USO DE LA CÁMARA VIDEOCOM

Laboratorios de Física, Universidad Técnica Federico Santa María Campus Santiago

Introducción

La cámara VideoCom permite capturar la posición

relativa de un objeto en función del tiempo en una

dimensión. Con estos datos se podrá calcular a través del

computador la velocidad y aceleración y así describir el

movimiento del cuerpo para un posterior análisis.

Se debe tener claro que la cámara es un dispositivo que

reemplaza otros sistemas de medición de posición en

función del tiempo, automatizando la toma de datos, por lo

cual se puede considerar un medidor de posición en el

tiempo a distancia.

Breve Descripción de la Cámara

La cámara VideoCom registra la posición de un objeto

emitiendo pulsos periódicos de luz que son reflejados en una

cinta reflectante adherida al objeto en estudio.

El reflejo de cada pulso es detectado por un sensor de

luz en el interior de la cámara, y es registrado por el

software.

Los pulsos de luz son emitidos a intervalos regulares de

tiempo, por dos filas de diodos emisores de luz

(comúnmente llamados LED, del inglés Light Emitting

Diode), ubicados en el frente de la cámara, en torno a la

ranura de entrada de luz (Figura 1).

Figura 1: Esquema representativo de la cámara VideoCom.

La luz ingresa a la cámara a través de una ranura y de

un lente, y es detectada por un dispositivo semiconductor

llamado CCD (del inglés Charge Coupled Device,

“dispositivo acoplado a carga”). Este dispositivo contiene

un gran número de elementos de registro de imagen,

llamados pixeles, que permiten registrar la posición en que

llega el pulso. Por lo tanto, describir el movimiento del

cuerpo en el cual la luz fue reflejada.

Los CCD´s son muy utilizados hoy en día en cámaras

de video, cámaras fotográficas digitales y otras aplicaciones

similares. La información de los registros de posición es

enviada al computador para su análisis.

Breve Descripción del Software

El software asociado a la cámara permite, entre otras

funciones, calcular aproximadamente la rapidez instantánea

y la aceleración instantánea del objeto observado, y

representar gráficamente estas variables en función del

tiempo. La rapidez instantánea se define como:

Para poder usar esta definición se requiere conocer la

posición s como una función continua del tiempo. Sin

embargo, al igual que en muchas situaciones prácticas en

ingeniería, el equipo utilizado en esta experiencia registra la

posición en forma discontinua, es decir, sólo en ciertos

instantes a intervalos regulares de tiempo, por lo que la

rapidez instantánea debe calcularse en forma aproximada.

El resultado de la aproximación será mejor si los

intervalos de tiempo son pequeños, comparados con los

tiempos en que se producen los cambios que se desea

observar. El intervalo de tiempo más pequeño que puede

generar la cámara VideoCom es de 6,25 milisegundos si está

conectada a través de un puerto USB y 12,5 [ms] si se

conecta a un puerto COM.

El algoritmo usado por el software se describe a

continuación. Si llamamos si a la posición en el instante ti y

T al intervalo de tiempo entre dos registros consecutivos,

entonces la rapidez instantánea en el instante ti es

aproximada mediante la expresión:

Es decir, la rapidez instantánea es aproximada a la

rapidez media entre el punto anterior y el punto siguiente.

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

CAMPUS SANTIAGO

LABORATORIOS DE FÍSICA

PRIMER SEMESTRE 2012

Para poder suavizar el efecto de los errores aleatorios,

el software permite además la opción de calcular la rapidez

media, entre el punto n-anterior y el punto n-posterior al

punto i-ésimo, donde n puede ser 1, 2 ó 4.

El valor recomendado en el software por defecto, es

.

Ajustes, Herramientas y Opciones del

Software

Lo primero que se debe considerar, es que la cámara

debe ver todo el recorrido de los móviles. Para ello se debe

alinear la visual de la cámara con el recorrido que realizarán

los móviles (se debe recordar que la cámara sólo ve en una

sola dimensión), este paso es crucial para obtener buenos

datos.

La cámara debe estar paralela al recorrido de los

móviles. Además, se deben ver los móviles en los extremos

de la visual de la cámara, para realizar este ajuste se debe

recurrir al menú de Prueba de Intensidad, en el cual se

podrá observar dos peak que se asocian a los móviles. La

idea es que estos peak sobrepasen el 50% de intensidad y

que sean visibles durante todo el recorrido con un valor

similar.

Como se mencionó anteriormente el software de la

cámara captura la posición relativa de un móvil. Sin

embargo, esta posición está asociada a un determinado píxel

de la cámara. Por lo anterior, es necesario realizar un

proceso de calibración, el cual permite traducir la posición

relativa de píxeles a metros.

Para realizar la calibración es necesario presionar el

botón de Herramientas del software, el cual se puede

apreciar en la Figura 2.

Figura 2: Botón Herramientas del software VideoCom para

realizar el proceso de calibración.

Una vez presionada la opción se visualizan las opciones

de Ajustes/Calibración del recorrido, como se muestra en la

Figura 3. Esta opción permite setear la cámara, en cuanto a

la cantidad de datos que toma por segundo, la intensidad del

destello y la forma de detención de las mediciones.

Figura 3: Menú de calibración de la cámara VideoCom.

En esta ventana aparece también el menú de

Calibración del recorrido, ahí se deberá ingresar para

transformar la escala que el programa mantiene en píxeles, a

metros. Para realizar esta calibración se debe asegurar que la

cámara detecte dos cuerpos (cintas reflectantes) en la

trayectoria. Esto se puede verificar si aparecen los dibujos

de los cuerpos en pantalla, como en la Figura 4.

Figura 4: Visualización de los móviles. Regla del software en

pixeles.

Una vez que los móviles están visibles, se debe medir la

distancia entre éstos (se puede ocupar la huincha métrica

adosada al riel o la proporcionada en los materiales del

laboratorio). La cámara detecta la cinta reflectora que llevan

los móviles. Por lo tanto, se debe medir la distancia entre

cintas, tomando como referencia el mismo extremo de las

cintas (punto medio, extremo izquierdo, extremo derecho),

esto porque las cintas tienen un grosor considerable. El

valor obtenido es ingresado en metros, según lo mostrado en

la Figura 5 Paso 1.

Figura 5: Calibración del recorrido. Pasos: 1) ingresar la distancia

entre los móviles en metros, 2) presionar el botón Leer pixel del

visualizador y 3) presionar el botón Aceptar.

Una vez ingresado el valor, se debe presionar el botón

Leer pixel del visualizador para realizar la conversión y

luego presionar el botón Aceptar según los pasos 2 y 3 de la

Figura 5.

Aparecerá entonces en la pantalla principal la regla de

posición como se muestra en la Figura 6. Se observa aquí

que la distancia que separa ambos móviles coincide con lo

mostrado en la pantalla.

Figura 6: Visualización de los móviles. Regla del software en

metros.

La cámara realiza la detección de izquierda a derecha.

Por lo tanto, el cuerpo que se encuentre más a la izquierda

será reconocido como móvil 1 y el siguiente como móvil 2.

Si se desea invertir el sentido de la escala se debe presionar

en la pantalla de calibración el botón Reflejar posiciones.

Realizado lo anterior, la cámara estará lista para

comenzar a capturar datos de la posición relativa de un

móvil en función del tiempo. Para iniciar la medición se

debe presionar el botón reloj, la detención es también a

través del mismo botón o según lo programado en el menú

de calibración del recorrido.

Automáticamente se generan las tablas y gráficos de

posición, velocidad y aceleración en función del tiempo.

Herramientas y Opciones para el Análisis de

los Datos Obtenidos

Para realizar el análisis de los gráficos como identificar

intervalos, obtener valor medio, agregar texto, etc., se utiliza

el menú que se despliega al presionar el botón derecho del

mouse, mostrado en la Figura 7. Algunas de ellas se

describen a continuación:

Haciendo clic en la opción Zoom para seleccionar una

parte del gráfico que se desea aislar y agrandar en la

pantalla. Para esto, se debe arrastrar el mouse en la región

que se desea agrandar. Para volver al gráfico original, clic

en Desactivar Zoom.

Haciendo clic en la opción Valor medio de intervalos

se calcula el valor medio de un conjunto de valores. Para

esto, se arrastra el mouse por el conjunto de valores, o

puntos.

La opción Pegar marcas, despliega un submenú donde

se puede pegar marcas de referencia y los valores de las

evaluaciones realizadas, sobre el mismo gráfico.

Figura 7: Menú de herramientas para el análisis de los datos

registrados por el software VideoCom.

Para definir y graficar una variable en función del

tiempo se debe hacer clic en el menú de Herramientas y

luego en Fórmula, para desplegar el menú de la Figura 8.

Figura 8: Menú de Fórmula en el menú de Ajustes.

Las opciones del menú son auto explicativas. Se usan

los símbolos usuales para las operaciones (* para la

multiplicación, ^ para elevar a potencia). Se puede usar los

símbolos dados por el software de la cámara a las siguientes

variables: t para el tiempo, s1 y s2 para las posiciones de los

móviles 1 y 2 respectivamente, v1 y v2 para las velocidades,

y a1 y a2 para las aceleraciones. Por ejemplo, si las masas

de los carros son m1 = 0,235 [kg] y m2 = 0,347 [kg],

entonces la fórmula para la energía cinética del sistema

sería:

0,235 * v1^2 / 2 + 0,347 * v2^2 / 2

Para calcular aproximadamente la integral de una

variable en función del tiempo (por ejemplo, para calcular el

impulso realizado por una fuerza durante un intervalo de

tiempo), se hace clic con el botón derecho y se selecciona la

opción Cálculo de la integral. Luego se arrastra el mouse

por el intervalo de tiempo correspondiente.

El valor de la integral aparece en caracteres pequeños

en el extremo inferior izquierdo de la pantalla al igual que

todas las evaluaciones que se realizan.

Complementos, Más Herramientas y Ayudas

del Software

Aunque se ha tratado de explicar detalladamente el uso

de la cámara Videocom en el presente documento, el

experimentador siempre tendrá algunas dudas adicionales,

las cuales es importante que aclare oportunamente. Para ello

es aconsejable que acuda a la ayuda proporcionada por el

software apretando F1 sobre la pantalla principal de

VideoCom.

Figura 9: Imagen de la cámara VideoCom utilizada en el

Laboratorio de Física.