Fenómenos Ondulatorios y Ópticos: Luz, Espejos y Ondas

Onda

En física, una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia.

¿Qué transfiere una onda?

Una onda transfiere energía.

Clasificación de las Ondas

Las ondas, al igual que cualquier fenómeno, se pueden clasificar a partir de distintos criterios. Las ondas en particular se clasifican a partir de 3 criterios:

Según su Naturaleza

a) Ondas Mecánicas: Son todas aquellas ondas que necesitan de un medio material para propagarse y existir.

b) Ondas Electromagnéticas: Son todas aquellas ondas que no necesitan de un medio material para propagarse y existir, pueden hacerlo incluso en el vacío.

Según su Oscilación

a) Ondas Transversales: Son todas aquellas ondas en las que la dirección del movimiento oscilatorio de las partículas del medio por el cual se propaga la onda, es perpendicular (forma un ángulo de 90º) a la dirección de propagación de la onda.

b) Ondas Longitudinales: Son todas aquellas ondas en las que la dirección del movimiento oscilatorio de las partículas del medio por el cual se propaga la onda, es igual a la dirección de propagación de la onda.

Según su Propagación

a) Ondas Viajeras: Son todas aquellas ondas que tienen la capacidad de propagarse libremente a través de un punto a otro del espacio.

b) Ondas Estacionarias: Son ondas que parecen no avanzar. Estas ondas se generan cuando dos ondas viajeras se superponen (están en el mismo lugar al mismo tiempo) al propagarse en sentidos contrarios.

Amplitud de Onda

Es una perturbación física que se propaga en el espacio como una onda armónica. Puede modelizarse matemáticamente como una magnitud física $Descripción: Descripción: \psi\,$ cuyo valor varía con el tiempo y de un punto a otro del espacio según una ecuación.

Frecuencia de Onda

Frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico.

La frecuencia tiene una relación inversa con el concepto de longitud de onda (ver gráfico), a mayor frecuencia menor longitud de onda y viceversa. La frecuencia f es igual a la velocidad v de la onda, dividido por la longitud de onda λ (lambda).

Longitud de Onda

La longitud de una onda es el período espacial o la distancia que hay de pulso a pulso. Normalmente se consideran 2 puntos consecutivos que poseen la misma fase: 2 máximos, 2 mínimos, 2 cruces por cero.

Período

En física, el período de una oscilación u onda (T) es el tiempo transcurrido entre dos puntos equivalentes de la onda.

Fórmulas

V = velocidad de propagación (m/seg)

f = frecuencia (Hz)

T = tiempo (seg)

λ = longitud de onda (m)

f = 1 / T seg

f = v / λ

v = λ * f

v = λ * (1 / T seg)

Espejo

Un espejo (del lat. specullum) es una superficie pulida en la que al incidir la luz, se refleja siguiendo las leyes de la reflexión.

El ejemplo más sencillo es el espejo plano. En este último, un haz de rayos de luz paralelos puede cambiar de dirección completamente en conjunto y continuar siendo un haz de rayos paralelos, pudiendo producir así una imagen virtual de un objeto con el mismo tamaño y forma que el real. La imagen resulta derecha pero invertida en el eje normal al espejo.

Clases de Espejos

Planos: Presentan una superficie lisa sumamente pulida. La imagen es como si el objeto reflejado se ubicara por detrás de la superficie del mismo, y no enfrente, como si se encontrara en el interior del mismo. Es por esto que se dice que la imagen que crea es virtual. Además, la imagen se caracteriza por ser simétrica, de igual tamaño al del objeto reflejado, derecha, es decir que mantiene la misma orientación que el reflejo. La luz que se refleja en el espejo plano cumple con las leyes de la reflexión.
Cóncavos: Se caracterizan por tener su superficie en forma de paraboloide donde su lado reflexivo se ubica en el interior del mismo, es decir dentro de su curvatura. En estos espejos, la ley de reflexión se cumple sólo cuando los rayos de luz que son emanados por el objeto son paralelos al eje central del espejo. Los espejos cóncavos pueden mostrar imágenes reales y virtuales. La primera se da cuando la imagen se encuentra del mismo lado que el objeto, en relación al espejo. La virtual, como se mencionó anteriormente, muestra al objeto y a la imagen en lados diferentes. Las características de la imagen, ya sea la orientación, distancia y altura son determinadas por la distancia en la que se ubique el objeto respecto del espejo.
Convexos: En estos espejos, que también son una porción esférica, su parte reflexiva se ubica al exterior del mismo. No muestran imágenes reales porque los rayos de luz emanados del objeto no se intersecan entre sí, sino que se divergen tras rebotar, por lo tanto, las imágenes que reflejan son siempre virtuales.
Esféricos: Son todas aquellas superficies con forma de cascarón esférico, lisas y pulidas que sean capaces de reflejar la luz de forma especular. Según la cara del espejo en la que se refleje la luz este se comportará como un espejo cóncavo o como un espejo convexo.

Luz

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.

Velocidad de la Luz

La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s (aproximadamente 186.282,397 millas/s) (suele aproximarse a 3⋅10⁸ m/s), o lo que es lo mismo 9,46⋅10¹⁵ m/año; la segunda cifra es la usada para definir al intervalo llamado año luz.

Se simboliza con la letra c, proveniente del latín celeritas (en español celeridad o rapidez), y también es conocida como la constante de Einstein.

Reflexión de la Luz y sus Leyes

Es el cambio de dirección, en el mismo medio, que experimenta un rayo luminoso al incidir oblicuamente sobre una superficie. Para este caso las leyes de la reflexión son las siguientes:

1ª ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo plano.

2ª ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Refracción

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda.

Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción.

Ley de Refracción (Ley de Snell)

La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual a la razón entre la velocidad de la onda en el primer medio y la velocidad de la onda en el segundo medio, o bien puede entenderse como el producto del índice de refracción del primer medio por el seno del ángulo de incidencia es igual al producto del índice de refracción del segundo medio por el seno del ángulo de refracción.

$Descripción: Descripción: n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2\$

$Descripción: Descripción: n_{1}$ : índice de refracción del primer medio

$Descripción: Descripción: \theta_{1}$ : ángulo de incidencia

$Descripción: Descripción: n_{2}$ : índice de refracción del segundo medio

$Descripción: Descripción: \theta_{2}$ : ángulo de refracción