Cálculo no ensino médio: uma proposta para o ensino de derivada na primeira série

Este trabalho traz uma proposta de atividades, a serem desenvolvidas em sala de aula, com o objetivo de introduzir o conceito de derivadas para os alunos da primeira série do Ensino Médio. Antes das atividades, estão presentes algumas breves pesquisas. O histórico da presença de tópicos do Cálculo Diferencial e Integral no Ensino Médio no Brasil, assim como a análise de alguns livros didáticos, serve para mostrar como o assunto já foi e está sendo tratado no país. Também são exibidos aspectos sobre o Ensino Médio na Alemanha e nos Estados Unidos, países onde o cálculo está presente na Escola Secundária, embora de formas bastante diferentes. Um capítulo sobre a preparação adequada para as aulas também foi incluído, uma vez que a simples inserção da derivada poderia causar problemas de tempo para o cumprimento do cronograma e não trazer os resultados esperados. São necessários algum grau de adequação dos conteúdos ministrados e de cooperação com professores de Física. As atividades visando o ensino dos conceitos iniciais de derivada são motivadas por um problema físico de movimento. O foco é dado na intuição e na visualização de gráficos, para que haja uma melhor compreensão dos conceitos envolvidos. A utilização de um software de geometria dinâmica é requerida em boa parte do tempo, como importante ferramenta de apoio pedagógico

Mapeamento digital do uso da terra da cobertura vegetal no Parque Estadual da Serra da Tiririca (PESET) a partir de imagens orbitais de alta resolução.

No Brasil, entre as áreas protegidas e regulamentadas por lei estão às denominadas Unidades de Conservação (UC) e são definidas assim por possuírem características ambientais, estéticas, históricas ou culturais relevantes, importantes na manutenção dos ciclos naturais, demandando regimes especiais de preservação, conservação ou exploração racional dos seus recursos. O Parque Estadual da Serra da Tiririca (PESET), criado pela Lei 1.901, de 29 de novembro de 1991 localizado entre os municípios de Niterói e Maricá no Estado do Rio de Janeiro, enquadra-se na categoria de UC de Proteção Integral abrigando uma extensa faixa de Mata Atlântica em seus limites. Para a presente pesquisa foi feita uma classificação de Uso da terra e cobertura vegetal, refinada por pesquisas feitas através do trabalho de campo, que subsidiou a elaboração da proposta de Zoneamento Ambiental para o parque. O processamento digital da imagem foi feito utilizando-se o sistema SPRING desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE). A confecção dos mapas temáticos foi feita com apoio do sistema Arcgis desenvolvido pela ESRI. O Sistema de Informação Geográfica (SIG) foi empregado para as modelagens ambientais. Nessa etapa foram consideradas, de forma integrada, a variabilidade taxonômica, a expressão territorial e as alterações temporais verificáveis em uma base de dados georreferenciada. A tecnologia SIG integra operações convencionais de bases de dados, relativas ao armazenamento, manipulação, análise, consulta e apresentação de dados, com possibilidades de seleção e busca de informações e suporte à análise geoestatística, conjuntamente com a possibilidade de visualização de mapas sofisticados e de análise espacial proporcionada pelos mapas. A opção por esta tecnologia busca potencializar a eficiência operacional e permitir planejamento estratégico e administração de problemas, tanto minimizando os custos operacionais como acelerando processos decisórios. O estudo feito através da modelagem computacional do PESET apresentará o emprego das técnicas amplamente utilizadas no monitoramento ambiental, sendo úteis aos profissionais destinados à gestão e aos tomadores de decisão no âmbito das políticas públicas relacionadas à gestão ambiental de Unidades de Conservação.

Jato transversal de gotas: simulações por ALE/FEM e efeitos interfaciais.

Um código computacional para escoamentos bifásicos incorporando metodologia híbrida entre oMétodo dos Elementos Finitos e a descrição Lagrangeana-Euleriana Arbitrária do movimento é usado para simular a dinâmica de um jato transversal de gotas na zona primária de quebra. Os corpos dispersos são descritos por meio de um método do tipo front-tracking que produz interfaces de espessura zero através de malhas formadas pela união de elementos adjacentes em ambas as fases e de técnicas de refinamento adaptativo. Condições de contorno periódicas são implementadas de modo variacionalmente consistente para todos os campos envolvidos nas simulações apresentadas e uma versão modificada do campo de pressão é adicionada à formulação do tipo um-fluido usada na equação da quantidade de movimento linear. Simulações numéricas diretas em três dimensões são executadas para diferentes configurações de líquidos imiscí veis compatíveis com resultados experimentais encontrados na literatura. Análises da hidrodinâmica do jato transversal de gotas nessas configurações considerando trajetórias, variação de formato de gota, espectro de pequenas perturbações, além de aspectos complementares relativos à qualidade de malha são apresentados e discutidos.

Separação cega de sinais de fala utilizando detectores de voz.

Neste trabalho contemplamos o emprego de detectores de voz como uma etapa de pré- processamento de uma técnica de separação cega de sinais implementada no domínio do tempo, que emprega estatísticas de segunda ordem para a separação de misturas convolutivas e determinadas. Seu algoritmo foi adaptado para realizar a separação tanto em banda cheia quanto em sub-bandas, considerando a presença e a ausência de instantes de silêncio em misturas de sinais de voz. A ideia principal consiste em detectar trechos das misturas que contenham atividade de voz, evitando que o algoritmo de separação seja acionado na ausência de voz, promovendo ganho de desempenho e redução do custo computacional.

Análise de desempenho dos algoritmos Apriori e Fuzzy Apriori na extração de regras de associação aplicados a um Sistema de Detecção de Intrusos.

A extração de regras de associação (ARM - Association Rule Mining) de dados quantitativos tem sido pesquisa de grande interesse na área de mineração de dados. Com o crescente aumento das bases de dados, há um grande investimento na área de pesquisa na criação de algoritmos para melhorar o desempenho relacionado a quantidade de regras, sua relevância e a performance computacional. O algoritmo APRIORI, tradicionalmente usado na extração de regras de associação, foi criado originalmente para trabalhar com atributos categóricos. Geralmente, para usá-lo com atributos contínuos, ou quantitativos, é necessário transformar os atributos contínuos, discretizando-os e, portanto, criando categorias a partir dos intervalos discretos. Os métodos mais tradicionais de discretização produzem intervalos com fronteiras sharp, que podem subestimar ou superestimar elementos próximos dos limites das partições, e portanto levar a uma representação imprecisa de semântica. Uma maneira de tratar este problema é criar partições soft, com limites suavizados. Neste trabalho é utilizada uma partição fuzzy das variáveis contínuas, que baseia-se na teoria dos conjuntos fuzzy e transforma os atributos quantitativos em partições de termos linguísticos. Os algoritmos de mineração de regras de associação fuzzy (FARM - Fuzzy Association Rule Mining) trabalham com este princípio e, neste trabalho, o algoritmo FUZZYAPRIORI, que pertence a esta categoria, é utilizado. As regras extraídas são expressas em termos linguísticos, o que é mais natural e interpretável pelo raciocício humano. Os algoritmos APRIORI tradicional e FUZZYAPRIORI são comparado, através de classificadores associativos, baseados em regras extraídas por estes algoritmos. Estes classificadores foram aplicados em uma base de dados relativa a registros de conexões TCP/IP que destina-se à criação de um Sistema de Detecção de Intrusos.

Modelagem Fuzzy para previsão de uma série temporal de energia elétrica.

Esta dissertação testa e compara dois tipos de modelagem para previsão de uma mesma série temporal. Foi observada uma série temporal de distribuição de energia elétrica e, como estudo de caso, optou-se pela região metropolitana do Estado da Bahia. Foram testadas as combinações de três variáveis exógenas em cada modelo: a quantidade de clientes ligados na rede de distribuição de energia elétrica, a temperatura ambiente e a precipitação de chuvas. O modelo linear de previsão de séries temporais utilizado foi um SARIMAX. A modelagem de inteligência computacional utilizada para a previsão da série temporal foi um sistema de Inferência Fuzzy. Na busca de um melhor desempenho, foram feitos testes de quais variáveis exógenas melhor influenciam no comportamento da energia distribuída em cada modelo. Segundo a avaliação dos testes, o sistema Fuzzy de previsão foi o que obteve o menor erro. Porém dentre os menores erros, os resultados dos testes também indicaram diferentes variáveis exógenas para cada modelo de previsão.

Uma técnica híbrida para geração de rotas em espaço geográfico com obstáculos.

Este trabalho está inserido no campo da Geomática e se concentra, mais especificamente, no estudo de métodos para exploração e seleção de rotas em espaços geográficos sem delimitação prévia de vias trafegáveis. As atividades que poderiam se beneficiar de estudos desse tipo estão inseridas em áreas da engenharia, logística e robótica. Buscou-se, com as pesquisas realizadas nesse trabalho, elaborar um modelo computacional capaz de consultar as informações de um terreno, explorar uma grande quantidade de rotas viáveis e selecionar aquelas rotas que oferecessem as melhores condições de trajetória entre dois pontos de um mapa. Foi construído um sistema a partir do modelo computacional proposto para validar sua eficiência e aplicabilidade em diferentes casos de estudo. Para que esse sistema fosse construído, foram combinados conceitos de sistemas baseados em agentes, lógica nebulosa e planejamento de rotas em robótica. As informações de um terreno foram organizadas, consumidas e apresentadas pelo sistema criado, utilizando mapas digitais. Todas as funcionalidades do sistema foram construídas por meio de software livre. Como resultado, esse trabalho de pesquisa disponibiliza um sistema eficiente para o estudo, o planejamento ou a simulação de rotas sobre mapas digitais, a partir de um módulo de inferência nebuloso aplicado à classificação de rotas e um módulo de exploração de rotas baseado em agentes autônomos. A perspectiva para futuras aplicações utilizando o modelo computacional apresentado nesse trabalho é bastante abrangente. Acredita-se que, a partir dos resultados alcançados, esse sistema possa ajudar a reduzir custos e automatizar equipamentos em diversas atividades humanas.

Sistema de suporte à decisão espacial aplicado à análise da vulnerabilidade dos recursos hídricos na bacia Guapi-Macacu / RJ.

No contexto do planejamento e gestão dos recursos hídricos em bacias hidrográficas, é crescente a demanda por informações consistentes relativas ao estado do ambiente e pressões ambientais de forma integrada, para que possam informar à população e subsidiar atividades do setor público e privado. Essa demanda pode ser satisfeita com a modelagem e integração em um Sistema de Informações Geográficas (SIG), com propriedades e funções de processamento que permitem sua utilização em ambiente integrado. Desta forma, neste trabalho é apresentada uma metodologia para a avaliação muticriterial dos recursos hídricos de bacias hidrográficas, que vai desde a seleção de indicadores e definição dos pesos, até a execução de avaliações e espacialização de resultados. Esta metodologia é composta por duas fases: avaliação da vulnerabilidade dos recursos hídricos de uma bacia hidrográfica a partir do uso de sistemas de suporte à decisão espacial, e, avaliação da qualidade das águas através da adaptação de um Índice de Qualidade das Águas. Foi adotada uma base de conhecimento, sistemas de suporte à decisão, SIG e uma ferramenta computacional que integra estes resultados permitindo a geração de análises com cenários da vulnerabilidade dos recursos hídricos. Em paralelo, a qualidade das águas das sub-bacias hidrográficas foi obtida a partir da adaptação do cálculo do Índice de Qualidade das águas proposto pela Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB) e aplicação do Índice de Toxidez. Os resultados mostraram sub-bacias com seus recursos hídricos mais ou menos vulneráveis, bem como sub-bacias com toxidez acima da legislação. A avaliação integrada entre áreas mais vulneráveis e que apresentam menor qualidade e/ou maior toxidez poderá nortear a tomada de decisão e projetos visando a conservação dos recursos hídricos em bacias hidrográficas.

Implementação de Visualização de Dados Tridimensionais de Malhas Irregulares no Processador Cell Broadband Engine.

A renderização de volume direta tornou-se uma técnica popular para visualização volumétrica de dados extraídos de fontes como simulações científicas, funções analíticas, scanners médicos, entre outras. Algoritmos de renderização de volume, como o raycasting, produzem imagens de alta qualidade. O seu uso, contudo, é limitado devido à alta demanda de processamento computacional e o alto uso de memória. Nesse trabalho, propomos uma nova implementação do algoritmo de raycasting que aproveita a arquitetura altamente paralela do processador Cell Broadband Engine, com seus 9 núcleos heterogêneos, que permitem renderização eficiente em malhas irregulares de dados. O poder computacional do processador Cell BE demanda um modelo de programação diferente. Aplicações precisam ser reescritas para explorar o potencial completo do processador Cell, que requer o uso de multithreading e código vetorizado. Em nossa abordagem, enfrentamos esse problema distribuindo a computação de cada raio incidente nas faces visíveis do volume entre os núcleos do processador, e vetorizando as operações da integral de iluminação em cada um. Os resultados experimentais mostram que podemos obter bons speedups reduzindo o tempo total de renderização de forma significativa.

Gestão Ambiental apoiada por SIG na estrada da Colônia, Ilha Grande (RJ): uma visão do futuro.

Os SIG Sistemas de Informação Geográfica vêm sendo cada vez mais estudados como ferramentas facilitadoras de análises territoriais com o objetivo de subsidiar a gestão ambiental. A Ilha Grande, que pertence ao município de Angra dos Reis, localiza-se na baía de Ilha Grande no sul do estado do Rio de Janeiro e constitui-se no recorte espacial de análise. Apresenta uma dinâmica ambiental complexa que se sobrepõem principalmente aos usos de proteção ambiental e de atividade turística em uma porção do território em que as normatizações legais são difíceis de serem aplicadas, pois são reflexos de interesses que se manifestam em três esferas do poder a municipal, a estadual e a federal. O objetivo principal desta pesquisa é a realização do processamento digital de imagem para auxiliar a gestão territorial da Ilha Grande. Em foco, a estrada Abraão - Dois Rios, que liga Abraão (local de desembarque dos turistas, principal núcleo da Ilha) a Dois Rios (local de visitação por estudantes e pesquisadores, núcleo que abrigava o presídio, atualmente abriga sede do centro de pesquisa e museu da Universidade do Estado do Rio de Janeiro), ambos protegidos por diferentes categorias de unidades de conservação. A metodologia fundamenta-se no processamento digital de imagem através da segmentação e da classificação supervisionada por pixel e por região. O processamento deu-se a partir da segmentação (divisão de uma imagem digital em múltiplas regiões ou objetos, para simplificar e/ou mudar a representação de uma imagem) e dos processos de classificações de imagem, com a utilização de classificação por pixel e classificação por regiões (com a utilização do algoritmo Bhattacharya). As segmentações e classificações foram processadas no sistema computacional SPRING versão 5.1.7 e têm como objetivo auxiliar na análise de uso da Terra e projetar cenários a partir da identificação dos pontos focais de fragilidade encontrados ao longo da estrada Abraão-Dois Rios, propensos a ocorrências de movimentos de massa e que potencializam o efeito de borda da floresta e os impactos ambientais. A metodologia utilizada baseou-se em análise de campo e comparações de tecnologias de classificação de imagens. Essa estrada eixo de ligação entre os dois núcleos tem significativa importância na história da Ilha, nela circulam veículos, pesados e leves, de serviço, pedestres e turistas. Como resultados da presente foram gerados os mapas de classificação por pixel, os mapas de classificação por região, o mapa fuzzy com a intersecção dos mapas de classificação supervisionada por região e os mapas com os locais coletados em campo onde são verificadas ocorrências de movimentos de massa nas imagens ALOS, 2000, IKONOS, 2003 e ortofotografias, 2006. Esses mapas buscam servir de apoio à tomada de decisões por parte dos órgãos locais responsáveis.

Análise dinâmica e estudo de conforto humano das arquibancadas do Estádio Nacional de Brasília.

Ao longo dos anos, inúmeros estádios de futebol no Brasil têm sido projetados para suportar as cargas acidentais (carga de pessoas) como sendo do tipo estática (4kN/m2). Entretanto, ultimamente com base na mudança do comportamento do público, especialmente em jogos de futebol, através da ação de torcidas organizadas e, ainda, com o emprego desses estádios para shows de música, os sistemas estruturais passaram a sofrer um maior impacto pela natureza dinâmica dos carregamentos solicitantes. Assim sendo, alguns destes estádios passaram a apresentar problemas de vibrações excessivas e tornou-se necessária a consideração efetiva das cargas dinâmicas nos projetos estruturais. Deste modo, este trabalho de pesquisa objetiva o estudo do comportamento dinâmico e avaliação do desempenho do sistema estrutural das arquibancadas do Estádio Nacional de Brasília, no que diz respeito ao conforto humano. Cabe ressaltar que o referido estádio foi projetado e construído para ser utilizado na Copa do Mundo de 2014, realizada no Brasil. Os resultados alcançados ao longo do desenvolvimento deste estudo são confrontados com aqueles fornecidos por normas e recomendações internacionais de projeto. Os resultados revelam a importância da análise dinâmica para o projeto de estádios de futebol, no que tange a obtenção de dados relevantes para o conforto humano e, bem como, segurança dos usuários desse tipo de estrutura.

Estudo paramétrico para um muro de gravidade submetido a carregamentos sísmicos.

A presente dissertação apresenta um estudo do comportamento de um muro de gravidade flexível submetido a carregamentos sísmicos. A influência do carregamento sísmico, e mais precisamente da variação da aceleração horizontal de pico é avaliada num estudo paramétrico, através da análise dos resultados obtidos para os deslocamentos e acelerações horizontais que ocorreram no paramento do muro de gravidade. Optou-se pela análise ao longo do tempo, introduzindo o carregamento sísmico ao modelo numérico do qual fazia parte o muro de gravidade através de 5 históricos temporais de acelerogramas horizontais normalizados em 0,05g, 0,10g, 0,15g, 0,20g e 0,25g. O evento sísmico de origem dos acelerogramas normalizados foi o terremoto ocorrido no Chile em 27 de fevereiro de 2010 e medido na estação em San Jose de Maipo, a 332,7km do epicentro do terremoto. Utiliza-se um software computacional aplicado à Geotecnia, o Plaxis, para a calibração de um modelo numérico em situação estática e posterior desenvolvimento das análises paramétricas em condições sísmicas. As análises realizadas para avaliação do comportamento do muro de gravidade em condição sísmica foram a verificação da influência da variação do acelerograma horizontal normalizada introduzido na base do modelo nos valores das acelerações e deslocamentos horizontais atuantes no muro e a verificação da influência do carregamento sísmico em comparação com a situação estática, comparando-se os valores dos deslocamentos horizontais obtidos na análise estática e nas análises dinâmicas. Os fatores que influenciam potencialmente nos resultados numéricos em condições sísmicas foram apresentados, destacando-se os aspectos relacionados à modelagem numérica em condição de sismo. Os modelos constitutivos oferecidos, a possibilidade de incorporação do carregamento sísmico na base do modelo e a possibilidade de consideração do amortecimento visco-elástico de Rayleigh nos materiais são as principais qualidades do Plaxis, utilizado na modelagem numérica. Avaliou-se positivamente a potencialidade do Plaxis, visto que o programa mostrou-se uma ferramenta capaz de simular o comportamento de muros de gravidade sujeitos a carregamentos sísmicos.

Evolução Quaternária da Baixada de Jacarepaguá a partir de perfis GPR

O trabalho presente tem como enfoque o estudo da evolução quaternária da Baixada de Jacarepaguá situada no estado do Rio de Janeiro através do uso do método GPR (Ground Penetrating Radar). Os numerosos estudos feitos na Baixada de Jacarepaguá, baseados nas curvas de variação do nível do mar em diferentes setores da costa Brasileira (MARTIN et al. 1985) e datações ao radiocarbono contribuíram na elaboração de um modelo evolutivo no Pleistoceno e no Holoceno. Esse modelo mostra em primeiro lugar episódios transgressivos em 7000-5100 anos BP, 3900-3600 anos BP e 2700-2500 anos BP e episódios regressivos a 5100-3900 anos BP, 3600-2700 anos BP e depois de 2500 anos BP. Esses episódios de variações do nível relativo do mar tiveram por consequência a constante evolução da Baixada de Jacarepaguá do estado de ilha-barreira com uma e depois duas barreiras (interna e externa), fruto da inundação da planície por invasão marinha em episódios transgressivos, a um estado de planície costeira emersa em episódios regressivos com barreira progradante direção ao mar e processos erosivos associados. Esse modelo evolutivo não inclui dados processados obtidos com o GPR, método que permite por impulsos eletromagnéticos de alta freqüência gerar um perfil de refletores baseado nas descontinuidades elétricas na subsuperficie. Os perfis levantados e processados nesse trabalho permitiram confirmar esse modelo evolutivo, mostrando uma sucessão de migração do perfil de praia e geometria sedimentar associada em resposta as numerosas variações eustática local.

Métodos sem malha: aplicações do Método de Galerkin sem elementos e do Método de Interpolação de Ponto em casos estruturais.

Apesar de serem intensamente estudados em muitos países que caminham na vanguarda do conhecimento, os métodos sem malha ainda são pouco explorados pelas universidades brasileiras. De modo a gerar uma maior difusão ou, para a maioria, fazer sua introdução, esta dissertação objetiva efetuar o entendimento dos métodos sem malha baseando-se em aplicações atinentes à mecânica dos sólidos. Para tanto, são apresentados os conceitos primários dos métodos sem malha e o seu desenvolvimento histórico desde sua origem no método smooth particle hydrodynamic até o método da partição da unidade, sua forma mais abrangente. Dentro deste contexto, foi investigada detalhadamente a forma mais tradicional dos métodos sem malha: o método de Galerkin sem elementos, e também um método diferenciado: o método de interpolação de ponto. Assim, por meio de aplicações em análises de barras e chapas em estado plano de tensão, são apresentadas as características, virtudes e deficiências desses métodos em comparação aos métodos tradicionais, como o método dos elementos finitos. É realizado ainda um estudo em uma importante área de aplicação dos métodos sem malha, a mecânica da fratura, buscando compreender como é efetuada a representação computacional da trinca, com especialidade, por meio dos critérios de visibilidade e de difração. Utilizando-se esses critérios e os conceitos da mecânica da fratura, é calculado o fator de intensidade de tensão através do conceito da integral J.

Análise de critérios de dimensionamento de carga em dutos de concreto instalados em vala na situação de recobrimento mínimo.

Perante diversas situações da engenharia são utilizadas formulações empíricas de dimensionamento baseadas em dados de campo e experiência profissional que definem muito o caráter subjetivo da metodologia padrão de projeto. O presente trabalho de pesquisa aborda os diversos métodos de obtenção dos esforços gerados em dutos enterrados submetidos a cargas dinâmicas e estáticas e sua posterior reavaliação através de modelagem numérica com o programa Plaxis 3D. Os métodos analíticos não convencionais foram comparados com o método padrão de cálculo sendo que o mesmo demonstrou ter uma boa precisão mesmo sem considerar outros fatores importantes como a parcela de resistência devida à coesão do solo e sua deformabilidade. A modelagem numérica demonstrou o conservadorismo do método de Marston e o subdmensionamento do espraiamento em prisma devido aos efeitos locais ocasionados pela adoção do recobrimento mínimo e sobrecarga dinâmica elevada. Também se observou, através da modelagem 3D, que a utilização dos dois métodos clássicos favorecem a obtenção de resultados dentro da razoabilidade.Verificou-se também, como resultado desta pesquisa, que a proposta de um método clássico modificado permite uma melhor aproximação da carga que atinge o duto.