Imagen De Espejo: Reflexión Y Refracción De La Luz.

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Una imagen de espejo es el resultado de rayos de luz que saltan de una superficie reflectante. La reflexión y la refracción son los dos aspectos principales de la óptica geométrica.

Cuando las personas se miran en un espejo, ven una imagen de sí mismas detrás del vidrio. Esa imagen es el resultado de los rayos de luz que se encuentran con la superficie brillante y se rebotan, o se reflejan, proporcionando una "imagen de espejo". La gente suele pensar que la reflexión se invierte de izquierda a derecha; Sin embargo, esto es un error. Si miras hacia el norte y miras directamente a un espejo, el lado este de tu rostro aún está en el lado este de la imagen, y lo mismo ocurre con el lado oeste. El espejo no invierte la imagen de izquierda a derecha; lo invierte de adelante hacia atrás. Por ejemplo, si estás mirando hacia el norte, tu reflejo está mirando hacia el sur.

El reflejo de los rayos de luz es uno de los aspectos principales de la óptica geométrica; El otro es la refracción, o la flexión de los rayos de luz. La óptica geométrica es una de las dos clases amplias de óptica, el campo que "trata la propagación de la luz a través de medios transparentes", según Richard Fitzpatrick, profesor de física en la Universidad de Texas en Austin, en notas de clase para un curso en Electromagnetismo y Óptica. (La otra clase es óptica física.)

Óptica geométrica

La óptica geométrica trata la luz como rayos continuos (en oposición a las ondas o partículas) que se mueven a través de medios transparentes de acuerdo con tres leyes. La primera ley establece que los rayos de luz se mueven a través de medios transparentes similares en líneas rectas. El segundo dice que cuando un rayo de luz encuentra una superficie lisa y brillante (o conductora), como un espejo, el rayo rebota en esa superficie. La tercera ley rige cómo se comportan los rayos de luz cuando pasan entre dos medios diferentes, como el aire y el agua. Por ejemplo, cuando mira una cuchara en un vaso de agua, la parte sumergida de la cuchara parece estar en un lugar diferente de lo esperado. Esto sucede porque los rayos de luz cambian de dirección cuando pasan de un material transparente (aire) a otro (agua).

Sir Isaac Newton sentó las bases para la óptica geométrica en su obra clásica de 1704 "Opticks". Los principios que describió todavía se utilizan para diseñar gafas, telescopios, microscopios, lentes y lentes de cámara.

En un telescopio reflector, la luz incide en el espejo primario y rebota en un espejo secundario, que desvía la luz hacia la lente del ocular.

En un telescopio reflector, la luz incide en el espejo primario y rebota en un espejo secundario, que desvía la luz hacia la lente del ocular.

Crédito: Virginia Commonwealth University

Reflexión

Los reflejos de superficies planas son bastante fáciles de entender. Un reflejo parece estar a la misma distancia del "otro lado" del espejo, como lo son los ojos del espectador. Además, cuando la luz se refleja desde un espejo, rebota en el mismo ángulo en la dirección opuesta a la que golpea. Por ejemplo, si la luz incide en un plano o "espejo plano" en un ángulo de 30 grados desde la izquierda, rebotará en un ángulo de 30 grados hacia la derecha.

Sin embargo, si la superficie del espejo es curva, los ángulos de reflexión son diferentes en diferentes puntos de la superficie. La superficie curva más común utilizada en dispositivos ópticos es un espejo esférico. Si el espejo es convexo, o curvado hacia afuera, reflejará un área más amplia, en la que las imágenes aparecerán más pequeñas y alejadas que las de un espejo plano. Estos espejos a menudo se usan para retrovisores exteriores en automóviles y para mantener grandes áreas bajo vigilancia en tiendas.

Si la superficie es cóncava, o curvada hacia adentro, un grupo de rayos de luz de una fuente distante se refleja hacia una ubicación única conocida como punto focal. Esto generalmente produce un efecto de aumento, como el que se ve en un espejo de maquillaje. El radio de curvatura de un espejo determina su factor de aumento y su distancia focal.

Newton utilizó un espejo esférico cóncavo para hacer su telescopio reflector, un diseño que sigue siendo popular entre los astrónomos aficionados debido a su simplicidad, bajo costo y alto grado de calidad de imagen.

En un telescopio reflector newtoniano, los rayos de luz de objetos distantes, que son esencialmente paralelos (porque vienen de muy lejos), chocan contra el espejo principal cóncavo en el mismo ángulo. Luego, los rayos se reflejan de nuevo a través del tubo del telescopio hacia el punto focal. Sin embargo, antes de que alcancen el punto focal, golpean un espejo secundario plano que se inclina en un ángulo de 45 grados. El espejo secundario desvía la luz a través de un agujero en el lado del tubo. La lente del ocular entonces enfoca la luz. Esto produce una imagen ampliada. Además, la imagen parece mucho más brillante que a simple vista porque el espejo recoge y concentra la luz.

La forma de un espejo esférico afecta a la imagen que se refleja. La luz que golpea cerca del borde del espejo no enfoca exactamente en el mismo lugar que la luz que se acerca más al centro. Esto resulta en lo que se llama aberración esférica. Este fenómeno a menudo se corrige utilizando una combinación de lentes, o en el caso de telescopios grandes, usando espejos parabólicos, que tienen forma de conos redondeados que enfocan toda la luz desde una fuente a un solo punto.

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Una cuchara "doblada" en un vaso de agua es un ejemplo de refracción.

Crédito: Crok Fotografía Shutterstock

Refracción

La refracción es la flexión de los rayos de luz. Normalmente, la luz viaja en línea recta y cambia de dirección y velocidad cuando pasa de un medio transparente a otro, como por ejemplo, del aire al vidrio.

En el vacío, la velocidad de la luz, indicada como "c", es constante.Sin embargo, cuando la luz se encuentra con un material transparente, se ralentiza. El grado en que un material hace que la luz se desacelere se denomina índice de refracción de ese material, denotado como "n". Según Physics.info, los valores aproximados de n para materiales comunes son:

  • Vacío = 1 (por definición)
  • Aire = 1.0003 (a temperatura y presión estándar)
  • Agua = 1.33 (a 68 grados Fahrenheit o 20 grados Celsius)
  • Copa de copa de cal sodada = 1.51
  • Zafiro = 1.77
  • 71 por ciento de vidrio de pedernal de plomo = 1.89
  • Circonia cúbica = 2.17
  • Diamante = 2.42

Estos números significan que la velocidad de la luz es 1.33 veces más lenta en el agua y 2.42 veces más lenta en el diamante que en el vacío.

Cuando la luz pasa de una región de n inferior, como el aire, a través de una superficie a una región de n superior, como el vidrio, la luz cambia de dirección. Esto significa que su camino es más cercano a la superficie, perpendicular o "normal". Cuando la luz pasa de una región de n más alta a la región de n más baja, se desvía de la dirección "normal". Esto es lo que hace que la parte sumergida de una cuchara en un vaso de agua parezca que se doble cuando la pones en agua.

Atención

En una lente con una superficie curva, los rayos paralelos se doblan en diferentes ángulos dependiendo del ángulo de la superficie donde los rayos entran en la lente. Los rayos paralelos que entran en una lente convexa convergen en un punto en el otro lado de la lente. Sin embargo, cuando los rayos paralelos entran en una lente cóncava, divergen, o se extienden, en el otro lado de la lente. Se dice que tienen un "punto focal virtual" en el lugar donde los rayos divergentes se encontrarían si se extendieran hacia atrás hasta el lado cercano de la lente.

Las lentes también pueden formarse con una superficie cilíndrica, ya sea convexa o cóncava, que ampliará o reducirá, respectivamente, una imagen en una sola dirección. Estas lentes a menudo se combinan con una forma esférica para producir una lente tórica o esferocilindro. Dicha lente tiene la forma de la superficie de un tubo interior, es decir, tiene más curvatura en una dirección que en otra.

Esta forma se usa comúnmente en los anteojos para corregir el astigmatismo, una condición que causa visión borrosa debido a la forma irregular de la córnea, la cubierta frontal transparente del ojo o, a veces, la curvatura de la lente dentro del ojo, de acuerdo con Asociación Americana de Optometría. Si mantiene un par de estas gafas alejadas de su cara y mira a través de una lente a medida que la gira, la lente astigmática hará que la imagen cambie de forma.

Sin embargo, la óptica geométrica no cubre todas las áreas de la óptica. La óptica física cubre temas como la difracción, la polarización, la interferencia y varios tipos de dispersión. La óptica cuántica aborda el comportamiento y la propiedad de los fotones, incluida la emisión espontánea, la emisión estimulada (el principio detrás de los láseres) y la dualidad de onda / partícula.

Jim Lucas es un escritor y editor independiente especializado en física, astronomía e ingeniería. El es gerente general de Lucas Technologies.

Recursos adicionales

Electromagnetismo y Óptica: un curso introductorio (Richard Fitzpatrick, Universidad de Texas en Austin)


Suplemento De Vídeo: LEYES DE LA REFLEXIÓN. IMAGEN DE UN ESPEJO PLANO.




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