Propagación de la Luz

La Luz: Naturaleza.

La luz y los fenómenos relacionados con ella han intrigado a la humanidad desde hace más de 2.000 años.

Ya sabes lo importante que es la luz para para el hombre, para la función clorofílica de las plantas, para el clima, etc. Esto significa que hay muchas aspectos diferentes que tenemos que contemplar al estudiar la luz.

Por ejemplo, desde el punto de vista de la energía, todos sabemos que los cuerpos de color oscuro se calientan más que los de colores claros cuando reciben luz. Esto se debe a que el color que percibimos de los cuerpos es precisamente la parte de la luz que no han absorbido, es decir si vemos un objeto de color verde significa que el cuerpo refleja el color verde y absorbe los demás. Mientras más energía luminosa absorba un cuerpo, más se calentará.

El hombre siempre se ha preguntado qué es la luz:

Los antiguos griegos ya habían observado algunos fenómenos asociados con la luz como la propagación rectilínea, la reflexión y la refracción.

Una idea para explicar la naturaleza de la luz proponía que se trataba de "algo emitido por el ojo" que chocaba contra los objetos y permitía verlos.

Más adelante se propuso que la luz debía proceder de los objetos que se veían y que al llegar al ojo producía el efecto de la visión.

Ninguna de las dos hipótesis explicaba por qué no se emiten rayos en la oscuridad, así que se planteó una nueva hipótesis que identificaba la luz como algo procedente del Sol y de los cuerpos incandescentes.

Más próximos a nosotros en el tiempo, surgió un debate: La Luz ¿Onda o Partícula?

Extraído de: http://www.educaplus.org/luz/ideasluz.html

FUENTES LUMINOSAS

A nuestro alrededor existen numerosos objetos que emiten luz, por ejemplo el Sol, una lámpara, una vela. A estos objetos que transforman algún tipo de energía en luz se les llama fuentes de luz o fuentes luminosas. En el caso de la vela la energía proviene de una reacción química llamada combustión, en la lámpara se transforma energía eléctrica en luz y en el Sol es producto de reacciones nucleares. La luz emitida por cualquier fuente luminosa siempre proviene de una transformación de energía.

Las Fuentes de luz pueden ser clasificadas teniendo en cuenta la incidencia del ser humano en el proceso de emisión de luz.

• NATURALES: Son aquellas fuentes luminosas en las cuales el ser humano no participa en la emisión de luz.
• ARTIFICIALES: Son aquellas funtes luminosas en las que el ser humano participa, directa o indirectamente en el proceso de emisión de luz.

Tener presente que una misma fuente de luz puede ser interpretada en cualquiera de los dos procesos, ej: fuego.

Basados en la temperatura en la que se produce la emisión de la luz, se puede establecer que las fuentes son:

• INCANDESCENTES: Son aquellas que para emitir luz, necesitan incrementar notoriamente la temperatura del cuerpo.
• LUMINISCENTES: Son aquellas fuentes de luz, que no modifican su temperatura mientras emiten luz.

A las fuentes luminiscentes se las puede clasificar en:
-Fluorescentes: Estos materiales luego de recibir energía, la absorben y emiten luz mientras dura la absrocion de energía. Por ejemplo: al apagar un televisor su pantalla deja de emitir luz casi instantaneamente.
-Fosforescentes: Estos materiales reciben energía, la absorben y la emisión de luz continua despues de la absorción de energía. Por ejemplo: los relojes que estan recubiertos con una pintura especial siguen emitiendo luz durante un tiempo prolongado, así se los pueden ver en una habitación oscura.

Basados en el tamaño de la fuente de luz, podemos clasificar a la misma en:

• PUNTUALES: Son aquellas fuentes luminosas de tamaño muy pequeño.
• EXTENSAS: Son aquellas fuentes de luz de gran tamaño, por lo general su tamaño es mucho mayor que los objetos a los que ilumina.

RAYOS Y HACES LUMINOSOS

En un medio material homogéneo la luz de propaga en línea recta. Para modelizar la trayectoria que sigue una única partícula de luz (fotón), es que se utiliza un vector. Así es que el modelo de propagación de la luz se establece basado en dicho comportamiento, denominando a la trayectoria de este fotón como rayo de luz.

Considerando que en la vida real no sería posible observar el comportamiento de un fotón en solitario, lo más correcto sería referirnos a la propagación de la luz en términos de haces luminosos, estos haces son conjuntos de rayos de luz.

Los haces luminosos pueden clasificarse de la siguiente manera:

• PARALELOS: Son aquellos rayos que no se cruzan entre si en el espacio, donde todo los rayos poseen la misma dirección.
• CONVERGENTES: Son un conjunto de rayos de luz que se dirigen a un mismo punto.
• DIVERGENTES: Son un conjunto de rayos de luz que parten de un punto en común, tomando diferentes direcciónes en el espacio (separandose entre sí a medida que se alejan del origen).

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 el siguiente cuadro puedes ver algunos de los resultados obtenidos para la velocidad de la luz.

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

La luz no sólo se propaga en el vacío, sino que lo hace también en algunos medios materiales, desplazándose en cada medio con una velocidad diferente según las características de éste.

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.

FENOMENOS DE SOMBRAS

Aunque hoy sabemos que la materia curva la luz, el concepto de rayo y su forma de propagarse dio lugar al nacimiento de la óptica.

La idea fundamental sobre la que se construye la óptica geométrica es la de que los rayos de luz viajan en línea recta y la demostración más evidente de que viaja en línea recta son las sombras.

Una sombra es una región de oscuridad donde la luz es obstaculizada. Una sombra ocupa todo el espacio de detrás de un objeto opaco con una fuente de luz frente a él. La sección eficaz de una sombra es una silueta bidimensional o una proyección invertida del objeto que bloquea la luz.

Los obstáculos al paso de la luz originan sombras

Si interponemos un cuerpo opaco en el camino de la luz y a continuación una pantalla, sobre ella recogeremos su sombra.

Si el tamaño del foco es pequeño comparado con el del objeto  (y esto sólo depende de las posiciones relativas, de lo alejados que estén el uno del otro) se produce sólo sombra.

Sombra y Penumbra

Si el tamaño del foco es grande comparado con el del objeto  (recuerda que esto sólo depende de las posiciones relativas, de lo alejados que estén uno del otro) se produce sombra y penumbra.