Uso Camara Videocom
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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
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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.
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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
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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.