STEAM e Maker - Novas tendências educacionais

Metodologias ativas de ensino são mais produtivas e fornecem um melhor resultado no aprendizado, utilizando o método de aprendizado PBL (Problem Based Learning) instiga os alunos na busca pelo conhecimento e com isso amplia os leques para a formação do estudante.

O PBL, que em português refere-se ao aprendizado baseado em Problemas, é um método de aprendizado centrado no aluno, tem o problema com elemento motivador do estudo e integrador do conhecimento e desta forma o aluno deixa de ser um mero espectador em sua formação e torna-se um agente ativo.

Desta maneira as metodologias ativas baseadas no PBL tem ganho o mercado da educação em todo mundo e nada melhor do que atividades práticas, onde o estudante coloca a mão na massa para desenvolver novas habilidades baseadas no método PBL. Com isso surgem os movimentos STEM (Ciência, tecnologia, engenharia e matemática) e Maker, que tem como propósito o aprendizado a partir da prática com soluções de problemas.

Nestes movimentos STEAM e Maker o aluno recebe uma problematização inicial, com uma questão motivadora, que tende a motiva-los a participar dos projetos, onde nos quais a busca pelo produto final e a solução do problema faz com que o aprendizado torne-se centrado no aluno, ou seja, agora o aluno é parte ativa em seu próprio aprendizado.

https://steam-brasil-kcc.webnode.com/

Sistemas de LASER CPA: Oscilador e Stretcher

Sistema de laser do tipo CPA (Chirped Pulse Amplification) é uma técnica para a amplificação de um pulso de laser ultracurto até ao nível petawatts com o pulso de laser sendo esticado temporalmente e espectralmente antes da amplificação. O objetivo dessa técnica é principalmente alcançar altas potências sem afetar os dispositivos opticos do sistema.

  A técnica consiste inicialmente em um oscilador, que nada mais é do que um feixe LASER inicial (SEED) criado no oscilador, aqui irei discutir a situação para um LASER de Titanio:Safira (Ti:Al₂O₃) , em modo travado, de forma a selecionar uma região mais larga do espectro de emissão que no modo continuo. Esse feixe de LASER que é fornecido pelo oscilador segue em direção ao stretcher que tem a função de esticar temporalmente e espectralmente o feixe para apos poder ser amplificado sem fornecer riscos para os dispositivos ópticos  do sistema.

 O oscilador funciona como um pequeno sistema de laser, onde o mesmo possui uma cavidade óptica que é bombeada, em geral por um laser de Neodimio-Yag (Nd:YAG) (532nm), isso pois para haver emissão LASER num cristal de titanio:safira é necessário que o laser de bombeio apresente um certo conjunto de frequências características de acordo com a equação [1], para que então haja o efeito LASER, onde para o caso de um laser com cristal de titanio:safira é bem servido pelo segundo harmonico de um laser de Neodimio-Yag.

Pode-se verificar a diferença da largura espectral do laser de saída de um oscilador em modo contínuo e em modo travado utilizando-se uma fibra optica conectada a um espectometro, abaixo segue o espectro de um oscilador de um LASER titanio:safira para o modo travado:

 Após o envio do feixe de LASER do oscilador para o  stretcher o mesmo apresenta seu espectro alargado para então ser enviado para amplificação, que em geral é uma amplificação inicial por meio de uma cavidade rgenerativa.

   O Stretcher pode ser composto por um diedro, uma rede de difração, um espelho concavo e um espelho convexo, como mostrado no esquema abaixo:

Na figura acima o feixe fara apenas uma passagem pelo stretcher, no entanto, se houver interesse por uma segunda passagem pode ser adicionado um pequeno prisma na saída do feixe.

  Quando o feixe passa pelo stretcher o mesmo apresenta um chirp devido a rede de difração. Esse chirp pode ser corrigido ajustando os parametros da rede de difração, e posição dos espelhos esféricos. No final o perfil do feixe de laser obtido na saida do stretcher se assemelha ao da figura abaixo.

Após o feixe ser alargado o mesmo, num sistema CPA, é enviado para amplificação numa cavidade regenerativa, que sera o topico da nossa proxima discussão. Há também a possiblidade de inserção de um dazzler após o stretcher com objetivo de selecionar a gama de espectro que será enviada para a amplificação via cavidade regenerativa (regen), além de outros pormenores que serão discutidos mais a frente.    

KCC

LASER a brief introduction

http://www.dmphotonics.com/

LASER means a technique of “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,” was invented in 1960. In fact consist on active medium, that when stimulated by some specific energy source (photon energy) emits LASER light, which consists on the first photon plus the emitted photon, as showed on figure 1.

[http://u20science.org/akshivb/2013/04/17/laser/ - 17/04/2013]

LASERs are a coherent, monochromatic and directionality light source. The coherence is a property that indicates the ability of the waves to interfere with each other. Two waves that are coherent can be combined to produce an unmoving distribution of constructive and destructive interference (a visible interference pattern) depending on the relative phase of the waves at their meeting point. Waves that are incoherent, when combined, produce rapidly moving areas of constructive and destructive interference and therefore do not produce a visible interference pattern [1 - http://www.worldoflasers.com/laserproperties.htm].

 LASERs are said as monochromatic light source because they generate light on a very narrow band spectrum of wavelength, and in this case the peak of intensity is on one specific wavelength that makes them as a monochromatic light source.

Directionality is related with the multiple reflections inside of optical cavity that also produce a well-collimated beam, because only photons traveling parallel to the cavity walls will be reflected from both mirrors. If the light is the slightest bit off axis, it will be lost from the beam [1].

Active medium to LASER can be gas, liquid or solid. This medium is localized on the cavity center and is placed on the first stage of the laser system the oscillator, this is the place where the active medium receives energy to make a population inversion and is knew as a amplification medium. When the active medium has a good population inversion it emits a LASER light, which the wavelength depends of medium properties and of wavelength seed (utilized as an energy source to make a population inversion on active medium).

Here I will show as work a LASER oscillator to a state solid LASER, which means that we have as active medium a crystal. In fact LASER cavity consist on a crystal on the center of cavity, a set of mirrors and an energy source, as show the figure 2.

As we can see on figure 2, oscillator has a set of two mirrors, where one mirror has high reflection, and the other has a partial transmit, which means that some part of the amplified light can be emitted by the oscillator when it gets a specific energy, and before get this energy the beam is trapped on the cavity and will be how many tours inside of oscillator as necessary to get the energy to could be emitted. This specific energy is correlated with the longitudinal mode of the cavity.

To a cavity with l length some a specific set of frequencies could satisfy boundary conditions on mirrors, on the other hand, it means that just some frequencies we will have a constructive interference each time that a beam did a complete turn inside of the cavity.  These specific frequencies are cavity longitudinal modes:

C is light velocity, n_eff is effective refractive index inside of the cavity and l is cavity length.

Furthermore longitudinal modes, the frequencies that will be emitted by optical cavity need to be inside of the gain curve that has, in general, a big bandwidth. By the equation [1] is possible to find the frequencies permitted spacing:        

It is possible to estimate longitudinal modes number N of a LASER by the relationship between the gain curve bandwidth and frequencies permitted spacing:      

In this way the frequencies that will be emitted need satisfy the gain curve and the equation [1]. On the next post about lasers I will explain more about lasers system.

Kelly Cristine Camargo, PhD

"The Tempest" - Review

   First I would like explain, that this is a science blogger, and it is important remember that art is science too, because make science is related with creation, research, and hard study, all this parameters are input on art, because art is important as science!

   This review is divided in two parts: the first I did explanation just about “The Tempest”, that I watched twice, because I would like to see in two different perspectives this play. In the second part I did my explanation a little bit about actor’s performance, the public expectation, and I put here, on final commentaries, my personal observation about before and after the presentation.

1. "The Tempest” by Shakespeare on The Globe, May 12^th,2013:

   This Shakespeare’s work is very interesting and could be explored by a different ways, I saw the same play on two different views on The Globe, and I read this work a lot of times (in Portuguese, English, French and Spanish version), I can say that is a magnificent work, and of course I prefer the English version, I’ll not put here the specific editors.

   The Tempest on The Globe theatre was a very good experience, because the place helpful to insert the public on the “Shakespeare’s world”, of course The Globe was made to give us this feeling. 

   Well, in terms of where is the better place on The Globe to watch “The Tempest”, I just can say that the yard, if you could arrive early to take a good place, is the best place to see the play. On the middle gallery is good too, because you could sit and see more details that sometimes you could not to see on the yard, due to some heads in front of your, but on the yard, you have more interaction with the play, the feeling is as you do part of the play and not just more one viewer on the theatre.

   I could see on the booth places, yard and middle gallery, and I prefer on yard. About the scenario I can say that is a very good theatre “montage”, because you can see all acts with the same scenario, but you can “see” the idea to each part of the play, it is as I hope to a Shakespeare’s work, and I am very satisfy with this, simple but all the objects are on perfectly “harmony” with all scenes and acts on the play.

Sonorous effects and music receive my special congratulations, because they work very well, with a good time, and there is no way to be inserted on the “fantasy” if you have not a good sonorous effects team!  

   Characterization and make-up were as I hoped, it was looks like an Shakespeare’s work, however I need to say that Caliban costume was perfectly, more than I had imagined, unfortunately with Ariel costume was not as wonderful as Caliban, maybe I hoped something with more powerful expression, because Ariel is a powerful spirit, but well, it is possible see he like angel, but I am not sure if this is the idea in this play. Other personages have a normal costume, as expected. I just put one special commentary about Ariel costume, they change a little bit his costume during the play, because it is on the script, I think that they were creative with the changing, but the mainly costume on my opinion could be better. 

   The Tempest presentation was fantastic on the conjoint, had special effects, I recommend to all, but I think that you need booking early, because I did mine very early and the best places already was sold. I felt the Shakespeare’s work, they inserted a funny tags in the presentation, it really the great theatre’s work, well done, well prepared, but I have some reservation with some actor’s performance in this day, maybe I am very exigent, but I believe that if you will do a Shakespeare’s work you must to be inserted on the work’s idea, and I see that this important skill is missed to some actors.

    2.   Actor’s performance on “The Tempest”, May 12^th, 2013:

   I had been a lot of Shakespeare’s works on my life, I did when I was young, and I know that it is not so easier, I believe that all actors could be get the “Shakespeare’s spirit" , but as we can see in a lot of kind of professions, some people does not work more by work’s love but just to money’s love. It is the same on art’s profession, people begin this area because have love by this, but with the time, they forget the love, the passion and thinks just in to be famous and get money, it is sad, but it is true! I saw this on the presentation, I saw on actor’s performance, which some has a great performance, but some had a “mechanical” performance.

   My idea in this review is not criticize the person, but just put my opinion by actor’s performance on The Tempest, and I will put here a commentary about the public expectation in general (this is write with observations on The Globe before, during and after the presentation, and based on internet reviews and commentaries about the actor’s performance) on the final commentaries.   

   I’ll start with Prospero, casting by Roger Allam: as expected, he had a very good performance, he is brilliant! Sometimes, when he was on scene I forgot that I was on a theatre, I felt as I was on the history, but he is a “Shakespeare’s actor” and it is a minimum that the public hoped on his performance. 

   Miranda and Ferdinand was good, but I think that could be better, I already saw better performance with this two personages, I feel on the first presentation that both was mechanical, looks like there are no public, there are no real performance, just a mirror in front of they and they are practice the script, but on the second presentation, I feel that they are more inside on the presentation, I believe that more people feel the same, some scenes was very nice, but some was very mechanically, sometimes when they did a scene I sleeping with open eyes.

   Alonso, and the others, had a good performance, they “interact” with the public, a little bit, but they improve the presentation with their scenes, and it was great performance.

   My favorite actor’s performance was the big surprise to me, Caliban, casting by James Garnon, was fantastic, and I could see that the public felt the same, he made his personage take the mainly position. I need to say that if I did not know very well The Tempest, I will thought that Caliban was the mainly personage on this presentation, in fact he did part on the mainly group, but when he was on scene it looks like “The Caliban” play!  He was a really theatre's actor, he interact with the public, he used the personage, not just reproduced the script, but he really works with the personage, was fantastic.

   Ariel’s performance was good, he had very great moments, but I believe that Colin Morgan maybe is not a theatre’s actor, because he was mechanical sometimes. I do not understand why, but a lot of times that he made his scene I felt as I was watching a beginner theatre actor, and we know that is not true, because Colin Morgan is young, but is a very good actor. Perhaps, I hoped so much, because I am a Merlin's fan, and there he was fantastic! I am sorry by this, but in general his performance on The Tempest was, for me, in the most part mechanical.

Final commentaries:

   I arrived very early on The Globe, to feel the place, to see how works the public information before start the play, and well, the public information was a little bit confused, because the person say to me enter in one door, and it was not the correct way, but could be just one mistake. People in general were anxious with the play, but I did not to see a lot of people interested on special actors, in fact my daughter, 8 years, has special interest on Colin Morgan, to her he was like a “heroes”, but she is a child, people in general know who is Colin Morgan, but I felt that the special actors there were Roger Allam and James Garnon followed by Colin Morgan. After the play I saw just two girls waiting by Colin Morgan, because this, my daughter did me wait too, but wow, I will be true here, before I hoped that Colin Morgan was a great person, and he is as expected! I just hoped that he interact with his fans, but, I did not understand, he hides his face all time, as if there were many people waiting for him and he did not want to be recognized, but in fact I was there a long time and I saw just two person.

   I believe that Colin Morgan is an inexperienced star yet, maybe because he hide his face and he has fear of his fans. He does not need fear, his fans that make him a famous person, and in the showbiz world how more fans you have, more works and more famous you will be.   And just to finish this discussion, if you love the Merlin’s series, believe me this series was success because have a very good team, not just Colin Morgan, he won the prize of best actor, but he does not work alone, and The Tempest is a very different work, with a different cast, and you will not to see in The Tempest the same Colin’s performance that we saw on Merlin's Series.

   I was very sad with some people on The Globe that no respect the rules, I saw people take pictures during the play, and recording too! The public must to understand, that this comportment is not acceptable on theatre, actors need a good ambient to work, and The Globe said that they will do a movie from this play, wait to the official movie, wait to the official pictures, if is forbidden it is important to respect!

   I would like to acknowledge the cast and say that to do two performance on the same day is not easier, and they are very great.

The cast and people that work to make this play possible have my congratulations by this wonderful work.

   “The Tempest” is a fantastic play, if you enjoy Shakespeare’s work I say that on The Globe you will find a great plays, now I will wait the next play, I am thinking to buy tickets to “Midnight Summer Dreams” and I hope that I could see there “Hamlet” as soon. But if you do not like Shakespeare’s work, The Globe is a good place to start this wonderful experience.

I would like apologize me by my poor english, I am not a very good english speaker, but I did this review in English to make accessible to all people languages, later I will put this in portuguese and maybe in french or spanish too.

Kelly Cristine Camargo, Ph.D

Revestimentos Antirrefletores: A camada de "ar" que proteje...

   Revestimentos antirrefletores são capazes de inibir os efeitos de reflexão da luz na superfície do material e dessa forma maximizam a transmitância de luz. A pergunta seria onde eles são necessários?  De fato, imagine agora um parabrisa de automóvel onde quando bate luz você não vê reflexos de imagens na superfície  lentes de óculos onde ocorrem os mesmos efeitos, esses são exemplos cotidianos e gerais, mas em termos de pesquisa cientifica os mesmos são aplicados em diversos campos, como na Astronomia para melhorar a qualidade do sinal recebido, e em dispositivos ópticos em geral. Na imagem abaixo é possível observar a diferença de um vidro sem um revestimento antirrefletor e outro com esse revestimento.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Antireflection_coating_split_pic.jpg

   Em geral a luz pode sofrer absorção, espalhamento, reflexão e transmissão quando incinde em uma superfície  os três primeiros itens causam perdas de sinal (se o objetivo é receber o sinal em um determinado detector). Uma alta transmitância de luz muitas vezes pode ser desejada, e nesses momentos buscamos produzir recobrimentos nas superfícies capazes de diminuir as perdas causadas por reflexão e espalhamento, pois fenômenos de absorção estão ligados a estrutura química da superfície, dessa forma podemos equacionar a transmitância de luz em um meio como:

   Onde R refere-se a reflexão, IA a intensidade de luz absorvida e IE a intensidade de luz espalhada. 

  Os fenômenos de espalhamento, em geral, são causados quando temos um material que possui estruturas da ordem do comprimento de onda que esta sendo incidido, logo para minimizarmos este tipo de fenômeno devemos sempre tomar cuidado com as ordens de grandezas das estruturas que são depositadas no material, por exemplo, para uma luz na região do visível, partículas ou aglomerados de ordem de tamanho em torno de 0.4μm, começam a amplificar os fenômenos de espalhamento, no entanto essa mesma ordem de grandeza ainda não causa espalhamento na região do infravermelho. Assim quanto maior o comprimento de onda, menores fosfenos de espalhamentos obtemos. Um fenômeno de espalhamento de luz bem conhecido é a formação do arco-iris:

http://www.blogdothame.blog.br/v1/2012/10/18/arco-iris-de-uma-cor-so/

   Os fenômenos de reflexão estão relacionados com o índice de refração do material e seu contraste com o índice do meio (geralmente o ar), logo para minimizar esse tipo de fenômeno deve-se trabalhar com revestimentos ou estruturação capazes de alterar este "contraste" entre índice de refração do meio, geralmente ar, e o da superfície.

   Um dos métodos muito utilizados para diminuir fenômenos de reflexão na superfície de um material é conhecido como revestimentos interferométricos, nesta técnica utiliza-se uma ou mais camadas de filmes com diferentes índices de refração e espessura física controlada, como mostra a figura abaixo:

http://physics.stackexchange.com/questions/12208/how-come-an-anti-reflective-coating-makes-glass-more-transparent

   Em revestimentos interferométricos o que conta são as relações entre os índices de refração dos filmes, meio e substrato, de modo que se estivermos considerando o meio como o ar, o substrato revestido por dois filmes finos com índices n1 e n2 respectivamente, para obtermos uma boa antirreflexão deve-se obedecer a relação:

   No entanto, para obtenção de um revestimento antirrefletor a espessura dos filmes também deve ser controlada, ou seja, a mesma deve ser igual a 1/4 do comprimento de onda do filme (que é equivalente a razão do comprimento de onda do feixe de luz incidente pelo índice de refração do filme), assim:

   Assim a espessura física é escrita em função da espessura óptica, e, ou do comprimento de onda do feixe incidente, por:

   Na equação acima, d refere-se a espessura física do filme a ser depositado, ε a espessura óptica e n ao índice de refração do material, assim λ é o comprimento de onda incidente, e logo conclui-se que a espessura do filme a ser depositado é equivalente a 1/4 do comprimento de onda do material. 

  Outro método para obtenção de revestimentos antirrefletores que fornecem ao material uma antirreflexão numa maior escala de incidência angular é por meio de revestimentos de índice gradual, muio mais difícil de se obter do que no caso de filmes interferométricos  no entanto são também muito melhores, abaixo mostramos uma figura do que seria um revestimento de índice gradual sobre um substrato qualquer.

http://www.amolf.nl/nanophotovoltaics, setembro de 2010.

   Nesses casos o que ocorre é uma variação suave e gradual do índice de refração do meio, geralmente ar, e do substrato de modo que o feixe de luz ao penetrar no revestimento "sente" o índice aumentando passo a passo, o que faz com que gere interferências destrutivas para os feixes refletidos e desta forma uma maior intensidade de luz para os feixes transmitidos.

   Assim, é possível observar que ainda é um desafio para a pesquisa em óptica a aquisição de alta transmitância óptica, pois aqui descrevemos apenas um dos parâmetros que causam efeitos de perda de transmitância  para estudos nos casos de absorção e espalhamento levaríamos mais um post inteiro, no entanto é possível chegar com substratos de vidros a uma alta transmitância óptica, então como novo desafio e para uma nova postagem, serão apresentados resultados da obtenção de alta transmitância óptica em substratos de vidros simultaneamente com propriedades autolimpantes, isso mesmo, imagine um vidro transparente "como ar" e autolimpante, não precisaríamos mais de limpadores de parabrisas, os óculos sempre limpos e com boa visibilidade, sem contar no grande avanço que teríamos para a industria de sensores e células solares.

 Referências:

[1] Camargo, K.C., Tese de doutoramento: Filmes Superhidrofobicos e Antirrefletores em Largo Espectro, maio, 2012

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Antireflection_coating_split_pic.jpg , Novembro 2012

[3] http://www.blogdothame.blog.br/v1/2012/10/18/arco-iris-de-uma-cor-so/ , Novembro 2012

[4]http://physics.stackexchange.com/questions/12208/how-come-an-anti-reflective-coating-makes-glass-more-transparent , Novembro 2012

A mágica de Superfícies Autolimpantes

   As superfícies superhidrofóbicas são altamente desejáveis para muitas aplicações atuais. A hidrofobicidade de uma superfície é melhorada a partir de uma modificação química que reduz a energia livre de superfície e também pelo aumento da rugosidade da superfície. A superhidrofobicidade estática é alcançada quando o ângulo de contato, de uma gota de água com a superfície, torna-se maior que 150º e, dinamicamente, quando um ângulo de inclinação pequeno é necessário fazer a gota rolar sobre a superfície (baixa histerese angular). A superhidrofobicidade dinâmica é possibilitada por uma combinação micro e nanoestrutural na superfície. 

   A medida do ângulo de contato de uma gota de água com uma superfície pode ser feita tirando uma foto da gota sobre a superfície e utilizando um programa que baseado na imagem da gota calcula esse ângulo, como pode ser visto na figura abaixo:

Imagem de um filme superhidrobóbico que recobre a superfície de uma lâmina de vidro com uma gota de água sobre o mesmo, tirada por Kelly Cristine Camargo.

   Como foi descrito acima, além de um alto valor de ângulo de contato, para que uma superfície seja considerada autolimpante a mesma deve apresentar uma baixa histerese angular, ou seja, com uma pequena inclinação da superfície a gota de água rola para fora da superfície e quando isso ocorre a gota carrega com ela toda a sujeira da superfície, como pode ser visto nos filmes abaixo:

   O vídeo acima foi feito no Laboratório de Laser&Óptica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e pertence ao trabalho de doutorado de Kelly Cristine Camargo. É interessante verificar que além de ser um filme autolimpante ele é transparente, podendo dessa forma, ser aplicado em janelas e vidros que necessitem de transparência. 

  A idéia principal desse post curto é mostrar como os avanços de pesquisa dentro de um laboratório podem  fazer parte de nossa vida diária mais rápido do que imaginamos. Assim, no Brasil graças as instituições fomentadas pelo governo federal ainda é possível realizar pesquisa básica, e muito em breve nossas janelas e parabrisas de carro serão autolimpantes.

Cinzas vulcânicas: O perigo para aviação

Estamos vivenciando no Brasil um problema um tanto quanto interessante, apesar de não possuirmos vulcões em atividade em nosso país os vôos que destinam-se a região Sul do país (Rio Grande do Sul e Santa Catarina) e os vôos que partem do Brasil para os países da Argentina e Uruguai estão sendo alternadamente cancelados a medida que o vulcão Puyehue situado no Chile, figura 1 e 2, expele a “cortina de fumaça”, figura 2, que consiste nas tão perigosas cinzas vulcânicas que pairam na atmosfera e afetam a malha aérea.

Mas onde está o perigo??

O fato é que esse material expelido pelo vulcão pode, de acordo com especialistas da Open Univertity, entrar nas turbinas dos aviões se acumulando de forma a entupir o motor com as cinzas vulcânicas, o que acarretaria numa pane na aeronave.

Já houveram incidentes relacionados a cinzas vulcânicas no passado, por exemplo, em 1982, uma aeronave da British Airways com 263 passageiros a bordo teve suas turbinas travadas durante vários minutos ao entrar numa nuvem de cinzas vulcânicas, mas para sorte dos tripulantes da aeronave ao sair da nuvem o material condensou e soltou-se da aeronave, que para felicidade de todos voltou a ter seus motores em pleno funcionamento.