Využití počítače při fyzikálním měření

Mnozí máme vžitou představu o vědcích, kteří svá komplikovaná měření provádějí u nám nedostupných superpočítačů. Stejně tak považujeme různá (fyzikální) tvrzení za těžko dokazatelná. Všichni si však můžeme ověřit fyzikální zákony nebo změřit hodnoty, které bychom jinak měřili dost obtížně, i pomocí „obyčejného“ osobního počítače. Posuďte sami.

V současnosti každý počítač disponuje zvukovou kartou, u notebooků je samozřejmostí webkamera. Pokud webkameru nemáme, postačí jakýkoliv fotoaparát. Videa jsou navíc volně dostupná na internetu.

Na rychlost je Tracker

Když vás například zajímá, jak rychle běháte, házíte či jak rychle jede nějaké auto, potřebujete počítač, video se záznamem pohybu, jehož rychlost chcete zjistit, a vhodný software. Výborným programem na analýzu videa je Tracker, který umožňuje zjišťovat rychlost či zrychlení vybraného bodu na jakémkoliv videu. Lepší výsledky samozřejmě dostanete od videa s vyšším rozlišením. Tento program je volně ke stažení na adrese: http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker

Zkusme tedy zjistit, jak rychle jedou auta na silnici. Nejdříve musíme pohyb auta zaznamenat. Pozor! Při natáčení nesmíme fotoaparátem hýbat, jinak by měření nebylo přesné. K zjištění rychlosti nám postačí jen několik sekund. Pokud můžeme nastavit parametry snímání, zvýšíme snímkovací frekvenci (FPS).

Po natočení videa záznam otevřeme v programu Tracker, kde si můžeme záznam zpomaleně přehrát a také krokovat. Program umožňuje sledovat určitý bod a zjišťovat jeho polohu na jednotlivých snímcích.

Obvyklá snímková frekvence 25‑30 Hz nám umožní vlastně 25 (30) měření za jednu sekundu! Reakční doba člověka je 0,75 s, takže získáme měření zhruba 20x přesnější, než kdybychom je realizovali „ručně“.

Pane řidiči, jak rychle jste jel?

Práci v programu Tracker si ukážeme na měření rychlosti projíždějícího automobilu. Není to vůbec obtížné. Stačí natočit velmi krátké video, opakuji – aniž bychom fotoaparátem při natáčení pohybovali.

Po přenesení záznamu do počítače spustíme program Tracker a pomocí nabídky File‑>Open záznam otevřeme. Na obrazovce se objeví tři okna – okno s videem, graf a tabulka.

I když je ovládání programu v angličtině, práce v něm je intuitivní. K měření rychlosti musíme vybrat bod (oblast), který budeme pozorovat. Je dobré vybrat takový bod, který je dobře vidět na celém videu. My jsme použili přední světla.

Vložte bod

Měření začneme vložením bodu (Create‑> Point mass), poté stisknutím klávesy Shift a levého tlačítka myši označíme oblast, kterou jsme vybrali pro popis pohybu (v našem případě přední světla). Kliknutím automaticky přeskočíme na další snímek videa. Opět Shift + kliknutí na vybranou oblast… Tento postup opakujeme podle vlastního uvážení. Pro změření rychlosti nám stačí dva body, avšak na grafu vidíme, že naměřená rychlost pohybu není konstantní, proto je lepší vyznačit bodů více.

Kliknutím na osy grafu lze zvolit veličiny, které se zobrazí – vybrali jsme v(x) – zajímá nás pouze rychlost ve směru osy x.

V tuto chvíli vidíme graf závislosti rychlosti na čase, avšak čísla neodpovídají realitě! Musíme video kalibrovat – sdělit programu alespoň jeden rozměr, podle kterého může určit vzdálenosti. Nejpřesnější je využít nějaký rozměr přímo na autě – ostatní vzdálenosti jsou perspektivně zkreslené. Nejsnáze se kalibruje podle délky auta – v našem případě šlo o Škodu Felicia, která má délku 3855 mm.

Pomocí ikony „Show, hide or create calibration tools“ vložíme do záznamu „tyčku“ (calibration stick), kterou natáhneme od začátku do konce auta. Do délky zadáme délku auta (v metrech). Graf i tabulka poté zobrazují správné jednotky. Nám vyšla rychlost automobilu zhruba 14 m/s, což je zhruba 50 km/h. Řidič tedy jel podle předpisů.

Stačí i vteřinové video

Takto můžeme určit rychlost, zrychlení či energii různých pohybujících se těles, která si natočíme. K měření stačí i sekundový záznam, ze kterého lze získat 30 snímků. Neznáme‑li rozměry pohybujícího se tělesa, můžeme video zkalibrovat pomocí okolních těles (např. výšky člověka, rozměru oken, vzdálenosti mezi stromy apod.). Pro dosažení co nejvyšší přesnosti bychom jako referenční tělesa měli vybírat objekty v rovině pohybu tělesa.

Fantazii se meze nekladou – můžete zjišťovat své zrychlení při rozběhu, rychlost pohybu těles z videí na internetu nebo vykreslovat různé trajektorie pohybu. Tracker ale umí mnohem víc, např. zachycovat změnu polohy bodu automaticky, ze zjištěných hodnot zjišťovat další veličiny nebo zobrazovat vektory rychlosti a zrychlení. Tracker dokáže pracovat i s barevnými spektry. O tom ale někdy příště.