Reflexión de la luz en espejos y refracción

 

Físicos de la Historia

Léon Foucault (1819-1868):

Físico francés, nacido en París, que trabajó en la determinación de la velocidad de la luz junto a su colega Armand Fizeau. Foucault demostró, por su parte, que la velocidad de la luz en el aire es mayor que en el agua. En 1851 hizo una demostración espectacular de la rotación de la Tierra suspendiendo un péndulo con un cable largo desde la cúpula del Panteón en París: el movimiento del péndulo reveló la rotación de la Tierra sobre su eje. Foucault fue uno de los primeros en mostrar la existencia de corrientes (corrientes de Foucault) generadas por los campos magnéticos, y el creador de un método para medir la curvatura de los espejos telescópicos. Entre los dispositivos que inventó están un prisma polarizador y el giróscopo en el que se basa la brújula giroscópica moderna.

Charles Augustus Young (1834-1908):

Astrónomo norteamericano, nació en Hanover en el año 1834. Profesor de filosofía y astronomía en Darmouth entre los años 1866 y 1877 y de astronomía en Priceton en los 1877 y 1905, fue uno de los primeros en usar el espectroscopio en el estudio del sol. En 1869 descubrió la línea verde de la corona solar y en 1870 observó el espectro relámpago de la cromosfera. En el eclipse de 1872 añadió 100 líneas cromosféricas a las 190 conocidas entonces. Charles Augustus Young fue el primero en fotografiar una protuberancia (1870) y en emplear un electroscopio de cratícula (aparato o medio dispersor de la luz, consistente en una superficie pulimentada con numerosas y finísimas rayas equidistantes). Escribió el sol (1881), elementos de astronomía (1890) y manual de astronomía (1902).

Thomas Young (1773-1829):

Científico británico, nació en Milverton, Gran Bretaña en el año 1773. Fue fundador de la óptica fisiológica, explicó el poder acomodaticio del cristalino y abrió el camino a la teoría de la visión de los colores desarrollada mas tarde por Von Helmholtz. Descubrió las causas del astigmatismo (1801) y llevó a cabo notables experimentos sobre los fenómenos de interferencia de los rayos luminosos, descubiertos por él mismo, y de la difracción. A Young se deben, además las primeras mediciones de la longitud de onda de los distintos colores, la introducción del concepto de energía en su significado actual y varias indagaciones sobre elasticidad; se dio su nombre al módulo de elasticidad normal. Se dedicó a sí mismo a la egiptología e intervino con acierto en el desciframiento de los jeroglíficos de la famosa piedra de Rosetta. Muere en Londres en el año 1829.

Refracción en un medio de caras Paralelas

Veamos cómo es la trayectoria de los rayos de la luz al atravesar un vidrio (medio de caras paralelas). Consideremos un rayo de luz que atraviesa una lámina de caras paralelas, tal como un vidrio. Figura 19.1

El rayo incidente, proveniente del aire, forma con la normal un ángulo de 45^o y al llegar a la superficie de separación de los dos medios (aire-vidrio) sufre una primera refracción (rayo refractado) acercándose a la normal. Porque está pasando de un medio menos denso (aire) a un medio más denso (vidrio). El ángulo de refracción es q₂ q_1.

Al llegar a la superficie de separación (vidrio- aire) el rayo se refracta nuevamente alejándose de la normal, adquiriendo una nueva trayectoria.

El valor del ángulo de incidencia q₁º 45° es igual al ángulo de emergencia q₄. (q₁ºq₄). De esta forma el rayo incidente es paralelo al rayo emergente, pero está desplazado una distancia d.

Profundidad Real y Aparente

            Tenemos por costumbre que la luz viaje en línea recta desde los objetos hacia nuestros ojos, pero cuando un objeto está ubicado en la profundidad de un recipiente lleno de agua la luz que proviene desde ese lugar sufre una desviación al llegar a la superficie. Así, el objeto ubicado en el fondo, figura 19.2, emite un rayo de luz que al llegar a la superficie de separación de los dos medios (agua-aire) se refracta alejándose de la normal, al pasar del agua al aire. Un observador tiene la impresión de que el objeto está situado más arriba, punto de encuentro de las prolongaciones de los rayos refractados. El observador ve una imagen virtual del objeto ubicado en la parte más baja.

            Una piscina de aguas tranquilas parece ser más profunda para una persona situada a la orilla. Esto ocurre porque, motivado a la refracción de la luz, la persona no ve realmente el fondo de la piscina, pero si su imagen en una posición más elevada.

            Cuando una regla o un pedazo de madera (figura 19.3) están sumergidos oblicuamente en el agua aparece quebrada para una persona que la observa ubicada arriba de la superficie del agua. Los rayos, procedentes de la parte final del pedazo de madera (punto D), al pasar del agua al aire cambian de dirección y de la impresión de aparecer quebrado en el punto B.

Quien observa no puede ver el punto D sino su imagen C.

Más detalles de la Reflexión y Refracción

          Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el punto de incidencia (véase figura 1). El ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo análogo.

          Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia se encuentran en un mismo plano. Si la superficie del segundo medio es lisa, puede actuar como un espejo y producir una imagen reflejada (figura 2).  

          En la figura 2, la fuente de luz es el objeto A; un punto de A emite rayos en todas las direcciones. Los dos rayos que inciden sobre el espejo en B y C, por ejemplo, se reflejan como rayos BD y CE. Para un observador situado delante del espejo, esos rayos parecen venir del punto F que está detrás del espejo. De las leyes de reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo ángulo con la superficie del espejo que AC y AB. En este caso, en el que el espejo es plano, la imagen del objeto parece situada detrás del espejo y separada de él por la misma distancia que hay entre éste y el objeto que está delante.

          Si la superficie del segundo medio es rugosa, las normales a los distintos puntos de la superficie se encuentran en direcciones aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren en el mismo plano al salir de una fuente puntual de luz tendrán un plano de incidencia, y por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no puedan formar una imagen.

Los Colores de los Objetos

          Fenómeno físico de la luz o de la visión, asociado con las diferentes longitudes de onda en la zona visible del espectro electromagnético. Como sensación experimentada por los seres humanos y determinados animales, la percepción del color es un proceso neurofisiológico muy complejo. Los métodos utilizados actualmente para la especificación del color se encuadran en la especialidad llamada colorimetría, y consisten en medidas científicas precisas basadas en las longitudes de onda de tres colores primarios.

Espectro de la Luz Blanca

          Muchas fuentes de luz, como el Sol, emiten luz blanca. Esta luz es una mezcla de varios colores: cuando pasa por un prisma, se divide formando un espectro. El prisma desvía (refracta) más o menos la luz de diferentes colores. La luz roja es la menos refractada, y la violeta la más refractada.

            La luz visible está formada por vibraciones electromagnéticas cuyas longitudes de onda van de unos 350 a unos 750 nanómetros (milmillonésimas de metro). La luz blanca es la suma de todas estas vibraciones cuando sus intensidades son aproximadamente iguales. En toda radiación luminosa se pueden distinguir dos aspectos: uno cuantitativo, su intensidad, y otro cualitativo, su cromaticidad. Esta última viene determinada por dos sensaciones que aprecia el ojo: la tonalidad y la saturación.

            Una luz compuesta por vibraciones de una única longitud de onda del espectro visible es cualitativamente distinta de una luz de otra longitud de onda. Esta diferencia cualitativa se percibe subjetivamente como tonalidad. La luz con longitud de onda de 750 nanómetros se percibe como roja, y la luz con longitud de onda de 350 nanómetros se percibe como violeta. Las luces de longitudes de onda intermedias se perciben como azul, verde, amarilla o anaranjada, desplazándonos desde la longitud de onda del violeta a la del rojo.

          El color de la luz con una única longitud de onda o una banda estrecha de longitudes de onda se conoce como color puro. De estos colores puros se dice que están saturados, y no suelen existir fuera del laboratorio. Una excepción es la luz de las lámparas de vapor de sodio empleadas en ocasiones para la iluminación de calles y carreteras, que es de un amarillo espectral casi completamente saturado. La amplia variedad de colores que se ven todos los días son colores de menor saturación, es decir, mezclas de luces de distintas longitudes de onda.

            Nuestra percepción del color de las partes de una escena no sólo depende de la cantidad de luz de las diferentes longitudes de onda que nos llega de ellas. Cuando sacamos un objeto iluminado con luz artificial  que contiene mucha luz rojiza de altas longitudes de onda a la luz del día que contiene más luz azulada de longitudes de onda cortas  la composición de la luz reflejada por el objeto cambia mucho. Sin embargo, no solemos percibir ningún cambio en el color del objeto.

            Esta constancia del color se debe a la capacidad del sistema formado por el ojo y el cerebro para comparar la información sobre longitudes de onda procedente de todas las partes de una escena. Edwin Herbert Land, físico estadounidense e inventor del sistema de fotografía instantánea Polaroid Land, demostró los cálculos enormemente complejos que lleva a cabo el ‘retinex’ (como llamó Land al sistema formado por la retina del ojo y el córtex cerebral) para lograr la constancia de color.

¿Qué son las Fibras Ópticas?

          La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED.

          Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio y superiores a las de cable convencional. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión.