La óptica

Historia de la Óptica

La óptica, al igual que las demás ciencias, ha necesitado de muchos siglos de lenta y progresiva evolución, para llegar a ser lo que es hoy en día, el cual se rige por leyes que nos permiten un conocimiento más exacto de ella.

Las nociones que tenemos de la óptica en la antigüedad, son muy escasas y mal documentadas, lo que no nos permite hacer afirmaciones concretas sobre el tema.

Partiremos con esta breve historia de la óptica, mencionando que en el siglo XV antes de Cristo, durante el reinado de Tumes III, aparecen los primeros vasos de vidrio y esmaltes artísticos de este material. Mencionamos este hecho, debido a la gran importancia y conexión que tiene este material con la óptica propiamente dicha.

En el año 1928, el arqueólogo Beck encuentra lentes planos convexas y biconvexas, procedentes de la Antigua Mesopotamia de más de 3000 años antes de Cristo. En Creta se hallan lentes biconvexas de una antigüedad, comprendida entre los años 3000 y 1200 antes de Cristo. Sin embargo, estas lentes no fueron auxiliares de la visión, sino que fueron utilizados como objetos sagrados para encender fuego.

De hecho, son numerosas las lentes positivas encontradas que tienen una gran antigüedad. En Pompeya se halló una lente de 5 cm. de diámetro. En Creta se encontró una caja con seis lentes convexos, la mayor de 0.8 pulgadas de diámetro y de 10 aumentos. En el Museo Arqueológico de Berlín, hay una lente positiva de 7 mm de espesor y un foco de 152 cm.

Las lentes positivas, fueron usadas como lupas, desde tiempos muy remotos. No puede admitirse de otro modo, como fueron hechas las pequeñas y delicadas inscripciones, en objetos hallados en las esfinges de la Tumba de Minos, en Egipto. Los hallazgos arqueológicos lo confirman.

En el siglo V antes de Cristo, los Griegos, Romanos. Arabes, Indúes y Chinos, usaron lentes positivas en medicina, como cauterios en el tratamiento de heridas. Plinio igualmente se refiere a las esferas de vidrio llenas de agua, que servían para encender fuego, como así también al hecho que los objetos vistos a través de ellas se ven más grandes.

En el año 455 comienza la penetración de los Bárbaros y la caída del Imperio Romano. La ciencia se centra en Europa, Norte de Africa y Asia Menor. La fabricación del vidrio, que Roma había extendido por todo el Imperio, se pierde con su caída, sobre todo en Egipto y Siria, debiéndose esperar su renacer en el sigo XI, en Venecia y Murano.

Aetius de Amida, educado en la Universidad de Alejandría, en sus escritos científicos, a modo de enciclopedia, hace mención de la miopía designándola como "Vista Corta" señalando, que algunos miopes tienen los ojos saltones, indicando además que se trata de un fenómeno irreparable.

Óptica geométrica

En física, la óptica geométrica parte de las leyes fenomenológicas de Snell (o Descartes según otras fuentes) de la reflexión y la refracción. A partir de ellas, basta hacer geometría con los rayos luminosos para la obtención de las fórmulas que corresponden a los espejos, dioptrio y lentes (o sus combinaciones), obteniendo así las leyes que gobiernan los instrumentos ópticos a que estamos acostumbrados.

La óptica geométrica usa la noción de rayo luminoso; es una aproximación del comportamiento que corresponde a las ondas electromagnéticas (la luz) cuando los objetos involucrados son de tamaño mucho mayor que la longitud de onda usada; ello permite despreciar los efectos derivados de la difracción, comportamiento ligado a la naturaleza ondulatoria de la luz.

Esta aproximación es llamada de la Eikonal y permite derivar la óptica geométrica a partir de las ecuaciones de Maxwell.

Velocidad e índice de refracción

La velocidad con que la luz se propaga a través de un medio homogéneo y transparente es una constante característica de dicho medio, y por tanto, cambia de un medio a otro. En la antigüedad se pensaba que su valor era infinito, lo que explicaba su propagación instantánea.

Debido a su enorme magnitud la medida de la velocidad de la luz c ha requerido la invención de procedimientos ingeniosos que superarán el inconveniente que suponen las cortas distancias terrestres en relación con tan extraordinaria rapidez. Métodos astronómicos y métodos terrestres han ido dando resultados cada vez más próximos. En la actualidad se acepta para la velocidad de la luz en el vacío el valor c = 300 000 km/s. En cualquier medio material transparente la luz se propaga con una velocidad que es siempre inferior a c. Así, por ejemplo, en el agua lo hace a 225 000 km/s y en el vidrio a 195 000 km/s.

La reflexión de la luz

Al igual que la reflexión de las ondas sonoras, la reflexión luminosa es un fenómeno en virtud del cual la luz al incidir sobre la superficie de los cuerpos cambia de dirección, invirtiéndose el sentido de su propagación. En cierto modo se podría comparar con el rebote que sufre una bola de billar cuando es lanzada contra una de las bandas de la mesa.

La visión de los objetos se lleva a cabo precisamente gracias al fenómeno de la reflexión. Un objeto cualquiera, a menos que no sea una fuente en sí mismo, permanecerá invisible en tanto no sea iluminado. Los rayos luminosos que provienen de la fuente se reflejan en la superficie del objeto y revelan al observador los detalles de su forma y su tamaño.

De acuerdo con las características de la superficie reflectora, la reflexión luminosa puede ser regular o difusa. La reflexión regular tiene lugar cuando la superficie es perfectamente lisa. Un espejo o una lámina metálica pulimentada reflejan ordenadamente un haz de rayos conservando la forma del haz. La reflexión difusa se da sobre los cuerpos de superficies más o menos rugosas.

En ellas un haz paralelo, al reflejarse, se dispersa orientándose los rayos en direcciones diferentes. Ésta es la razón por la que un espejo es capaz de reflejar la imagen de otro objeto en tanto que una piedra, por ejemplo, sólo refleja su propia imagen

Sobre la base de las observaciones antiguas se establecieron las leyes que rigen el comportamiento de la luz en la reflexión regular o especular. Se denominan genéricamente leyes de la reflexión.

Si S es una superficie especular (representada por una línea recta rayada del lado en que no existe la reflexión), se denomina rayo incidente al que llega a S, rayo reflejado al que emerge de ella como resultado de la reflexión y punto de incidencia O al punto de corte del rayo incidente con la superficie S. La recta N, perpendicular a S por el punto de incidencia, se denomina normal

Al igual que las leyes de la reflexión, las de la refracción poseen un fundamento experimental. Junto con los conceptos de rayo incidente, normal y ángulo de incidencia, es necesario considerar ahora el rayo refractado y el ángulo de refracción o ángulo que forma la normal y el rayo refractado.

La refracción de la luz

Se denomina refracción luminosa al cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza. Las lentes, las máquinas fotográficas, el ojo humano y, en general, la mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico.

El fenómeno de la refracción va, en general, acompañado de una reflexión, más o menos débil, producida en la superficie que limita los dos medios transparentes. El haz, al llegar a esa superficie límite, en parte se refleja y en parte se refracta, lo cual implica que los haces reflejado y refractado tendrán menos intensidad luminosa que el rayo incidente. Dicho reparto de intensidad se produce en una proporción que depende de las características de los medios en contacto y del ángulo de incidencia respecto de la superficie límite. A pesar de esta circunstancia, es posible fijar la atención únicamente en el fenómeno de la refracción para analizar sus características.

Las leyes de la refracción

Al igual que las leyes de la reflexión, las de la refracción poseen un fundamento experimental. Junto con los conceptos de rayo incidente, normal y ángulo de incidencia, es necesario considerar ahora el rayo refractado y el ángulo de refracción o ángulo que forma la normal y el rayo refractado.

Sean 1 y 2 dos medios transparentes en contacto que son atravesados por un rayo luminoso en el sentido de 1 a 2 y e1 y e2 los ángulos de incidencia y refracción respectivamente. Las leyes que rigen el fenómeno de la refracción pueden, entonces, expresarse en la forma:

1.ª Ley. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.

2.ª Ley. (ley de Snell) Los senos de los ángulos de incidencia e1 y de refracción e2 son directamente proporcionales a las velocidades de propagación v1 y v2 de la luz en los respectivos medios.

Recordando que índice de refracción y velocidad son inversamente proporcionales (ecuación 14.1) la segunda ley de la refracción se puede escribir en función de los índices de refracción en la forma:

o en otros términos:

n1 · sen e1 = n2 · sen e2 = cte (14.5)

Esto indica que el producto del seno del ángulo e por el índice de refracción del medio correspondiente es una cantidad constante y, por tanto, los valores de n y sen e para un mismo medio son inversamente proporcionales.

Debido a que la función trigonométrica seno es creciente para ángulos menores de 90º, de la última ecuación (14.5) se deduce que si el índice de refracción ni del primer medio es mayor que el del segundo n2, el ángulo de refracción e2 es mayor que el de incidencia e1 y, por tanto, el rayo refractado se aleja de la normal.

Por el contrario, si el índice de refracción n1 del primer medio es menor que el del segundo n2, el ángulo de refracción e2 es menor que el de incidencia el y el rayo refractado se acerca a la normal.

Estas reglas prácticas que se deducen de la ecuación (14.5) son de mucha utilidad en la representación de la marcha de los rayos, operación imprescindible en el estudio de cualquier fenómeno óptico desde la perspectiva de la óptica geométrica.

La refringencia de un medio transparente viene medida por su índice de refracción. Los medios más refringentes son aquellos en los que la luz se propaga a menor velocidad; se dice también que tienen una mayor densidad óptica. Por regla general, la refringencia de un medio va ligada a su densidad de materia, pues la luz encontrará más dificultades para propagarse cuanta mayor cantidad de materia haya de atravesar para una misma distancia. Así pues, a mayor densidad, menor velocidad y mayor índice de refracción o grado de refringencia.

Tipos de espejos

ESPEJO CONCAVO: Un espejo cóncavo refleja luz desde la parte curva interna. Cuando los rayos de luz que provienen de un objeto inciden paralelos al eje principal siguen la ley de reflexión. Los rayos que se reflejan sobre el espejo, a igual distancia del eje principal, son simétricos. Donde estos rayos se encuentran se haya el foco principal o punto focal del espejo. Este punto queda en el medio del objeto reflejado y el punto que esta al medio del espejo. Un espejo cóncavo es un espejo convergente ya que los rayos reflejados se encuentran en el punto focal.Cualquier rayo que incida sobre el espejo se reflejará y pasará por el punto focal. El rayo incidente que pase por el foco se reflejará en una dirección paralela al eje principal.ESPEJO PLANO: Un espejo plano es una superficie plana muy pulimentada que puede reflejar la luz que le llega con una capacidad reflectora de la intensidad de la luz incidente del 95% (o superior) . Los espejos planos se utilizan con mucha frecuencia. Son los que usamos cada mañana para mirarnos. En ellos vemos nuestro reflejo, una imagen que no está distorsionada. ESPEJO CONVEXO: El espejo convexo da una imagen menor que el objeto y virtual (los rayos reflejados no se concentran en ningún punto y no se puede recoger la imagen del objeto sobre una pantalla)

Los espejos planos son los que los usamos para mirarnos a nosotros mismos. Cuando vemos un espejo plano, estamos viendo un reflejo, que no está distorsionado en su tamaño. Pero la imagen formada cambia de sentido izquierdo – derecho. Ese es el porque de que si usted tiene algo en el brazo derecho, aparece en el espejo como si lo tuviera en el brazo izquierdo. Como la imagen es recta, debe ser virtual.EspejosLos espejos curvos trabajan de la misma manera que los lentes. La diferencia es que el espejo cóncavo trabaja como si fuera un lente convexo y un espejo convexo trabaja como si fuera un lente cóncavo. Esto significa que el espejo cóncavo es un espejo convergente. así que los rayos de luz saldrán del mismo lado del espejo. Aparte, un espejo convexo se divergirán y tendrá un foco virtual localizado en el punto F en el otro lado del espejo. El centro de curvatura de un espejo está localizado en 2F.Cuando un espejo es cóncavo y la curva es una parábola, si un rayo incide paralelo al eje del espejo, se refleja pasando por el foco (que es la mitad del centro óptico de la esfera a la que pertenece el espejo), y si incide pasando por el foco, se refleja paralelo al eje principal.

EL TELESCOPIO.

Un telescopio es básicamente un instrumento óptico que recoge cierta cantidad de luz y la concentra en un punto. La cantidad de luz colectada por el instrumento depende fundamentalmente de la apertura del mismo (el diámetro del objetivo). Para visualizar las imágenes se utilizan los oculares, los cuales se disponen en el punto donde la luz es concentrada por el objetivo, el plano focal. Son los oculares los que proporcionan los aumentos al telescopio: al intercambiar oculares se obtienen diferentes aumentos con el mismo instrumento.

 La idea principal en un telescopio astronómico es la captación de la mayor cantidad de luz posible, necesaria para poder observar objetos de bajo brillo, así como para obtener imágenes nítidas y definidas, necesarias por ejemplo para observar detalles finos en planetas y separar estrellas dobles cerradas.

Principales partes del ojo

HUMOR VÍTREO: tiene el aspecto de una masa gelatinosa y transparente formada por agua, cloruro de sodio y albúmina en pequeña cantidad.HUMOR ACUOSO: el 98 % de este líquido es agua. Es un líquido incoloro, transparente y de reacción alcalina. Ocupa las cámaras anterior y posterior del compartimiento anterior del ojo. En su interior está sumergido el iris, cuyo orificio pupilar comunica las dos cámaras.CRISTALINO: es un lente biconvexo, transparente y elástico, que está fijado por medio de los músculos ciliares. Estos controlan el cristalino, permitiéndole cambiar de forma, para focalizar un objeto.LA CÓRNEA:es la superficie transparente que mide aproximadamente 1,5 cm de diámetro. Presenta forma convexa. Se ubica en la parte anterior del globo ocular. Al igual que la lente de una cámara fotográfica, inicia el proceso visual refractando los rayos de luz para que se ordenen de determinada manera.LA PUPILA: se encuentra en el centro del iris. Es una abertura que posibilita el paso de la luz hacia adentro. El iris permite agrandar o contraer la pupila, regulando así la cantidad de luz que entra en el ojo.EL IRIS: es la parte situada alrededor de la pupila. Contiene un pigmento marrón, verde o azul, que le da el color a los ojos. Está rodeado por un músculo(esfínter), que regula el diámetro de la pupila y, por lo tanto, la cantidad de luz que penetra en el ojo. Este ajuste sirve para lograr definición de los objetos que observamos(enfocar). LA FÓVEA: es el área ubicada en el centro de la retina. Está irrigada por gran cantidad de vasos sanguíneos. En el centro su estructura presenta células especializadas, los conos. Es el encargado de la visión en detalle.LA ESCLERÓTICA:es una capa de fibras de tejido conectivo que le da dureza y protección al ojo.LA RETINA: es la capa más interna del ojo, donde se ubican las células fotorreceptoras. Algunas trabajan con luz brillante y hacen posible la visión de color: conos. Otras se adaptan a la luz tenue y no detectan el color: bastones y bastoncillos. Los dos tipos de células forman sinapsis con las neuronas sensoriales, cuyos axones conforman el nervio óptico.

Bibliografía

http://www.misrespuestas.com/que-es-la-optica.html

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/39/historia.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93ptica/wiki/Leyes_de_la_%C3%B3ptica

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93ptica.

Autor:

José Andrés Dolores Jorge