El universo mecánico... y más allá es un telecurso de 52 partes, filmado en el Instituto de Tecnología de California , que presenta la física de nivel universitario, cubriendo temas desde Copérnico hasta la mecánica cuántica . La serie de 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 enestaciones afiliadas a PBS antes de ser distribuida en LaserDisc y eventualmente 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. Estas últimas eran lo último en tecnología en ese momento, incorporando 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 Laboratorio de Propulsión a Chorro . [4] [5] Cada episodio comienza y termina con segmentos de cierre 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 afable narrador sin rostro". [2] Después de más de un cuarto de siglo, la serie todavía se usa a menudo como una ayuda didáctica complementaria, por su explicación clara de conceptos fundamentales como la relatividad especial . [6] [7] [8]
Los segmentos de cierre en los que aparecía Goodstein eran versiones especialmente preparadas de conferencias reales de física de primer año de los cursos de Física 1a y 1b de Caltech. La organización y la elección de temas que se enfatizarían en el programa de televisión reflejan una revisión reciente del plan de estudios de física introductoria de Caltech, la primera revisión total desde la que representaron 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 trajo un enfoque más histórico:
En esencia, el curso anterior de Feynman había buscado hacer que la física fuera emocionante relacionando cada tema, siempre que fuera posible, con problemas científicos contemporáneos. El nuevo curso tomó el rumbo opuesto, tratando de recrear el entusiasmo histórico 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 de la materia y su clímax es la solución de Newton al problema de Kepler . [2]
El episodio 22 resolvió el problema de Kepler (es decir, demostró que una ley de gravedad del cuadrado inverso 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 los libros 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 se habrían visto normalmente en las conferencias de Caltech. [10] El equipo de producción de televisión agregó paneles de madera falsos a la sala de conferencias para que se pareciera más a lo que se vio en el programa The Paper Chase . Más tarde, el departamento de física de Caltech quedó lo suficientemente impresionado por el resultado como para que se instalaran paneles de forma permanente. [2] Muchos asientos en la sala de conferencias tuvieron que ser eliminados para hacer espacio para la pista de la cámara y las luces del estudio. Para cubrir esto, se filmaron más tarde tomas de reacción adicionales de una sala de conferencias llena, de modo que se pudiera crear la ilusión de una audiencia completa en la edición . Para la mayor parte del metraje del propio Goodstein, solo estaban presentes dos filas de estudiantes. [11]
Muchos otros segmentos de video fueron filmados en locaciones, 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 manzanas, el viejo Newton rechaza con irritación una taza de té de un sirviente, y así sucesivamente". [2] Las imágenes que muestran la recreación histórica de Johannes Kepler fueron adquiridas de la serie de televisión Cosmos: A Personal Voyage de Carl Sagan de 1980. [12]
La serie originalmente estaba planeada para constar de 26 episodios. [13] [14] Esto luego se amplió a 60 episodios, un número que luego se redujo al total final de 52 por razones de presupuesto y cronograma de producción. [2] [15]
El programa no tenía la intención de requerir experiencia previa con el 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 darle vida a las matemáticas "de una manera que no se puede hacer en un libro de texto o en la pizarra". [16] Cuando las evaluaciones de prueba para estudiantes de humanidades revelaron que su mayor dificultad para aprender cálculo era una formación débil en trigonometría , Apostol escribió una cartilla sobre el tema para distribuir con el telecurso. [2] Después de asesorar a 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, con el fin de ilustrar aplicaciones de álgebra, geometría y trigonometría. [18]
La película de acción y ciencia ficción de 1990 Total Recall utilizó fragmentos de la secuencia de título de Mechanical Universe , en una escena en la que al protagonista (Douglas Quaid, interpretado por Arnold Schwarzenegger ) se le ofrecen vacaciones virtuales en lugares de todo el 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 paso a paso en detalle, pero rápidamente y con toques de fantasía, como términos algebraicos cancelados por un pisotón al estilo de 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 apuntó a 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 que la acompaña. [2] La animación por computadora también se utilizó para representar idealizaciones de sistemas físicos, como bolas de billar simuladas que ilustran las leyes del 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 que estas animaciones eran "particularmente útiles para proporcionar a los estudiantes conocimientos subjetivos sobre fenómenos tridimensionales dinámicos como los campos magnéticos ". [22]
La creación de los gráficos de computadora necesarios para visualizar los conceptos de física llevó a Blinn a inventar nuevas técnicas para simular nubes, así como los "objetos borrones" virtuales conocidos como metabolas . [23] Blinn utilizó las coordenadas de los vértices de los 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 estuvo a cargo del 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, la 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 escuelas secundarias . Esta adaptación, para la que una docena de profesores y administradores de escuelas secundarias fueron consultores, fue financiada por una subvención de $650,000 de la National Science Foundation . [25] Estos videos se distribuyeron junto con material escrito complementario para beneficio de los maestros y estaban destinados a ser utilizados junto con los libros de texto existentes. [12] Yorkshire Television produjo más tarde una versión reempaquetada para la audiencia del Reino Unido, que se lanzó en abril de 1991. [26]
Annenberg/CPB proporcionó la financiación 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 hizo a la Corporation for Public Broadcasting a principios de los años 1980. [1] [2] [28] El coste total del proyecto fue de aproximadamente 10 millones de dólares. [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 licenciado 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 las cifras detalladas de audiencia eran difíciles de obtener, pero cuando el programa se transmitió en Miami durante las mañanas de los sábados, los productores pudieron obtener los índices de audiencia de Nielsen .
De hecho, quedó en segundo lugar en su franja horaria, superando a los dibujos animados infantiles de dos cadenas. Solo en el condado de Dade había 18.000 hogares fieles , la edad media de los espectadores era de 18 años y la mitad eran mujeres. Sin embargo, rara vez obtenemos ese tipo de información detallada. [29]
Goodstein y el director adjunto 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 de investigación, pero también ha habido una serie de grandes decepciones, en particular cuando los administradores de televisión instructiva han tratado de 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 curso a distancia, pero funcionarían mucho mejor como un complemento a un aula tradicional o un curso de aprendizaje a distancia más estándar como Open University . [31] Los revisores también encontraron que el "ballet algebraico" de ecuaciones animadas por computadora era demasiado rápido para seguirlo: "Después de un corto tiempo, uno anhela un profesor en vivo llenando la pizarra con ecuaciones". [31] De manera similar, una revisión en el American Journal of Physics , mientras 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 sacar un trago de agua de una manguera contra incendios". [32] Una evaluación considerablemente más entusiasta provino del físico Charles H. Holbrow , quien le dijo a Olenick: "Estos materiales constituirán la principal imagen visual de la física durante décadas". [12] Un crítico que escribió para Educational Technology encontró que las animaciones eran "fascinantes de ver" y opinó que eran al menos tan efectivas como las que muchos instructores podrían lograr en una pizarra tradicional. [33] Un editorial en Los Angeles Times calificó el programa como "extraordinario" y las animaciones como "espléndidas", bromeando que "si el cálculo diferencial no es la prueba suprema de la televisión, sin duda llegaría a las semifinales en cualquier competencia". [34] Goodstein y Olenick informaron que los espectadores más jóvenes tendían a disfrutar del estilo de "ballet algebraico" "mucho más que los espectadores mayores, a quienes les incomodan las manipulaciones algebraicas que no pueden seguir del todo". [2]
En 1986, El Universo Mecánico se utilizó como parte de un programa de verano para niños superdotados , con gran éxito. [35]
Un estudio de 1987 en la Universidad de Indiana en Bloomington utilizó 14 episodios de Mechanical Universe como parte de un curso introductorio sobre mecánica newtoniana, con resultados generalmente positivos:
[E]stas cintas resultaron particularmente eficaces para situar 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 quehacer científico, estimular el interés y el entusiasmo de los estudiantes y, mediante una excelente animación, ilustrar la dimensión temporal de ciertos conceptos de la mecánica. 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 concluyó que los vídeos también podrían ser útiles para explicar física a profesores de otros campos. Las reacciones negativas en general tenían menos que ver con la calidad intrínseca percibida de los episodios que con el tiempo que el material de historia de la ciencia restaba a un contenido considerado como "instrucción fundamental para la preparación de exámenes". [37] El investigador recordó:
[A]lgunos estudiantes, pensando que el material de las cintas de vídeo no se incluiría en los exámenes, 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 vídeo. Algunos estudiantes se indignaron: "¿Qué es esto, una clase de poesía?" [38]
El uso en las aulas continuó hasta la década de 1990. Un programa de educación para minorías de la Universidad de California, Berkeley, empleó segmentos de episodios de Mechanical Universe (en LaserDisc ) como parte de discusiones grupales. [39] En una revisión de la serie de 1993, un historiador de la ciencia declaró que había utilizado episodios en sus clases durante varios años, nombrando "Las tres leyes de Kepler" y "El experimento de Michelson-Morley" como sus favoritos personales.
El momento culminante de la película de Kepler es un segmento en el que se nos muestra una exquisita representación gráfica de la manera en que Kepler descubrió que las órbitas de los planetas son elípticas en lugar de circulares. La enorme dificultad del problema al que se 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 una serie preparatoria para profesores que intentaban enseñar física por primera vez. [41] The Physics Teacher también recomendó la serie "como enriquecimiento o como tarea de recuperación para estudiantes con altas capacidades". [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, "The Lorentz Transformation" (episodio 42) recibió el decimosexto Premio Anual de Japón para 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 (1987) del Festival Internacional de Cine y Televisión de Nueva York, premios Plata (1986) y Oro Apple (1987) del Festival Nacional de Cine y Vídeo Educativo, y una Placa de Oro (1985) del Festival Internacional de Cine de Chicago. [45] [46]
Goodstein recibió la Medalla Oersted de 1999 por su trabajo en la educación de la física, incluyendo The Mechanical Universe . [47] Por sus contribuciones al campo de los gráficos por computadora, incluyendo 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]
Al igual que muchos textos introductorios de física, The Mechanical Universe cita el espectacular colapso de 1940 del puente Tacoma Narrows como un ejemplo de resonancia , utilizando imágenes del desastre en el episodio "Resonancia". Sin embargo, como han enfatizado exposiciones más recientes, las oscilaciones catastróficas 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 de cierre del episodio final:
En la primera revolución científica, la discusión sobre la interpretación de la autoridad humana o divina fue sustituida por la observación, la medición y la comprobación de hipótesis, todo ello con la poderosa ayuda del razonamiento matemático cuantitativo. Y el resultado de todo ello fue el universo mecánico, un universo que inexorablemente determinaba su destino según leyes mecánicas precisas y predecibles. Hoy en día, ya no creemos en ese universo. Si conozco la posición precisa de una partícula en un instante determinado, no puedo tener idea alguna de adónde va ni a qué velocidad. Y no tiene ninguna importancia que digamos: «Está bien, no sabemos adónde va, pero ¿adónde va realmente ?». Ésa es precisamente la clase de pregunta que carece de sentido científico. Ésa es la naturaleza del mundo en el que vivimos. Ése 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 Caltech en YouTube . [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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