Hinweis: Idee, Fotos und Messwerte für diesen Artikel stammen von Josef Fertsch, Gymnasium Sulzbach Rosenberg
Prinzip der Aufnahmetechnik
Moderne Digitalkameras der mittleren und auch unteren Preisklasse können bestens für stroboskopische Aufnahmen von Bewegungsabläufen eingesetzt werden. Vorteile dabei sind:
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Die Aufbauten und Aufnahmen sind schnell erledigt.
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Die Bilder können auf den Computer übertragen und ausgewertet werden.
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Die Bilder können bearbeitet werden, insbesondere groß dargestellt werden.
Für die Aufnahmen benötigt man:
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Gutes Stroboskop,
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Digitalkamera, möglichst mit Stativ,
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Bogen schwarzes Tonpapier in der Größe 70 cm x 50 cm,
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glänzende, gut reflektierende Stahlkugel (z.B. Durchmesser \(1{\rm{cm}}\)),
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Klebeband,
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zusätzlich: Computer oder Laptop vorzugsweise mit angeschlossenem Beamer, evtl. Drucker,
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USB – Kabel zur Datenübertragung von Digitalkamera auf den Computer (gehört zum Lieferumfang einer Digitalkamera)
Die Vorbereitung (am Beispiel der Fallrinne) sieht wie folgt aus:
Man befestigt das Tonpapierbogen am Labortisch oder an einer Tischkante (s. Fotos). Die Fallrinne wird in geeigneter Höhe knapp vor dem Tonpapierbogen aufgestellt. Dadurch wirken sich Abbildungsfehler kaum aus.
Am Stroboskop stellt man eine geeignete Frequenz (z.B. 40 Hz) oder passende Taktzeit (z.B. \(\Delta t = 25{\rm{ms}}\)) ein. Es ist darauf achten, dass der Papierbogen gleichmäßig hell ausgeleuchtet ist. Falls er zu hell beleuchtet wird, kann trotz gewählter Nachtaufnahme auf der Kamera – d.h. möglichst lange Belichtungszeit - die Verschlusszeit so kurz sein, dass später auf dem Foto keine Reflexe zu erkennen sind. Hier muss man anfangs etwas experimentieren. Ist die Ausleuchtung zu stark, dreht man das Stroboskop etwas schräg oder stellt es weiter weg.
Nun stellt man die Digitalkamera auf das Stativ, welches sich ca. 1,50 m bis 2,0 m vor dem Tisch befindet. Wir stellen auf der Kamera folgende Funktionen ein:
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Nachtszene, damit die Blende möglichst lang offen bleibt (mehrere Sekunden)
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kein Blitz
Hinweis: Schaltet man zusätzlich den Zeitauslöser der Kamera ein, kann man sämtliche Versuche sogar ohne Helfer durchführen.
Man stellt die Entfernung der Kamera so ein, dass der Rand des Tonpapiers noch erkennbar ist.(Siehe Foto des Cameramonitors). Der Rand des Tonpapiers ergibt den Maßstab bei der späteren Auswertung. Stroboskop einschalten, alle anderen Lichtquellen müssen ausgeschaltet werden. (Ohne Stroboskop muss der Raum dunkel sein).
Aufnahme des Bewegungsablaufs
Der Auslöser der Kamera wird betätigt. Nach einer kurzen Zeit - nicht sofort - erscheint auf dem Monitor der Kamera das Wort "capture". Dies signalisiert den Beginn der "Nachtaufnahme". (Bei der Digitalkamera Camedia Olympus 3.0 ist es "capture", bei anderen Kameras kann es ein anderer Text oder anderes Signal sein.) Auf ein Kommando hin lässt dann ein Helfer (Schüler) die Kugel in der Fallrinne los. Der gesamte Bewegungsablauf samt waagrechtem Wurf wird aufgezeichnet. Die Verschlusszeit der Kamera ist gewöhnlich lang genug.
Zweckmäßig ist es, mehrere Aufnahmen anzufertigen und die beste zur Weiterverarbeitung zu verwenden.
Die Bilder werden dann über den USB-Anschluß auf den Computer übertragen.
Bildbearbeitung
Mit Hilfe einer Fotobearbeitungssoftware z.B. "GIMP", das kostenlos im INTERNET heruntergeladen werden kann, wird das Bild exakt an zwei gegenüberliegenden Rändern zurecht geschnitten. Dadurch hat man einen geeigneten Maßstab, da man die Länge bzw. Breite des Papierbogens kennt. Die Länge des Rechtecks beträgt in diesem Fall \(70\rm{cm}\). Der zeitlich Abstand zweier Reflexe beträgt in diesem Beispiel \(\Delta t = 25{\rm{ms}}\). Das Foto kann ausgedruckt und ausgewertet werden.
Auswertung
Das Foto kann mit Hilfe einer geeigneten Software z.B. VIVITAB quantitativ ausgewertet werden. In der neuen Version von VIVITAB gibt es die Möglichkeit, das Foto in ein Koordinatensystem als Hintergrundbild zu laden. Mit Hilfe einer Großbildprojektion können die Auswertungen vom gesamten Lehrsaal aus verfolgt werden.
Da VIVITAB (noch) nicht über eine "ZOOM"- Funktion verfügt, die einzelne Bereiche vergrößert, erledigt man dies mit einer Fotobearbeitungssoftware wie PHOTOSHOP, GIMP, indem man diese Bereiche maßstabsgetreu ausschneidet und als Hintergrundbilder in VIVITAB lädt.
Mit Hilfe der Maus kann ein Kreuz auf die einzelnen Reflexe gesetzt werden und bei gedrückter Strg-Taste und Klick mit linker Maustate werden die Koordinaten maßstabsgetreu in die Tabellenkalkulation übernommen. Umständliche Umrechnungen kann man sich also sparen. Abgegriffene Reflexe werden durch schwarze Kästchen markiert.