Física
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Resultados da Pesquisa
Item Uma proposta de intervenção na compreensão dos fundamentos de mecânica usando métodos ativos(Universidade Federal de Viçosa, 2025-09-10) Vieira, Iara Francisca; Neves, Álvaro José Magalhães; http://lattes.cnpq.br/2724063201495645A pesquisa sistemática sobre o ensino de mecânica newtoniana em nível introdutório foi iniciada na década de 1970 e trouxe resultados que abalaram profundamente a crença na efetividade nas abordagens pedagógicas vigentes, em todos os campos do conhecimento. Esses estudos mostraram que o estudante traz consigo ideias próprias sobre o movimento (“concepções alternativas”), derivadas da sua vivência cotidiana, incompatíveis com a mecânica newtoniana e extremamente resistentes à mudança por meio do método de ensino tradicional. Esse desafio estimulou a criação de novas metodologias e instrumentos de ensino. Dois frutos notáveis desse esforço de pesquisa são vários métodos ativos de ensino e testes diagnósticos, sendo o mais célebre o “Force Concept Inventory” (FCI, “Inventário do Conceito de Força”). Neste trabalho, administramos o FCI a 1.361 estudantes das três séries do Ensino Médio, ao longo de três anos, com o propósito de identificar os conceitos mais desafiadores para um aprendiz. Esses pontos críticos foram examinados à luz da literatura científica e foram elaboradas três sequências didáticas com o propósito de auxiliar o estudante a superar essas dificuldades es-pecíficas: as concepções alternativas segundo as quais 1) a velocidade de um corpo é proporcional à força resultante que atua sobre ele; 2) um agente que exerce força sobre um corpo, transmite a ele algo como “um combustível” (o “impetus” das teorias medievais) que sustenta o seu movimento e 3) a confusão entre posição e velocidade, assim como entre velocidade e aceleração. O material desenvolvido endereça também o letramento científico do estudante. Ele foi desenvolvido a partir de elementos comprovadamente efetivos de métodos ativos de ensino e de princípios bem estabelecidos da psicologia cognitiva. As sequências didáticas foram aplicadas a duas turmas do primeiro ano do Ensino Médio e avaliadas por meio dos relatos de observadores, pelas respostas dos estudantes a questões sobre mecânica e com base nas suas impressões sobre as atividades desenvolvidas. Não foram utilizados pré e pós-testes. Palavras-chave: ensino de física; mecânica newtoniana; fundamentos; evidênciaItem Sobre o desenvolvimento de laboratórios de física, virtuais e remotos, integrados a um ambiente hipermídia(Universidade Federal de Viçosa, 2025-06-27) Oliveira, Matheus Lobato de Castro; Carvalho, Alexandre Tadeu Gomes de; http://lattes.cnpq.br/7040393528129481Considerando aspectos das experiências de ensino em meio à pandemia, que revelaram novas possibilidades para o ensino tanto presencial quanto remoto ou híbrido, nos propomos a investigar a construção de laboratórios remotos com experimentos de Física que pudessem ser acessados e operados à distância pelos alunos através web, usando um site, com adequada interface gráfica de usuário, ou de um celular. Investigamos etapas da construção do hardware e do software que permitissem o controle e manipulação de sistemas reais de experimentação, via internet, fazendo uso do conceito de internet das coisas (Internet of Things - IoT). Utilizamos um sistema de computação de pequena escala, que permite a programação de sua firmware (software que controla o sistema elétrico) por meio de uma IDE (Ambiente Integrado de Desenvolvimento), o Arduino, como elemento principal do hardware, atuando como controlador do arranjo experimental e como o servidor web. O gerenciamento de conexão de dispositivos via WiFi foi implementado utilizando-se da plataforma Blynk IoT. Trata-se de uma plataforma personalizável, que permite controlar remotamente hardwares programáveis, reportar dados de sensores e módulos, além de muitas outras funcionalidades. A investigação foi fundamentada na Teoria de Aprendizagem Multimídia de Richard E. Mayer, sem perder de vista as consolidadas teorias de aprendizagem e de psicologia cognitiva. A teoria de Mayer se apoia em três princípios fundamentais, Princípio de Duplo Canal, Princípio de Limitação da Capacidade Cognitiva e Princípio do Processamento Ativo, que dão origem a quinze princípios do design instrucional multimídia. Estes princípios nortearam aspectos construtivos do aparato eletrônico de controle e automação bem como do site, que incorporou diversos objetos de aprendizagem, compondo uma hipermídia sobre o tema da experimentação remota. Verificamos que a implementação dessas tecnologias exige um nível de expertise considerável no âmbito da informática, da eletrônica, bem como da psicologia e didática da aprendizagem multimídia, que não estavam prontamente disponíveis. Uma aplicação exploratória empírica, com vistas a tentar validar a utilização destes objetos de aprendizagem, incluindo o laboratório remoto, realizada no âmbito escolar, apontou dificuldades associadas à montagem experimental. Ainda assim, os resultados revelaram ótima aceitação por parte dos estudantes e sugerem eficácia na promoção da aprendizagem significativa. Palavras-chave: Experimentos de Física, Laboratório virtual, Laboratório remoto.Item Efeitos de curvatura em nanopartículas de isolantes topológicos(Universidade Federal de Viçosa, 2025-07-23) Veiga, Leonardo Gomides; Melo, Winder Alexander de Moura; http://lattes.cnpq.br/4042039351313211Neste trabalho, investigamos a dinâmica dos estados de borda em isolantes topológicos com geometrias não triviais, especificamente a geometria cônica e toroidal. Para o isolante topológico cônico, encontramos o operador de Dirac efetivo que descreve os férmions de massa nula na superfície, incluindo termos de conexão de spin e correções de velocidade dependentes do ângulo de abertura. Resolvemos as equações e caracterizamos completamente os estados. Os estados de baixa energia se localizam na ponta do cone e a curvatura singular quebra o \textit{spin-to- surface locking}, induzindo componentes de spin fora do plano. No caso toroidal, resolvemos numericamente as equações tipo-Dirac e caracterizamos completamente os estados de superfície. Também estudamos sua resposta óptica, encontrando uma resposta plasmônica topológica nova que amplifica a absorção de luz por uma ordem de grandeza. Palavras-chave: pontos quânticos; confinamento quântico; isolantes topológicos; espaços curvosItem Caracterização das propriedades mecânicas de misturas de esferas rígidas num sistema quasi-bidimensional(Universidade Federal de Viçosa, 2025-04-15) Oliveira, Ygor Macedo; Rizzi, Leandro Gutierrez; http://lattes.cnpq.br/9675611997979050Simulações computacionais com esferas rígidas são importantes enquanto ferramenta para a modelagem e análise de sistemas físicos reais de diferentes escalas, desde o estudo de transições de fases até a investigação de uma variedade de propriedades, como as mecânicas. Em sistemas coloidais, trabalhos abordando a aparente auto-organização em fases quasicristalinas sugerem que o fenômeno seja entropicamente guiado. Estudos simulacionais com potenciais de interação de disco duro entre as partículas foram sugeridos, obtendo diagramas de fase que apresentam, além das fases convencionais, fases quasicristalinas. Neste trabalho, estamos interessados em caracterizar numericamente as propriedades mecânicas de misturas de esferas rígidas em sistemas quasi-bidimensionais, podendo apresentar quasiperiodicidade. Para isso, confeccionamos sistemas quasi- bidimensionais de esferas rígidas bidispersas, aos quais controlamos a razão entre os raios dos dois tipos de esferas, a fração de área total, e a razão entre fração das esferas maiores pela fração de área total. Os módulos elásticos de cisalhamento (G) e volumétrico (K), que medem as resistências à forças cisalhantes e à compressão/expansão, respectivamente, são quantidades que permitem a discussão acerca de propriedades mecânicas. Os sistemas de misturas binárias foram submetidos a simulações de event-chain Monte Carlo, para que pudessem se estabilizar em alguma fase possível, tipo cristalina, quasicristalina ou amorfa. As medidas dos módulos elásticos obtidas mostraram que os sistemas com fases próximas das cristalinas hexagonais apresentaram maiores módulos, enquanto as fases próximas dos quasicristais retornaram valores intermediários. A fase quadrada apresentou os menores valores. Todos esses sistemas registraram valores baixos dos módulos elásticos, da ordem das unidades, para o potencial WCA modificado, que é fraco e de curto alcance, usado para aproximar o comportamento do potencial de esfera rígida, uma vez que um potencial contínuo é necessário para calcular os módulos elásticos. Palavras-chave: esferas rígidas; misturas binárias; sistemas quasi-bidimensionais; propriedades mecânicasItem Estudo da dinâmica de nano-ociladores magnéticos com correções relativísticas(Universidade Federal de Viçosa, 2025-07-31) Pinheiro, Éverton Leal; Melo, Winder Alexander de Moura; http://lattes.cnpq.br/0878694798951496O presente trabalho, de cunho teórico, investigou a dinâmica de nano-osciladores baseados em vórtices magnéticos. Tais vórtices podem constituir o estado fundamental em sistemas magnéticos com geometrias específicas, como cilindros com dimensões submicrométricas. O foco principal foi analisar a influência de correções relativísticas no campo magnético aplicado, descritas pela transformação de Lorentz do campo B. As análises foram realizadas por meio de simulações micromagnéticas utilizando o software MuMax3. Com esses estudos, buscou-se compreender o efeito de um campo elétrico externo sobre a dinâmica de um nano- oscilador do tipo vórtice, contribuindo para o entendimento fenomenológico e para possíveis aplicações em dispositivos spintrônicos, como memórias de acesso aleatório, computação neuromórfica e computação por ondas de spin. Palavras-chave: campos magnéticos; spintrônica; vórtice magnético; relatividadeItem Criticality in dynamical systems through complex networks(Universidade Federal de Viçosa, 2025-07-04) Moraes, Juliane Teixeira de; Ferreira Junior, Silvio da Costa; http://lattes.cnpq.br/2932038346290131The study of phase transitions, which originated in the context of equilibrium systems, can be extended to a broad range of applications, including non-equilibrium cases. An example is the absorbing state phase transition, where a system undergoes a transition from an absorbing to an active state. This type of transition occurs, for instance, in models inspired by spreading phenomena. The system may be poised between the two phases, in a critical state characterized by a diverging susceptibility in the thermodynamic limit. These concepts are explored in the present thesis, starting from a simple equilibrium example and extending to the description of absorbing state phase transitions. In addition, spreading processes can be investigated using complex networks as substrates. A brief review of basic concepts and models, as well as the broad applicability of complex networks, is also included in this thesis. Thus, the criticality of dynamical systems on complex networks is addressed in two directions: using visibility graphs and intermittent networks. The visibility graph method is used to map time series onto networks. We applied this framework to generate and analyze visibility graphs from time series of the density of infected individuals. The main network metric used is the degree correlation. We found that asymptotic disassortativity in the visibility graph is a hallmark of criticality in the system. Furthermore, we show how localization in the original system can blur this signature of criticality. The other approach involved a temporal network implementation based on the intermittent activity of nodes or links. Changes in the states of nodes and links, following a general renewal process, can capture the temporal heterogeneity observed in real social interactions. Simulating spreading processes on these intermittent networks provided important insights into how inter- event time distributions influence the epidemic threshold. Moreover, when investigating the critical exponents of the absorbing state phase transition in intermittent lattices, we raised the possibility of temporal Griffiths phases occurring in this system. Additionally, criticality is discussed in the context of neuronal activity, including evidence supporting the critical brain hypothesis. In this context, a control strategy for an individual neuron model is explored. Brain criticality is a broad research topic and a promising system for applying methods discussed in the thesis. Keywords: phase transitions; spreading process; visibility graphs; intermittent networks.Item Propagação epidêmica em multigrafos(Universidade Federal de Viçosa, 2025-04-11) Lorenzoni Filho, Paulo Henrique; Ferreira Junior, Silvio da Costa; http://lattes.cnpq.br/4434352473376092Multigrafos são redes que possuem múltiplas conexões entre vértices. Redes com distri- buição de grau em lei de potência P (k) ∼ k −γ apresentam um corte natural kN ∼ N γ−1 . Problemas de conectividade podem surgir para redes heterogêneas que permitem apenas uma conexão única entre pares, ou seja, grafos simples. Por um lado, o algoritmo pode não completar todas as conexões, resultando em alto custo computacional. Por outro lado, permitir múltiplas conexões permite gerar redes sem tais problemas. Portanto, motivado por uma perspectiva metodológica, este estudo propõe a propagação de epidemias em redes simples e multigrafos com kmax ∼ kN . Realizou-se análise quase estacionária (QS) para medir o limiar epidêmico, a densidade de indivı́duos infectados, a suscetibilidade dinâmica e a razão de participação inversa (RPI) usando o Algoritmo de Gillespie Otimizado (OGA). Assim, foram realizadas análises de tamanho finito a fim de comparar os expoentes de escala para o modelos Suscetı́vel-Infectado-Suscetı́vel (SIS), Suscetı́vel-Infectado-Removido- Suscetı́vel (SIRS) e Processo de Contato (PC) em grafos simples e multigrafos. Além disso, comparou-se o limiar epidêmico e a RPI previstos por teorias de campo médio com aqueles obtidos nas simulações estocásticas. Observou-se que o PC é invariante à presença de múltiplas conexões e que as previsões das teorias de campo médio concordam com os resultados obtidos nas simulações. O modelo SIRS não apresentou diferença no comportamento de escala para as grandezas mensuradas e os resultados concordam para simulações e campo médio para ambos tipos de grafos. Finalmente, as grandezas QS não mostraram diferença significativa no comportamento de escala para o modelo SIS com γ > 5/2. Para γ < 5/2, as grandezas apresentam diferenças no comportamento de escala, mas a fı́sica é preservada no limite termodinâmico. A implementação de multigrafos para a investigação de processos epidêmicos se mostrou adequada uma vez que não altera a fı́sica dos modelos epidêmicos nem a fı́sica das abordagens de campo médio. Palavras-chave: redes complexas, fenômenos crı́ticos, teorias de campo médio, fenômenos de localização.Item Theoretical investigation of epidemic diseases with waning immunity(Universidade Federal de Viçosa, 2024-12-19) Silva, José Carlos de Moraes; Ferreira Júnior, Silvio da Costa; http://lattes.cnpq.br/8436369682816949Among prototypical epidemic models, we can highlight the susceptible, infected and sus- ceptible model (SIS), possessing a transition to an absorbing state, and the susceptible, infected and recovered model (SIR), possessing a transition between outbreaks spanning finite and vanishing fractions of a population. They represent models without immuni- zation and with permanent immune period, respectively, and have drawn much atten- tion from researchers interested in their critical behavior in heterogeneous networks with power-law degree distributions, P (k) ∼ k −γ . However, much less attention has been de- voted to its general counterpart, the susceptible, infected, recovered and susceptible model (SIRS), which presents finite immunity periods 1/α, where α is a rate of waning im- munity. While SIR (α = 0) is accurately described by a recurrent dynamic message passing (rDMP), an adaptation of this theory to the SIS (α → ∞) model, is not ca- pable of capturing basic features as the vanishing of the epidemic threshold λc in the thermodynamic limit on top of heterogeneous networks with γ > 3. An open question is whether the rDMP theory is capable of predicting the correct behavior of the SIRS model. We discovered that epidemics with immunity period in heterogeneous topologies are better described by the rDMP theory, which accounts for correlations only in the non- backtracking aspect, than the pQMF theory. Conversely, the pQMF theory outperforms rDMP theory in homogeneous networks. Markovian processes are valuable for the study stochastic models, presenting Poisson (exponential) distribution. However, regarding real epidemics, recovery data are best fitted by Gamma or Weibull distributions. In this thesis we analyze the impact of non-Markovian recovery distribution on the epidemic activation of the SIS and SIRS models by employing η > 1 recovery compartments, leading to Gamma distributions for the recovery time. We found that the SIRS model on top of star-graphs, with finite α and the case η → ∞, leads to a finite lifespan, while the in- creasing of compartments η in the SIS model keeps the lifespan exponentially increasing with network size unaltered, as found in the Markovian SIS model. Extensive numerical simulation do not show any significant changes in the scenario of power-law networks with γ < 3, while it presents only small changes for γ > 3, regarding activation and localization patterns. Keywords: Complex networks. Critical phenomena. Epidemic spreading. Mean-field theories.Item Explorando o transporte de spin entre um mental normal e o modelo de Kitaev: correntes de spin em fases de líquido de spin(Universidade Federal de Viçosa, 2025-02-20) Santos, Lucas Vigiano dos; Moura, Antonio Ribeiro de; http://lattes.cnpq.br/5937910451575586Esta dissertação de mestrado investiga a injeção de corrente de spin na interface entre um metal normal e o modelo de favo de mel de Kitaev, um sistema topologicamente não trivial, caracterizado por interações exóticas de spin e potenciais fases de líquidos de spin quânticos (LSQs), com ênfase nas propriedades de transporte de spin e nas características dos LSQs. O estudo analisa o torque de transferência de spin (spin-transfer torque) na interface devido ao acúmulo de potencial químico de spin na parte condutora, utilizando diversas ferramentas da física da matéria condensada e teoria quântica de campos, dentro da aproximação de teoria de resposta linear. Os resultados são comparados com aqueles obtidos para a interface entre um metal normal e um modelo ferromagnético usual com interações do tipo Heisenberg na mesma rede hexagonal. A investigação da dinâmica da corrente de spin contribui para a compreensão da relação entre dispositivos spintrônicos e LSQs, com possíveis aplicações na computação quântica de próxima geração e em tecnologias baseadas em spin. Os resultados revelam que a corrente de spin assume valores não negligenciáveis apenas quando o acúmulo de potencial químico de spin na região condutora excede a diferença de energia entre os setores topológicos, sendo observada mesmo em temperaturas próximas de T=0 — fenômenos ausentes no modelo ferromagnético usual. Além disso, propõe-se o comportamento da corrente de spin como um método para detectar e diferenciar as fases de LSQ, oferecendo uma abordagem para a caracterização desses estados quânticos exóticos. Palavras-chave: Corrente de spin. Torque de transferência de spin. Modelo de Kitaev. Líquidos de spin quânticos. Interface metal normal–isolante topológico. Transporte de spin. Teoria de resposta linear. Matéria condensada. Computação quântica. Spintrônica.Item Atividades experimentais no ensino de física no CESEC: evidenciando o uso de indicações circunstanciais(Universidade Federal de Viçosa, 2025-01-31) Souza, Nilcelene Maria de Laia; Carvalho, Regina SimplicioO presente trabalho aborda o ensino de Física no contexto do Centro Estadual de Educação Continuada (CESEC) em Minas Gerais. Este ambiente educacional enfrenta desafios específicos, uma vez que os CESECs atendem jovens e adultos que, por diferentes razões, não concluíram seus estudos no período regular. Na modalidade de ensino oferecida por essas instituições, o currículo é flexível, permitindo a matrícula por componente curricular e dividindo o conteúdo em módulos que exigem trabalhos e provas para aprovação. Os alunos cursam onze disciplinas do Ensino Médio, incluindo física, e os professores se empenham em atender às necessidades de aprendizado individuais de cada aluno. A presente proposta utilizou experimentação, tanto virtual quanto presencial, integrando indicações circunstanciais para facilitar a compreensão de conceitos físicos. Foram desenvolvidas aulas experimentais que abordam temas essenciais da Física, como grandezas físicas e unidades de medida, movimento retilíneo uniforme, energia potencial gravitacional, dilatação térmica dos sólidos e o processo de eletrização por atrito. Essas aulas tiveram como objetivo proporcionar uma compreensão prática e aprofundada desses conceitos, promovendo uma integração eficaz entre teoria e prática no ensino de Física. As aulas foram adaptadas aos princípios da andragogia, com foco na orientação e motivação dos estudantes para a aprendizagem. O estudo visa demonstrar que, mesmo em um modelo de ensino semipresencial, a adoção de abordagens experimentais é não apenas viável, mas também eficaz no contexto do processo de ensino-aprendizagem. A análise comparativa dos resultados de testes aplicados antes e após as aulas experimentais revela uma evolução significativa no aprendizado dos estudantes, evidenciando que tais metodologias contribuem de maneira substancial para a aquisição e consolidação dos conhecimentos. Isso indica que, os CESECs, além de possibilitarem a conclusão formal dos estudos, podem promover também uma formação que vai além do diploma, permitindo aos alunos desenvolverem conhecimentos aplicáveis e relacionáveis com situações do cotidiano, ampliando, assim, suas competências para a vida prática. Palavras-chave: Ensino de física; ; Experimentação; ; Andragogia; ; Signos; ; Semiótica