Multitouch and Beyond

we are working…
nous travaillons…

…damit bald wieder Neues zu sehen ist!

Wie bereits im letzten Blogeintrag angedeutet, werden wir uns mit unserer Multitouch Anwendung der Schiefen Ebene widmen. Die Schiefe Ebene beschreibt einen Versuchsaufbau, der in unserem Fall von den Elementen Kreis und Schiefer Ebene (Dreieck) bestimmt wird. Trotz der physikalischen Einfachheit des Versuchs, werden Kräfte und ihre Wirkungsweise sowie ihre gegenseitige Beeinflussung gezeigt. Darüber hinaus können Einheiten wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Strecke und Zeit erfahrbar gemacht und in Beziehung zu einander gesetzt werden.

Da das Thema uns sowie physikalisch, als auch gestalterisch ausreichend Freiraum bietet, haben wir uns dazu entschieden, uns an diesem Experiment zu versuchen.

Dazu war zunächst einmal die Wiederholung der physikalischen Grundkenntnisse notwendig, bevor wir dann in erste konzeptionelle Gedanken übergehen konnten.

Schiefe Ebene

“Die Gewichtskraft eines Körpers auf der Schiefen Ebene lässt sich in zwei, einen rechten Winkel bildende Kraftkomponenten zerlegen”

–> Die Hangabtriebskraft (parallel zur geneigten Ebene)
–> Die Normalkraft (senkrecht zur geneigten Ebene)

Wenn :
FG: Gewichtskraft
FH: Hangabtriebskraft
FN: Normalkraft
b: (horizontale) Basis der schiefen Ebene

l: Länge der schiefen Ebene
h: Höhe der schiefen Ebene
α: Neigungswinkel

dann gilt:
FH: FG×sinα
FN: FG×cosα

Natürlich soll bei der Anwendung selbst auch die Möglichkeit bestehen, sich die Herleitungen, Formeln und Zusammenhänge der Formeln, anzeigen zu lassen, sodass ein Nachvollziehen und Verstehen möglich ist. Das würde hier aber den Blogeintrag ein wenig überreizen, daher gibt es an dieser Stelle nur einen kleinen Exkurs in die Anfänge der Physik

Die erste technische Herausforderung ist gelöst! Wir haben uns überlegt, in unserer Anwendung eine spezielle Gesten-Erkennung einzubauen. Diese soll dazu dienen, dass man (mit Stift oder Hand) Umrisse zeichnen kann, die vom System dann erkannt werden.

In unserem Prototyp lassen sich ganz einfach Kugeln und Schiefe Ebenen zeichnen:

Herzstück unseres ersten Prototyps ist der $1 Recognizer. Dieser einfache aber mächtige Algorythmus verarbeitet Eingaben (graue Linie) zu Punkt-Mustern (rote Punkte) und vergleicht diese mit gespeicherten Vorlagen. Christoph Ketzler hat den $1 Recognizer für ActionScript3 umgesetzt und der Quellcode lässt sich auf seinem Blog herunter laden. Diesen Code haben wir an unsere Bedürfnisse angepasst, eigene Vorlagen definiert und verschiedene Funktionen ergänzt. So werden z.B. Größe und Position der Geste erkannt um dann ein entsprechendes Element (Kugel oder Schiefe Ebene) auf der Zeichenfläche zu erzeugen.

Prototyp auf dem MT Tisch

Nachtrag: Heute (27.04.) haben wir unseren kleinen Prototyp auf dem MT-Tisch (mit der nativen MT Unterstützung von Windows 7) getestet. Die Gesten-Erkennung hat zwar überraschend gut funkioniert, es hat sich aber auch gezeigt, dass noch einige kleine Bugs zu beseitigen sind.

Obwohl sich im Blog im Moment nicht viel tut laufen Recherche und Konzeption unserer Anwendung auf Hochtouren. Unter anderem haben wir eine, für Multitouch optimierte, Physik Anwendung Namens tPhysics entdeckt. Die Python-basierte Software erlaubt es Objekte zu erstellen und damit zu interagieren. Dabei kommt die Box2D Physic Engine zum Einsatz. Nähere Infos zu tPhysics und den Python Quellcode gibt’s auf dem Blog des Entwicklers “Xelapond”: http://xelapondsstuff.wordpress.com/tphysics/

Meilensteine

Nachdem wir unser grobes Thema gefunden haben, haben wir nun wichtige Meilensteine definiert, um unser weiteres Arbeiten zu strukturieren. Zunächst haben wir die Recherche in zwei Blöcke eingeteilt, an denen wir parallel arbeiten. Der erste Block umfasst die Recherche nach dem genauen Inhalt und Umfang unserer Anwendung, sowie dem dahinter stehenden Konzept. Der zweite Block umfasst den Technischen Teil und stellt die Frage, wie der Inhalt auch durch die technischen Fragen eingegrenzt wird. Nach den Grundrecherchen und ersten Versuchen können diese Blöcke dann zusammen laufen und dann verknüpft miteinander weiter laufen.

Am Ende steht im Optimalfall eine fertige Lernanwendung, die dem Nutzer einfache physikalische Probleme näher bringt. Wie weit wir die Anwendung allerdings ausarbeiten können, wird sich zeigen. Vorher müssen noch viele Fragen gestellt und noch mehr Antworten gefunden werden …

Es hat sich was getan auf unserem Blog. In den letzten Tagen hat dieser sich nicht nur mit Inhalt gefüllt, sondern auch einen neuen Anstrich bekommen. Wir haben das ursprüngliche Template “SimpleX” nicht nur auf Deutsch übersetzt, sondern auch Typografie und Erscheinungsbild überarbeitet. So passt das Design nun viel besser zum Thema Multitouch. Nebenbei haben wir auch das Eine oder Andere über das WordPress CMS gelernt.

Da das Entwickeln bzw. Überarbeiten von Templates für WordPress mitunter knifflig sein kann, gibt’s im Folgenden ein paar hilfreiche Links:

• WordPress auf MacOS lokal installieren: MAMP (Server-Emulation)
• Ausführliche Dokumentation für WordPress: WordPress Codex
• Nützlicher Helfer für’s Coden: Web Developer Add-on für Firefox

Außerdem ein paar gut-funktionierende Plug-Ins:

• Lightbox für Bilder: Lightbox 2
• Search Engine Optimization: All in One SEO Pack
• E-Mail Adressen verschlüsseln: CryptX

Es gibt natürlich auch schon Multitouch Anwendungen, die sich dem Thema Physik angenommen haben.

Crayons Physics – MT Version

Crayon Physics ist ein beliebtes Computerspiel, entwickelt von Petri Purho (Kloonigames). Was aus einem Hobby-Projekt enstand hat sich nun zu einem “richtigen” Spiel entwickelt. Bei Crayon Physics müssen Objekte gezeichnet und physikalische Kräfte genutzt werden um sich so durch die verschiedenen Levels zu navigieren. Obereses Video zeigt eine ähnliche Anwendung (nicht das eigentliche Spiel) auf einem Multitouch-Display.

Physikalische Kräfte

Das Video zeigt eine Phyisk-Engine auf Microsoft Surface Tisch. Die Anwendung visualisiert (pysikalische) Zustände von Versuchsumgebungen und ermöglicht es damit zu experimentieren.

Besonders interessant sind Papierkarten, die auf den Tisch gelegt werden und die dann als virtuelle Objekte verwendet werden. So kann beispielsweise eine Ebene konstruiert werden, auf der Kugeln und Vierecke herunter rollen. Die Objekte haben verschiedene Eigenschaften wie Masse oder magnetische Ladung. Ob der Nutzer darauf Einfluss hat zeigt das Video nicht.

Zu Beginn ist für uns spannend was es an Visualisierungen und Versuchsdarstellungen alles schon im Netz gibt. Dazu haben wir recherchiert und ein paar interessante Links entdeckt:

Java Applets zur Physik

Visualisierung eines Flaschenzugs

Auf der privaten Internetseite von Walter Fendt gibt es Erklärungen und Grafiken zu allen Grundlagen der Physik und darüber hinaus. Von Mechanik und Elektro-Dynamik über Optik und Thermodynamik wird hier Vieles von dem Gymnasial-Lehrer dargestellt. Uns interessiert vor allem die Mechanik.

Die Themen der Mechanik bieten einfache Darstellungen. Darüber hinaus kann der Nutzer am rechten Rand Größen und Bedingungen des Versuchs ein und umstellen. Die Auswirkungen sind sofort sichtbar.

Link: http://www.walter-fendt.de/ph14d/index.html

Vektor Addition

Kräfteaddition

Dieses Forum zeigt Anwendungen, die es ermöglichen die Gesamtkraft mehrerer Kräfte zu ermitteln. Dieses Vorgehen wird auch Vektor Addition genannt.

Die Winkel, sowie die Längen der Pfeile können selbst bestimmt werden, anschließend wird die Gesamtkraft ermittelt. Die Vektor Addition ist in 2D sowie in 3D visualisiert.

Link: http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=51

Physik der 7. Klasse

Visualisierung des newtonschen Kraftgesetzes

Die Seite des Rupprecht Gymnasiums in München stellt Versuche und Aufgaben zu sämtlichen Physik Themen der 7. Klasse zu Verfügung. Anhand von Versuchssituation, die die Schüler aus dem Alltag kennen, werden Gesetze erklärt und animiert. Die abgebildete Grafik stammt aus einer Animation, die die Wirkweise des Newtonschen Kraftgesetzes visualisiert.  Der Nutzer kann die Kräfte, die die Wagen ziehen, und damit beschleunigen, verstellen und sich die Auswirkungen ansehen.

Link: http://www.leifiphysik.de/web_ph07_g8/index.htm

Nach einigem hin und her haben wir uns nun für das Thema Physik entschieden. Das ist erst mal sehr grob und noch relativ undefiniert. Klar ist jedoch, dass wir uns in den Grundlagen der Schulphysik bewegen. Dort müssen wir nun recherchieren was die Lernziele in der 7. und 8. Klasse umfasst, mit welchem Physikstoff die Schüler eines Gymnasiums sich befassen (müssen), und wie wir mit einer Multitouch Anwendung dazu beitragen können, grundlegende Abläufe anschaulicher zu gestalten.

Anschließend werden wir uns ein Thema herausgreifen und dies Visualisieren. Welche Techniken wir dafür verwenden steht noch nicht fest, ist aber in der Findungsphase. Wir werden sehen…