perm
97. o de novas tecnologias aplicadas educa o tem sido incentivada em anos recentes devido necessidade da forma o evoluir de forma a acompanhar o aluno moderno Quanto mais n o seja pelo facto de este ter acesso a tecnologias que at h uns anos n o dispunha por exemplo atrav s dos programas Magalh es ensino prim rio ou E Escola ensino B sico e Secund rio Hoje em dia pretende se fornecer conte dos educativos que fa am uso destas novas plataformas tecnol gicas quebrando se um certo tabu relativamente proibi o do uso de tecnologia na sala de aulas Estes conte dos devem ser capazes de assistir escolas e professores e facilitar a transi o do seu modo de ensino para servir e educar uma sociedade do conhecimento Estes novos conte dos educativos aproveitam de forma inteligente todas as tecnologias dispon veis actualmente Uma das reas mais interessantes em desenvolvimento a da cria o e uso de simuladores de realidade virtual h pticos dado que permitem um contexto muito mais interactivo que vai al m dos livros e cadernos sendo por isso mais atractivos como ferramenta de estudo para os alunos Especialmente aqueles que podem ser definidos como aprendizes t cteis porque tendem a aprender melhor quando realizam tarefas manuais Gillespie and Okamura 2008 Estes simuladores permitem perceber determinados conceitos pela afinidade entre a realidade virtual e a realidade f sica sendo por is
98. omponentes h pticos de vibra o eene 16 Tabela 2 Compara o de caracter sticas dos tipos de actuadores 16 Tabela 3 Compara o de pre os de alguns dispositivos h pticos 22 Tabela 4 Tabela de Coeficientes de atrito do m dulo de fric o 31 Tabela 5 Identifica o de formatos de asa de aeronaves ccooocooccccnnnnnnnncnnnnnnnnnnnnnnnnos 37 Tabela 6 Cuidados a ter com a liga o do dispositivo h ptico 56 Tabela 7 Configura o geral de teclaS cccccccnccooonnnnnnnnnnnncnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos 56 Tabela 8 Fun es das setas os ERE REI D MH EUR 56 Tabela 9 Conte do do instalador Forces Of Physics StandAlone Installer exe 57 Tabela 10 Sec o perguntas sobre F sica oooooonnncnnnnnnnnnononnonnnnnnnnnnnnonanannnnnnnnnnns 60 Tabela 11 Sec o avalia o do simulador ooooocnnccnnnnnnnncnnnnnnnnnnnnnnnnononananononnnnnnns 61 Lista de C digo C digo 1 Estados de janela ooccccccccccccooononnnnnnnnnnnonononnnnnnnnnnnonononannnnnnnnnnnnnnnnnannnnss 46 C digo 2 Cria o de imagens normais sem transpar ncCia ccccccocococcccnnnnnnnncnnnnnnnnnnss 48 C digo 3 Cria o de imagens com transpar ncia oooooonccnnnnnnnnconnnannnnnnnnnnnonnnananennss 49 C digo 4 Cria o de texto ceeecccccccccc
99. on Advances in Computer Human Interactions p 309 314 2013 Turbulence http turbulence org blog images 2011 04 virtuality continuum 2 j ltimo acesso 18 Ago 2013 Uni muenster http viscg uni muenster de publications 2009 SBRHO9 Fig1 input j ultimo acesso 10 Out 2013 Uni muenster http viscg uni muenster de publications 2009 SBRHO9 rathaus final png ultimo acesso 10 Out 2013 Uni paderborn http www2 cs uni paderborn de cs ag domik static seminare ss97 visualisierung brendel cybergrasp jpg ltimo acesso 6 Feb 2013 Virtualworldlets http www virtualworldlets net Worlds Listings VRInterfaces NovintFalcon jpg ultimo acesso 26 Set 2012 Vivitouch http www vivitouch com images device moving touch sensor jpg ultimo acesso 5 Feb 2013 Vivitouch http www vivitouch com images device shaker jpg ltimo acesso 6 Feb 2013 Watanabe K Shimamoto K and Ohnishi K Bilateral control with 2 DOF haptic spherical interface In ECON 2012 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society p 4394 4399 2012 Watanabe K Shimamoto K and Ohnishi K Bilateral control with 2 DOF haptic spherical interface In ECON 2012 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society p 4394 4399 2012 Wikipaintings http uploads5 wikipaintings org images vincent van gogh hand with a pot the knob of a chair and a hunk of bread 1885 1 jpg Blog jpg ltimo acesso 20
100. ondu o ssea no qual o som propagado pelo cr nio at atingir o canal auditivo Devido a necessidades est ticas tecnol gicas e ergon micas bem como quest es legais relacionadas com a privacidade dos utilizadores a comercializa o do produto foi atrasada prevendo se que esteja dispon vel ainda durante 2013 com um custo aproximado de 1500 d lares Subway service suspended Jessica wants te talk to you Figura 5 Realidade Aumentada no Google Glass Massnewsmedia 2013 2 1 1 2 HUD usados em autom veis Head Up Displays s o uma forma de realidade aumentada que se caracteriza pela inclus o de informa o gr fica em superf cies transparentes Apesar de j existiram h alguns anos no sector militar recentemente t m surgido aplica es civis desta tecnologia No caso da ind stria autom vel come am a aparecer modelos cujo vidro frontal utiliza HUD para fornecer indica es ao condutor relativas a par metros do autom vel Figura 6 por m o pre o ainda elevado leva a que ainda existam poucos modelos com estas funcionalidades Figura 6 HUD in a BMW E60 Affemitwaffe 2008 2 1 1 3 Smartphones A inclus o da realidade aumentada nos telem veis de ltima gera o designados por smartphones facilitada pelo facto de estes possu rem c mera fotogr fica GPS e v rios sensores internos como aceler metros Gotow et al 2010 Os QR Codes correspondem a c digos de reconhecimento r pido sendo actual
101. oposto seria unicamente virtual sem necessidade de ter elementos f sicos excepto o utilizador e o corpo do mesmo ver Figura 19 Esta tecnologia reconhecida como uma poss vel tecnologia para uso futuro no desenvolvimento de hologramas que permitam contacto f sico Figura 19 Super Haptics Hiroyuki Shinoda Physorg 2009 2 1 3 4 Dispositivos h pticos de vibra o Estes dispositivos utilizam componentes f sicos ver Figura 20 capazes de criar a sensa o de toque em ingl s s o designados por actuators estes componentes come am a ser mais utilizados em dispositivos m veis especialmente smartphones A Tabela 1 descreve alguns dos componentes existentes e a Tabela 2 estabelece a compara o entre os diferentes tipos de actuadores ility to touch back linear resonant Figura 20 Tipos de actuators Edn europe 2013 15 Tabela 1 Tipos de componentes h pticos de vibra o deslocamento de massa n o sim trico ligado ao eixo repetitivo de uma massa e tendem a ser mais eficientes do que ERMs Electroactive Polymer s o caracterizados como pol meros que mediante a introdu o de corrente el ctrica s o alteradas as suas dimens es e formas Materiais piezoel ctricos s o materiais que ret m electricidade no seu Piezoelectric estado s lido como cristais cer mica Actuator Estes atuadores utilizam materiais piezoel ctricos como material activo Este actuador bastante utilizado na ind stria
102. or as aerodin micas A simula o pretende que o utilizador seja capaz de compreender conceitos aerodin micos para esse efeito a simula o cont m uma representa o de um avi o Lockheed SR 71b Blackbird A for a aerodin mica pode ser dividida em quatro componentes empuxo arrasto sustenta o e peso Quando o utilizador manipula o dispositivo h ptico o modelo modifica a posi o do modelo de avi o e altera as for as aplicadas permitindo assim ao utilizador sentir as componentes da for a aerodin mica resultantes decompostas de acordo com o eixo XYZ A componente visual do m dulo inclui uma skybox da atmosfera e quatro sistemas de part culas um sistema de part culas que simulam o fluxo de ar para cada asa e um sistema de part culas para cada turbina do avi o O utilizador deve iniciar a simula o clicando no bot o que cont m o s mbolo de energia at ficar premido e com cor verde este bot o encontra se esquerda do bot o de ajuda uma vez iniciada a simula o ele pode alterar a velocidade e o ngulo de ataque de forma visual com recurso ao rato ou utilizando as teclas de setas a seta da esquerda e da direita controlam a velocidade e a seta para cima e para baixo controla o angulo de ataque A posi o da aeronave alterada manipulando a pega do Falcon e mediante a velocidade e a direc o a altitude alterada de forma correspondente A aeronave possui v rios estados de voo quando a velocidade
103. osts about 250 USD making it the most affordable haptics device on the market The Falcon has a refresh rate of 1 KHz making both the physical and virtual reaction very realistic since virtual movements generated on the simulator will be transmitted to the Falcon motors and transformed in physical movement almost in real time Figure 1 Novint Falcon The rest of the paper is organized as follows Section 2 Simulation explains computer generated simulations haptic simulations and the use and development of haptic simulations for the purpose of physics learning Section 3 Forces of Physics Simulator refers to the development of several haptic physics simulations referring to several existing types of forces of physics Section 4 Conclusions presents some concluding remarks 2 Simulations A simulation can be defined as the process of designing a model of a real or imagined system and conducting experiments with that model Smith 2000 Most aspects of real life can be simulated and simulations are used in almost every area of knowledge such as education flight dynamics medicine etc A major concern related to simulation is the fact that it is not equal to the real world but just an approximation The use of simulation benefits education by enabling a task to be executed without the drawbacks that it would have in the real world enabling the user to perform the task countless times without the fear of error Some virtual reality simula
104. schke R Kurihara E K Dosher J and Hannaford B High fidelity multi finger haptic display In Proceedings of the First Joint Eurohaptics Conference and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems World Haptics 2 IEEE p 606 608 2005 Masayo Ave http researchfacility wordpress com workshops haptic design interface with masayo ave ltimo acesso 17 Nov 2012 Massnewsmedia http massnewsmedia com wp content uploads 2012 04 Google unveils Project Glass 460x250 jpg ltimo acesso 7 Feb 2013 Microbemagic http microbemagic ucc ie images 5 senses1 jpg ltimo acesso 2013 Set 21 Milgram P Takemura H Utsumi A and Kishino F Augmented reality A class of displays on the reality virtuality continuum In Photonics for Industrial Applications International Society for Optics and Photonics p 282 292 1995 Nasa http www aeronautics nasa gov pdf wing design k 12 pdf ultimo acesso 2 Set 2013 Ncesubsea http www ncesubsea no download 120119 visualization for industrial applications vizualistation as an essential tool jens grimsgaard statoil pdf ltimo acesso 6 Abr 2013 New edge http www new edge tv images Preferred 620learning9620styles s j ultimo acesso 10 Out 2013 71 Nilsson 2008 Okamura et al 2002 Park et al 2001 Pcgameshardware 2009 Pennwellnet 2013 Physorg 2009 Richmond 2012 Sciencelearn 2013 Singulari
105. sition of the plane model enabling the user to feel the aerodynamics force components decomposed according to the XYZ axis Figure 2 Aerodynamics module 3 3Friction Friction forces can be divided in four components pushing force friction force normal and weight In order to simulate friction we used a 3D cube model with a handle that represents the physical world handle of the Novint falcon The cube can be moved over a limited surface The user can alter the materials of the cube and of the supporting surface using the arrows seen on the top part of Figure 3 The left part relates to the surface material and the right to the cube material The alteration will result in changes in both the static and kinetic coefficients and consequently on the resulting friction force Currently there are six types of surfaces concrete glass and rock rubber steel and wood The cube surface is always dry but the floor can be either dry or wet 80 Figure 3 Friction module 3 3Gravitation Gravitation force is applied to both the active asteroid and the planet earth As the distance between the objects decreases the force increases so the user manipulates the planet and depending on the proximity of the objects the user will feel the force accordingly This module was developed as a game so every time an asteroid becomes active it will start hurling towards the screen and if the asteroid is attracted to the planet the asteroid trajectory
106. so poss vel relacionar e compreender conceitos da f sica Park et al 2001 Esta disserta o pretendeu conceber desenvolver e testar um simulador de realidade virtual que permite experimentar sentir v rias for as da F sica como a for a de atrito for as aerodin micas e for as gravitacionais Para dar mais realismo interac o pessoa m quina o simulador usa um interface h ptico 1 1 Objectivos O objectivo principal deste trabalho relaciona se o desenvolvimento de uma aplica o gr fica modular com capacidades h pticas como meio funcional de aprendizagem Deve ser capaz de simular v rias for as do mundo f sico for as de fric o for as gravitacionais e for as aerodin micas A aplica o tem finalidades educativas e pretende que os seus utilizadores sejam capazes de sentir as for as aplicadas e que sejam capazes de relacionar as no es e conceitos obtidos atrav s do uso dos simuladores com os seus conhecimentos da sala de aula Em paralelo pretende se fazer uma pesquisa sobre o estado da arte nas reas de conhecimento relevantes para o desenvolvimento do objectivo principal O objectivo final corresponde avalia o dos conhecimentos adquiridos com a utiliza o do simulador desenvolvido e a avalia o do seu uso realizada com recurso a question rios junto dos utilizadores 1 2 Motiva o Durante os meus anos de estudo tive v rias dificuldades na aprendizagem de determinados conceitos da f sica por
107. straction Layer and the Novint Falcon as hardware Several applications were used to create the graphical content of the simulator All 2D images were created using Photoshop Paint IrfanView Inkscape and were later converted to DirectDraw Surface DDS file format The 3D content was created using Blender with the exception of the plane model which was altered in Blender from a initial free 3D model later all 3D objects were exported to X legacy file format The simulator contains several modules each addressing the concepts of a specific type of physics forces current modules are aerodynamics friction and gravitation The gravitation module was developed to use the planet gravitational force to sun asteroids that are leaving an asteroid bel forward towards the screen If the active asteroid is near the sun it will be destroyed This module uses 3D models representing the earth and asteroids the game background it s composed of a rotating skybox showing a stellar sky Gravitational forces between the earth and the asteroid are being applied to the earth can control the earth using the Falcon handle to change its position and experience the existing gravitational force Depending on the proximity between the earth and the asteroid the asteroid s trajectory will change and the user will feel the corresponding force if the distance is too small the force will be very high and the force being applied will make it very diff
108. sual C Redistributable para computadores com arquitecturas de 32 bits e de 64 bits E Y app zip ZIP ER CE Forces of Physics exe amp msvcp100 dll msvcp100d dil amp msvcr100 dll msvcrl00d dil Figura 58 Visualiza o do conte do de app zip usando WinRAR O instalador do simulador gerado utilizando NSIS com op o Compile NSI scripts ver Figura 57 sendo compilado o script Forces Of Physics StandAlone Installer nsi O instalador no in cio permite ao utilizador escolher o idioma de instala o como demonstrado na Figura 59 de seguida o instalador instala por passos os componentes da instala o Installer Language Please select a language Pawos Deutsch 58 Figura 59 Escolha de idioma de instala o Ap s a instala o conv m verificar se a liga o ao computador e fonte el ctrica est o bem estabelecidas se as liga es estiverem funcionais o emblema do Novint Falcon fica iluminado A simula o s funciona se o emblema estiver iluminado 59 3 4 Avalia o A fase de avaliac o tem como objectivo validar o trabalho desenvolvido com recurso a testes de utiliza o an lise da aprendizagem obtida pelos utilizadores e a recolha das opini es dos utilizadores Para este prop sito foi criado um question rio utilizando ferramenta de c digo livre e aberto OSS Open Source Software chamada LimeSurvey que permite a cria o edi o e realiz
109. tion Training Devices FSTD Os simuladores de voo encontram se entre os primeiros simuladores da historia A evolu o aeron utica e espacial implicou um constante melhoramento destes dispositivos em termos de tecnologias e meios utilizados inicialmente no in cio do s c XX eram puramente mec nicos mas a partir de 1960 come aram a ser inclu dos computadores nos simuladores para recolha de dados e posteriormente os computadores come aram a ser tamb m utilizados na gera o de ambientes virtuais tornando as simula es mais ver dicas Estes simuladores recriam os procedimentos necess rios ao voo servindo como meio de aprendizagem aos futuros pilotos de aeronaves e como meio de treino continuo para pilotos efectivos Os simuladores simulam situa es com o objectivo de testar conhecimentos capacidades f sicas de reac o do piloto conhecimento da aeronave e conhecimento sobre o comportamento da aeronave em voo Hoje em dia na vertente tecnol gica os simuladores de voo da NASA s o dos mais avan ados do mundo na vertente comercial de simuladores para o utilizador comum o mais reconhecido o Flight Simulator da Microsoft 2 2 1 1 Simuladores de Voo da NASA Hoje em dia os simuladores de voo da NASA s o dos mais avan ados do mundo com grande grau de realismo porque t m sido alvo de um constante melhoramento Este melhoramento ocorre pelo facto de as aeronaves usadas pela NASA terem um custo elevado porque exemplo o Space
110. tions already exist with the intent of teaching physics like the ones from Han and Black 2011 Haptics are valued in simulations because they provide automatic feedback to the user enabling a more realistic response time to a situation as well as a better assimilation of the contents and environments of the simulation This type of simulation can be used either as an education tool or for recreational purposes such as games Farhadi Niaki 2013 Several fields of study require students to perform physical tasks Such tasks can be performed in a virtual environment with haptics technology allowing the user to learn the same skills that would otherwise require superior amount of resources and equipment ELI 2007 Haptic systems provide great possibilities in terms of physics learning by adding another sense to the way we relate to technology Some aspects of learning can now be perceived in a more immediate way when the user actually feels the forces that are in play This allows certain concepts to be better understood in a more interactive way through the affinity between virtual reality and physical reality allowing for a better understanding of physics Haptics physics simulations have a multitude of possible uses for education purposes allowing for concept teaching and specific training A few works in this field already exist for example Williams II 2002 intended to teach high school physics 79 3 Forces of Physics Simulator
111. to new sensations regarding their use with particular learning objectives The simulator developed called Forces of Physics addresses three types of forces of physics friction forces gravitational forces and aerodynamic forces Each type of force has a corresponding simulator module containing an individual simulation in which specific concepts of that force are explained in a stimulating visual environment with a more realistic interaction due to the inclusion of the haptic device Novint Falcon The simulator was presented to multiple users as well as to the scientific community through presentations at conferences The evaluation was conducted using a questionnaire with ten questions five related to learning and five related to usability 14 records have been filled by users The simulator got a good reception from users with several users expressing their views on the current state of the simulator the future of it and of its validity for use in the classroom Keywords Haptics Simulation Physics vi Agradecimentos Agradeco ao meu orientador Professor Doutor Carlos Vaz de Carvalho pela orienta o e aconselhamento no desenvolvimento desta tese Agrade o tamb m aos meus amigos David Gouveia Antonio Andrade Ana Fernandes Bruno Azeredo Pedro Russo lvo Santos e Odair Oliveira pelo apoio prestado durante a realiza o da tese vii viii Indice 1 INTO oen err eren mestre Eai An a a ae Nea e prx E 1 1T ODjectiVOS c
112. tyhub 2010 Skyscanner Smith 2000 Smith et al 2000 Srinivasan 1995 72 Nilsson Dennis Wikimedia http commons wikimedia org wiki File NewtonsLawOfUniversalGravitation svg ltimo acesso 12 Set 2013 Okamura A M Richard C and Cutkosky M Feeling is believing Using a force feedback joystick to teach dynamic systems Journal of Engineering Education 91 3 p 345 349 2002 Park S T Lee H Yuk K C Kim J H and Lee H Virtual Reality Simulations in Physics Education In Proceedings of World Conference on Educational Multimedia Hypermedia and Telecommunications AACE Association for the Advancement of Computing in Education p 964 965 2001 Pcgameshardware http www pcgameshardware com screenshots original 2009 01 Flight Sim 2000 png ltimo acesso 7 Feb 2013 Pennwellnet http images pennwellnet com ogj images off3 0499oslgc1 jpg ltimo acesso 7 Feb 2013 Physorg http cdn physorg com newman gfx news 2009 touchablehol jpg ltimo acesso 22 Jan 2013 Richmond Michael http spiff rit edu classes phys317 lectures multiple funcs tem rofile html Sciencelearn http www sciencelearn org nz var sciencelearn storage images media images flt sc i art 04 wing 20aspect ratio lowtohighratios nc2 529619 1 eng NZ FLT SCI ART 04 Wing aspect ratio LowToHighRatios NC jpg ltimo acesso 5 Mai 2013 Singularityhub http singularityhub com wp content uploads 2010 03 hapti
113. ura 8 pode ver se o uso de um sistema CAVE existente para interac o com o comando sem fios WorldViz PPT Wand Figura 8 Demonstra o da tecnologia CAVE Worldviz 2012 2 1 2 2 Omnidirectional Treadmill ODT Este dispositivo permite um movimento abrangente em todas as direc es e o utilizador consegue mover se de forma natural Isto torna a experi ncia imersiva mais realista ver Figura 9 mas implica maior interac o corporal do utilizador Figura 9 Demonstrac o do US Army Research Lab s ODT HRED ARL 2007 10 2 1 2 3 VirtuSphere Este dispositivo permite ao utilizador mover se num espaco localizado Sempre que o utilizador se movimenta a esfera move se para compensar ver Figura 10 permitindo um n mero infinito de movimentos f sicos do utilizador A componente virtual implica o uso de um conjunto de realidade aumentada como um visor ou capacete capaz de transmitir imagens ao utilizador por exemplo o Oculus Rift ver Figura 11 A VirtuSphere usada com ferramenta de forma o em v rios sectores de risco da vida civil de forma a minimizar o risco na vida real por exemplo Pol cia firmas de seguran a e operadores da ind stria petrol fera Oculus Truly Immersive Virtual Reality Figura 10 VirtuSphere VR Extremetech 2012 Figura 11 Oculus Rift Blogspot 2013 2 1 3 Dispositivos H pticos O ser humano experiencia o seu meio envolvente atrav s dos seus sentidos ver Figura 12 e com o adv
114. ustenta o 7 uma constante sendo A o ngulo de ataque da aeronave em radianos A for a de sustenta o uma for a aerodin mica perpendicular ao fluxo de ar quando esta est em movimento Para o avi o se elevar esta for a tem que ser superior ao peso 1 L C x4x y lt pxV 8 onde L corresponde sustenta o da aeronave sendo C o coeficiente de sustenta o A a rea total das asas do avi o o a densidade do ar V a velocidade do ar em metros por segundo 36 O alongamento da asa depende do planform que o formato morfologia da asa do avido existem v rios tipos de formatos Nasa 2013 A Figura 44 cont m os tipos de asa mais comuns e a Tabela 5 inclui a descric o dos mesmos Figura 44 Formatos de asas da aeronave Grigio 2008 Tabela 5 Identifica o de formatos de asa de aeronaves idenuticader ee de Asa Planform 1 Asa trapezoidal 2 Asa enflechada Asa enflechamento 3 negativo 4 Asa delta 5 Asa de geometria vari vel 6 Asa obl qua Descri o Este tipo de asa possui a forma de um trap zio e caracter stico de avi es que utilizam rotores formato mais comum at a cria o de avi es a jacto Este tipo de o formato mais comum em aeronaves civis e militares e permite n veis de velocidade elevados e maior estabilidade Este formato ainda n o muito comum mas utilizado em aeronaves experimentais como o X 29 da NASA e Su 47
115. zagem tendo 86 dos utilizadores considerado ben fica a introdu o destes meios de ensino na sala de aula ver Figura 68 Sim 12 Nao 2 Figura 68 Resultados da terceira pergunta de usabilidade A pergunta Qual a sua opini o sobre o simulador Forces of Physics pretende perceber como os utilizadores avaliaram de forma geral as suas experi ncias com o simulador bem como as respectivas funcionalidades do mesmo Os utilizadores avaliaram positivamente o simulador tendo 43 dos utilizadores avaliado o simulador como sendo muito bom ver Figura 69 Excelente 2 Muito bom 6 Bom 3 Razo vel 2 Fraco 1 7 14 Figura 69 Resultados da quarta pergunta de usabilidade A ultima pergunta pede aos utilizadores para indicarem sugest es com o objectivo de efectuar altera es rectifica es ou melhorias relativas ao simulador 65 3 4 2 Avalia o da apresenta o do simulador em confer ncias No dia 19 de Setembro de 2013 foi realizada uma demonstra o de uso do simulador na Exp at 2013 The 2nd Experiment International Conference numa das sess es de exibi o da confer ncia ver o artigo em Anexo 1 A recep o geral do simulador foi boa durante sess o de apresenta o a aflu ncia de participantes levou a uma extens o do per odo de tempo para apresenta o do simulador os participantes testaram o simulador e fizeram v rias perguntas relacionadas com as tecnologias utilizadas sobr

Simulador em Realidade Virtual para Aprendizagem da Física

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