Los sensores de los smartphones y el análisis de video: dos aliados en el laboratorio de Física

Publicado en el blog de Martín Monteiro .
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«Los sensores de los smartphones y el análisis de video: dos aliados en el laboratorio de Física»
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M. Monteiro (1,2), C. Cabeza (2), C. Stari (3) and A. C. Marti (2)

1. Universidad ORT Uruguay, Cuareim 1451, Montevideo, Uruguay
2. Facultad de Ciencias, UdelaR, Iguá 4225, Montevideo, Uruguay
3. Facultad de Ingeniería, UdelaR, Av. Julio Herrera y Reissig 565, Montevideo, Uruguay

Resumen.
Recientemente, dos tecnologías: el análisis de video y los sensores de los smartphones han impactado considerablemente la enseñanza de Física. Sin embargo, en general, estas técnicas se usan por separado. Aquí, nos centramos en una característica menos explorada: la posibilidad de utilizar el análisis de video en forma complementaria y con los sensores de los teléfonos inteligentes (u otros dispositivos móviles). Primero, revisamos algunos experimentos reportados en la literatura usando ambas herramientas. A continuación, presentamos un experimento especialmente adecuado para comparar ambos recursos y discutir en detalle algunos resultados típicos. Descubrimos que, como regla, el análisis de video proporciona distancias o variables angulares, mientras que los sensores proporcionan velocidad o aceleración (lineal o angular). La derivación numérica de derivadas superiores, es decir, la aceleración, generalmente implica resultados más ruidosos, mientras que el proceso opuesto (la integración numérica de una evolución temporal) da lugar a la acumulación de errores. En una situación de aula, la comparación entre estas dos técnicas ofrece la oportunidad de discutir no solo conceptos relacionados con el experimento específico, sino también con los aspectos experimentales y numéricos, incluidos sus pros y sus contras.

1. Análisis de video y sensores de teléfonos inteligentes en el laboratorio
En los últimos años, dos tecnologías irrumpieron en las aulas y laboratorios de física. Una es el uso del análisis de video, es decir, el seguimiento manual o automático de objetos, cuadro por cuadro, en videos digitales, obtenidos por los propios estudiantes o de una biblioteca o repositorio abierto [1]. El otro es más reciente y se basa en dispositivos móviles modernos. De hecho, en la literatura, se han propuesto numerosos experimentos de física basados ​​en teléfonos inteligentes [2]. Estos experimentos aprovechan los sensores integrados del teléfono inteligente como el acelerómetro, el giroscopio (sensor de velocidad angular), el magnetómetro, el proxímetro, el fotómetro (luz ambiente), el sensor de presión (barómetro), el micrófono, entre otros. Como regla general, en la literatura sobre Enseñanza de la Física se propone un número interminable de experimentos basados ​​en una u otra tecnología, pero rara vez se utilizan simultáneamente ambos. Como consideramos que esta es una ventana de oportunidad que no se ha explotado completamente, aquí discutimos algunos experimentos que involucran tanto análisis de video como sensores de teléfonos inteligentes y analizamos las perspectivas futuras.

El uso de los teléfonos inteligentes se ha expandido fuertemente en los últimos años. Sorprendentemente, su uso va mucho más allá del propósito original de hablar por teléfono. De hecho, cada día es más frecuente usar teléfonos inteligentes como relojes, cámaras, agendas, reproductores de música o GPS. Más notable es el hábito, especialmente entre los jóvenes, de llevar sus teléfonos inteligentes en todo momento y en todas partes. Desde el punto de vista de un físico, es impresionante que los teléfonos inteligentes usualmente incorporen varios sensores, incluyendo acelerómetro, sensor de velocidad angular, magnetómetro, sensor de proximidad o de presión. Aunque estos sensores no se suministran con propósitos educativos en mente, pueden emplearse en una amplia gama de experimentos de física, especialmente en laboratorios de secundaria o de pregrado [2-5]. Además, los experimentos con teléfonos inteligentes se pueden realizar fácilmente en lugares no tradicionales como parques infantiles, gimnasios, entre muchas otras instalaciones no convencionales. Todas las posibilidades que exhiben los teléfonos inteligentes, fomentan el interés de los estudiantes en explorar, medir y conocer el mundo físico que los rodea.

El análisis de video es una herramienta útil en los laboratorios de física en muchos niveles. Hay varios paquetes de software disponibles, pero uno de ellos, Tracker [1], que es gratuito y abierto, se ha convertido en una herramienta estándar en el marco de la enseñanza de la Física. En todos los casos, la idea subyacente es la posibilidad de analizar registros digitales de experimentos, cuadro por cuadro, para obtener magnitudes físicas. El ejemplo más común es la obtención de coordenadas lineales o angulares, sin embargo, como se muestra en varios documentos, este procedimiento puede extenderse al centro de masa o coordenadas normales en problemas oscilatorios y también como una herramienta de modelado [6,7]. En este enfoque, Tracker resuelve numéricamente la ecuación diferencial de movimiento, propuesta por el usuario, utilizando algoritmos numéricos apropiados.

En la siguiente sección revisaremos brevemente algunos experimentos que hacen uso de ambas tecnologías. Después de eso, en la Sección III se presenta un experimento que trata temas específicos, pros y contras. Finalmente, en la Sección IV presentamos los comentarios finales.

2. Experimentos con análisis de video y sensores.
En la literatura científica se han publicado recientemente algunos artículos que utilizan tanto análisis de video como sensores de teléfonos inteligentes. En una de las referencias pioneras [3], Castro-Palacio et al. propusieron el uso del sensor de aceleración de un teléfono inteligente para el estudio de los movimientos circulares uniformes y uniformemente acelerados y corroboraron sus resultados con las medidas obtenidas mediante un modelo físico y las grabaciones de video de los experimentos.

Otra referencia digna de mención de tres de nosotros [4] se centra en el péndulo físico. Este sistema fue estudiado por medio de los sensores de aceleración y velocidad angular (giroscopio). El péndulo puede girar, dando vueltas completas en una dirección, u oscilar alrededor de la posición de equilibrio (realizando oscilaciones pequeñas o grandes). La aceleración radial y tangencial y la velocidad angular obtenida con sensores de teléfonos inteligentes permiten analizar la dinámica y, notablemente, aprovechando el uso simultáneo del acelerómetro y el giroscopio, se obtienen directamente las trayectorias en el espacio de fases. La coherencia de las medidas obtenidas con los diferentes sensores se corrobora con el análisis de video. Este enfoque se amplió en la Ref. [6] para incluir la obtención de la aceleración (real) en lugar de una aceleración aparente, que es la que obtiene directamente el sensor de aceleración. Esto, de hecho, es una consecuencia del principio de equivalencia que afirma que un sensor fijado en un marco de referencia no inercial no puede discernir entre un campo gravitacional y un sistema acelerado. En este caso, mostramos cómo procesar los valores de aceleración leídos por estos sensores para determinar la componente gravitacional de la aceleración.

Además de la mecánica clásica, otros experimentos propuestos implican electromagnetismo y física moderna. Recientemente, Pirbhai [8] midió la relación e/m (carga/masa del electrón) utilizando teléfonos inteligentes para medir las intensidades de campo magnético y las cámaras de los teléfonos y el análisis de video para determinar la relación carga/masa del electrón con una precisión considerable. Simo [9] también propuso un experimento que involucra el electromagnetismo y, en este caso, la ley de Faraday-Lenz. Al dejar caer un trozo de imán a través de un tubo de metacrilato que cruza una bobina, el campo electromagnético medido está relacionado con la posición del imán dependiendo del tiempo. Otro ejemplo es la ref. [10], donde la dinámica de un juguete tradicional, el yoyo, se investiga teórica y experimentalmente utilizando sensores de teléfonos inteligentes. En particular, usando el giroscopio se mide la velocidad angular. Los resultados experimentales se complementan gracias a un análisis de video digital. Se discute la concordancia entre los resultados teóricos y experimentales.

También vale la pena mencionar el experimento sobre la forma de una superficie líquida en un sistema giratorio dependiendo de la velocidad angular [11]. Este experimento consiste en un fluido en un recipiente rectangular con un ancho pequeño colocado en una mesa giratoria. Un teléfono inteligente fijado al sistema giratorio registra simultáneamente la superficie del fluido con la cámara y también, gracias al sensor del teléfono inteligente, la velocidad angular. El análisis de video se utiliza para obtener la forma de la superficie: la concavidad de la parábola y la altura del vértice. Finalmente, mencionemos un curioso experimento sobre la descarga de un circuito RC [12]. Allí se muestra cómo analizar mediante análisis de video la descarga del condensador y correlacionar los datos con la información proporcionada por los sensores.

3. Resultados experimentales sobre el péndulo físico.
Un ejemplo típico de sistema físico de suma importancia en el nivel secundario y universitario es el péndulo físico, que consiste en un cuerpo rígido que puede girar libremente alrededor de un eje horizontal a través de un centro fijo de suspensión. Este experimento es apropiado para ser analizado utilizando análisis de video y sensores de teléfonos inteligentes.

Consideramos un péndulo físico compuesto por una rueda de bicicleta con su eje fijo en una posición horizontal alrededor de la cual gira la rueda en un plano vertical, y un teléfono inteligente fijado al borde exterior de la rueda, como se muestra en la Figura 1. Un teléfono inteligente operado con Android (LG G2 D805) equipado con un sensor de acelerómetro LGE de 3 ejes (STMicroelectronics, resolución de 0,001 m/s^2) y un giroscopio LGE de 3 ejes (STMicroelectronics, resolución de 0,001 rad/s). La información técnica sobre la ubicación exacta de los sensores dentro del teléfono inteligente se obtuvo del fabricante y se verificó por métodos físicos [5]. La aplicación Androsensor se utilizó para registrar las lecturas del sensor [13].

Las variables físicas relevantes, ángulo, velocidad angular y aceleración angular, se obtuvieron experimentalmente mediante análisis de video y el sensor de orientación del teléfono inteligente. Además, el ángulo se calculó utilizando la información proporcionada por el acelerómetro y el giroscopio como se informa en [5]. En la Figura 2 se muestra una captura de pantalla de Tracker. Como se mencionó anteriormente, dadas las escalas de longitud y tiempo, el software analiza cuadro por cuadro y calcula, en primer lugar, el ángulo. Luego, usando métodos numéricos, se obtiene la velocidad angular y, por último, la aceleración angular.

La evolución temporal del ángulo se representa en las Figs. 3 y 4. Distinguimos dos regiones, en la primera (Figura 3) el péndulo pasa a través de la posición más alta (el punto de equilibrio no estable). Tanto el análisis calculado a partir de las medidas del acelerómetro y el giroscopio, como el de video coinciden muy bien, sin embargo, el sensor de orientación no puede proporcionar los valores correctos.

La figura 5 muestra la evolución temporal de la aceleración angular. Como se puede apreciar, los valores obtenidos con el análisis de video (derivando el ángulo dos veces) son mucho más ruidosos que los obtenidos por el giroscopio (derivando la velocidad angular).

4. Observaciones finales
En este artículo hemos demostrado que los sensores de teléfonos inteligentes y el análisis de video son herramientas complementarias en la enseñanza de la física. Ambos presentan sus ventajas y desventajas y pueden emplearse de manera complementaria. Como se muestra en varios ejemplos, disponibles en la literatura, estas herramientas se pueden utilizar, en configuraciones experimentales específicas, para corroborar la coherencia de diferentes medidas. En otras situaciones experimentales, estas herramientas se pueden utilizar para obtener diferentes cantidades físicas. En estos casos, es necesario proceder con precaución. Por lo general, las cantidades físicas obtenidas por métodos numéricos, como la velocidad o la aceleración, obtenidas del análisis de video son considerablemente más ruidosas que las obtenidas con los sensores típicos. Además, se encontró que las medidas obtenidas con la aceleración lineal eran inexactas, en particular cuando el teléfono inteligente se mueve cerca del punto de equilibrio inestable.

Tanto el análisis de video como los sensores de los teléfonos inteligentes son herramientas valiosas útiles para dilucidar una amplia gama de fenómenos físicos. Una comprensión adecuada de los principios operativos subyacentes es de fundamental importancia, un hecho que adquiere importancia a medida que el uso de teléfonos inteligentes y cámaras de video se generaliza con la disminución esperada en el costo. Todas las posibilidades que exhiben estas nuevas tecnologías, fomentan el interés de los estudiantes en explorar, medir y descubrir el mundo físico que los rodea.

Agradecimientos. Agradecemos al Programa de Desarrollo de las Ciencias Básicas (PEDECIBA) y CSIC, UdelaR, Grupos I + D, Física Nolineal (Uruguay) por su apoyo financiero.

5. Referencias

1. Brown D (2008) Video modeling: combining dynamic model simulations with traditional video analysis (https://www.compadre.org/OSP/items/detail.cfm?ID=7844)
2. Ver por ejemplo artículos sobre el tema en las revistas Physics Education, The European Journal of Physics y The Physics Teacher.
3. Castro-Palacio J C, Velazquez L, Gómez-Tejedor J A, Manjón F J, Monsoriu J A (2014) Rev. Bras. Ensino Fís. 36 2
4. Monteiro M, Cabeza C, Martí A C (2014) Eur. J. Phys. 35(4), 045013.
5. Monteiro M, Cabeza C, Martí A C (2015) Rev. Bras. Ensino Fís. 37(1), 1303
6. Suárez Á, Baccino D, Martí A C (2019) Phys. Educ. 54(3), 035007
7. Suárez Á, Baccino D, Martí A C (2019) Phys. Educ. 55(1), 013002
8. Pirbhai M (2020) Phys. Educ. 55(1), 015001
9. Simó V L (2018) Ciències: revista del professorat de ciències de Primària i Secundària 35, 17-21.
10. Salinas I, Monteiro M, Marti A C, Monsoriu J A (2019) Phys. Teacher (in press).
11. Monteiro M, Tornaría F, Marti A C (2019), arXiv preprint arXiv:1908.04256.
12. Pablo Aguilar-Marín et al (2018) Eur. J. Phys. 39, 035204
13. Androsensor, available at Google Play, http://play.google.com, acceso en diciembre 2019.

Más física con smartphones:
http://smarterphysics.blogspot.com

https://redlbc.files.wordpress.com/2019/12/aba10-dsc02427.jpg?w=225