!! Y se hizo la luz ¡¡  
   
 
 
Refracción

 

Te has preguntado alguna vez, ¿por qué el cielo es azul?

El cielo, la atmósfera de la Tierra, el privilegio del único planeta habitado conocido. No importa en qué parte de la Tierra nos encontremos, todos tenemos el mismo cielo en común.

Sus colores varían desde todas las tonalidades del azul , el blanco, rosa, verde, anaranjados, violeta... Su imagen es tan variada que nunca se repite dos veces.

Las manifestaciones de color del cielo se deben fundamentalmente a la interacción de la luz del sol con la atmósfera. La luz del sol es blanca, también llamada policromática (es la suma de todos los colores del arco iris), y la atmósfera contiene una cierta cantidad de humedad, normalmente pequeña, así como partículas de polvo y ceniza.

La interacción entre la luz policromática del sol y la atmósfera, con sus partículas en suspensión, es suficiente para regalarnos un cielo lleno de color.

Una forma sencilla de entender por qué el cielo es azul es considerando que dejamos pasar un rayo de sol a través de un material, por ejemplo un prisma de vidrio.

Cuando un rayo de luz atraviesa un material, su dirección de propagación se desvía un cierto ángulo, que depende del tipo de material atravesado.

Los materiales transparentes se suelen caracterizar por un parámetro que se llama "índice de refracción", y su valor depende del color de la luz que atraviesa el material.

Así, al atravesar un material, cada color contenido en un haz de luz blanca se desviará un ángulo diferente, dando lugar a la conocida separación de la luz en varios colores detrás de un prisma.

Cada color contenido en la luz blanca se caracteriza por un número que se llama "longitud de onda". La desviación de los colores de la luz es máxima para los azules (con longitud de onda menor), es decir, son los colores que más cambian su dirección con respecto al rayo blanco inicial, y es mínima para los amarillos y los rojos (con longitud de onda mayor), que casi no son desviados.

Los rayos azules, una vez desviados, vuelven a chocar con otras partículas del aire, variando de nuevo su trayectoria. Realizan por tanto un recorrido en zigzag a través de la atmósfera, hasta llegar a nosotros. Es por eso que cuando llegan a nuestros ojos parece que llegan de todos los lugares del cielo. Los rayos amarillos no aparecen casi desviados y ésta es la razón de que el sol nos parezca de ese color.

 

Cuando el sol está muy bajo en el cielo sus rayos pasan a través de un gran espesor de aire y los rayos de luz interactuarán más veces con las partículas de la atmósfera. Los azules y los violetas son esparcidos hacia los lados con mayor fuerza que lo son los amarillos y los rojos, que continúan propagándose en la línea de visión del sol, formando esas magníficas puestas de sol en la Tierra.

Vamos adentrarnos más en la Refracción.

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos.

ÁNGULO DE INCIDENCIA Y ÁNGULO DE REFRACCIÓN                                                                 

Se llama ángulo de incidencia ( I ) el formado por el rayo incidente y la normal( N )-. La normal es una recta imaginaria perpendicular a la superficie de separación de los dos medios en el punto de contacto del rayo. El ángulo de refracción ( R )es el formado por el rayo refractado y la normal.   

 INDICE DE REFRACCIÓN                                           

Se llama índice de refracción absoluto "n" de un medio transparente al cociente entre la velocidad de la luz en el vacío ,"c", y la velocidad que tiene la luz en ese medio, "v". El valor de "n" es siempre adimensional y mayor que la unidad, es una constante característica de cada medio: n = c/v.

                          Applet 1

 Refracción de la luz al cambiar del medio agua al medio aire, y viceversa.

 La refracción se origina en el cambio de velocidad que experimenta la onda. El índice de refracción es precisamente la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia (el vacío para las ondas electromagnéticas) y su velocidad en el medio de que se trate.

Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. ( ver Imagen 1 e Imagen  2 )

 

Refracción de la luz al cambiar del medio agua al medio aire.

                         Imagen 1.                                               Imagen 2

También se produce cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos un caso extremo de refracción, denominado reflexión total.

Esta desviación en la dirección de propagación se explica por medio de la ley de Snell. Esta ley, así como la refracción en medios no homogéneos, son consecuencia del principio de Fermat, que indica que la luz se propaga entre dos puntos siguiendo la trayectoria de recorrido óptico de menor tiempo.

 

Animación de la demostración de la ley de Snell

Demostración de la Ley de Snell

En este gráfico animado se puede ver la demostración. Los pasos están explicados más abajo.

El frente de ondas AB que avanza en el medio amarillo empieza a tocar el medio verde en el punto A

En el medio verde se propaga más lentamente.

gráfico Snell

Mientras en el medio amarillo en un tiempo"t" avanza una distancia BM, en el medio verde avanza AN.

Si V1 es la velocidad en el medio amarillo y V2 la velocidad en el medio verde:

n1 = C / V1

n2 = C / V2

BM = V1· t

AN = V2 · t

El rayo es perpendicular al frente de las ondas y la normal es perpendicular a la superficie de separación.

En la figura vemos que el ángulo "i" (ángulo de incidencia) es igual al ángulo BMA, por tener los ángulos BMA y POB los lados perpendiculares.

El ángulo de refracción "r" es igual al ángulo AMN por tener los ángulos QOS y AMN los lados perpendiculares.

Por la definición de seno:

sen i = BM/MA

sen r = AN/ MA

Dividiendo sen i entre sen r obtenemos:

L_Snell

L_Snell

L_Snell

n1·sen i = n2 ·sen r