Praktikum 2

Váš úkol: Pomocí videozáznamu prozkoumejte pohyb rakety vyrobené z PET lahve, octa a jedlé sody.

Zjistěte, jak se v průběhu letu měnila její výška, uražená dráha a rychlost. Výsledky zpracujte pomocí videoanalýzy a vytvořte tři grafy.

Každý z vás natočí vlastní video, ale pracovat budete ve skupinách. Videa z různých úhlů můžete navíc využít k vytvoření společného filmového efektu.

Přípravu a vypuštění rakety zajistí vyučující. Vaším úkolem je připravit natáčení, pořídit kvalitní záznam a zpracovat výsledky.

1. Bezpečnost

Raketa je tlakové zařízení. Při reakci octa s jedlou sodou vzniká oxid uhličitý, který zvyšuje tlak uvnitř lahve. Dodržujte proto následující pravidla:

  • Experiment probíhá pouze venku na dostatečně velkém volném prostranství.
  • Vyučující určí bezpečný prostor pro pozorovatele. Všichni zůstanou na určených místech.
  • Nikdo se nesmí přibližovat k připravené raketě, naklánět se nad ni ani vstupovat do předpokládané oblasti jejího letu nebo dopadu.
  • Raketa může letět i jiným směrem, než očekáváme. Nesnažte se ji chytat.
  • Pokud raketa neodstartuje, nikdo se k ní samostatně nevrací. Vyčkejte pokynů vyučujícího.
  • Při natáčení nevstupujte do prostoru startu. Bezpečnost je důležitější než dobrý záběr.

2. Příprava natáčení

Abychom mohli videa později analyzovat a spojit, musíme dodržet několik společných pravidel.

Nastavení telefonu

  1. Natáčejte na výšku. Raketa se bude pohybovat především svisle, proto je tento formát vhodnější.
  2. Nastavte alespoň 60 snímků za sekundu (60 fps), pokud to telefon umožňuje. Vyšší snímková frekvence usnadní zachycení rychlého pohybu.
  3. Kamerou nepohybujte. Během celého záznamu musí zůstat ve stejné poloze. Nesledujte raketu pohybem telefonu ani nepoužívejte zoom.
  4. Nechte dostatek místa nad raketou. Pokuste se zachytit celý let, včetně nejvyššího bodu a následného pádu.
  5. Začněte nahrávat včas. Na videu musí být zachycen společný synchronizační signál, start i samotný let.

Rozmístění kamer a jejich pořadí

Rozmístěte se podle pokynů vyučujícího kolem místa startu v bezpečné vzdálenosti. Každý bude raketu snímat z jiného směru.

Velmi důležité: Ještě před startem si určete pořadí kamer po obvodu kruhu. Například ve směru hodinových ručiček: kamera 1, kamera 2, kamera 3…

Každý si zapamatuje nebo zapíše své číslo. Pořadí musí být známé i při pozdějším spojování videí.

Pokud byste při střihu přeskakovali náhodně mezi kamerami, výsledný pohyb pohledu kolem rakety by nebyl plynulý.

Start 1 2 3 4 5 6 Směr pořadí Ilustrační rozmístění – skutečná místa určí vyučující.
Obr. 1: Kamery jsou očíslované podle pořadí kolem místa startu. Pro společné video se použijí záběry postupně 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6.

Společný synchronizační signál

Před startem vytvoříme společný signál, například výrazné tlesknutí. Všechny telefony ho musí zaznamenat.

Ideální je, když bude tlesknutí vidět i slyšet. Podle tohoto okamžiku potom půjde jednotlivá videa časově zarovnat.

Zvuk dorazí k různě vzdáleným telefonům s malým zpožděním. Pro přesnější synchronizaci je proto vhodnější viditelný okamžik tlesknutí.

Měřítko pro videoanalýzu

V záběru musí být předmět známé délky, například dvoumetrová měřicí tyč. Podle něj program převede vzdálenosti v obrazu na skutečné metry.

Tyč by měla být přibližně ve stejné rovině jako pohyb rakety a v bezpečném místě mimo oblast letu a dopadu.

Pokud bude tyč výrazně blíže nebo dále od kamery než raketa, může měření zkreslit perspektiva.

3. Start rakety

  1. Zaujměte určené místo a zkontrolujte nastavení telefonu.
  2. Zapamatujte si své číslo kamery.
  3. Spusťte nahrávání.
  4. Zaznamenejte společný synchronizační signál.
  5. Natočte celý let rakety. Kamerou během záznamu nepohybujte.
  6. Po skončení experimentu video zkontrolujte.

Uložení videí: Při sdílení pojmenujte soubory podle čísla kamery, například:

raketa_01.mp4, raketa_02.mp4, raketa_03.mp4…

Tak bude jasné, v jakém pořadí mají být záběry použity. Původní videa neupravujte.

4. Videoanalýza

Ve skupině vyberte záznam, na kterém je pohyb rakety nejlépe vidět.

Pro zpracování můžete využít Tracker na počítači. Na mobilu můžete vyzkoušet Motanali.

Zvolený program musí umožnit určit polohu rakety v jednotlivých snímcích, nastavit měřítko a zobrazit výsledné grafy.

Postup měření

  1. Otevřete video a zkontrolujte jeho snímkovou frekvenci.
  2. Nastavte měřítko pomocí tyče známé délky.
  3. Zvolte souřadnicovou soustavu. Počátek může být v místě startu, osa y směřuje vzhůru a osa x vodorovně.
  4. Sledujte stejný bod rakety v jednotlivých snímcích, například přibližný střed lahve.
  5. Nechte program zpracovat data. Získáte polohu rakety v čase a podle možností programu také její rychlost.
  6. Vytvořte tři grafy a určete maximální dosaženou výšku.

Požadované grafy

Ve všech grafech bude na vodorovné ose čas t [s].

  1. Dráha s [m] v závislosti na čase: Jakou vzdálenost raketa od začátku měření celkem urazila?
  2. Výška y [m] v závislosti na čase: Jak se měnila výška rakety?
  3. Velikost rychlosti v [m/s] v závislosti na čase: Jak rychle se raketa pohybovala?
Čas t [s] Dráha s [m] Čas t [s] Výška y [m] Čas t [s] Rychlost v [m/s]
Obr. 2: Ilustrační průběhy tří veličin. Nejde o skutečně naměřená data. Vaše grafy mohou mít jiný tvar.

Jak získat dráhu? Program obvykle nejprve určí souřadnice rakety. Dráhu pak lze získat postupným sčítáním vzdáleností mezi jejími sousedními polohami.

Pokud váš program graf celkové uražené dráhy nenabízí přímo, bude potřeba jej vytvořit z naměřených souřadnic.

Co z grafů zjistíte?

  • Jaké maximální výšky raketa dosáhla?
  • Jak dlouho trvalo její stoupání?
  • Kdy se pohybovala nejrychleji?
  • Jak se měnila rychlost během letu?
  • Jaká byla celková uražená dráha?

Videoanalýza zachycuje pohyb promítnutý do roviny obrazu. Pokud se raketa výrazně pohybuje směrem ke kameře nebo od ní, výsledky mohou být zkreslené.

5. Dobrovolný úkol: efekt Matrixu

Dobrovolné Ideálně na doma

Z videí pořízených z různých stran můžete vytvořit efekt známý z filmu Matrix, označovaný jako bullet time.

Představte si, že raketa letí vzhůru. Najednou se čas zastaví, ale pohled se začne otáčet kolem rakety. Po krátké chvíli se čas znovu rozběhne a raketa pokračuje v letu.

Nejde tedy jen o zpomalení videa. Raketa zůstává přibližně ve stejné poloze, zatímco se mění úhel pohledu.

Ukázka skutečného principu: CamSwarm – efekt bullet time pomocí mobilních telefonů .

Na stránce je krátké video ukazující, jak lze tento efekt vytvořit pomocí telefonů rozmístěných kolem objektu.

Jak vytvořit vlastní video?

  1. Shromážděte záběry. Použijte původní videa všech kamer. Zkontrolujte, že znáte jejich pořadí kolem rakety.
  2. Synchronizujte videa. Najděte společné tlesknutí a časově podle něj zarovnejte záznamy.
  3. Vyberte okamžik zastavení. Například chvíli, kdy raketa právě stoupá a je dobře vidět na většině záběrů.
  4. Najděte odpovídající snímek v každém videu. Všude musí jít přibližně o stejný okamžik letu.
  5. Seřaďte snímky podle pořadí kamer. Například 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6. Neskákejte náhodně mezi různými úhly.
  6. Upravte polohu rakety v obrazu. Pokud je na jednom snímku více vlevo a na druhém více vpravo, můžete jednotlivé snímky mírně posunout nebo oříznout, aby byl přechod plynulejší.
  7. Vytvořte krátkou sekvenci. Rychlým střídáním snímků vznikne dojem, že kamera obíhá kolem zastavené rakety.
  8. Navážete na původní video. Po skončení efektu bude raketa pokračovat v letu.

V čem video sestříhat?

Na mobilu můžete použít například VN Video Editor nebo CapCut.

Obě aplikace umožňují stříhat videa, pracovat se zastavenými snímky a upravovat délku jednotlivých záběrů.

Přechody nemusí být dokonale plynulé. Telefony nejsou profesionálně synchronizované a kamery mohou být v různých vzdálenostech od rakety.

Proč se do toho pustit? Povedené video můžeme promítnout celé třídě a se souhlasem autorů případně představit i dalším studentům.

Jde o dobrovolnou aktivitu, která nemá vliv na hodnocení povinného fyzikálního praktika.

6. Co má obsahovat protokol?

Protokol vytvořte samostatně podle pravidel fyzikálního praktika.

  • Cíl: Co jste chtěli pomocí videoanalýzy zjistit?
  • Pomůcky a postup: Jak jste pořídili video a jak jste ho zpracovali?
  • Výsledky: Tři grafy – dráha, výška a rychlost v závislosti na čase.
  • Maximální výška: Jak vysoko raketa vystoupala?
  • Diskuze: Co mohlo ovlivnit přesnost měření? Které části pohybu byly obtížně měřitelné?
  • Závěr: Co jste o pohybu rakety zjistili?

Grafy můžete převzít přímo z programu pro videoanalýzu. Dbejte na to, aby měly popsané osy a jednotky.

7. Kontrolní seznam

Než práci ukončíte, zkontrolujte si:

Z této stránky se automaticky nevytváří protokol. Vlastní výsledky, grafy, diskuzi a závěr zpracujte samostatně.