The Mechanical Universe...And Beyond es un telecurso de 52 partes, filmado en el Instituto de Tecnología de California , que introduce la física de nivel universitario, cubriendo temas desde Copérnico hasta la mecánica cuántica . La serie 1985-86 fue producida por Caltech e INTELECOM, un consorcio sin fines de lucro de colegios comunitarios de California ahora conocido como Intelecom Learning, [1] con el apoyo financiero de Annenberg/CPB . [2] La serie, que se emitió en estaciones afiliadas de PBS antes de distribuirse en LaserDisc y finalmente en YouTube , es conocida por su uso de animación por computadora .
Producidos a partir de 1982, los videos hacen un uso intensivo de dramatizaciones históricas y ayudas visuales para explicar conceptos de física. Estos últimos eran lo último en ese momento e incorporaban casi ocho horas de animación por computadora creada por el pionero de los gráficos por computadora Jim Blinn junto con los asistentes Sylvie Rueff [3] y Tom Brown en el Jet Propulsion Laboratory . [4] [5] Cada episodio comienza y cierra con segmentos de sujetalibros en los que el profesor de Caltech David Goodstein , hablando en una sala de conferencias, ofrece explicaciones "que no pueden ponerse en boca de nuestro narrador afable y sin rostro". [2] Después de más de un cuarto de siglo, la serie todavía se utiliza a menudo como material didáctico complementario, por su clara explicación de conceptos fundamentales como la relatividad especial . [6] [7] [8]
Los segmentos de sujetalibros que presentaban a Goodstein eran versiones especialmente escenificadas de conferencias reales de física para estudiantes de primer año de los cursos Física 1a y 1b de Caltech. La organización y la elección de los temas a enfatizar en el programa de televisión reflejan una revisión entonces reciente del plan de estudios de introducción a la física de Caltech, la primera revisión total desde la representada por las Conferencias Feynman sobre Física casi dos décadas antes. Si bien Feynman generalmente buscaba ejemplos contemporáneos de temas, la revisión posterior del plan de estudios aportó un enfoque más histórico:
En esencia, el curso anterior de Feynman había buscado hacer que la física fuera apasionante relacionando cada tema, siempre que fuera posible, con problemas científicos contemporáneos. El nuevo rumbo tomó el rumbo opuesto: intentar recrear la emoción histórica del descubrimiento original. Por ejemplo, la mecánica clásica , una materia notoriamente difícil y poco inspiradora para los estudiantes, se trata como el descubrimiento de "nuestro lugar en el universo". En consecuencia, la mecánica celeste es la columna vertebral del tema y su clímax es la solución de Newton al problema de Kepler . [2]
El episodio 22 resolvió el problema de Kepler, es decir, demostrando que una ley de gravedad del inverso del cuadrado implica que las órbitas son secciones cónicas , utilizando una variante del vector de Laplace-Runge-Lenz , aunque no con ese nombre. [9]
La sala que se ve en los segmentos de sujetalibros es la sala de conferencias Bridge en Caltech. Muchos de los extras eran estudiantes de otras escuelas, y las primeras filas de la sala de conferencias se llenaron deliberadamente con más mujeres de las que normalmente se habrían visto en las conferencias de Caltech. [10] El equipo de producción de televisión agregó paneles de madera falsa a la sala de conferencias para que se pareciera más a lo que se ve en el programa The Paper Chase . Más tarde, el departamento de física de Caltech quedó tan impresionado con el resultado que se instalaron paneles de forma permanente. [2] Se tuvieron que quitar muchos asientos de la sala de conferencias para dejar espacio para la pista de cámaras y las luces del estudio. Para cubrir esto, posteriormente se filmaron tomas de reacción adicionales de una sala de conferencias llena, de modo que durante el montaje se pudiera crear la ilusión de un público completo . En la mayor parte de las imágenes del propio Goodstein, sólo estaban presentes dos filas de estudiantes. [11]
Muchos otros segmentos de vídeo se rodaron in situ, por ejemplo en una planta industrial de Linde que producía aire líquido . Las escenas históricas a menudo se hacían genéricas para facilitar su reutilización en múltiples episodios: "El joven Newton pasea por un huerto de manzanos, el viejo Newton rechaza con irritación una taza de té de un sirviente, etc.". [2] Las imágenes que muestran una recreación histórica de Johannes Kepler fueron adquiridas de la serie de televisión de 1980 de Carl Sagan , Cosmos: A Personal Voyage . [12]
Originalmente se planeó que la serie constara de 26 episodios. [13] [14] Esto luego se amplió a 60 episodios, y luego se redujo un número al total final de 52 por razones de presupuesto y calendario de producción. [2] [15]
Se pretendía que el programa no requiriera experiencia previa con cálculo . En cambio, los conceptos básicos del cálculo diferencial e integral se enseñarían al principio de la serie. [13] El matemático de Caltech Tom M. Apostol se unió al personal de producción de Mechanical Universe para garantizar que la serie no comprometiera la calidad de las matemáticas que presentaba. Ver un ejemplo de la animación por computadora de Blinn por primera vez convenció a Apostol de que la serie podría dar vida a las matemáticas "de una manera que no se puede hacer en un libro de texto o en la pizarra". [16] Cuando las pruebas realizadas a estudiantes de humanidades revelaron que su mayor dificultad para aprender cálculo era una mala formación en trigonometría , Apostol escribió un manual sobre el tema que se distribuiría junto con el telecurso. [2] Después de asesorar la producción de The Mechanical Universe , Apostol decidió que una serie similar, orientada a las matemáticas de la escuela secundaria, sería beneficiosa. [17] ¡ Esto se convirtió en la serie posterior de Caltech Project Mathematics! , que también contó con animación por computadora de Blinn. Algunas de las animaciones de Blinn para The Mechanical Universe se reutilizaron en la nueva serie para ilustrar aplicaciones de álgebra, geometría y trigonometría. [18]
La película de acción de ciencia ficción de 1990 Total Recall utilizó partes de la secuencia del título Mechanical Universe , en una escena donde al protagonista (Douglas Quaid, interpretado por Arnold Schwarzenegger ) se le ofrecen vacaciones virtuales en lugares alrededor del Sistema Solar . La animación se utilizó sin licencia y, en consecuencia, Caltech e Intelecom demandaron a Carolco Pictures por 3 millones de dólares . [19]
Para presentar derivaciones detalladas de ecuaciones matemáticas, el programa empleó una técnica que sus creadores llamaron "ballet algebraico". [4] La animación por computadora presentó derivaciones en detalle paso a paso, pero rápidamente y con toques de fantasía, como términos algebraicos cancelados por un pisotón al estilo Monty Python o la mano de Dios de La creación de Adán de Miguel Ángel . . Blinn sintió que Cosmos se había tomado a sí mismo "demasiado en serio", por lo que pretendía incluir más humor en las animaciones de Mechanical Universe . [20] El objetivo era evitar poner los "cerebros de los espectadores en un zumbido de 60 ciclos ", sin sacrificar el rigor; Los creadores pretendían que los estudiantes pudieran aprender la esencia general de cada derivación de la animación y luego estudiar los detalles utilizando el libro de texto adjunto. [2] La animación por computadora también se utilizó para representar idealizaciones de sistemas físicos, como bolas de billar simuladas que ilustran las leyes de movimiento de Newton. Blinn había utilizado anteriormente parte del mismo software para visualizar la interacción del ADN y la ADN polimerasa para Cosmos . [21] Un comentarista consideró estas animaciones "particularmente útiles para proporcionar a los estudiantes conocimientos subjetivos sobre fenómenos dinámicos tridimensionales como los campos magnéticos ". [22]
La creación de los gráficos por computadora necesarios para visualizar conceptos de física llevó a Blinn a inventar nuevas técnicas para simular nubes, así como los "objetos de burbujas" virtuales conocidos como metabolas . [23] Blinn utilizó las coordenadas de vértice de icosaedros y dodecaedros regulares para determinar la ubicación de las líneas de campo eléctrico que irradian desde cargas puntuales. [24]
La mayor parte de la narración fue expresada por el actor Aaron Fletcher, quien también interpretó a Galileo Galilei en los segmentos históricos. Algunas partes, como las explicaciones de detalles técnicos particulares, fueron narradas por Sally Beaty, productora ejecutiva del programa . [2]
Se crearon versiones más cortas de los episodios de Mechanical Universe , de 10 a 20 minutos de duración, para su uso en las escuelas secundarias . Esta adaptación, para la cual una docena de profesores y administradores de secundaria fueron consultores, fue apoyada por una subvención de 650.000 dólares de la Fundación Nacional de Ciencias . [25] Estos videos se distribuyeron junto con material escrito complementario para beneficio de los maestros y estaban destinados a ser empleados junto con los libros de texto existentes. [12] Yorkshire Television produjo posteriormente una versión reempaquetada para la audiencia del Reino Unido, que se lanzó en abril de 1991. [26]
Annenberg/CPB proporcionó los fondos para la producción de The Mechanical Universe . [27] El programa fue uno de los primeros doce proyectos financiados por la promesa inicial de 90 millones de dólares que la Fundación Annenberg dio a la Corporación para la Radiodifusión Pública a principios de los años 1980. [1] [2] [28] El costo total del proyecto fue de aproximadamente $ 10 millones. [29]
PBS y The Learning Channel comenzaron a transmitir The Mechanical Universe en septiembre de 1985. [30] Durante el otoño de 1986, aproximadamente 100 estaciones de PBS transmitieron The Mechanical Universe , y para el otoño de 1987, más de 600 instituciones de educación superior lo habían comprado o autorizado. los episodios para su uso. [2] En 1992, Goodstein señaló que la serie había sido transmitida, a través de PBS, por más de 100 estaciones, "generalmente en horas peculiares cuando era poco probable que personas inocentes sintonizaran accidentalmente una ecuación diferencial en el acto de ser resuelta". [29] Observó que era difícil obtener cifras detalladas de audiencia, pero cuando el programa se transmitió en Miami durante los sábados por la mañana, los productores pudieron obtener calificaciones de Nielsen .
De hecho, quedó en segundo lugar en su franja horaria, superando a los dibujos animados para niños en dos estaciones de la red. Había 18.000 hogares fieles sólo en el condado de Dade , la edad media de los espectadores era 18 años y la mitad eran mujeres. Sin embargo, rara vez obtenemos ese tipo de información detallada. [29]
Goodstein y el subdirector del proyecto Richard Olenick señalaron:
La información anecdótica en forma de cartas y llamadas telefónicas indica un entusiasmo muy considerable entre los usuarios de todos los niveles, desde espectadores ocasionales hasta estudiantes de secundaria y profesores universitarios investigadores, pero también ha habido una serie de grandes decepciones, particularmente cuando los administradores de Televisión Instructiva han intentado manejar TMU como un telecurso convencional. [2]
De manera similar, una revisión de 1988 en Physics Today sugirió que los programas no funcionarían bien por sí solos como un telecurso, pero funcionarían mucho mejor como complemento de un aula tradicional o de un curso de aprendizaje a distancia más estándar, como la Open University . [31] Los críticos también encontraron que el "ballet algebraico" de ecuaciones animadas por computadora era demasiado rápido para seguirlo: "Después de poco tiempo, uno anhela que un profesor en vivo llene la pizarra con ecuaciones". [31] De manera similar, una reseña en el American Journal of Physics , aunque elogiaba la "competencia técnica de las películas", escribió sobre las manipulaciones de ecuaciones animadas: "Como dicen los estudiantes del MIT , esto es como tratar de tomar un trago de agua de una manguera contra incendios". [32] Una evaluación considerablemente más entusiasta provino del físico Charles H. Holbrow , quien dijo a Olenick: "Estos materiales constituirán la principal imagen visual de la física durante décadas". [12] Un crítico que escribió para Educational Technology encontró las animaciones "fascinantes de ver" y opinó que eran al menos tan efectivas como lo que muchos instructores podían manejar en una pizarra tradicional. [33] Un editorial de Los Angeles Times calificó el programa de "extraordinario" y las animaciones de "espléndidas", bromeando que "si el cálculo diferencial no es la prueba suprema de la televisión, sin duda llegaría a las semifinales de cualquier competición". [34] Goodstein y Olenick informaron que los espectadores más jóvenes tendían a disfrutar del estilo de "ballet algebraico" "mucho más que los espectadores mayores, quienes se sienten incómodos por las manipulaciones algebraicas que no pueden seguir". [2]
En 1986, The Mechanical Universe se utilizó como parte de un programa de verano para niños superdotados , con éxito general. [35]
Un estudio de 1987 en la Universidad de Indiana en Bloomington utilizó 14 episodios del Universo Mecánico como parte de un curso de introducción a la mecánica newtoniana, con resultados generalmente positivos:
[Estas] cintas fueron particularmente efectivas al colocar la mecánica newtoniana en una perspectiva histórica; dramatizar el derrocamiento histórico de las ideas aristotélicas y medievales; ilustrar la naturaleza diversa de los científicos y el esfuerzo científico; estimular el interés y el entusiasmo de los estudiantes; y, a través de una excelente animación, ilustrar la dimensión temporal de ciertos conceptos mecánicos. El texto complementario [...] se colocó en la reserva de la biblioteca para el curso, pero los estudiantes no lo utilizaron ampliamente. [36]
Un estudio de seguimiento encontró que los videos también podrían ser útiles para explicar la física a profesores de otros campos. Las reacciones negativas generalmente tuvieron menos que ver con la calidad intrínseca percibida de los episodios que con el tiempo que el material de ciencia e historia le quitó al contenido visto como "instrucción crítica de preparación para exámenes". [37] El investigador recordó:
[Algunos] estudiantes, pensando que el material de la cinta de video no se cubriría en las pruebas, ¡se dirigieron hacia las puertas cuando las luces se atenuaron! Para contrarrestar esta tendencia, comencé a utilizar algunas preguntas de prueba basadas en detalles históricos o literarios discutidos en las cintas de video. Algunos estudiantes se indignaron: "¿Qué es esto, una clase de poesía?" [38]
El uso de las aulas continuó hasta la década de 1990. Un programa de educación para minorías en la Universidad de California, Berkeley, empleó segmentos de episodios de Mechanical Universe (en LaserDisc ) como parte de discusiones grupales. [39] En una reseña de la serie de 1993, un historiador de la ciencia afirmó que había utilizado episodios en sus clases durante varios años, nombrando "Las tres leyes de Kepler" y "El experimento Michelson-Morley" como sus favoritos personales.
Lo más destacado de la película de Kepler es un segmento en el que se nos muestra una exquisita realización gráfica de la forma en que Kepler descubrió que las órbitas de los planetas son elípticas en lugar de circulares. La enorme dificultad del problema que enfrentó y la elegancia del método que aplicó para resolverlo son muy claras. No puedo imaginar una mejor manera de presentar este magnífico descubrimiento, que fácilmente puede parecer tan trivial. [40]
Una columna de 2005 en The Physics Teacher sugirió The Mechanical Universe como visualización preparatoria para los instructores que intentan enseñar física por primera vez. [41] The Physics Teacher también ha recomendado la serie "como enriquecimiento o tarea de recuperación para estudiantes de alta capacidad". [42] Escribiendo para el sitio web de la revista Wired , Rhett Allain citó la serie como un ejemplo de videos que podrían reemplazar algunas funciones de las conferencias tradicionales. [43]
En 1987, "La transformación de Lorentz" (episodio 42) recibió el decimosexto premio anual japonés de televisión educativa. [44] Otros premios recibidos por The Mechanical Universe incluyen el Premio de Oro de 1986 del Festival Internacional de Cine de Birmingham, dos premios "Cindy" de la Asociación Internacional de Comunicadores Audiovisuales (1987 y 1988), un Premio de Oro (1985) y un Premio de Plata. Premio (1987) del Festival Internacional de Cine y TV de Nueva York, premios Plata (1986) y Manzana de Oro (1987) del Festival Nacional de Cine y Video Educativo, y Placa de Oro (1985) del Festival Internacional de Cine de Chicago. [45] [46]
Goodstein recibió la Medalla Oersted en 1999 por su trabajo en educación física, incluido The Mechanical Universe . [47] Por sus contribuciones al campo de los gráficos por computadora, incluidas sus animaciones para Cosmos , The Mechanical Universe y Project Mathematics. , Blinn recibió una beca MacArthur en 1991, así como el premio Steven A. Coons de 1999 . [48] [49]
Como muchos textos de introducción a la física, The Mechanical Universe cita el espectacular colapso del puente Tacoma Narrows en 1940 como un ejemplo de resonancia , utilizando imágenes del desastre en el episodio "Resonance". Sin embargo, como han subrayado exposiciones más recientes, las catastróficas oscilaciones que destruyeron el puente no se debieron a una simple resonancia mecánica, sino a una interacción más complicada entre el puente y los vientos que lo atraviesan, un fenómeno conocido como aleteo aeroelástico . Este fenómeno es una especie de "vibración autosostenida" que se encuentra más allá del régimen de aplicabilidad de la teoría lineal del oscilador armónico simple impulsado externamente . [50] [51]
La secuencia de apertura utilizada para los primeros 26 episodios enumera el título del programa como The Mechanical Universe , mientras que los últimos 26 episodios se titulan The Mechanical Universe...and Beyond . [52] [53] Goodstein explica el motivo de la adición en el segmento de la conferencia final del episodio final:
En la primera revolución científica, la disputa sobre la interpretación de la autoridad humana o divina fue reemplazada por la observación, la medición y la prueba de hipótesis, todo ello con la poderosa ayuda del razonamiento matemático cuantitativo. Y el resultado de todo eso fue el universo mecánico, un universo que inexorablemente elaboraba su destino de acuerdo con leyes mecánicas precisas y predecibles. Hoy ya no creemos en ese universo. Si conozco la posición precisa de una partícula en algún instante de tiempo, no puedo tener idea de hacia dónde se dirige ni a qué velocidad. Y no hace ninguna diferencia si dices: "Está bien, no sabes adónde va, pero ¿adónde va realmente ?". Ése es precisamente el tipo de pregunta que carece de sentido científico. Esa es la naturaleza del mundo en el que vivimos. Ese es el universo mecánico cuántico. [54]
La serie se puede comprar en Caltech o transmitir desde fuentes de video en línea, incluido el canal oficial de YouTube de Caltech . [55] Caltech también publicó en YouTube una serie de videos cortos hechos por Blinn para demostrar la animación por computadora del programa en las conferencias SIGGRAPH .
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