10. – 13. Schuljahr

Mirko Zeppmeisel

Quantitative Videoananalyse mit dem Smartphone

Die für iOS und Android frei verfügbare App „Motion Shot erlaubt es, Serienbilder und Stroboskopaufnahmen zu erzeugen, die sich zur qualitativen Analyse von Bewegungen nutzen lassen (vgl. [1]). Mit dem hier vorgestellten Experiment kann eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung so auch quantitativ untersucht werden.
Material
  • Smartphone mit „Motion Shot-App (iOS: App-Store; Android: Play Store)
  • Universalschiene, Messwagen, Massestücke, Massestückhalter, Lagerstift, Rolle mit Stiel, Rollenhalter, Bindfaden, Reiter (z.B. Mekruphy-Experimentiersatz Mechanik 2 und 3 plus)
Aufbau
Der Versuch wird gemäß Abbildung 1 aufgebaut und das Smartphone möglichst zentral, also mittig und auf gleicher Höhe, in ca. einem Meter Entfernung aufgestellt. Besonders gut eignet sich für die Fixierung des Smartphones eine Handyhalterung mit Gewinde (s. Abb. 2 ), die man für wenige Euro im Onlinehandel erhält. Diese Halterung lässt sich an einen herkömmlichen Gewindestiel anschrauben und so an einer Experimentierstange fixieren.
Durchführung und Bearbeitung
Die Aufnahme erfolgt direkt in der App oder kann (unter Android) auch über die interne Kamera erfolgen und später importiert werden. Letzteres hat den Vorteil, dass insbesondere schnelle Bewegungen, wie z.B. der freie Fall, mit der Zeitlupenfunktion der Kamera (Slow Motion) aufgenommen und untersucht werden können. Nach der automatischen Analyse bietet das Programm verschiedene Darstellungsformen an (s. Abb. 3 – 5). Für einen ersten Eindruck ist bei horizontaler Bewegung die Querstreifendarstellung besonders geeignet (s. Abb. 4 ), in der sich lineare oder quadratische Zusammenhänge recht deutlich veranschaulichen lassen. Mit dem seitlichen Schieberegler (s. Abb. 3 , rechter Bildrand) kann die Bildrate und somit das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern verändert werden.
Auswertung
Für eine quantitative Auswertung benötigt man die Zeitspanne zwischen den einzelnen Bildern. Hierfür berührt man die untere Zeitleiste (s. Abb. 5 ). Mit den Reitern lassen sich die Sequenzen entsprechend anpassen. Die Start- und Endzeit wird direkt neben der Leiste angegeben, womit sich das Zeitintervall ∆t berechnen lässt.
Im Anschluss können die x-Werte aus den Einzelbildern direkt abgelesen und in ein Diagramm (s. Abb. 6 ) übertragen werden. Die in [1] beschriebenen Ungenauigkeiten zeigten sich bei der Auswertung dieses Experimentes nicht.
Abbildung 7 zeigt die Bildfolge einer elektronischen Stoppuhr für die Dauer von 1,0 s, so dass das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern ca. 0,2 s betragen sollte. Ein Vergleich mit der Anzeige der Leuchtioden zeigt eine recht gute Übereinstimmung. Problematisch dürfte es bei kurzen Filmsequenzen mit hoher Bildrate werden. Hier sollte auf eine Zeitlupenaufnahme zurückgegriffen werden.
Literatur
[1] Ivanjek, L.; Hopf, M.; Wilhelm, T.: Motion Shot friert Bewegungen ein. In: Physik in unserer Zeit 50 (2019), Nr. 1, S. 44 – 45.

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