¿Por qué (a veces) parece que las llantas de los coches giran al revés?

Las llantas de los automóviles no giran al revés, pero a gran velocidad da la sensación de que sí lo hacen. Este fenómeno se explica gracias al llamado efecto estroboscópico, aunque aplicado al campo de la luz natural.

El efecto estroboscópico es es "un efecto óptico que se produce al iluminar mediante destellos, un objeto que se mueve en forma rápida y periódica". La luz natural del sol no ilumina mediante destellos, pero sí lo hace la luz artificial que, en la mayoría de los casos se enciende y apaga 50 veces por segundo, aunque el ojo humano no sea capa de apreciarlo.

Es decir, si un objeto radial es iluminado con luz artificial, lo vemos 50 veces por segundo. Si lo hacemos girar, veremos 50 imágenes del objeto girando, cada segundo. Pero si dicho objeto gira tan rápido que en las 50 imágenes por segundo se muestra más de una vuelta, lo que sucederá es que veremos imágenes no consecutivas del objeto, pudiendo dar la sensación de que éste está parado (si casualmente las 50 imágenes muestran la misma posición del objeto) o girando en sentido inverso (si las imágenes muestran cada vez posiciones anteriores del giro).

Esto sucede con luz artificial, pero ¿qué sucede con luz natural? Personalmente, no lo tengo muy claro. La luz natural se muestra de forma continua, aunque los impulsos nerviosos que generan imágenes en nuestro cerebro son limitados temporalmente. Esta puede ser una explicación bastante sencilla y razonable de cómo el efecto estroboscópico tiene lugar también en la naturaleza. Podría deberse, conjuntamente con lo anterior, a las irregularidades de ciertas superficies, que girando a gran velocidad reflejan la luz de tal forma que hacen aplicable la teoría del efecto estroboscópico a la luz natural. Seguiré investigando sobre este punto.

Recomiendo la lectura de las explicaciones de jirodino y nacho. La de Aidan la podéis leer de su fuente original.


Vídeo: Por medio del ingenio y el empleo de leds, se consigue dar un nuevo significado al simple giro de una rueda:


Comentarios

Nacho ha dicho que…
En el cine y en la televisión, el efecto se produce al estar desfasados el giro de la rueda y la frecuencia con la que la cámara toma las imágenes.

Es decir, si las ruedas giraran a 24 r.p.m. o a una frecuencia múltiplo de ésta, parecería que no giran, porque la cámara fotografiaría siempre la misma posición de la rueda. De la misma forma, en algunas frecuencias, este desfase produce que la cámara tome las fotografías antes de que la rueda haya completado una vuelta o un número completo de vueltas, acumulando un peqeño desfase que al final hace que parezca que la rueda gira hacia atrás.
Aidan ha dicho que…
No se trata de un fenómeno óptico, nuestro cerebro no nos engaña en ese sentido. La razón de este fenómeno tiene más que ver con la diferencia entre lo analógico y lo digital.

Grafica Este fenómeno se da en las imágenes en video digital, en los que el video se compone de una sucesión de imágenes fijas, entre 20 y 60 por segundo, que se muestran por pantalla una detrás de otra. La acción de seleccionar esa serie de imágenes se denomina muestreo, y la cantidad de imágenes que se tomen cada segundo se denomina frecuencia de muestreo. Es evidente que cuanto más alta sea la frecuencia de muestreo más parecido habrá entre el video digital que vemos y la imagen correspondiente en el mundo real, que es analógica y completamente fluída.

La frecuencia de muestreo se rige por la Ley de Nyquist, que básicamente nos dice que para muestrear un fenómeno (imagen, sonido, temperatura) con fidelidad es necesario usar una frecuencia de muestreo de al menos 2 veces la frecuencia de variación de este fenómeno. Por ejemplo:

* La voz humana tiene una frecuencia de variación máxima de 20Khz (20000 variaciones por segundo), la de los sonidos audibles más agudos.
* La temperatura ambiental, si consideramos valores enteros, en condiciones climáticas normales tendrá una frecuencia de variación máxima de 0,001Hz aproximadamente (variación de como mucho 1 grado cada 1000 segundos).
* La rueda de un coche cuando gira tendrá una frecuencia de giro dependiente de su velocidad. Por ejemplo, para una rueda de 1 metro de radio, si se desplaza a 63Km/h tenemos que gira unas 10.000 veces por hora, aproximadamente 3 veces por segundo, y su frecuencia de giro es por tanto de 3Hz.



El Reloj¿Por qué la frecuencia de muestreo tiene que ser 2 veces superior a la frecuencia máxima de variación del fenómeno?

Supongamos que muestreamos a una alta frecuencia (mayor que la de Nyquist) las posiciones de la rueda de un coche al girar. Obtendríamos los siguientes valores, que expresamos en horas como si de un reloj se tratara:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 …

Con este muestreo queda patente que la rueda está girando, el reloj avanza en sentido horario.

Si muestreasemos a la mitad de frecuencia perderíamos la mitad de los valores (la mitad del detalle), y sólo veríamos los valores:

1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 …

Perfecto, la rueda sigue girando.

Ahora supongamos que muestreamos a una frecuencia 6 veces menor que la inicial. Perdemos gran cantidad de los valores, de modo que veríamos:

6 12 6 12 6 12 6 12 6 12 6 12 …

Percibimos una especie de parpadeo, vemos alternativamente la rueda en una posición y después media vuelta más adelante Seguimos percibiendo que gira pero es muy confuso determinar en qué sentido exactamente.

El mayor problema está en si muestreamos a una frecuencia todavía menor, por ejemplo 10 veces menos que la inicial. Atención a los valores que obtenemos:

1 11 9 7 5 3 1 11 9 7 5 3 …

¡La rueda está girando al revés!

Hemos violado la regla de Nyquist, la rueda gira a N revoluciones por segundo y nosotros estamos muestreando menos de N veces por segundo. Nyquist recomienda que lo hagamos 2*N veces en un segundo para lograr que la secuencia digital conserve prácticamente el mismo aspecto que la analógica. El secreto está en hacer al menos 2 muestreos por cada variación, por rápida que sea, para lograr semejanza entre lo digital y lo analógico.

Algunos ejemplos de violaciones de la Ley de Nyquist:

* Rueda de Fórmula 1 Los coches de fórmula 1, con una rueda de radio 50cm a 360km/h hacen que esta gire más de 30 veces por segundo, idealmente necesitaríamos una frecuencia de muestreo de más de 60Hz, aunque las cámaras digitales actuales raramente alcanzan esa tasa de muestreo. De ahí que percibamos que la rueda gira al revés, porque no realizamos los 2 muestreos por variación que pide la Ley de Nyquist.

* La música en MP3 de baja calidad (poca frecuencia de muestreo realmente) suena robotizada. Esto es porque la frecuencia de muestreo del sonido no es capaz de muestrear las variaciones de los tonos más agudos, que son los que mayor frecuencia de variación tienen, de ahí que percibamos una señal que se diferencia bastante del sonido analógico real.

Espero que esta respuesta sea válida jeje
jirodino ha dicho que…
Creo que estoy fuera de plazo, así que si mi respuesta no cuenta para sumar puntos no me enfadaré ni nada. Es que he estado fuera y no he podido contestar antes :-)

Antes de nada, una puntualización: creo que la pregunta sería más correcta (si se refiere a lo que yo estoy pensando al menos) si incluyera un "a veces". Otras veces no parecen girar al revés.

Y es que, como ya se ha dicho, todo depende de la frecuencia del muestreo de un aparato digital (o analógico, en este caso da igual) y el momento en el que éste toma la imagen fija de la llanta.

Todo eso ya está dicho, pero yo añado: ¿y alguna vez habéis visto cómo es de verdad un chorro de agua? ¿y lo habéis visto alguna vez subir en vez de bajar?

El fenómeno es, salvando las distancias, el mismo. Si vais a un museo de ciencias probablemente uno de los experimentos será un chorro de agua como los de la fregadera de nuestras casas, tenuemente iluminado con una lámpara estroboscópica cercana "parpadeando".

Cuando el parpadeo de la lámpara estroboscópica se iguala a la frecuencia de caída de las gotas de agua, ¡el chorro se para! sin embargo, si su frecuencia aumenta o disminuye ligeramente, veremos cómo las gotas van cayendo poco a poco ¡o incluso subiendo hasta la boca del grifo! Claro: nuestro cerebro compone la secuencia de gotas cayendo como un flujo contínuo, pero eso es mentira, y la lámpara estroboscópica, al fijar la "realidad" cuadro a cuadro, nos lo demuestra. El subir o bajar de las gotas es equivalente al avance o retroceso de las llantas de los coches.

Lo cual nos lleva a otra pregunta: ¿por qué la goma de la parte exterior de las llantas no sufre el mismo fenómeno? :-)

Porque, al contrario que una llanta convencional (no me traigan una llanta delantera de Ferrari para este experimento, por favor), dicha banda de goma compone un "todo" sin divisiones a lo largo de su circunferencia y por tanto, aunque estemos observando el mismo punto cada vez un poco más atrás en su posición relativa con respecto a nosotros, no seremos capaces de distinguirlo de los demás, y por tanto no parecerá que retrocede ni que avanza.
Anónimo ha dicho que…
Yo tambien llego tarde...
Solo un detalle. Este fenomeno no se produce en el cine o en la television, no es un tema de camaras digitales o analogicas, es nuestro ojo y nuestro cerebro. Solo hay que salir un momento a la calle y fijarse en el primer coche que pase para comprobarlo.
Pablo ha dicho que…
Hola. Siento haber tardado tanto en reaparecer por aquí pero mi trabajo es un poco absorbente...

Nacho y Aidan, buenas respuestas. Si tenéis fuentes, ponedlas. Es positivo saber de dónde sacamos la información porque así aprendemos todos un poco más y agradecemos a los que nos enseñan.

jirodino, he modificado el título ;)

Tienes razón, "anónimo". Yo también estaba pensando más en el efecto bajo luz natural. Pero aún no he encontrado la explicación correcta. Sigo investigando.