Los docentes buscan constantemente estrategias frescas e innovadoras para explicar temas complejos, especialmente dentro del desafiante ámbito de la física. El uso del análisis de video para el aprendizaje de la cinemática se destaca como un excelente ejemplo de tecnología de vanguardia que satisface esta necesidad de manera efectiva. Este artículo profundiza en las contribuciones significativas de esta tecnología y revela las herramientas que los educadores pueden emplear en el aula para aprovechar al máximo el potencial del Análisis de Video, también conocido como ViMAS (Análisis de Movimiento de Video Usando Smartphones).
1. Un poco de historia
El análisis de video, o el examen detallado del movimiento a través de secuencias de video, implica capturar las posiciones de un objeto o persona a medida que se mueven con el tiempo. Su crecimiento como herramienta de enseñanza ha capitalizado el desarrollo de la tecnología, y especialmente la tecnología de imagen.
Los primeros intentos de estudiar el movimiento a través de imágenes se remontan al siglo XIX, utilizando una tecnología llamada cronofotografía. Fue pionera del fotógrafo francés Étienne-Jules Marey, con su rifle fotográfico capaz de capturar imágenes secuenciales rápidas, revolucionó el estudio del movimiento en animales, humanos y objetos mecánicos. En Inglaterra, Eadweard Muybridge aprovechó esta técnica para probar que los caballos levantan las cuatro pezuñas del suelo durante un galope, resolviendo un largo debate científico a través de la fotografía. A mediados del siglo XX, la estadounidense Berenice Abbott utilizó la fotografía de alta velocidad y estroboscópica en su proyecto "Documentando la Ciencia" para desmitificar principios científicos, haciendo conceptos complejos accesibles a un público más amplio. Su trabajo sigue siendo invaluable para analizar la dinámica de objetos cayendo y otros movimientos. Continúa siendo utilizado como material de enseñanza en muchas aulas.
Los años 1980 vieron una nueva fase en el uso de la tecnología para estudiar el movimiento para la educación con la llegada de la tecnología VHS asequible, permitiendo la filmación y análisis cuadro por cuadro de los movimientos de objetos. Los estudiantes podían pausar, avanzar rápidamente y marcar posiciones en los videos para calcular velocidades y aceleraciones, a pesar de la emoción y el compromiso que este nuevo enfoque fomentaba, la tecnología de la época se quedaba corta en precisión, resultando en videos borrosos inadecuados para un análisis exhaustivo. A pesar de los logros históricos de métodos como la cronofotografía, la tecnología de video de los años 1990 no estaba a la altura de las ambiciones pedagógicas de esta estrategia educativa innovadora.
Hoy en día, la llegada de la tecnología móvil moderna equipa a cada estudiante con los medios no solo para capturar videos de alta calidad de movimientos sino también para diseccionar estas grabaciones con herramientas de análisis avanzadas y computarizadas en tabletas o smartphones, marcando una nueva era en la enseñanza de la mecánica.
2. Interés educativo del análisis cinemático por video
Llevar a cabo un análisis de video de un movimiento implica cuatro pasos diferentes:
Selección de la situación a estudiar
Creación del video para analizar
Apuntar y adquisición de datos
Análisis de datos
Cada etapa del proceso de análisis cinemático presenta un viaje educativo único, fomentando interacciones atractivas entre los estudiantes.
En la fase de selección, los estudiantes se sumergen en la elección del enfoque de su análisis. Ya sea que estén cautivados por un aspecto específico de un deporte, el movimiento de un objeto, o buscando iluminar conceptos físicos como movimientos uniformes o acelerados, trayectorias rectilíneas o circulares, o explorando la dinámica y energía del movimiento, este proceso de decisión despierta la curiosidad y el pensamiento crítico.
Tras su elección, los estudiantes comienzan a capturar el movimiento a través de video, enfrentando y resolviendo varios desafíos prácticos. Abordar problemas como el error de paralaje, seleccionar la tasa de cuadros adecuada, determinar escalas y la colocación óptima de la cámara cultiva habilidades de resolución de problemas y comprensión técnica, culminando en un video apto para un análisis detallado.
En la tercera fase, los estudiantes señalan posiciones utilizando software especializado en computadoras, tabletas o smartphones, una tarea que se ha hecho más accesible con aplicaciones como FizziQ. Este paso los introduce a la recolección precisa de datos, mejorando su atención al detalle.
El análisis de los datos de trayectoria marca el siguiente paso. Ya sea utilizando la misma aplicación para marcar puntos, software especializado en análisis de datos, o incluso una hoja de cálculo, los estudiantes se adentran en el corazón de la cinemática, convirtiendo conceptos abstractos en realidades tangibles.
El análisis de video está transformando la educación en física al hacerla inmersiva y dinámica. A través de videos del mundo real, los estudiantes comprenden y investigan visualmente el movimiento, uniendo la teoría con la aplicación práctica. Las herramientas de software avanzadas permiten la exploración interactiva de parámetros cinemáticos, enriqueciendo la experiencia de aprendizaje tanto a nivel individual como colaborativo. Este enfoque práctico no solo estimula discusiones animadas y proyectos en grupo, sino que también permite la comprobación empírica inmediata de teorías, profundizando significativamente la comprensión de los estudiantes sobre los fundamentos de la física.
3. Eligiendo tu Campo de Juego en Física
A menudo tendemos a olvidarlo, pero la física no es solo el estudio de agujeros negros y mecánica cuántica. Ciertamente, estos avances en campos teóricos son extremadamente interesantes pero, en última instancia, de poca utilidad en la vida cotidiana. La física es también, y sobre todo, la comprensión de los fenómenos de la vida cotidiana. Uno de los grandes beneficios de estudiar cinemática mediante el análisis de video es, por lo tanto, el estudio de los fenómenos con los que los estudiantes se encuentran en sus vidas.
¿Qué fenómenos pueden estudiar los estudiantes? Todo depende de si eligen un enfoque temático o un enfoque conceptual.
Como parte de un enfoque temático, uno de los temas más interesantes para estudiar es la física del deporte. El cuerpo humano es un maravilloso campo de juego y el deporte es el epítome de su desarrollo. La mezcla del estudio de la física y el deporte atrae a la mayoría de los estudiantes porque cada uno tiene un deporte o actividad favorita. Cada deporte contiene fascinantes temas de estudio, como muestra el inventario de actividades ganadoras durante la competencia de la Société Française de Physique, que se centró en “Física y Deportes”. Más de 100 clases utilizaron su imaginación desbordante para estudiar la física de los deportes utilizando la aplicación gratuita FizziQ, y estudiaron más de 30 tipos diferentes de deportes como el kayak, balonmano, lanzamiento de peso, vela, gimnasia, equitación, pases de rugby, movimientos de jugadores en un partido de fútbol, lanzamiento de jabalina paralímpico, etc.
Encontrarás en nuestro artículo 15 actividades inspiradoras que se pueden llevar a cabo en clase.
El estudio cinemático por video también permite al profesor ilustrar conceptos físicos mediante el estudio de videos que ilustran específicamente un movimiento. Aquí, por ejemplo, hay ejemplos de videos que podrían usarse y los conceptos adjuntos a ellos:
- Movimiento uniforme: Bicicleta, persona caminando, pelota lanzada al suelo. Estudio de la trayectoria, cálculo de velocidad.
- Caída libre: Objeto cayendo. Trayectoria, velocidad, aceleración, cálculo de g, cálculo de vectores de velocidad, fricción.
- Péndulo simple: Análisis del movimiento oscilatorio de un péndulo simple. Conservación de la energía mecánica, período y longitud del hilo, amplitud, velocidad en el punto más bajo, cálculo de vectores de velocidad.
- Movimiento parabólico: Objeto lanzado al aire. Estudio de la trayectoria parabólica, alcance, altura máxima, duración del vuelo, conservación de la energía mecánica.
- Movimiento circular uniforme: Un objeto en movimiento circular uniforme, como una bola unida a un alambre rotativo. Velocidad tangencial.
- Movimiento de un resorte: Análisis del movimiento de un objeto unido a un resorte en oscilación vertical u horizontal. Medición del período, amplitud y constante de rigidez del resorte.
- Fricción: Estudio del efecto de la fricción de un volante de bádminton o un objeto deslizándose sobre una superficie o la caída de una gota en un líquido. Distancia recorrida, vector de velocidad, coeficiente de fricción.
- Colisión: Estudio de colisión elástica y no elástica. Energía cinética de los dos objetos, determinación del tipo de colisión.
- Olas: Observar la propagación de olas en la superficie del agua o en una cuerda tensa. Analizar la velocidad de propagación, longitud de onda y frecuencia de las olas.
- Movimientos complejos: movimientos de atletas que involucran varias secuencias como el salto con pértiga. Energía, velocidad, aceleración
- Centro de inercia: Estudio de un objeto lanzado en rotación. Determinación del centro de inercia
Con el análisis libre o ilustración de conceptos, vemos que el análisis cinemático por video presenta inmensas oportunidades para permitir
que los estudiantes descubran y comprendan mejor la física del movimiento.
4. Dominando la Creación de Videos para Análisis de Movimiento
Contrario a lo que uno podría creer, hacer el video es la parte más difícil y probablemente la más gratificante para los estudiantes. Durante esta realización, descubrirán todos los elementos que más tarde serán importantes durante el análisis.
Hemos descrito en otro artículo 7 consejos para hacer un buen video para análisis de movimiento que se pueden resumir de la siguiente manera.
El uso de un smartphone, capaz de filmar en resolución 720p, es suficiente para crear videos utilizables, haciendo esta tecnología accesible para todos los estudiantes. Para asegurar la precisión del análisis, es crucial estabilizar la cámara, idealmente usando un trípode o colocando el dispositivo en una superficie estable, evitando así cualquier movimiento espurio que podría distorsionar la interpretación del movimiento del objeto filmado.
Agregar una escala al campo de video es necesario para igualar las dimensiones en pantalla con las del mundo real. Esto permite un análisis preciso de los movimientos y dimensiones de los objetos en movimiento. También es importante mantener una distancia constante entre el objeto en movimiento y la cámara para evitar distorsiones debido a variaciones en la distancia, lo cual se puede gestionar posicionándose correctamente o usando el zoom con juicio.
Facilitar el apuntado es otro aspecto crucial para obtener buenos datos; el objeto filmado debe ser claramente identificable y contrastado con el fondo para permitir un marcado preciso de sus posiciones sucesivas. Esto puede requerir acercarse más al objeto o usar un signo distintivo para facilitar el seguimiento. Ajustar la tasa de cuadros basada en la velocidad del movimiento es también esencial para capturar imágenes nítidas y utilizables, con atención particular a respetar el intervalo de tiempo entre imágenes durante el análisis.
Finalmente, verificar el encuadre antes de comenzar a grabar asegura que toda la secuencia de movimiento deseada esté incluida en el video, permitiendo un análisis detallado de principio a fin. Estas prácticas optimizan el uso de videos cinemáticos para el estudio de la física, haciendo el aprendizaje más interactivo, preciso y atractivo para los estudiantes.
5. Mejor Software para Análisis de Video
Una vez que hemos producido el video, debemos analizarlo para realizar mediciones de los fenómenos físicos que deseamos estudiar. Para esto utilizamos software de apuntado. Este software tiene varias funciones:
- Escalado que permite igualar la escala de la pantalla al tamaño en el mundo real.
- Apuntado de movimiento cuadro por cuadro.
- Cálculo de posiciones y sus derivados a partir del apuntado y la escala.
- Exportación de datos.
El análisis se puede realizar en computadoras, smartphones o tabletas y requiere softwares específicos. Algunos son gratuitos, mientras que otros, como Vernier, requieren inscripción de pago.
Para computadoras, los softwares más utilizados son:
- Tracker: Tracker es un software gratuito y de código abierto que combina análisis de video y modelado. Permite a los usuarios analizar y comparar movimientos de videos.
- Logger Pro: Desarrollado por Vernier, Logger Pro integra análisis de video con un conjunto de herramientas de recolección y análisis de datos científicos. Aunque es de pago, Logger Pro es ampliamente utilizado en establecimientos educativos por su interfaz intuitiva y sus muchas características.
- PhysMo: PhysMo es un software de análisis de video de código abierto diseñado específicamente para necesidades educativas. Permite analizar el movimiento en videos grabados usando cualquier cámara estándar.
Para tabletas, smartphones y Chromebooks, las dos mejores aplicaciones son:
- FizziQ: Una aplicación gratuita disponible para smartphone y tableta que permite apuntar, cálculo de posiciones, velocidad, aceleración, energía y rotación de móviles, así como análisis de datos en un cuaderno de experiencias y su exportación en formato Excel y Python. FizziQ también tiene una biblioteca de más de 30 videos accesibles gratuitamente.
- Vernier Video Physics: Disponible en iOS, esta aplicación de pago permite crear diagramas de movimiento a partir de videos tomados con el smartphone.
Usar smartphones y tabletas para análisis cinemático es particularmente interesante por varias razones: primero, porque los videos creados por los estudiantes están la mayoría de las veces en sus smartphones o tabletas; luego, porque el análisis es especialmente rápido de realizar y no requiere el uso de equipos que toman mucho tiempo para configurar o que no siempre están disponibles; finalmente, porque familiariza a los estudiantes con las numerosas posibilidades de las herramientas digitales que utilizan.
6. Análisis de Datos
Después de la etapa de apuntado y adquisición de datos viene la fase final de análisis de datos. A partir de los datos de posición, podemos calcular todos los elementos característicos de la física del movimiento: velocidad, aceleración, rotación, energía cinética y energía potencial. Estas mediciones permitirán caracterizar los fenómenos involucrados y verificar la teoría mediante cálculo experimental.
Durante este proceso, prestaremos especial atención al modelado o ajuste de datos (en inglés, fitting). De hecho, los datos del análisis cinemático por video pueden presentar variaciones debido a errores de apuntado y el ajuste es un paso esencial para obtener datos utilizables. En la aplicación FizziQ, por ejemplo, los datos de posición se ajustan para el cálculo de velocidad y aceleración mediante ajuste cuadrático. Además, los gráficos en el libro de experimentos también pueden ser modelados con un ajuste cuadrático o lineal.
Además de los cálculos de trayectoria, velocidad o aceleración, los datos precisos de trayectoria hacen posible estudiar una gran cantidad de fenómenos físicos como el cálculo de g, el análisis de la fricción, la conservación de la energía mecánica, el alcance de un vuelo parabólico, aceleración tangencial, amplitud y constante de rigidez del resorte, tipos de colisión, centro de gravedad, ...
La mayoría de los softwares de apuntado permiten la exportación de datos, lo que hace posible estudiar los datos con software de análisis especializado o, por ejemplo, con Excel. Cabe destacar que la aplicación FizziQ también permite exportar en formato de línea Python, lo que simplifica significativamente su uso para los estudiantes.
Conclusión
El análisis de movimiento por vídeo no es sólo un enfoque novedoso para estudiar física: es una poderosa herramienta pedagógica que resuena con las sensibilidades de aprendizaje de la era digital. Al combinar la teoría con la práctica y proporcionar una plataforma interactiva para la exploración y el análisis, profundiza la comprensión y apreciación de los estudiantes sobre la intrincada danza de fuerzas y movimientos que gobiernan nuestro universo.
Biography
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