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Revista Brasileira de Ciência do Solo

versão On-line ISSN 1806-9657

Rev. Bras. Ciênc. Solo vol.38 no.3 Viçosa maio/jun. 2014

http://dx.doi.org/10.1590/S0100-06832014000300009 

DIVISÃO 2 - PROCESSOS E PROPRIEDADES DO SOLO
NOTA

 

Penetrômetro de impacto stolf - programa computacional de dados em EXCEL-VBA1

 

Stolf impact penetrometer - computer data program in EXCEL-VBA

 

 

Rubismar StolfI; Jorge Hiroshi MurakamiII; Caetano BrugnaroIII; Luiz Gabriel SilvaIV; Luiz Carlos Ferreira da SilvaI; Luiz Antonio Correia MargaridoIII

IProfessor Associado, Departamento de Recursos Naturais e Proteção Ambiental, Centro de Ciências Agrárias, Universidade Federal de São Carlos - UFSCar. Via Anhanguera, km 174. CEP 13600-970 Araras (SP). E-mail: rubismar@cca.ufscar.br
IIEngenheiro Mecânico, Departamento de Desenvolvimento de Produto, Kamaq - Máquinas e Implementos Agrícolas. Via Industrial, 550. CEP 13602-030 Araras (SP). E-mail: jorgehm@kamaq.com.br
IIIProfessor Associado, Departamento de Tecnologia Agroindustrial e Sócio-Economia Rural, UFSCar. E-mail: brugnaro@cca.ufscar.br, marga@cca.ufscar.br
IVDiscente de Engenharia Agronômica, UFSCar. E-mail: lgs346900@gmail.com

 

 


RESUMO

Há dois principais tipos de penetrômetro, o estático e o dinâmico. No primeiro, uma haste com uma ponta cônica é introduzida contínua e lentamente (quase estático), registrando-se concomitantemente a força de reação que é igual à resistência do solo. No segundo, utiliza-se a mesma haste. Contudo, esta é introduzida por meio da promoção de uma massa de impacto em queda livre. Dessa forma, a teoria pode ser tratada pela dinâmica newtoniana para obtenção da resistência. O objetivo do programa é proporcionar uma ferramenta rápida, facilitadora da computação de dados de resistência do solo, para esse último penetrômetro, resultando tabelas e gráficos já no formato científico. Desenvolvido em linguagem de programação Visual Basic Aplication (VBA), escolheu-se o aplicativo Excel como interface com o usuário pela sua popularidade. É constituído por quatro planilhas, duasauxiliares, sendo duas delas essenciais, Plan1 e 2: Plan1 - dados de entrada (número de impactos e profundidade). Concomitante à digitação, a tabela de resistência é confeccionada com o respectivo gráfico, podendo tabelar 40 perfis. Plan2 - cumpre função especial de equalizar, ou seja, padronizar a profundidade em camadas constantes, permitindo unificar todos os perfis em uma única tabela. Para tal, escolhe-se uma espessura de camada (exemplo: 5 cm); em seguida, o programa coleta os dados de resistência (MPa) da Plan1 e interpola os valores para a profundidade de 5 em 5 cm. Após realizar esse procedimento para todas as tabelas da Plan1, o programa gera, na Plan2, uma única tabela com todos os perfis, a média geral e os respectivos gráficos. É possível selecionar os perfis; por exemplo, apenas os medidos na linha ou entrelinha de plantio e eliminar perfis a critério do usuário. Como objetivo complementar, descreve-se a evolução do projeto "Penetrômetro de impacto", iniciado em 1982, cuja técnica passou a ser adotada no meio científico, após a publicação da teoria nesta revista em 1991. Apresenta-se também levantamento no meio científico nos últimos três anos (2010-2012), propiciando uma visão das principais aplicações na atualidade.

Termos de indexação: perfil de resistência mecânica do solo, transformação de dados, confecção automática de tabelas e gráficos, uniformização da profundidade.


SUMMARY

There are two main types of penetrometers. In the static one, a rod with a conical tip is introduced continuously and gradually (nearly statically), simultaneously registering the reaction force, which is equal to the soil resistance. The dynamic penetrometer uses the same rod. However, it is introduced through bringing about an impact mass in freefall. Thus, the theory can be treated by Newtonian dynamics so as to obtain dynamic resistance. The aim of the software is to provide a quick tool, facilitating the computation of soil resistance data for the latter type of penetrometer, yielding tables and graphs already in scientific format. Developed in VBA (Visual Basic for Applications) programming language, it uses Excel as the user interface due to its popularity. It basically consists of two worksheets, Sheet 1 and 2: Sheet 1 - this is for data entry (number of impacts and depth). Concomitant with typing in data, the resistance table is prepared with the respective graph, accepting up to 40 profiles. Sheet 2 - it has a special equalizing function, i.e., it standardizes depth in constant layers, unifying all profiles in a single table. For that purpose, after selection of a layer thickness (e.g., 5 cm), the program collects the resistance data (MPa) from Sheet1 and interpolates the values for depths of every 5 cm. After performing this procedure for all the tables in Sheet 1, the program generates, in Sheet 2, a single table with all the profiles and the overall average, with their graphs. The user can select the profiles - for example, only those measured in the plant row or interrow - or even exclude profiles. As a supplement aim, this study describes the evolution of the "Impact penetrometer" project, which began in 1982, and whose technique came to be adopted in the scientific community after publication of the theory in this journal in 1991. A survey of the scientific community over the past three years (2010-2012) is also presented, providing a view of the main current applications.

Index terms: mechanical soil resistance profile, data transformation, automatic preparation of tables and graphs, standardization of depth.


 

 

INTRODUÇÃO

O penetrômetro de impacto Stolf é um aparelho de medida da resistência do solo, do tipo dinâmico, cuja penetração ocorre por impacto. Lançado em 1982, tornou-se popular entre os agricultores por meio de publicações técnicas que abordavam aspectos práticos, ou seja, características do equipamento e da operação (Stolf et al., 1983) e outras exemplificando o uso em cana-de-açúcar (Stolf & Faganello, 1983) e em pomares de laranja (Stolf, 1987). Nos trabalhos iniciais, adotou-se a unidade prática de resistência do solo, impactos/dm, comum em engenharia civil. A teoria para transformação da resistência em MPa foi apresentada inicialmente em congresso (Stolf, 1990a,b). Difundida em revista de alto impacto (Stolf, 1991a; Stolf et al., 1998; 2005), possibilitou tornar o aparelho conhecido no meio científico. A consolidação do penetrômetro de impacto Stolf nesse meio pode ser medida pelo seu emprego na atualidade. Verifica-se sua utilização em diversos estudos,como: mapeamento da resistência do solo, avaliação da compactação e de controle de tráfego, variabilidade espacial de propriedades do solo, manejo de lavouras, pastagens e florestas, recuperação de áreas degradadas, indicador de qualidade do solo, sedimentos em áreas ripárias, conforme os seguintes artigos científicos publicados, no período de 2010 a 2012 (Camargo et al., 2010; Cavallini et al., 2010; Correa & Bento, 2010; Ferreira et al., 2010; Guedes Filho et al., 2010; Lima et al., 2010; Machado et al., 2010; Martins et al., 2010; Medeiros et al., 2010; Mestas et al., 2010; Oliveira et al., 2010; Pedron et al., 2010; Portugal et al., 2010; Ramos et al., 2010; Roboredo et al., 2010; Roque et al., 2010; Silva et al., 2010; Silva Filho et al., 2010; Silveira et al., 2010; Siqueira et al., 2010; Souza et al., 2010; Tavares Filho et al., 2010; Cardoso et al., 2011; Cortez et al., 2011; Costa et al., 2011; Iarema et al., 2011; Manfré et al., 2011; Marasca, 2011; Ramos et al., 2011; Silva et al., 2011; Theodoro et al., 2011; Tieppo et al., 2011; Torres et al., 2011; Almeida et al., 2012; Carvalho et al., 2012; Castagnara et al., 2012; Cobra et al., 2012; Cunha et al., 2012; Debiasi et al., 2012; Ecco et al., 2012; Effgen et al., 2012; Freitas et al., 2012; Grego et al., 2012; Homma et al., 2012; Molin et al., 2012; Montanari et al., 2012; Moura et al., 2012; Silva et al., 2012; Tavares Filho et al., 2012; e Wendling et al., 2012).

Recentemente, foram estabelecidos dois projetos de desenvolvimento de tecnologia facilitadora do uso do penetrômetro de impacto. O primeiro, já concluído, refere-se à introdução de uma régua facilitadora de leitura de profundidade (Stolf et al., 2012); e o segundo, o presente projeto, para solucionar dificuldades quanto à computação de dados, descritas a seguir.

A questão da computação de dados em penetrômetro de impacto: na utilização de penetrômetros de impacto, o operador não tem controle quanto à espessura da camada penetrada provocada pelo impacto. Portanto, não é possível gerar resultados de resistência em intervalos de profundidade constante, como nas camadas de 0-5; 5-10; e 10-15 cm. Esse aspecto dificulta a análise de resultados de resistência, de vários perfis, em camadas na mesma profundidade, e estudos de variabilidade espacial. Para contornar essa dificuldade, criou-se um método manual de tabelamento descrito em Stolf et al. (1983). Em seguida, desenvolveu-se, em 1985, para o computador de mesa científico HP-85, um programa de uso interno da instituição, pois não havia procedimento de divulgação (época anterior ao shareware). Em 1990, no início da era PC, o penetrômetro foi programado para uso em um projeto nos EUA. Contudo, esse modelo de computador, HP-85, entrou em desuso. Nesse segundo momento, foi necessário desenvolver rapidamente um programa computacional (Stolf, 1991b), utilizando o sistema operacional DOS na linguagem Quick Basicpara uso no citado projeto (Stolf et al., 1998). Apesar de cumprir a função de equalizar os intervalos de profundidade das medidas de resistência, esse outro programa não foi considerado um produto acabado, não se promovendo a divulgação. Mesmo assim, é possível encontrar na literatura alguma citação de uso mais recente (Araujo et al., 2004; Homma, 2005; Iarema et al., 2011), evidenciando, pelo contraste da antiguidade do programa (1991), a necessidade de se desenvolver um programa computacional moderno para esse tipo de penetrômetro.

Dessa forma, estabeleceu-se, como objetivo deste trabalho, o desenvolvimento de um programa que permita a realização das seguintes atividades computacionais:

a. Confecção automática da tabela e do gráfico de resistência na medida em que se dá entrada aos dados de número de impactos e profundidade;

b. Equalização da profundidade em camadas constantes, segundo a preferência do usuário, unificando todos os perfis em uma única tabela, já no formato científico. Além disso, prevê-se a inclusão de uma coluna com o perfil médio de resistência acompanhada do respectivo gráfico;

c. Possibilidadede se trabalhar separadamente, por exemplo: linha × entrelinha; mata × área agrícola; e plantio direto × convencional, ao entrar uma série de perfis; e

d. Adoção de uma planilha popular conhecida como interface com o usuário.

 

MATERIAL E MÉTODOS

A interface com o usuário escolhida foi a planilha Excel; e a linguagem de programação adotada, a Visual Basic Aplication (VBA), ambas da Microsoft.

Conversão do número de impactos em resistência (R)

O programa apresentará a resistência do solo (R) nas unidades: impactos/dm, kgf/cm2 e MPa. A equação para cálculo da resistência em razão da penetração por impacto foi desenvolvida em Stolf (1991a) e reapresentada em Stolf et al. (1998; 2005):

Unidade prática: N (Impactos/dm) = 10 × nº de impactos/penetração(cm)

Unidade técnica:

R (kgf/cm2)= 5,6 + 6,89 × N (impactos/dm)

Unidade utilizada em artigos científicos, MPa, para g = 10 m/s2:

R (MPa) = 0,56 + 0,689 × N (impactos/dm),

ou seja, R (MPa) = 0,1 R (kgf/cm2).

Exemplificando: com dois impactos, a profundidade variou de 11 a 15 cm.

N (Impactos/dm) = 10 × 2/(15-11) = 5, ou seja, resistência = 5 impactos/dm;

R (kgf/cm2) = 5,6 + 6,89 × 5 = 40,1, ou seja, resistência = 40,1 kgf/cm2;

R (MPa) = 0,1 × 40,1 = 4,01, ou seja, resistência = 4,01 MPa.

Método computacional

O aspecto central do programa é transformar em intervalos constantes de profundidade os resultados de resistência do solo, pela impossibilidade de realizar leituras a intervalos constantes de profundidade. O processo adotado para tal é ilustrado no esquema da figura 1, cujos valores de resistência foram transformados para intervalos de 5 cm, como exemplo. No programa, os intervalos de profundidade foram tomados como variável de forma que o usuário possa escolher outro intervalo, inclusive número fracionário.

 

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Desenvolvido em linguagem VBA, adotou-se a planilha Excel para interface com usuário pela simplicidade. O programa Excel é constituído basicamente de três planilhas operacionais (Plan 1, 2 e 3) e uma quarta contendo texto de "ajuda". Far-se-á uma apresentação dessas três planilhas básicas e em seguida será apresentado um exemplo de aplicação das principais funções.

Plan1: Entrada de dados (função: confecciona a tabela e o gráfico automaticamente, na medida em que se digitam os dados)

Nessa planilha, há 40 tabelas de entrada de dados, cada uma com seis colunas. As duas primeiras correspondem à entrada de dados, ou seja, no de impactos e profundidade atingida pelo penetrômetro. Na medida em que se insere cada par de dados, o programa calcula automaticamente a camada penetrada (terceira coluna) e, na sequência, a resistência dessa camada em três sistemas de unidade (impactos/dm; kgf/cm2; MPa), conforme figura 1. A cada entrada de dados de campo na Plan1, a tabela de resistência e o respectivo gráfico vão sendo confeccionados automaticamente. É possível utilizar esse programa no campo, com um laptop ou tablete, permitindo conhecer a curva de resistência na medida em que se faz a leitura no campo. Há um comando "Limpar dados de entrada?" utilizado para a entrada de novo conjunto de dados.

Plan2: Equalização da profundidade (função avançada)

A Plan1, anterior, realiza uma função normalmente esperada pelo usuário: transformar os dados de campo de cada perfil em uma tabela e desenhar o gráfico. Essa Plan2 realiza por meio de uma MACRO em linguagem VBA a equalização, ou seja, a padronização dos intervalos de profundidade (Figura 1). Para utilizá-la, após entrar com os dados de campo na Plan1, o usuário deve abrir a Plan2 e clicar em: "Gerar tabela em camadas de espessura constante".O programa pedirá o valor da espessura da camada, sugerindo como padrão "5 cm". Em seguida, apresentará a opção para selecionar "1- Todos os perfis"; "2- Uma sequência de perfis" ou "3- Entrada aleatória". Em continuidade, o programa irá automaticamente coletar os dados da Plan1, promover a equalização e finalmente lançar, na Plan2, a tabela equalizada e em formato científico, apropriado para compor relatórios e artigos.

Plan3 (entrada rápida e tabela de campo)

Não é uma planilha essencial, apenas facilitadora. Permite a entrada de dados por meio de apenas duas colunas para cada perfil. Após o término da digitação, os dados necessitam ser lançados na Plan1 pelo comando: "Lançar dados desta Plan3 para planilha Plan1". O inverso também é possível: "Lançar dados da Plan1 para Plan3". Pode ser impressa para anotar dados de campo.

Exemplo de aplicação: computar os dados de campo contidos no quadro 1

Os dados de campo (Quadro 1) podem entrar no programa pela Plan3 e lançados na Plan1 ou serem digitados diretamente na Plan1, resultando o quadro 2. A Plan1 (Quadro 2) já contém os dados de resistência do solo e os gráficos dos perfis. Note-se, porém, que cada perfil é representado por uma tabela individual. Utilizando a Plan2 (comandos sequenciais: "Gerar tabela em camadas de espessura constante", "5 cm" e "1- Todos os perfis"), o programa equaliza a profundidade, unificando, na planilha Plan2, os seis perfis em uma única tabela (Quadro 3). Os dados são referentes a um estudo com cana-de-açúcar com amostragem na linha e na entrelinha de plantio. É possível fazer a separação para analisar (linha × entrelinha). Linha da cana: Plan2: "Gerar tabela em camadas de espessura constante", "5 cm" e "3 - Entrada aleatória: entrar com os perfis 1, 3 e 5, correspondentes às medidas na linha de cana". Dessa forma, gera-se o quadro 4 (linha). Repetindo-se o procedimento com os perfis 2, 4 e 6, gera-se o quadro 5 (entrelinha). No quadro 6, apresenta-se simplesmente a cópia de colunas das médias das duas tabelas anteriores, comparando diretamente as duas posições.

Conforme já exposto, é possível selecionar o intervalo de profundidade de acordo com a necessidade. Supondo uma pesquisa que relaciona a quantidade de raízes de 0-20 e 20-40 cm de profundidade com a resistência do solo, nesse caso o intervalo a ser selecionado é 20 cm. Entretanto, pode haver o interesse de utilizar intervalos menores, como intervalos de 1,5 cm de profundidade.

 

CONCLUSÕES

Foi possível desenvolver um programa computacional, atingindo os seguintes objetivos:

1. Confeccionar automaticamentea tabela e o gráfico de resistência na medida em que se dá entrada aos dados. Opcionalmente, poder computar no próprio campo para monitorar e visualizar o gráfico de resistência durante a penetração.

2. Desenvolver uma rotina computacional para a equalização da profundidade em camadas constantes, unificando todos os perfis em uma única tabela, obedecendo-se normas do formato científico. Além disso, ao entrar uma série de perfis, o programa permite trabalhar separadamente para efeito de comparação, por exemplo: linha versus entrelinha; mata versus área agrícola; e plantio direto versus convencional.

 

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Recebido para publicação em 23 de setembro de 2013
Aprovado em 27 de março de 2014

 

 

1 Software gratuito: <http://www.cca.ufscar.br/drnpa/hprubismar_ARTIGOS/100._Penetrometro(Stolf,R).xls >. Trabalho apresentado no XLII Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola - CONBEA 2013.

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