Estudiando el movimiento con una cámara y un flash (1)

Cuando queremos estudiar el movimiento de un cuerpo en el laboratorio suelen presentarse varios problemas: si el cuerpo realiza una caída libre (lo dejamos caer), lo hace tan rápido que es muy difícil medir el tiempo con precisión; si lo dejamos caer por una rampa, podemos inclinarla más o menos para que tarde en caer lo suficiente para medir bien el tiempo, pero tendremos que hacer muchas medidas para cada marca que hagamos en la rampa…

Sin embargo, podemos hacer uso de una cámara de fotos (vale cualquiera que tenga zapata de flash o que al menos pueda dispararlo de forma inalámbrica) y… un flash con función estroboscópica (suele venir indicada como «Multi»).

En el experimento propuesto, dejaremos caer una pelota de ping pong por una rampa negra con una cinta métrica adherida, y en una sola foto recogeremos varias de las posiciones por las que va pasando, para posteriormente analizar dichos datos.

Fundamentos del experimento

Estudiar el movimiento de un cuerpo implica tomar varios pares de valores posición/tiempo, que llevaremos a una tabla y que representaremos gráficamente. Un análisis posterior nos permitirá determinar funciones como sus ecuaciones de posición y velocidad o valores como su aceleración.

Un flash estroboscópico lanza destellos de forma periódica, de tal manera que cada vez que lanza un destello la posición del cuerpo (la pelota de ping pong) queda recogida en la foto. Si configuramos la cámara para que recoga una imagen durante 1 segundo («tiempo de exposición») y en ese tiempo el flash ha dado 10 destellos, al dejar moverse la pelota la veremos en una sola foto 10 veces, cada vez en una posición distinta.

• La posición de la pelota se puede determinar con ayuda de la cinta métrica, que también aparecerá en la foto.
• El tiempo para cada posición es, curiosamente, lo más fácil de determinar. Si en un segundo lanza 10 destellos (esto lo podemos configurar), entre uno y otro hay una separación temporal de 0,1 segundos. Por lo tanto, a la primera posición de la pelota le asignaremos un tiempo de 0,0 segundos, a la segunda posición 0,1 segundos, etc.

 

Material necesario

Necesitaremos:

• Cámara digital (NO vale un teléfono móvil). Es necesario que se le pueda acoplar un flash externo y que se pueda configurar en modo manual para poder controlar el tiempo de exposición. En mi caso, he usado una Canon EOS 400D.
• Flash externo con función estroboscópica. El mío es el Yongnuo YN560-III.

• Un trípode.
• Cinta métrica.
• Un soporte rígido (por ejemplo, una tabla) de color negro.
• Una pelota de ping pong.

Montaje

Primeramente, pegaremos la cinta métrica a la tabla, de tal manera que deje algo de espacio por arriba. Pondremos la tabla en posición vertical, y enfrente la cámara (con el flash incorporado) acoplada en el trípode. Hay que colocarla a una distancia que permita ver toda la cinta métrica, para lo cual también nos podemos valer del zoom del objetivo. Si éste es de focal fija únicamente habrá que mover la cámara hacia delante o hacia atrás hasta que logremos ver toda la cinta. También es importante regular la altura del trípode, lo ideal es que la cámara esté a una altura que coincida con la mitad de la cinta métrica.

Luego hay que configurar la cámara y el flash, teniendo en cuenta que si la tabla es de 90 cm el tiempo de caída es de aproximadamente 0,4 segundos.

Cámara:

• Modo MANUAL
• Tiempo de exposición: 1,5 segundos
• Apertura: f11 (obtendremos gran nitidez, pero la pelota puede aparecer poco iluminada y verse mal; en este caso podremos abrir poniendo un valor de f menor).
• ISO: el más bajo que proporcione la cámara (normalmente 100)
• Enfocamos a la cinta métrica.

Flash:

• Modo MULTI
• Número de destellos: 15
• Frecuencia: 10 Hz (cada segundo lanzará 10 destellos, por lo que su iluminación durará 1,5 segundos)

Teniendo la habitación totalmente a oscuras programaremos la cámara para que haga una cuenta atrás (de manera parecida a lo que haríamos para salir nosotros en una foto), y al pulsar el botón de disparo agarraremos la bola dejándola a la altura del inicio de la cinta métrica. Cuando se dispare el flash soltamos la bola, y la cámara tomará una única foto en la que veremos las distintas posiciones por las que ha ido pasando ésta.

Toma de datos

Una vez tomada la foto, podemos retocarla con un programa como GIMP para que el fondo sea totalmente negro y la bola se distinga más dándole más color, pero es importante no deformar las dimensiones de la imagen para hacerla más alta o más ancha. En mi caso, la foto queda así:

El siguiente paso es más delicado: trazar una línea horizontal que pase por el centro de la bola y atraviese la cinta métrica. De esta manera, tendremos la posición de la pelota en cada destello del flash:

Vemos que las posiciones marcadas en la foto son:

0,5 cm; 3,8 cm; 16,7 cm; 38,6 cm

Como cada una de estas posiciones las vemos gracias a los destellos del flash, cuya separación es 0,1 s, podemos construir la tabla de datos:

t (s)	Y (m)
0,0	0,005
0,1	0,038
0,2	0,167
0,3	0,386

Conclusión

En este artículo hemos visto cómo podemos utilizar un flash estroboscópico como aparato de medida, y cómo extraer los datos de una única foto que recoge varias posiciones de un cuerpo.

En la segunda parte veremos cómo se analizan estos datos y reflexionaremos acerca de cómo podemos mejorar el experimento.