El movimiento de proyectiles, creación de imágenes por medio de IA y realidad aumentada RA: una innovación  en la enseñanza de la física.

La interrelación entre el movimiento de proyectiles y tecnologías como la inteligencia artificial (IA) y la realidad aumentada (RA) da paso a la apertura de un mundo nuevo en el ámbito educativo, sobre todo para la representación visual e interactiva de fenómenos complejos. 

La IA permite generar imágenes y simulaciones precisas del movimiento de proyectiles, acorde a los distintos niveles de enseñanza. Las simulaciones consideran modelos físicos que habilitan aplicar los cálculos matemáticos aprendidos en las clases, permitiendo así a los alumnos experimentar con los diferentes parámetros del sistema físico. Por su parte la RV enriquece este proceso de aprendizaje proporcionando experiencias a estudiantes en entornos inmersivos que les dejan observar las trayectorias desde múltiples puntos de vista, favoreciendo la comprensión intuitiva de variables como el alcance, la altura máxima y el tiempo de vuelo, entre otras. Es así como estos recursos complementarios aumentan el análisis y la comprensión del fenómeno.

A partir de lo anterior surgen las siguientes preguntas:

¿De qué manera las herramientas de inteligencia artificial (IA) y realidad aumentada (RA) pueden facilitar la comprensión del movimiento de proyectiles?

¿Qué ventajas tiene el uso de tecnología como la IA y la RA en comparación con métodos tradicionales en la enseñanza de la física?

Análisis histórico del movimiento de proyectiles

Aristóteles nació en Estagira (actualmente Stavros) 384 y murió en Calcis 322 a.C, su formación condujo a ser un gran filósofo y científico griego , fue uno de los primeros pensadores en tratar este fenómeno, con una teoría que exaltaba la necesidad de una fuerza que mantuviese en movimiento un objeto.

Como indican Oliva y Acevedo (2004):
“En la antigua Grecia, algunos filósofos como Aristóteles se plantearon ya el problema de la trayectoria que sigue un proyectil lanzado en dirección oblicua. Según los principios aristotélicos, estos fenómenos podrían comprenderse teniendo en cuenta dos fases: a) una primera en la que el cuerpo avanza en línea recta según la dirección del lanzamiento hasta perder su velocidad y b) otra en la que se mueve verticalmente debido a un efecto de caída. Los dos movimientos (‘violento’ el primero y ‘natural’ el segundo) no serían, pues, simultáneos sino sucesivos, dando lugar a una trayectoria que suele conocerse como la ‘esquina aristotélica’” (p. 3).

Varios artistas del Renacimiento, como Giovani de Paolo, Jean Bourdichon y Leonardo da Vinci, capturaron en sus obras las trayectorias curvilíneas de líquidos y proyectiles. A mediados del siglo XV, Giovani de Paolo ya había representado el chorro de sangre de San Juan Bautista con una curva continua. Hacia finales de ese mismo siglo, Jean Bourdichon ilustraba el agua de un baño siguiendo una trayectoria parabólica. Por su parte,

Leonardo da Vinci, también a finales del siglo XV, delineaba con claridad las trayectorias de los proyectiles, representándolas como chorros de agua y trazándolas con precisas curvas parabólicas en sus creaciones. Luego, Niccolò Tartaglia sugirió la noción de trayectorias curvas, aunque sin una base matemática sólida.

Fue Galileo Galilei un gran astrónomo, filósofo, matemático y físico, nacido el 15 de febrero de 1564 en Pisa y fallece el 8 de enero de 1642 en Arcetri,  a partir de experimentos realizados mediante observaciones y razonamientos matemáticos, transformó esta perspectiva al demostrar que las trayectorias eran parabólicas, resultado de la combinación de dos movimientos independientes: uno horizontal uniforme y otro vertical acelerado, desafiando las ideas aristotélicas y estableciendo las bases de la física moderna. Realizó experimentos utilizando planos inclinados, que demostraron cómo las proyecciones horizontales y verticales se comportan de manera independiente.

Más tarde, Isaac Newton astrónomo inglés, también físico y matemático, nació él nació el 25 de diciembre de 1643 en Woolsthorpe, Lincolnshire, Inglaterra y falleció el 31 de marzo de 1717 en Kensington, Londres – Reino Unido, conectó el movimiento de los proyectiles con el de los planetas a través de su ley de gravitación universal, creando un vínculo entre los fenómenos terrestres y celestes. Este avance no solo impulsó el estudio de la mecánica clásica, sino que también proporcionó una justificación científica al modelo heliocéntrico, marcando un hito en la comprensión del universo y en la unificación de las leyes físicas.

Características principales del movimiento de proyectiles

-Descomposición del movimiento: El movimiento que experimenta un proyectil podrá ser considerado como aquel que se descompone en un tiro vertical y en un tiro horizontal; el tiro horizontal como un movimiento rectilíneo y uniforme en la dirección horizontal (eje de las x) y el tiro vertical como un movimiento vertical rectilíneo uniformemente variado en la dirección vertical (eje de las y).

-Movimiento parabólico: La sumatoria de las componentes horizontal y vertical hace que se origine una trayectoria que presenta la forma de una parábola.

-Independencia de las componentes: Los movimientos en las direcciones horizontal y vertical son independientes. La aceleración debida a la gravedad solo influye en un sentido (el vertical).

-Velocidad inicial: La velocidad con la que un proyectil inicia su movimiento.

– Gravedad de la tierra constante: En un ambiente ideal (sin resistencia atmosférica), la aceleración de gravedad es constante, tiene sentido hacia abajo y una magnitud que es aproximadamente 9.8 m/s².

– Las ecuaciones del movimiento: Las relaciones entre ángulo, posición, velocidad, tiempo y aceleración en los ejes vertical y horizontal.

Ecuaciones del movimiento de proyectiles

Un objeto que describa un movimiento de proyectil, es lanzado con una velocidad inicial con una dirección arbitraria, esta velocidad inicial se descompone en su componente horizontal y vertical haciendo uso de las funciones trigonométricas.

Demostrando las Ecuaciones del Movimiento de Proyectiles

Las ecuaciones que describen el movimiento de proyectiles son fundamentales, ya que nos permiten entender y predecir cómo se comporta un objeto que sigue una trayectoria parabólica. Estas ecuaciones integran los principios del Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU) y del Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA). En este sentido, la componente horizontal se mueve de manera uniforme (MRU) debido a la ausencia de aceleración, mientras que la componente vertical está sujeta a la aceleración de la gravedad (MRUA). Su importancia se refleja en su capacidad para resolver problemas prácticos en diversas áreas, como la ingeniería, la balística, los deportes y la tecnología espacial. Además, son una herramienta clave para aprender física, ya que permiten modelar fenómenos complejos mediante simplificaciones matemáticas, fomentando así el desarrollo de habilidades analíticas.

Situaciones que demuestran la aplicabilidad del movimiento de proyectiles en la vida cotidiana. 

¡Lanzo, creo, veo! Física interactiva con IA y RA.

Diseñar y construir un modelo óptimo de cohete de propulsión casero, integrando el uso de imágenes generadas por inteligencia artificial (IA) para visualizar y planificar las etapas de diseño, construcción y lanzamiento. Este proyecto busca promover el aprendizaje práctico mediante la documentación detallada en una bitácora en “AR Studio”, que incluirá análisis de diseños generados con IA, realidad aumentada RA, pruebas experimentales y reflexiones sobre el desempeño del cohete.

Pon a prueba tus conocimientos:

1. Formación de grupos de trabajo

• Divide a los estudiantes en grupos de 4 a 5 integrantes para fomentar la colaboración.
• Cada grupo tendrá roles definidos: líder, encargado de investigación, encargado de diseño gráfico (para las imágenes generadas por IA), encargado de construcción y encargado de documentación.

2. Introducción y discusión sobre misiones espaciales

Distribuir a los estudiantes una de las siguientes misiones:

Vostok 1 (1961-04-12): Primer vuelo espacial tripulado, llevando a Yuri Gagarin a la órbita terrestre.
	Apollo 11 (1969-07-16): Primera misión tripulada que llevó a los astronautas Neil Armstrong y Buzz Aldrin a la superficie de la Luna.
		Space Shuttle Columbia (1981-04-12): Primer vuelo del transbordador espacial estadounidense, inaugurando una nueva era de vuelos espaciales reutilizables.
Soyuz TM-31 (2000-10-31): Primer vuelo tripulado a la Estación Espacial Internacional.
	SpaceX Falcon 9 (2010-06-04): Primer lanzamiento exitoso del cohete Falcon 9 de SpaceX, una compañía privada que ha revolucionado la industria espacial.

2. Introducción y discusión sobre misiones espaciales

• Presenta ejemplos de misiones espaciales, para inspirar el diseño y construcción del cohete.
• Realiza una lluvia de ideas para definir las características de su cohete (forma, tamaño, materiales y propósito).
• Usa herramientas de IA, como ChatGPT , Copilot o similares, para generar imágenes de prototipos de cohetes basados en las ideas del grupo.

Ejemplo:

Descripción del proceso:

“Generar un cohete diseñado para alta estabilidad con materiales ligeros, inspirado en la misión Apollo 11”.  

3. Construcción del modelo

• Proporciona materiales como: 2 botellas (bebidas gaseosas 3 LT), Lámina de cartón duro o PVC, para aletas, 1 tapón de corcho , Cinta adhesiva, Tubo rotulador, Varilla para plataforma, Madera para base plataforma, Aguja para inflar balones, Bomba de aire ( Bomba para inflar llanta de bicicleta).

• Cada grupo deberá ensamblar su cohete siguiendo su diseño generado por IA, documentando cada paso en su bitácora en “AR Studio”.
• Incluir diagramas y esquemas, complementados con imágenes generadas por IA para visualizar ensamblajes complejos, e ilustraciones de su prototipo.

4. Análisis de variables y simulaciones

• Identifiquen las variables que afectarán el desempeño del cohete:
  • Independientes: Ángulo de lanzamiento, cantidad de agente propulsor, velocidad inicial.
  • Dependientes: Alcance, altura máxima, tiempo de subida, tiempo de vuelo.
• Generen imágenes o simulaciones con IA que proyecten la trayectoria esperada del cohete.
• Discutan en equipo cómo ajustar el diseño para optimizar el vuelo.

5. Ejecución del proyecto

• Realicen el lanzamiento del cohete en un espacio abierto y seguro, como una cancha o un parque.
• Cada grupo deberá registrar el desempeño de su cohete (alcance, tiempo de vuelo, estabilidad).
• Tomen fotografías o videos para complementar la bitácora.

6. Evaluación y presentación final

• Poster: Cada grupo creará un póster en “AR Studio” interactivo que los estudiantes puedan escanear y que incluya:
  • Imágenes del diseño generado por IA.
  • Diagrama del cohete final.
  • Marco Teórico Físico 
  • Análisis de variables y conclusiones del proyecto.
  • Utilizar realidad aumentada para generar vínculos donde se muestre el proceso del proyecto, resultados, comunicación para el grupo dudas o preguntas.

Conclusiones

La combinación de la inteligencia artificial y la realidad aumentada en el análisis del movimiento de proyectiles ha cambiado nuestra forma de entender este fenómeno. Gracias a la visualización, la experimentación con diferentes variables y la creación de simulaciones personalizadas, hemos logrado un aprendizaje más profundo y significativo, superando las limitaciones de los métodos tradicionales.

Esta propuesta pone en marcha el gran potencial de la inteligencia artificial y la realidad aumentada como herramientas educativas. Al permitirnos visualizar conceptos abstractos de manera tangible e interactiva, estas tecnologías abren nuevas oportunidades para la enseñanza de la física y otras disciplinas, haciendo que el proceso de aprendizaje sea más atractivo y accesible para todos los estudiantes.

La integración de tecnologías emergentes en el ámbito educativo es crucial para preparar a los estudiantes para un futuro cada vez más digital. Al experimentar con la generación de imágenes mediante inteligencia artificial y su visualización en un entorno de realidad aumentada, hemos avanzado hacia una educación más innovadora y acorde con las demandas del siglo XXI.

Créditos

Autores: Lic. Física Carlos Polanco; Lic. Física Juliette Vanessa Suárez; Lic. Física Laura Camelo

Editor: Ing. Carlos Iván Pinzón Romero

Código: UCDECCOL

Universidad: Universidad Central

Fuentes

Oliva, J. M., & Acevedo, J. A. (2004). Pensamiento analógico y movimiento de proyectiles: Perspectiva histórica e implicaciones para la enseñanza. Revista Española de Física, 18(4), 54-61.

ACEVEDO, J. A., 1990. Aportaciones acerca del aprendizaje por analogía: modelos analógicos y conceptuales de la corriente eléctrica. En Grupo Investigación en la Escuela (Comps.): Cambio educativo y desarrollo profesional (VII Jornadas Investigación en la Escuela), pp. 201-208. Sevilla: Servicio de Publicaciones de la Universidad de Sevilla.

BERKSON, W. (1981). Las teorías de los campos de fuerza. Desde Faraday hasta Einstein. Madrid: Alianza. (Primera edición en inglés, 1974).