Explicador: Reflexión, refracción y el poder de las lentes

May 26, 2023

Un prisma hace que la luz entrante se doble en diferentes cantidades, según la longitud de onda, o el color, de esa luz. Cuando la luz pasa a través del prisma y sale por el otro lado, se esparce en un arco iris.

Ekaterina Demidova/Momento/Getty Images

Por Trisha Muro

Hace 6 horas

Microscopios, telescopios y anteojos. Todos estos funcionan manipulando el movimiento de la luz.

Cuando las ondas de luz golpean una superficie lisa, como un espejo, se reflejan en ella. También se doblan o se refractan cuando se mueven entre entornos de diferentes densidades, como cuando la luz pasa del aire a través de una lente de vidrio. Juntas, estas propiedades básicas de la luz permiten a los científicos diseñar lentes y espejos que se adapten a sus necesidades, ya sea para mirar a través del cosmos o en el interior de una célula.

Mírate en un espejo y verás tu reflejo. La ley de la reflexión es simple: cualquiera que sea el ángulo que forma un haz de luz cuando choca con un espejo, es el mismo ángulo que tendrá cuando rebote en la superficie del espejo. Si enciende una linterna en un ángulo de 45 grados en el espejo de su baño, rebotará en un ángulo de 45 grados. Cuando ves tu reflejo, la luz que brilla en tu cara iluminada incide directamente en el espejo, por lo que rebota de regreso a tus ojos.

Esto solo funciona porque un espejo es una superficie pulida que es extremadamente suave y, por lo tanto, reflectante. Su suavidad hace que toda la luz que le incide desde un cierto ángulo rebote en la misma dirección. La superficie de una pared pintada en su dormitorio, por el contrario, es tan irregular que no se refleja muy bien. La luz que golpea la pared se reflejará en esos bultos, rebotando en una mezcla de diferentes direcciones. Es por eso que la mayoría de las paredes se ven opacas, no brillantes.

Es posible que hayas notado que dentro de las linternas y los faros hay una sola bombilla pequeña con un espejo curvo detrás. Esa curva recoge la luz que sale de la bombilla en muchas direcciones diferentes y la enfoca en un haz fuerte que sale en una dirección: hacia afuera. Los espejos curvos son extremadamente efectivos para enfocar haces de luz.

El espejo de un telescopio funciona de la misma manera. Enfoca las ondas de luz entrantes de un objeto distante, como una estrella, en un solo punto de luz que ahora es lo suficientemente brillante para que un astrónomo lo vea.

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¿Sabes cómo parece doblarse una pajilla cuando se coloca en un vaso de agua? Eso es debido a la refracción. La ley de la refracción establece que las ondas de luz se doblarán cuando se muevan de un medio (como el aire) a otro (como el agua o el vidrio). Esto se debe a que cada medio tiene una densidad diferente, también conocida como "grosor óptico".

Imagina correr por una playa. Si comienza a correr en un camino concreto, puede correr bastante rápido. Tan pronto como cruzas la arena, disminuyes la velocidad. Incluso si intentas mover los pies a la misma velocidad que antes, no puedes. Disminuirás aún más la velocidad a medida que intentes seguir corriendo por el agua. El "grosor" de cada superficie por la que corres (arena o agua) te hace más lento en comparación con cuando tus pies se movían por el aire.

La luz también cambia de velocidad en diferentes medios. Y dado que la luz viaja en ondas, esas ondas se doblarán a medida que cambien su velocidad.

Volviendo a esa pajilla en un vaso de agua: si miras a través del costado del vaso, la pajilla se verá como un zigzag. O, si alguna vez colocó un anillo de buceo en el fondo de una piscina poco profunda e intentó agarrarlo, habrá notado que el anillo no está exactamente donde parece estar. La curvatura de los rayos de luz hace que parezca que el anillo está ubicado a poca distancia de su lugar real.

Los efectos de esta flexión son mayores o menores según la longitud de onda o el color de la luz. Las longitudes de onda más cortas, como el azul y el violeta, se curvan más que las más largas, como el rojo.

Esto es lo que causa el efecto del arcoíris cuando la luz pasa a través de un prisma. También explica por qué el rojo es siempre el color superior en un arcoíris y el violeta el tono inferior. La luz blanca que ingresa al prisma contiene todos los diferentes colores de luz. Las ondas de luz roja son las que menos se doblan, por lo que su camino se mantiene más cerca de una línea recta. Eso deja rojo en la parte superior del arcoíris. Las ondas de luz violeta se doblan más cuando pasan a través del prisma, de modo que el tono desciende hasta el fondo. Los otros colores del arco iris terminan entre el rojo y el violeta, según la curvatura de sus ondas.

La reflexión y la refracción pueden trabajar juntas, a menudo con resultados sorprendentes. Considere la curvatura de la luz del sol cuando pasa a través de la atmósfera de la Tierra en un ángulo bajo. Esto tiende a suceder al amanecer o al atardecer. La flexión o refracción de la luz del sol pinta las nubes cerca del horizonte en una variedad de tonos rojos y naranjas.

Es posible que también haya notado que las puestas de sol más espectaculares ocurren cuando el aire está polvoriento o húmedo. En esos casos, la luz del sol es refractada por la atmósfera de la Tierra y reflejada por partículas de polvo y vapor de agua.

Lo mismo sucede en los arcoíris. A medida que la luz del sol entra en cada gota de lluvia individual, el rayo de luz se refracta al pasar del aire al agua de la gota. Una vez dentro de la gota de lluvia, la luz se refleja en el interior de la gota. Rebota una vez y luego comienza a salir de la gota de lluvia. Pero a medida que la luz pasa desde el interior de la gota de nuevo al aire, se refracta una vez más.

Son dos refracciones más una reflexión interna.

La luz que pasa a través de las gotas de lluvia forma un arco iris distintivo por la misma razón que lo hace la luz que pasa a través de un prisma. El rojo forma el arco más externo y el azul el más interno. A medida que los colores se extienden, nos deleitamos con la belleza de esos tonos difuminados. (Un arco iris doble ocurre cuando la luz rebota dos veces dentro de cada gota de lluvia. Dos refracciones más dos reflejos internos. Eso invierte el orden de los colores en el segundo arco iris).

¿Alguna vez te has preguntado por qué no vemos arco iris en la nieve como lo vemos en la lluvia? Tal vez tenga sentido ahora. Los arco iris dependen de la forma casi esférica de las gotas de agua. La nieve también es agua, pero sus cristales tienen una forma completamente diferente. Es por eso que la nieve no puede producir el mismo patrón de refracción-reflexión-refracción que producen las gotas de lluvia.

Las lentes son herramientas que aprovechan la capacidad de la luz para doblarse. Al moldear cuidadosamente una pieza de vidrio, los científicos ópticos pueden diseñar lentes que enfocan la luz para crear imágenes claras. Para magnificar la apariencia de un objeto, los diseñadores suelen combinar una serie de lentes.

La mayoría de las lentes están hechas de vidrio molido en una forma muy precisa con una superficie lisa. La losa de vidrio inicial parece un panqueque grueso. En el momento en que se muele en una lente, su forma será muy diferente.

Las lentes convexas son más gruesas en el centro que en los bordes. Ellos doblan un haz de luz entrante a un solo punto focal.

Las lentes cóncavas hacen lo contrario. Más gruesas por fuera que por el centro, proyectan un haz de luz. Ambos tipos de lentes son útiles en microscopios, telescopios, binoculares y anteojos. Las combinaciones de estas formas permiten a los científicos ópticos dirigir un haz de luz en cualquier camino que se necesite.

Los espejos también pueden moldearse para modificar el camino que toma la luz. Si alguna vez has mirado tu reflejo en los espejos de carnaval, es posible que te hayan hecho parecer alto y delgado, bajo y redondeado o distorsionado de otras maneras.

La combinación de espejos y lentes también puede crear poderosos haces de luz, como los que emite un faro.

En uno de los trucos más magníficos del universo, la intensa gravedad puede actuar como una lente.

Si un objeto extremadamente masivo, como una galaxia o un agujero negro, se encuentra entre un astrónomo y la estrella distante que está mirando, esa estrella puede parecer estar en un lugar falso (como el anillo en el fondo de una piscina) . La masa de la galaxia en realidad deforma el espacio a su alrededor. Como resultado, el haz de luz de esa estrella distante se desvía con el espacio por el que se mueve. La estrella ahora podría incluso aparecer en la imagen del astrónomo como múltiples apariencias idénticas de sí misma. O podría verse como arcos de luz manchados. A veces, si la alineación es la correcta, esa luz puede formar un círculo perfecto.

Es tan extraño como los trucos de luz de un espejo de la casa de la risa, pero a una escala cósmica.

ángulo: El espacio (generalmente medido en grados) entre dos líneas o superficies que se cruzan en o cerca del punto donde se encuentran.

arco: Una curva, a menudo dibujando lo que parece ser parte de un círculo.

formación : Un grupo amplio y organizado de objetos. A veces son instrumentos colocados de manera sistemática para recolectar información de manera coordinada. Otras veces, una matriz puede referirse a cosas que se presentan o se muestran de una manera que puede hacer que una amplia gama de cosas relacionadas, como los colores, sean visibles a la vez. El término puede incluso aplicarse a una variedad de opciones o elecciones.

astrónomo: Un científico que trabaja en el campo de la investigación que se ocupa de los objetos celestes, el espacio y el universo físico.

atmósfera: La envoltura de gases que rodea la Tierra, otro planeta o una luna.

agujero negro: Una región del espacio que tiene un campo gravitacional tan intenso que ninguna materia o radiación (incluida la luz) puede escapar.

nube: Un penacho de moléculas o partículas, como gotas de agua, que se mueven bajo la acción de una fuerza exterior, como el viento, la radiación o las corrientes de agua.

cóncavo: Término para la forma de una superficie algo redondeada, como el interior de un cuenco.

concreto : Ser sólido y real. (en construcción) Un material de construcción simple de dos partes. Una parte está hecha de arena o trozos de roca triturados. El otro está hecho de cemento, que se endurece y ayuda a unir los granos de material.

convexo: Una superficie que posee una forma redondeada hacia afuera.

cosmos: (adj. cósmico) Un término que se refiere al universo y todo lo que contiene.

grado : (en geometría) Una unidad de medida para ángulos. Cada grado equivale a la trescientas sesentava parte de la circunferencia de un círculo.

densidad: La medida de cuán condensado está un objeto, que se encuentra dividiendo su masa por su volumen.

ambiente : La suma de todas las cosas que existen alrededor de algún organismo o el proceso y la condición que esas cosas crean. El medio ambiente puede referirse al clima y al ecosistema en el que vive un animal o, quizás, a la temperatura y la humedad (o incluso a la ubicación de las cosas en las cercanías de un elemento de interés).

punto focal: El lugar donde convergen varios puntos o donde un haz se estrecha a un punto.

enfocar : (en física) El punto en el que los rayos (de luz o calor, por ejemplo) convergen a veces con la ayuda de una lente. (En visión, verbo, "enfocar") La acción que toman los ojos de una persona para adaptarse a la luz y la distancia, permitiéndoles ver los objetos con claridad.

galaxia : Un grupo de estrellas, y generalmente materia oscura misteriosa e invisible, todas unidas por la gravedad. Las galaxias gigantes, como la Vía Láctea, suelen tener más de 100 000 millones de estrellas. Las galaxias más tenues pueden tener solo unos pocos miles. Algunas galaxias también tienen gas y polvo del que forman nuevas estrellas.

gravedad : La fuerza que atrae cualquier cosa con masa, o volumen, hacia cualquier otra cosa con masa. Cuanta más masa tiene algo, mayor es su gravedad.

matiz: Un color o matiz de algún color.

lente : (en biología) Una parte transparente del ojo detrás del iris de color que enfoca la luz entrante en la membrana absorbente de luz en la parte posterior del globo ocular. (en física) Un material transparente que puede enfocar o dispersar rayos de luz paralelos a medida que pasan a través de él. (en óptica) Una pieza curva de material transparente (como el vidrio) que curva la luz entrante de tal manera que la enfoca en un punto particular en el espacio. O algo, como la gravedad, que puede imitar algunos de los atributos de flexión de la luz de una lente física.

aumentar: Aumentar el tamaño aparente o el número de algo.

masa: Un número que muestra cuánto se resiste un objeto a acelerar y desacelerar, básicamente una medida de la cantidad de materia de la que está hecho ese objeto.

microscopio: Un instrumento utilizado para ver objetos, como bacterias o células individuales de plantas o animales, que son demasiado pequeños para ser visibles a simple vista.

óptico: Adjetivo que se refiere a la luz oa la visión.

partícula: Una cantidad mínima de algo.

par : (sustantivo) Alguien que es igual, basado en la edad, educación, estado, entrenamiento o algunas otras características. (verbo) Mirar dentro de algo, buscando detalles.

punto : (en matemáticas) Un punto preciso en el espacio que es tan pequeño que no tiene tamaño. Simplemente tiene una dirección.

prisma : Una cuña triangular de vidrio u otra sustancia transparente que puede doblar los componentes de la luz blanca en una sucesión de bandas de colores similar a un arco iris. (v.) Separar la luz en sus matices componentes.

arcoíris : Un arco de color que se muestra en el cielo durante o justo después de una lluvia. Se produce cuando las gotas de agua en la atmósfera doblan (o difractan) la luz solar blanca en varios de sus tonos componentes: generalmente rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta.

rayo: (en matemáticas) Una línea que tiene un extremo definido en un lado, pero el otro lado continúa para siempre.

reflexivo: (v.reflejar ; norte.reflexión ) Adjetivo que se refiere a la capacidad que tiene algo de reflejar fuertemente la luz. Dichos objetos pueden producir un fuerte resplandor brillante cuando la luz del sol rebota en ellos. Los ejemplos de objetos reflectantes incluyen un espejo, una lata de metal liso, la ventanilla de un automóvil, una botella de vidrio, hielo, nieve o la superficie acuosa de un lago.

refractar: (n.refracción ) Para cambiar la dirección de la luz (o cualquier otra onda) cuando pasa a través de algún material. Por ejemplo, la trayectoria de la luz que sale del agua y entra en el aire se doblará, haciendo que los objetos parcialmente sumergidos parezcan doblarse en la superficie del agua.

estrella : El componente básico del que están hechas las galaxias. Las estrellas se desarrollan cuando la gravedad compacta las nubes de gas. Cuando se calientan lo suficiente, las estrellas emiten luz y, a veces, otras formas de radiación electromagnética. El sol es nuestra estrella más cercana.

telescopio : Por lo general, un instrumento colector de luz que hace que los objetos distantes parezcan más cercanos mediante el uso de lentes o una combinación de espejos curvos y lentes. Algunos, sin embargo, recogen emisiones de radio (energía de una porción diferente del espectro electromagnético) a través de una red de antenas.

deformación : Un cambio en la forma, generalmente debido a alguna torsión o curvatura en una superficie o plano normalmente plano. Una pieza de madera mojada puede deformarse a medida que se seca de manera desigual, lo que hace que se doble o se tuerza levemente.

vapor de agua: Agua en estado gaseoso, susceptible de ser suspendida en el aire.

ola: Una perturbación o variación que viaja a través del espacio y la materia de manera regular y oscilante.

longitud de onda : La distancia entre un pico y el siguiente en una serie de ondas, o la distancia entre un valle y el siguiente. También es una de las "varas de medir" que se utilizan para medir la radiación. La luz visible, que, como toda radiación electromagnética, viaja en ondas, incluye longitudes de onda entre aproximadamente 380 nanómetros (violeta) y aproximadamente 740 nanómetros (rojo). La radiación con longitudes de onda más cortas que la luz visible incluye rayos gamma, rayos X y luz ultravioleta. La radiación de longitud de onda más larga incluye luz infrarroja, microondas y ondas de radio.

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