ANÁLSIS DE MAGNITUDES FÍSICAS A TRAVÉS DE VIDEO ANÁLISIS Y SU APLICACION EN EL AULA

M.Sc. Ing. CARLOS RAUL CHURA MIRANDA

1.- RESUMEN

El presente documento constituye una propuesta pedagógica para la enseñanza de la física, a través de videos, para el entendimiento de nuestro entorno y la relación con las magnitudes físicas que nos rodean, mediante el video análisis, pueden ser explicados y entendidos por el alumno de una forma intuitiva, registrar objetos que se mueven a partir de un video, fotograma a fotograma, facilita tanto a los estudiantes como docentes incorporar en el aula investigaciones auténticas, con ayuda de software especializado como Measure Dnamics, Tracker, para mejorar la comprensión de conceptos de física, como realizar presentaciones gráficas, matemáticas y numéricas de problemas y datos del mundo real.

Se pretende describir fenómenos físicos en movimiento con el uso de una cámara de video (Celular) y software especializado (Measure Dinamics Phywe), para análisis de fenómenos físicos, enriqueciendo el uso de las TIC’s, llegando a ser un aporte significativo en el proceso enseñanza aprendizaje. En contra de lo que puede parecer, el procedimiento es sencillo y los elementos empleados son relativamente económicos.

2.- INTRODUCCION

El desarrollo de la ciencia a lo largo de la historia se ha apoyado en dos pilares fundamentales: la observación y la experimentación. Sin embargo, es necesario un paradigma teórico previo que oriente la investigación científica, facilite el análisis de los datos y, a su vez, sea puesta a prueba. Así, las teorías que tratan de explicar los fenómenos observados son contrastadas con experimentos que asientan con los planteamientos propuestos. Así ha sido en el pasado, así es en el presente y, presumiblemente, seguirá siendo así en el futuro.

En el presente trabajo se muestra el modo en que nuestros alumnos del primer semestre de todas las ingenierías, pueden realizar investigaciones sobre cuestiones relativamente cercanas a sus intereses. Obviamente, los temas elegidos, el nivel de profundización serán diferentes. Es conocido que los estudiantes dan gran importancia a los saberes científicos pero los desligan de su quehacer diario. Por esto, acercar al aprendiz a la ciencia por medio de estudios experimentales directamente relacionados con su realidad cotidiana puede llegar a ser extraordinariamente motivador.De forma sintética, el procedimiento consiste en realizar una grabación de vídeo sobre una situación relativamente cotidiana o un experimento ya realizado por el método tradicional y el posterior análisis de uno de los fenómenos que se producen en esas circunstancias a través del programa Measure Dinamics. Esta tarea sería muy complicada o incluso imposible si no se dispusiera de las herramientas informáticas de las que se ha hecho uso a lo largo de estos años.

En el presente trabajo se presentará un laboratorio completo mediante el uso de video análisis para mostrar al estudiante la forma de interactuar con su medio y la explicación de los fenómenos físicos que intervienen para la explicación y comprensión de dicho fenómeno.

3.- PROGRAMAS DISPONIBLES ACTUALMENTE

Hoy en día se consiguen un buen número de programas de video análisis relativamente baratos, incluyendo Measure Dinamics, Measurement in Motion,  VideoPoint  y Physucs ToolKit. 

De los programas mencionados, en el departamento de física, Facultad Nacional de Ingeniería, laboratorio de física I, se cuenta con Measure Dinamics, con la adquisición de nuevos laboratorios en la gestión 2014. Siendo este software el que se utilizará para el presente trabajo.

Dos programas de análisis de video pueden descargarse de la Web sin costo alguno: Tracker y DataPoint. El primero ofrece muchas de las funciones contenidas en los programas comerciales antes descritos. Los estudiantes pueden señalar los cuadros de video, escoger el origen de la ubicación deseada y calibrar el video para valores de medida del mundo real. Enseguida, el software calcula valores de movimiento, construye gráficas y dibuja y manipula vectores de fuerza, velocidad y aceleración.

4.- METODOLOGIA

La implementación de una actividad en el aula implica considerar la conjunción de una serie de elementos como: las limitaciones de tiempo, el tamaño del grupo, las necesidades materiales, etc.Por una parte, debe gestionarse el conjunto de medios materiales e informáticos que necesita la actividad. En este caso, resulta imprescindible tener en cuenta que se requieren ordenadores y videocámaras para cada grupo. Además, es necesario conocer el funcionamiento del programa Measure Dinamics.

En la primera aproximación a la actividad, el profesor presenta un “clip” de video con un movimiento (lanzamiento a canasta). El ejemplo se aprovecha para mostrar el funcionamiento del programa y señalar las condiciones necesarias de grabación que debe tener la secuencia: iluminación, posición de la cámara y otros aspectos básicos de grabación. Obviamente, se hace especial hincapié en las cuestiones más específicas del programa:La necesidad de tomar referencias métricas en la realidad y el modo de transferirlas al programa.Elección del origen de referencia. Obtención de los puntos de la trayectoria. Exportación de los datos obtenidos a una hoja de cálculo.Para finalizar esta sesión se propone la formación de equipos de cuatro o cinco personas. Se les deja total libertad a la hora de configurar los mismos, lo que implica que todos los miembros del equipo son partícipes y responsables de las decisiones tomadas desde el momento de su creación.Para facilitar el desarrollo del trabajo en aula se coloca en el blog del docente http://www.fisica1100.blogspot.com la guía completa del trabajo a realizar, con los diez pasos que debe tener el informe de laboratorio.

5.- DESARROLLO EXPERIMENTAL. OBTENCIÓN DE DATOS.

En primer lugar, es fundamental conseguir una cámara de video, una cámara fotográfica digital, una webcam o un celular con cámara filmadora. Se debe tener en cuenta que Measure Dinamics sólo admite secuencias grabadas en formato *.avi. Este es un formato muy habitual, pero en ocasiones la cámara disponible por el grupo produce grabaciones no admitidas por el programa. La solución puede ser buscar otro dispositivo, introducir otros codecs en nuestro ordenador o bien

utilizar alguno de los conversores de vídeo para transformar el formato inicial en uno legible para el programa.

Los materiales utilizados para el experimento son:TABLA 1

Figura 1. Montaje del experimento

Fijar el ángulo α de lanzamiento en la unidad de disparo balístico de forma aleatoria.

Colocar la primera mesa al nivel horizontal del punto de disparo.

Prepare la cámara filmadora para filmar el lanzamiento.

Ajuste el número de fotogramas por segundo a aproximadamente 30 fps.

Seleccione un fondo homogéneo de color claro.

Proveer iluminación adicional para el experimento.

MATERIALES CARACTERISTICAS

Unidad de disparo balístico Plataforma de lanzamiento de proyectiles Phywe

de ángulo variable (±1o)

Medidor de rapidez Electrónico (±0.01 [m/s])

Proyectil Esfera de acero de 19 mm. de diámetro

Mesa de impacto Para colocarlo al mismo nivel del lanzamiento

Cámara filmadora Usar filmadora de celular

Software Measure Dinamics Phywe

Regla métrica De madera para medir longitudes (±1[mm])

La configuración de la prueba debe estar en el centro del vídeo. Para asegurar esto, coloque la posición de la cámara de vídeo en un trípode en el centro frente a la configuración de la prueba.

El disparador posee tres posiciones de disparo y con la segunda posición realizar un primer

disparo, para establecer y medir el alcance horizontal máximo.

Después de la esfera ha completado su trayectoria, ya sea que cae en el suelo o sobre la mesa.

Recomendamos el uso de una caja de cartón vacía o similar para la captura de la esfera.

El eje óptico de la cámara debe estar paralela a la configuración de la prueba.

Coloque una escala en la trayectoria de la esfera por medio de la regla y una base de barril para asegurar la escala apropiada.

A continuación, se puede iniciar el proceso de grabación del vídeo y el experimento.

Una vez grabado el experimento, guardar en el computador en formato “avi”, de resolución 640x480.

Abrir el programa “Measure Dinamics”, Transferir el video que se ha grabado en el ordenador. A continuación, abrir el video en "Archivo" - "Abrir vídeo ...".

Figura 2. Abrir el vídeo filmado

El experimento comienza con el lanzamiento de la esfera y termina después de su primer impacto. Luego, marque la distancia a la que aparece en el video en "video análisis" - "Escala ..." - "Calibración"

Figura 3. Medición de la calibración de escala

Figura 4. Video análisis calibración de escala

Marque los ejes de referencia X e Y en el punto donde empieza el movimiento parabólico.

Figura 5. Posicionamiento del eje de coordenadas X e Y

A continuación, el análisis del movimiento real se puede iniciar en "Análisis de video" - "Análisis automático" o "análisis de Manual". Para el análisis automático, se recomienda seleccionar "Movimiento y análisis de color" en la pestaña "Análisis". En "Opciones", el análisis automático se puede optimizar, si es necesario, por ejemplo, cambiando la sensibilidad o mediante la limitación de la radio de detección. A continuación, busque una posición en la película del video donde la esfera de acero es perfectamente visible

Realizar el “análisis manual” seguir cada fotograma del movimiento de la partícula con un clic en cada posición.

Figura 6. Seguimiento manual del movimiento

Con el fin demostrarla trayectoria de la esfera en forma de gráfico, seleccione "Display" y "Diagrama", haga clic en "Opciones", borrar todos los gráficos ya existentes y seleccionar los gráficos x (eje horizontal) y (eje vertical).

Figura 7. Gráfica del movimiento con los datos reales

Datos obtenidos a partir del video

Los datos finales lo obtenemos de la tabla de datos donde tenemos valores de X e Y en metros, valores calculados por el programa de velocidad en X y velocidad en Y.

Figura 8. Datos reales extraídos de la tabla de media Measure Dinamics.

Determinación del ángulo de lanzamiento

El ángulo de lanzamiento de la esfera se puede determinar ya sea directamente a través de la escala de ángulo del tubo de lanzamiento, o por medio de la función de medición de ángulo de "measure dinamics”. Para utilizarla segunda opción, abrir el icono medición y luego "medida de ángulo". Coloque el vértice del ángulo en el extremo inferior del tubo de lanzamiento. Entonces, la posición de un brazo del ángulo paralelo al eje x (el color de los cambios de rayos a rojo) y el otro brazo del ángulo a lo largo del tubo de lanzamiento de manera que el ángulo se encuentra en el vértice del ángulo.

Figura 9. Ángulo de lanzamiento mediante Measure Dinamics

Determinación de la altura máxima y modelo matemático.

La altura máxima se puede determinar también gráficamente con la ayuda de la figura 7 y también matemáticamente por medio de los valores calculados para el ángulo de lanzamiento y la velocidad inicial, sobre la base de la teoría. La altura que se determina gráficamente es 0,42 m y la altura que se determina matemáticamente en el procesamiento de datos.

En el sistema internacional de unidades, se determina el modelo matemático

y=( tg α )x−( g2 vo

2 cos2α )x2

y=Ax+B x2

Con los datos de la figura 8 se obtiene el modelo matemático siguiente

y=2,32∗x−4,12∗x2

6.- CONCLUSIONES

La búsqueda creativa de estrategias para la enseñanza de las ciencias, debe constituirse en una razón del quehacer docente, en procura de alcanzar aprendizajes significativos.

Se recomienda el uso de esta tecnología, sofisticada pero poco costosa y fácil de usar, para que sea utilizada, no solamente en los cursos de Física, sino en todos los niveles de ingeniería. La metodología del video análisis elimina las barreras más comunes para incorporar investigaciones del mundo real en estudios de Matemática y de manera económica facilita la realización de investigaciones y aplicaciones auténticas de representaciones gráficas, matemáticas y numéricas a problemas y datos del mundo

Consideramos que la elección de este tipo de actividades abiertas presenta numerosas ventajas sobre las prácticas y actividades que habitualmente se plantean al alumno. En primer lugar, el enfrentamiento con un problema real y la obligación de tener que definirlo y acotarlo, proporciona una destreza intelectual que, sin duda, va a ser muy útil para nuestros estudiantes en sus trabajos posteriores.

Este desarrollo de habilidades, no relacionadas directamente con el aprendizaje de las ciencias, proviene de la diversidad de fenómenos que es posible considerar a partir situaciones reales; y esto es así gracias a la versatilidad de programa Measure Dinamics. Pero, además, este mismo hecho, permite que el alumno pueda elegir problemas cercanos a sus intereses. Este hecho, favorece el acercamiento de los contenidos y los procedimientos experimentales -del método científico- al alumno en situaciones más habituales que las existentes en un laboratorio

7.- BIBLIOGRAFÍA

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