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  • General

  • LUZ

    • ONDAS LUMINOSAS

      “En el principio creó Dios los cielos y la tierra. Y la tierra estaba desordenada y vacía, y las tinieblas moraban sobre la faz del abismo, y el espíritu de Dios se movía sobre las aguas. Y dijo Dios: Haya luz; y hubo luz. Y Dios vio que la luz era buena; y apartó Dios la luz de las tinieblas. Y llamó Dios a la luz día, y a las tinieblas llamó noche. Y fue la tarde y la mañana  del primer día”  

       (Libro de Génesis, Capítulo 1)

      Se llama luz (del latín lux, lucis) a la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. En física, el término Luz se usa en un sentido más amplio e incluye todo el campo de la radiación conocido como espectro electromagnético, mientras que la expresión luz visible señala específicamente la radiación en el espectro visible. El estudio de la luz revela una serie de características y efectos al interactuar con la materia, que permiten desarrollar algunas teorías sobre su naturaleza. La luz es una radiación emitida por una fuente o reflejada por una superficie y que origina una sensación visual. El estudio de la luz ha atraído la atención de muchos hombres de ciencia de todas las épocas, quienes no han podido escapar al interés por conocer su naturaleza, su modo de propagarse, su velocidad, el mecanismo por el que se origina, su forma de interactuar con la materia, la visión, entre otros.

      NATURALEZA DE LA LUZ

      - TEORÍA CORPUSCULAR

         Sir Isaac Newton trató de interpretar los fenómenos luminosos basado en principios de la mecánica clásica, cuyas bases él mismo estableció. De esa manera, supuso que la luz estaba formada por unas partículas (que llamó "corpúsculos") emitidas por los cuerpos luminosos: “La luz está formada por pequeños corpúsculos que salen del cuerpo luminoso y que al llegar a otro cuerpo se reflejan (rebotan) para luego viajar al ojo, permitiendo así la observación de los objetos”. Por tanto, la reflexión de la luz quedaría explicada como el "rebote" de estos corpúsculos sobre las superficies de los materiales. Newton supuso que habría tantas clases de corpúsculos como colores en las luces comúnmente observadas.

      Gracias al respaldo del científico inglés, quien gozaba de gran prestigio en la sociedad científica de aquel tiempo, esta "teoría corpuscular de la luz" prevaleció y fue generalmente aceptada hasta la mitad del siglo XVII, aunque dicha teoría, acerca de la naturaleza de la luz, logra explicar la propagación rectilínea de la luz y algunos fenómenos luminosos como la reflexión, la refracción, la presión luminosa, etc., pero no lograba explicar otros, por lo cual en parte, fue desechada.

       - TEORÍA ONDULATORIA

      “La luz está formada por ondas similares a las ondas del sonido, es decir ondas longitudinales”.

        Anteriormente a Newton, el físico holandés Cristian Huygens había dado a conocer una teoría para tratar de explicar la naturaleza de la luz. Fue la que conocemos como teoría ondulatoria de Huyghens, en la cual se considera a la luz formada por vibraciones transversales producidas en una sustancia, propagándose con una rapidez de 3 x 108 (m/s).  Aun cuando esta hipótesis explicaba muchísimos fenómenos luminosos como la interferencia, difracción, polarización de la luz, etc. Esta hipótesis fue criticada encontrándosele muchas objeciones, por lo cual también en parte, se le descartó. Ambos científicos, Newton y Huygens, contaban con pruebas a favor y en contra de sus teorías. A finales del siglo XIX se sabía ya que la velocidad de la luz en el agua era menor que la velocidad de la luz en el aire contrariamente a las hipótesis de la teoría corpuscular de Newton.

      La teoría ondulatoria fue confirmada hacia la mitad del siglo XIX, y a finales de este siglo MAXWELL establece que la luz es una onda electromagnética y logra integrar las teorías de la electricidad, el magnetismo y la óptica, lo que pareció que podía terminar con el debate histórico sobre la naturaleza de la luz.

      No hubo que esperar mucho para que ese debate se reabriera. Mientras Hertz trabajaba en el experimento que produjo y detectó por primera vez ondas electromagnéticas, se observó el efecto fotoeléctrico, para cuya explicación EINSTEIN  necesitó volver al modelo corpuscular de la luz. Sólo a comienzos del siglo XX se llegó a tener más claridad con respecto a la naturaleza de la luz, cuando Albert Einstein propuso que la luz es un “campo electromagnético” que se propaga en el vacío con una velocidad finita, El planteó una versión moderna de la teoría corpuscular de la luz, diciendo que la luz está formada por pequeños paquetes de energía luminosa, que llamó “cuantos de luz” y actualmente “Fotones”.

      El estudio de fenómenos como la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y los espectros atómicos puso de manifiesto la impotencia de la teoría ondulatoria para explicarlos. En 1905, basándose en la teoría cuántica de Planck, Einstein explicó el efecto fotoeléctrico por medio de corpúsculos de luz que él llamó fotones. 

      En la teoría moderna o cuántica de la luz, el "quantum" energético que es emitido por un átomo se llama "fotón" y corresponde a la energía emitida, esta energía toma valores diferentes y discretos, dependiendo del estado de excitación de los electrones del átomo.

      Bohr en 1912 explicó el espectro de emisión del átomo de hidrógeno, utilizando los fotones, y Compton en 1922 el efecto que lleva su nombre apoyándose en la teoría corpuscular de la luz.

      Hoy día se acepta para explicar la naturaleza de la luz, ambas teorías, es decir, que la luz presenta un doble aspecto: Corpuscular (Newton) y Ondulatoria (Huygens).

         La luz presenta aspecto corpuscular cuando es emitida por un cuerpo y absorbida por otro, en tanto que presenta aspecto ondulatorio mientras se propaga, ya que lo hace mediante un sistema doble de ondas transversales, una ligada al campo eléctrico y otra al campo magnético, estas dos ondas oscilan en planos perpendiculares, el conjunto formada por estas dos ondas dan origen a las ondas electromagnéticas.

      LA FÍSICA DEL COLOR

         Sin lugar una de los aspectos llamativo de la luz como onda, es su relación con fenómenos asociados al color. ¿Pero qué es el color?, ¿cuál es su fundamento Físico?

      Cuando un cuerpo está expuesto a la luz presenta un determinado color, pero en la oscuridad no se percibe color, excepto el negro. Es decir, el color se fundamenta en la interacción entre materia y radiación. En este aspecto se debe señalar que la materia está compuesta por átomos, los cuales están constan de un núcleo y a su alrededor giran electrones.

      Los electrones son  los encargados de otorgar color a las cosas. Para tal efecto se necesita de energía, en este caso la luminosa, mediante fotones.

      Cuando el fotón choca contra el electrón en su órbita estable, le suministra una energía que hace que salte a otra órbita. Pero no puede ser cualquier órbita, tiene que ser una que cumpla el segundo postulado de Bohr, es decir esté cuantizada.

      El electrón en la nueva órbita no puede permanecer para siempre si no se le sigue suministrando energía, por lo tanto volverá a saltar a su órbita inicial. El problema es que la órbita inicial tenía menos energía que la final, por lo que para volver a esa órbita tiene que desprenderse de la energía sobrante para ello emite un nuevo fotón cuya energía es la diferencia de las energías de las órbitas inicial y final. Ese nuevo fotón tendrá una longitud de onda que depende de la energía y por lo tanto tendrá un color determinado.

      Es precisamente ese fotón el que llega a los ojos y hace que ver las cosas de un cierto color. Ese color depende de la diferencia de energía entre las órbitas entre la que saltó el electrón. Los fotones pueden provenir de la luz del Sol, de ampolletas, de un fuego encendido, entre otros. Es por eso que en la oscuridad no se observa el color de las cosas, porque al no haber luz, no hay fotones que hagan saltar al electrón de su órbita (En estricto rigor pueden haber  fotones llegando continuamente e incidiendo sobre los electrones, sólo que no tienen la energía suficiente como para hacer que el electrón salte a una órbita que haga que emita otro fotón de un color.

      Por lo tanto los fotones tienen una determinada energía que depende de su longitud de onda, es decir del color de la luz. Si la luz tiene poca energía, su longitud de onda estará cerca del color rojo y si tiene mucha energía, su longitud de onda estará cerca del color azul. O sea, desde el punto de vista de la Física se debe señalar que el color de los cuerpos no es una propiedad intrínseca de ellos, sino que depende de la naturaleza de la luz que reciben.

      Los colores se pueden clasificar en:

      - COLORES PRIMARIOS ADITIVOS

      Si utilizamos solo fuentes de luz de color, cada color de luz contiene una mezcla de longitudes de onda, las cuales son percibidas por el ojo como información de color; la mezcla de todas las longitudes de onda da como resultado el blanco.

      Este modelo, consistente en la adición de longitudes de onda para obtener colores, se conoce como modelo aditivo de color.

      El trío de colores, rojo - verde - azul, se considera idealmente como el conjunto de colores primarios de la luz, ya que con ellos se puede representar una gama muy amplia de colores visibles; la mezcla de los tres en iguales intensidades (adición) resulta en grises claros, que tienden idealmente al blanco.

      En la síntesis aditiva, la mezcla de los colores primarios ideales da los siguientes resultados:

      • Verde + azul = Cian
      • Rojo + azul = Magenta
      • Rojo + verde = Amarillo
      • Rojo + azul + verde = Blanco

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       Los colores primarios aditivos son los tres colores de la luz (rojo, verde y azul), que producen todos los colores del espectro visible al unirse en distintas combinaciones. Al sumar partes iguales de rojo, azul y verde, se obtiene el color blanco. La total ausencia de rojo, azul y verde da como resultado el color negro. Los monitores de ordenador son dispositivos que emplean colores primarios aditivos para crear color.

      - COLORES PRIMARIOS  SUSTRACTIVOS

      Entonces, si se mezclan pigmentos, se trata de una mezcla sustractiva ya que con cada pigmento que se añade lo que hacemos es absorber más partes del espectro; es decir, más colores primarios, y el resultado final será la ausencia de luz: el negro.

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      Así, el magenta, el cian y el amarillo son colores pigmento, su fusión da el negro. Son los colores utilizados en la imprenta, las tintas y el papel. Su mezcla se llama síntesis sustractiva y es común en todos los sistemas de impresión, pinturas, tintes y colorantes.

      En la síntesis sustractiva, los tres colores primarios son cian - magenta - amarillo, su mezcla en partes iguales (sustracción) da origen a tonalidades grises oscuras, las cuales tienden -en el modelo ideal- al negro.

      La mezcla de estos colores primarios da los siguientes resultados ideales en la síntesis sustractiva:

      • Magenta + amarillo = Rojo
      • Cian + amarillo = Verde
      • Cian + magenta = Azul
      • Cian + magenta + amarillo = Negro

      Los colores primarios sustractivos son pigmentos que crean un espectro de colores en diferentes combinaciones.

      A diferencia de los monitores, las impresoras emplean colores primarios sustractivos (pigmentos cian, magenta, amarillos y negros) para producir los colores mediante mezclas sustractivas. Se usa el término “sustractivo” porque los colores primarios son puros hasta que se empiezan a mezclar entre ellos; el resultado son unos colores que son versiones menos puras de los primarios. Por ejemplo, el color naranja se crea mediante la mezcla sustractiva de magenta y amarillo.

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       ¿POR QUÉ PERCIBIMOS LOS OBJETOS DE DIFERENTES COLORES?

       

      Una de las características más llamativas de la luz, es la rica y variada gama de colores que podemos percibir en nuestro entorno. Los colores de todos los cuerpos de la naturaleza se deben sencillamente al hecho de que reflejan la luz de cierto color en mayor cantidad que la de otros colores.
      Esto significa que un cuerpo opaco verde iluminado con luz blanca, se ve de tal color porque absorbe gran parte de los demás colores que constituyen la luz blanca, y refleja preferentemente la luz verde. De esta forma, la mayor parte de las veces percibimos el color por Reflexión. Cuando un cuerpo refleja todos los colores lo vemos “blanco” y si no refleja ninguno lo vemos “negro”.

      COLOR POR TRANSMISIÓN


      Decimos que un objeto tiene un color cuando, con preferencia, refleja o transmite las radiaciones correspondientes a tal color. Por ejemplo, un cuerpo es rojo por reflexión o transparencia cuando absorbe en casi su totalidad, todas las radiaciones menos las rojas, las cuales refleja o se deja atravesar por ellas.
      El color de los cuerpos no es una propiedad intrínseca de ellos, sino que va ligado a la naturaleza de la luz que reciben.
      La luz blanca es una mezcla de radiaciones de longitudes de onda diferentes, que se extienden desde la luz roja, que tiene la longitud de onda más larga hasta la luz violeta, que tiene la longitud de onda más corta.

      Un trozo de vidrio rojo se ve rojo porque absorbe todos los colores que componen la luz blanca excepto el rojo, el cual transmite. Análogamente, un trozo de vidrio azul se ve azul porque transmite principalmente el azul y absorbe los otros colores que lo iluminan. El material en el vidrio que absorbe selectivamente la luz de distintos colores se conoce como pigmento.
      Como se ha comentado, los colores de las cosas que vemos mediante la luz reflejada dependen del tipo de luz que cae sobre ellas y también depende de la naturaleza de sus superficies. Si una superficie refleja toda la luz que cae sobre ella, el color de la superficie será blanco cuando lo ilumine la luz blanca, rojo cuando lo ilumine la luz roja y así sucesivamente. Una superficie que refleja únicamente la luz verde, por ejemplo, se verá verde únicamente cuando la luz que está iluminándola contiene el color verde; si no es así, se verá negra. Una superficie que absorbe toda la luz que le llega, se verá de color negro.

      En esta iluminación el Pigmento absorbe en gran parte a todos los colores, excepto al rojo. Los cuerpos elevan su temperatura debido a que absorben la energía de las frecuencias de ondas de los distintos colores.

      ¿Por qué los vidrios de ventana son transparentes?

      Resp. Porque no transmiten colores.
      Lo que sucede que la luz que incide sobre un material transparente y plano, como el cristal de una ventana, atraviesa el material átomo a átomo y sale por el extremo opuesto con idéntica frecuencia y longitud de onda que antes de llegar a él. Cada fotón de un determinado color es reflejado en el extremo opuesto con ese mismo color, ya que los materiales transparentes emiten fotones de idéntica frecuencia a los que absorben y además, cuando el cristal tiene sus caras paralelas, pero perpendiculares a la luz incidente, los rayos lo atraviesan sin cambios de dirección.

      LA VISIÓN CROMÁTICA EN LOS ANIMALES

      La parte trasera del ojo está cubierta por la retina, que contiene los sensores de luz que están conectados a través del nervio óptico con el cerebro. En el centro de la retina está la Fovea.
      La Retina contiene dos tipos de células diferentes: los Bastones y los Conos.
      La vista de algunos animales abarca longitudes de onda que sobrepasan ligeramente el espectro visible para los seres humanos, pero se encuentra dentro de los límites generales, por ejemplo, las abejas son sensibles a la luz ultravioleta que no es percibida por el ojo humano.

      No todas las especies animales ven de la misma forma. Ello depende, entre otros factores de la complejidad del sistema visual, lo cual se ha ido desarrollando durante los procesos evolutivos.
      De acuerdo con la estructura que existe a nivel de la retina ocular, tanto en los animales como en el hombre, existen dos tipos de células especializadas en la fotorrecepción: los conos y los bastones, los cuales contienen fotopigmentos que producen energía química ante la exposición de la luz. Dicha energía se transmite a través de la vía óptica hasta la corteza visual para ser interpretada. Ya que los fotorreceptores tienen funciones diferentes, los pigmentos de cada uno también son diferentes y varían entre las especies.
      Los conos son los que poseen los pigmentos que son sensibles selectivamente a las diferentes longitudes de onda que tiene cada color (el rojo, el verde y el azul que constituyen los colores primarios). Cada uno de estos pigmentos absorbe un rango de longitud de onda que tiene un peak de absorción (absorción máxima) que es particular. De la mezcla o superposición entre ellos resultan las distintas gamas de colores. La estimulación completa de todos los conos da la sensación del blanco.
      En dependencia del número de pigmentos visuales que posea la especie, su visión se clasifica como:
      - Monocromática: 1 tipo de cono. Ej: Mapaches y salamandras
      - Dicromática: 2 tipos de conos. Incluye la inmensa mayoría de los animales.
      - Tricromática: 3 tipos de conos. Es el caso del hombre y los primates.
      - Tetracromática: 4 o más conos. Entre los que están las aves, reptiles y peces. Ven el ultravioleta.
      Se ha demostrado que la retina humana y la de los animales diurnos está conformada por una mayor cantidad de conos que de bastones. Algunos poseen los llamados conos dobles que les permiten ver más colores, como sucede en las lagartijas. En los animales nocturnos, por el contrario, predominarán los bastones, lo cual les permite ver con mayor claridad y divisar los matices del gris durante la noche, pero en sentido general perciben muy pocos colores.
      Aunque los animales no lo distingan todos los colores, se puede afirmar que los animales ven los colores.


      - Los gatos tienen más bastones que conos, y los bastones captan mucha más luminosidad, pero se saturan cuando hay demasiada luz, y no son sensibles al color. Esa es la razón por la que los gatos ven mucho mejor en la oscuridad, pero también ven todo exageradamente claro (como si el mundo tuviera una película blanca) a plena luz del día. Se considera que los bastones y el resto de características del ojo del gato hace que capte seis veces más luz en la oscuridad que los seres humanos.

      - Los hámsteres distinguen solamente el blanco y el negro. Las jicoteas tienen una vista bien desarrollada, pueden distinguir formas y colores, como el anaranjado del azul, el azul del verde y del gris. Las ardillas tienen sólo dos tipos de células fotosensibles, por eso ven menos colores que nosotros, posee también sólo dos tipos diferentes de conos. Su visión únicamente sirve para integrarse en su entorno, pero no para comunicación compleja. Para ello, se bastan con su muy desarrollado sentido del olfato.

      - Las abejas al igual que los humanos tienen un sistema visual basado en tres colores primarios pero se diferencian en que las abejas son ciegas al color rojo pero si ven parte del espectro que para nosotros resulta invisible. La visión humana es sensible al verde, azul y rojo y la abeja distingue verde, azul y ultravioleta. Con solo tres colores, ambos creamos una imagen de color completo.

      - Las aves, que emplean los colores para el reconocimiento sexual y la reproducción, ven en colores. Las que son de presa y las rapaces, en especial las águilas y los halcones, son las que tienen mejor sentido de la visión. La visión de las aves diurnas es de cuatro colores pudiendo ver algunos que no son visibles para otras especies, transitando la capacidad de ver colores desde el rojo, naranja, amarillo, verde, azul y sus tonos hasta incluir por ultimo los colores reflejados por la luz ultravioleta radiada por el sol; mientras que las nocturnas como los búhos y las lechuzas solo ven en blanco y negro, no obstante tienen con una gran agudeza visual en horas crepusculares de poca iluminación, por tener un elevado número de bastones -células especializadas en este tipo de visión en la retina.
      - Bovinos, ovinos y caprinos tienen visión dicromática, con conos de máxima sensibilidad a la luz amarillo-verdosa y azul-purpúreo. La mayoría de estas especies ven una gama completa de dos colores, por lo general toda la gama que va del verde al azul. La creencia difundida de que el toro se enfurece con el rojo del capote es incierta; lo que le llama la atención es el movimiento del mismo.
      - En los peces la visión cromática depende de la profundidad o la turbulencia de las aguas. En ellos puede haber especies monocromáticas, dicromáticas -peces de aguas turbias- , tricromática -peces de arrecifes coralinos- y tetracromática -peces de agua cristalina dulce- que captan el ultravioleta. Sin embargo, los animales que viven en las profundidades oceánicas, carecen de visión en colores, habiendo en ellos solamente bastones a nivel de la retina. Los pulpos no ven los colores, sólo poseen un tipo de cono y se necesitan dos como mínimo para distinguir los colores.
      - Las mariposas poseen cuatro tipos diferentes de conos. Pueden ver una amplia gama de colores.

      - El camarón mantis tiene por lo menos 12 clases de células sensibles al color y probablemente sea el animal que más colores perciba.

      - Las serpientes tienen dos juegos de ojos. Uno de ellos son los ojos normales visibles, que detectan bastante bien el color. Simultáneamente tienen un segundo juego con el que son capaces de detectar el calor y ver los seres vivos gracias a su detector de infrarrojos. No hay manera de escapar de una serpiente una vez que te ha visto, ni siquiera escondiéndote detrás de una puerta. Por suerte, la mayoría de las serpientes son más proclives a escapar que a atacar.


      Lo que para los seres humanos son los colores habituales del mundo, los siete colores del arco iris y sus miles de mezclas, tonos y matices, no existe realmente en el mundo real, sino que es una interpretación particular de nuestros sentidos: la vista y el área del cerebro encargada de procesar los datos que esta recibe.

      Una flor de un indiscutible amarillo intenso para el ojo humano es para una abeja un collage puntillista de blancos y púrpuras; para un gato, una forma en tonos verdosos (aunque repleta de información olfativa) y para un pájaro, una vibrante superficie de colores, incluyendo el rango ultravioleta, invisible para nosotros. En definitiva, el mundo depende del color del ojo con que se mire.

      PROPAGACIÓN DE LA LUZ

        Al observar los cuerpos que nos rodean comprobamos que algunos de ellos emiten luz; es decir, son “fuentes de luz”, como el Sol, una lámpara encendida, la llama de una vela, un trozo de acero incandescente, las estrellas, etc. Otros no son luminosos, pero pueden verse porque son iluminados por la luz que proviene de alguna fuente, es decir, reflejan la luz, como los planetas.

      Uno de los hechos que podemos observar fácilmente en relación con el comportamiento de la luz, es que cuando se transmite en un medio homogéneo (aquellos en los cuales la densidad de la sustancia no varía), su “propagación es rectilínea”.

      Esto puede comprobarse cuando la luz del Sol pasa por el orificio de una ventana y penetra en una habitación a oscuras.  Esta propiedad de propagación rectilínea la luz es frecuentemente usada por las personas, generalmente sin saberlo. Es lo que hace cuando se quiere    verificar, por medio de la visión, si el borde de una regla o una varilla es recto.

      Consideremos una fuente que emite luz en todas direcciones. Las direcciones en que se propaga pueden indicarse mediante rectas, como se indica en las figuras.

      Dichas líneas se denominan “rayos de luz”, los cuales permiten describir muchos fenómenos ópticos por medio de la geometría.

       

      SOMBRAS
        Aprovechando la propagación rectilínea de la luz, se estudia el fenómeno de las sombras, el cual se produce cuando la luz que proviene de una fuente puntual o de una extrema se encuentra con un objeto opaco.
      Para el caso de una fuente puntual, los rayos que emite la fuente luminosa, se interponen con el cuerpo opaco y se forma la sombra.

      Una fuente luminosa pequeña y cercana o una fuente más grande y algo más alejada producen sombras nítidas. Sin embargo, la mayoría de las sombras son borrosas. En general, constan de una parte interior oscura y borde más claros. La zona de sombra total se llama umbra, en cambio la de sombra parcial se denomina penumbra.


       Un objeto próximo a una pared proyecta una sombra nítida porque la luz no puede colarse hacia la parte posterior para formar una penumbra. Conforme el objeto se aleja de la pared se van formando penumbras que recortan la umbra. Cuando este se encuentra muy alejado no se ven sombras porque las penumbras se juntan en un gran borrón.


      Lo anterior nos permite explicar la formación de los Eclipses, tanto de Sol como de Luna.

      ECLIPSES
        En un eclipse solar, cuando la Luna pasa entre el Sol y la Tierra; debido al gran tamaño del Sol, los rayos convergen y forman una umbra rodeada de una penumbra. La sombra de la Luna apenas llega a la Tierra.



         Un eclipse lunar es un evento astronómico que sucede cuando el planeta Tierra se interpone entre el Sol y la Luna, es decir, cuando la Luna entra en la zona de sombra de la Tierra. Esto sólo puede ocurrir en la fase de Luna llena.

      VELOCIDAD DE LA LUZ

        Hasta la época de Galileo (1564-1642) se consideraba que la propagación de la luz era instantánea.

       El propio Galileo realizó un experimento para determinar la velocidad de la luz que consistía en realizar señales con linternas desde dos colinas que se encontraban a 1 km de distancia. Su idea consistía en medir el tiempo que tarda la luz en recorrer dos veces la distancia entre los experimentadores situados en las colinas. Uno de ellos destapaba su linterna y cuando el otro veía la luz, destapaba la suya. El tiempo transcurrido desde que el experimentador A destapaba su linterna hasta que veía la luz procedente de B era el tiempo que tardaba la luz en recorrer ida y vuelta la distancia entre los dos experimentadores.
      Aunque el método es correcto, la velocidad de la luz es muy alta y el tiempo a medir era incluso más pequeño que las fluctuaciones de la respuesta humana. Galileo no pudo obtener un valor razonable para la velocidad de la luz.
      A partir de Galileo, se sucedieron muchos experimentos para determinar la velocidad de la luz. En la figura se representa un esquema simplificado del método de Foucault.


      Cuando el espejo rotativo da un octavo de vuelta durante el tiempo que la luz emplea para ir al espejo fijo y volver, la siguiente cara del espejo está en la posición adecuada para reflejar la luz hacia el telescopio de observación.
      En tabla se muestran algunos de los resultados obtenidos para la velocidad de la luz 

      Actualmente se acepta el valor de 299.792,458 km/s para la velocidad de la luz en el vacío.

      Durante los siglos XVIII y XIX, se demostró que la velocidad de propagación de la luz es muy grande, pero no infinita. Depende exclusivamente del medio por el que se propaga, especialmente de la densidad de éste.
      En base a mediciones actuales, el valor de la velocidad de la luz (valor que generalmente se representa por la letra minúscula “c”, alcanza su mayor magnitud aproximada en el vacío c = 300.000 [km/s]. Para tener una idea del significado de esta magnitud, podemos destacar que si un objeto tuviera esa velocidad, podría dar casi 7,5 vueltas alrededor de la Tierra en solamente un segundo. Por otra parte, debemos observar que de acuerdo con la Teoría de la Relatividad de Einstein, este valor representa un límite superior para la velocidad de los cuerpos; es decir, ningún objeto material puede alcanzar una velocidad igual (o superior) a la velocidad de la luz. En los demás medios, la velocidad de la luz es siempre un valor inferior a “c” y disminuye en la medida que la densidad del medio transparente aumenta.

      La velocidad de la luz: límite de las velocidades


        Casi todo el mundo sabe que ningún cuerpo puede alcanzar la velocidad de la luz. Esto es difícil de explicar con las leyes de la física clásica ya que comunicando la energía adecuada a un cuerpo podemos hacer que aumente su velocidad y no parece haber ninguna razón que nos impida acercarnos a la velocidad de la luz o incluso superarla.
       Sin embargo, Einstein, en la teoría de la relatividad, plantea que la masa de los cuerpos puede considerarse una forma de energía. Si a una partícula que se desplaza a velocidades próximas a la de la luz le comunicamos energía, ésta se traduce en un aumento de masa de la partícula y no en un aumento de velocidad, por eso decimos que no es posible que un cuerpo alcance la velocidad de la luz.

      Según los cálculos de Einstein, si pudiéramos ver un cuerpo que se moviera a unos 260.000 km/s observaríamos que su masa se ha duplicado con respecto a la que tenía en reposo.
      Cuando la velocidad del cuerpo es baja (comparada con la de la luz), el aumento de masa que sufre si se le comunica energía es tan pequeño que no lo podemos medir. En este caso, tal como hacemos en la física clásica, podemos considerar que la masa de los cuerpos es constante.

      Algunos ejemplos de la velocidad de la luz, en [km/s] son:

      Si comparamos la velocidad de propagación del sonido con la de la luz, se deduce que el primero recorre 340 metros en un segundo mientras que la luz recorre 300.000.000 metros en ese tiempo.
      Lo anterior permite explicar lo que ocurre en días de tormenta al producirse descargas eléctricas (rayos). Primero vemos el “relámpago” (luz emitida por el rayo) y unos segundos después podemos oír el “trueno” (sonido que provoca la descarga). La diferencia de tiempo entre ellos nos permite incluso saber la distancia del rayo y si la tormenta se acerca o se aleja.

      Sabemos que las distancias entre las estrellas y nuestro planeta son inmensamente grandes, por lo que la luz emplea, a veces hasta millones de años en viajar entre ellas o entre cada una de ellas y la Tierra.
      Considerando esto es que en Astronomía se usa como unidad de longitud el “AÑO LUZ”, que es la distancia que la luz recorre en un año viajando por el vacío a la velocidad ya señalada (300.000 [km/s]).
      Se sabe que v = d / t
      es decir d = v ∙ t
      d = 300.000 [km/s] ∙ 1 [año]
      Por la técnica del análisis dimensional, convertimos 1 año en segundos.
      d = 300.000 ∙ 365 ∙ 24 ∙ 3600 [km]
      luego: 1 año-luz = 9,5 . 1012 [km]
      La estrella más cercana a la Tierra, próxima a alfa centauro, está a 4,3 años luz y las estrellas lejanas a 250.000.000 años-luz. Cabe destacar que cuando en las noches contemplamos las estrellas, ya sea a simple vista o por medio de un telescopio, lo que vemos en la actualidad es el pasado del universo, porque esa luz pudo ser emitida hace millones de años.

      La luz que vemos de la Luna tarda 1,3 segundos (1,26 s) en llegar a nosotros, es decir, la vemos tal y como era hace 1,3 segundos. 

      Velocidad de la luz desde la Tierra a la Luna, situada a más de 380.000 km

      TRANSMISIÓN DE LA LUZ

        La luz es capaz de atravesar diversos objetos, algunos con mayor eficacia que otros. En la transmisión de la luz pueden ocurrir diversos fenómenos tales como: reflexión, refracción y absorción.

       

      REFLEXION DE LA LUZ

         

      Consiste en el rechazo y cambio de dirección que sufren los rayos luminosos al incidir sobre una superficie.

      Dependiendo de las irregularidades o rugosidades de la superficie, la Reflexión puede producirse en forma Especular o en forma Difusa.

         Cuando el haz incidente encuentra una superficie pulida o lisa, el haz reflejado está muy bien definido, como se indica en la figura. Cuando esto sucede decimos que la reflexión es “especular”; dicho fenómeno se observa cuando la luz se refleja en un espejo, en un lago en calma o en un vidrio con fondo oscuro.

      Supongamos que un haz de la luz incide en una superficie irregular. En este caso, cada pequeña porción saliente de la superficie refleja la luz en determinada dirección, y por consiguiente, el haz reflejado no queda bien definido observándose el esparcimiento o dispersión de la luz en todas direcciones. Decimos, entonces, que se produce una “reflexión difusa” o bien una “difusión” de la luz por parte de la superficie áspera.

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      La mayoría de los cuerpos reflejan difusamente la luz que incide sobre ellos. Así, esta hoja de papel, una pared, un mueble, nuestra piel, etc., son objetos que difunden la luz que reciben esparciéndola en todas direcciones; por esta razón varias personas pueden observar un mismo objeto, a pesar de estar situadas en diferentes sitios a su alrededor.

      LEYES DE LA REFLEXION

      Consideremos un rayo luminoso que incide en el punto de una superficie reflejante. Si se traza la normal (perpendicular) a esta superficie en dicho punto, se observa que dicha línea y el rayo incidente determinan un plano. La reflexión se produce de manera que el rayo reflejado siempre se halla contenido en este mismo plano. Por tanto, el rayo reflejado, el rayo incidente y la normal están situados todos en el mismo plano; esta observación se conoce como “Primera ley de Reflexión”.

       El ángulo “i”, que el rayo incidente forma con la normal, se denomina “ángulo de incidencia”, y el ángulo “r”, formado por la normal y por el rayo reflejado, es el “ángulo de reflexión”. La medida de estos ángulos es igual   i = r y corresponde a la “Segunda ley de la Reflexión”.

      Estas leyes se emplean en el estudio de la formación de imágenes en los espejos planos y curvos.

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      PRINCIPIO DE FERMAT

       Pierre Fermat estableció en 1650, que la luz siempre viaja, con velocidad constante, por aquella trayectoria que le tome el menor tiempo posible. A velocidad constante, en un medio homogéneo, el menor tiempo corresponde al camino más corto recorrido por la luz.

        En la figura, se aprecia que el camino más corto es AOB, suponiendo que el rayo de luz sale de A, se refleja en el espejo en el punto O y, finalmente llega a B. Todas las demás posibles trayectorias involucran recorrer mayor distancia. Aplicando entonces el principio de Fermat el problema consiste en encontrar la longitud de camino óptico, que recorre un rayo luminoso que, partiendo del punto A, llega al punto B, luego de reflejarse en la interface reflectante. Como en  este caso, el rayo sólo se propagará en el primer medio se entiende que su velocidad permanecerá constante durante todo el recorrido, por lo cual, si nos atenemos al principio de Fermat, el tiempo mínimo en este caso corresponde exactamente al camino más corto entre A y B, luego de reflejarse en algún punto de la interface.

      El esquema de la figura sirve para verificar que tal punto es C ya que la trayectoria ACB es precisamente la distancia más corta que puede recorrer la luz. Como se aprecia el punto A’, equidistante de la interface respecto a A, sugiere que las distancias ACB y A'CB son exactamente iguales, si a esto agregamos que la distancia más corta entre dos puntos es precisamente una línea recta, se concluye que la luz se refleja en C, y por tanto, el ángulo de incidencia i es justamente igual al ángulo de reflexión r.

       

      REFRACCIÓN DE LA LUZ

       Consiste en el cambio de la velocidad de propagación de un haz de luz al pasar     de un medio transparente a otro (agua, aire, vidrio, etc.) Esto sólo puede  suceder cuando la luz se propaga con velocidades distintas en ambos medios. Por lo tanto en la refracción cambia la velocidad, la longitud de onda, pero la frecuencia se mantiene constante, eso sí cabe señalar que la velocidad con la longitud de onda son directamente proporcionales.

           

      Cuando observamos una varilla parcialmente introducida en un vaso transparente con agua, aparentemente la varilla se quiebra en la superficie de separación entre el aire y el agua.

      Cuando un rayo de luz incide sobre la superficie de un medio     transparente, como el vidrio, parte del rayo se refleja y parte entra en el vidrio formando el rayo refractado.

      Al trazar la recta normal en el punto de incidencia vemos el ángulo de incidencia ( Θ1) y el de refracción( Θ2 )          

      El fenómeno de refracción hace que los rayos de luz parezcan provenir de un lugar en que realmente no están, “engañando” a nuestro sistema visual que percibe los objetos en una posición aparente. Estamos acostumbrados “a ver” sin considerar la refracción, y esa es la causa común de accidentes en piscinas, pues el fondo “se eleva” y zonas profundas nos parecen “casi una tercera parte menos profundas” de lo que efectivamente son.

      El fenómeno de refracción explica lo que sucede en un hermoso amanecer en donde vemos la luz del Sol antes que llegue a la línea del horizonte o en un atardecer seguimos viendo la luz solar después de haber traspasado la línea del horizonte.

         Debido a la desviación que experimenta la luz en las refracciones, muchas de las cosas que observamos con nuestros ojos no están realmente allí donde las vemos.

      Por ejemplo, el fondo de las piscinas con agua, paisajes que vemos a través del vidrio de una ventana, las cumbres nevadas de las montañas; la luz de las estrellas, del Sol y de la Luna, observados a través de la atmósfera terrestre.

      ÍNDICE DE REFRACCIÓN, n

      Para estudiar la refracción de la luz, es necesario antes conocer una propiedad muy importante de los medios transparentes. La luz no viaja a la misma velocidad en cada medio transparente como el aire, agua, vidrio, etc. Se ha encontrado experimentalmente, que la luz siempre viaja a una velocidad menor en diferentes medios respecto a la velocidad de la luz en el vacío.

      Al cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en un medio determinado (vmedio) se le denomina índice de refracción y se simboliza con la letra n y se trata de un valor adimensional.

          Donde:

           c: la velocidad de la luz en el vacío

           v: velocidad de la luz en el medio cuyo índice se calcula (agua, vidrio, entre otros)

            La letra "n" representa el índice de refracción del medio.

       

      Según la tabla de índice de refracción, se cumple que la velocidad de la luz (v) en un determinado medio es inversamente proporcional a su índice de refracción (n)

       

       

       En la imagen se observa un rayo de luz cambiando de medio, de uno menos denso a otro más denso. Es decir  entre dos medios con diferentes índices de refracción (n2 > n1). Como la velocidad de fase es menor en el segundo medio (v2 < v1), el ángulo de refracción θ2 es menor que el ángulo de incidencia θ1; esto es, el rayo en el medio de índice mayor es más cercano a la línea normal.

      Como:   V2 < V1,  entonces   λ2< λ1    y    f2= f1     

       f= frecuencia  λ= Longitud de onda

       

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      ESPEJISMOS

      Un ejemplo interesante es el espejismo. Cuando hace calor puede haber una capa de aire muy caliente en contacto con el suelo. Como las moléculas del aire caliente están más separadas, las ondas de luz se desplazan más aprisa a través de esta capa que en la capa superior de aire, a menor temperatura. El apresuramiento de aquella parte de la onda que se encuentra más cerca del suelo hace que los rayos de luz se curven gradualmente.  Esto produce una imagen invertida como si se reflejase en la superficie de un estanque. Pero la luz no se está reflejando, sino refractando.

         Los espejismos no son “trucos de la mente”, como creen erróneamente muchas personas. Están formados por luz real e incluso pueden ser fotografiados.

      Refracciones en prisma de caras paralelas: Un Prisma es un cuerpo transparente con superficies planas y pulidas que se cortan entre sí. Supongamos que tenemos un prisma de caras paralelas. Si un rayo de luz incide sobre él, experimenta “dos refracciones”: la primera al pasar del aire al prisma y la segunda, al pasar del prisma al aire. En ambos cambios de medio, el rayo modifica su dirección de propagación de modo tal que el rayo que emerge es paralelo al incidente.

       

      Reflexión Total de la Luz: Cuando la luz pasa de un medio a otro cambia de dirección debido a que cambia de velocidad. Esto se llama refracción. Si hacemos incidir la luz de forma oblicua desde el agua (un medio más denso) al aire (que es otro medio menos denso), la luz refractada se “dobla” hacia la superficie.

       

      A medida que inclinamos más la luz incidente, la luz refractada tiende a “doblarse” aún más hacia la superficie. A medida que el ángulo de incidencia se hace cada vez mayor, el ángulo de refracción crece hasta cierto límite en el cual el rayo refractado sale por la superficie de separación de ambos medios formando un ángulo de 90° con la Normal. De este modo existe un determinado ángulo para el cual la luz refractada es paralela a la superficie. Este es el ángulo crítico. Este ángulo recibe el nombre de “Angulo Límite” y es característico de cada sustancia. Por ejemplo, para el agua es 48°; para el vidrio, 42°; para el diamante, 24° (todos medidos con respecto al aire).

         Para todos los ángulos de incidencia superiores al “ángulo límite”, la luz ya no se refracta, sino que se refleja en la superficie de separación de ambos medios, como si esta fuera un espejo. Este fenómeno es conocido como Reflexión Total y sólo ocurre cuando la luz incide desde un medio de mayor Índice de Refracción a otro menor.

      Por encima del ángulo crítico no hay luz refractada, sólo reflejada, fenómeno que se conoce con el nombre de reflexión total interna.

      La reflexión total interna constituye el principio en el que se basan las fibras ópticas. De este modo, la luz puede ser transmitida a lo largo de la fibra óptica incluso cuando la fibra está curvada.

      La fibra óptica es un medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos y telecomunicaciones, consistente en 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 provenir de un láser o un diodo 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 la radio y superiores a las de un cable convencional. Son el medio de transmisión por cable más avanzado, al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, y también se utilizan para redes locales donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión.

      Las fibras ópticas son muy importantes en las comunicaciones, ya que pueden llevar miles de mensajes telefónicos simultáneamente. También se usan con mucho éxito en medicina, en el diagnóstico, tratamiento de diferentes enfermedades y cirugía con láser.

      DIFRACCIÓN DE LA LUZ
      Consideremos una onda que se propaga en la superficie de un líquido y encuentra una barrera que interrumpe la propagación de una parte de dicha onda.
      En la figura se observa que la parte de la onda que no se interrumpió no conserva su dirección inicial de propagación, pues los pulsos al pasar por la barrera, rodean el obstáculo.

      La Difracción es la propiedad que posee una onda de rodear obstáculos al ser interrumpida su propagación parcialmente por ellos. La Difracción es un fenómeno que ocurre en cualquier tipo de onda.
      Cuando la luz se hace pasar a través de un orificio, la difracción es notable.

      Difracción por un orificio: Si una onda se propaga en dirección a un orificio o abertura situada entre dos barreras, la difracción es importante pues la onda rodea ambos
      obstáculos.

      El fenómeno de Difracción permite concluir, para la luz, que ésta es un movimiento ondulatorio cuya longitud de onda es muy pequeña, ya que es posible apreciarlo sólo con aberturas extremadamente
      pequeñas.

      Las ondas de luz se superponen como las del sonido, formando zonas donde se refuerzan (interferencia constructiva) y zonas donde se anulan (interferencia destructiva) En una figura de interferencia se observan líneas nodales (A, A’, B, B’, etc.), constituidas por puntos P permanentemente en reposo (interferencia destructiva), y crestas dobles y valles dobles (interferencia constructiva), se propagan entre las líneas nodales P’. Para que se produzca el fenómeno de Interferencia, las ondas que se superponen, deben estar en “fase”, es decir, en el momento en que una produce una cresta, la otra también genera la suya, y cuando una produce un valle, la otra también lo hace. Esto es posible de realizar, por ejemplo al perturbar el agua o con el sonido, con dos parlantes.
      Pero con la luz no es tan fácil de obtener la Interferencia, para lograrlo se recurre al llamado “experimento de Young”.

      EXPERIMENTO DE YOUNG DE LA DOBLE RENDIJA
      Young hizo pasar la luz procedente de un único foco luminoso por dos rendijas estrechas (de grosor muy pequeño en comparación con la longitud de onda), separadas entre sí una distancia a.
      Consiguió dos focos coherentes, ya que la luz provenía de un único foco real. Observó así un patrón de franjas claras y oscuras alternadas, es decir un patrón de interferencias.

      Se sabe que una interferencia es constructiva cuando las ondas están en fase. En este
      caso la amplitud resultante es la suma de las amplitudes de las ondas y su intensidad, proporcional al cuadrado de la amplitud, es máxima. Se observa una intensificación de las ondas. Una interferencia es destructiva si las ondas están en oposición de fase. La amplitud de fase es la diferencia de las amplitudes de las ondas y la intensidad es mínima. Se observa debilitación o anulación de las ondas.

      En el experimento:
      - La distancia entre las pantallas es grande en comparación con la distancia entre las rendijas(a).
      - Los ángulos correspondientes a los máximos θ son muy pequeños, por lo que el patrón de interferencia se produce en las proximidades del centro de la pantalla.

      Si se interpone en el camino de la luz un obstáculo y se examina la sombra, su contorno no es perfectamente nítido. Se aprecian franjas claras y oscuras que contradicen el principio de propagación rectilínea de la luz. Este fenómeno se conoce como difracción. Las ondas luminosas rodean los obstáculos y llegan a untos situados detrás de ellos y ocultos al foco. La difracción es básicamente un fenómeno de interferencia.

      Supongamos un haz de rayos paralelos de luz que atraviesan una estrecha rendija paralela al frente de onda incidente. En la pantalla debería aparecer una zona iluminada semejante a la rendija.
      Sin embargo aparece una ancha franja central brillante y a los lados otras franjas más estrechas y no tan brillantes y alternadas con franjas oscuras.
      Esto puede interpretarse a partir del principio de Huygens: cada punto de la rendija se convierte en
      emisor de ondas elementales en fase que interfieren entre sí. De aquí la semejanza entre los fenómenos de interferencia y difracción.

      Esto es lo que permite a movimientos ondulatorios con longitudes de onda grandes como el sonido (longitud de onda puede coincidir con el tamaño de una puerta) sortear obstáculos y por eso podemos oír música al otro lado de una puerta. Sin embargo las ondas luminosas tienen poca longitud de onda (visible entre 380 y 780 nm) y las rendijas u obstáculos han de ser muy pequeños para que se produzca el fenómeno

  • APUNTES Y EJERCICIOS

  • TEST DE LA LUZ