El estudio de la óptica se define a partir de la interacción de la luz con los objetos, y se reconocen dos líneas:
La óptica física como la parte de la física que explica los fenómenos producidos por la interacción de la luz con objetos materiales, cuyas dimensiones son similares a las de la longitud de onda de la luz. Estas interacciones generan fenómenos típicamente ondulatorios como son: la difracción, la interferencia y la polarización de la luz.
La óptica geométrica estudia los fenómenos ocurridos en la interacción de la luz con objetos cuyo tamaño es mayor que la longitud de onda de la luz.
Naturaleza de la luz y la óptica geométrica
A través de la historia de la humanidad, se han propuesto varias teorías que explican la naturaleza de la luz. Para el caso de la óptica geométrica, la noción de rayo surge de una visión totalmente corpuscular de la luz que se inició con el físico inglés Isaac Newton (1642-1727), quien hacia el año 1704, y con el fin de explicar la naturaleza de la luz, enunció: "La luz tiene que ser una corriente de partículas que se precipitan a gran velocidad a través del espacio propagándose en línea recta". De esta manera propuso lo que en física comúnmente denominamos teoría corpuscular.
Por la misma época surge el modelo ondulatorio, donde se propone a la luz como onda, para lo cual se requiere de un medio material para su propagación por el espacio. Este medio se conoció como el éter, propuesto desde Aristóteles, y del cual se pensaba era el sostén del universo.
El impulsor de la teoría ondulatoria fue el físico holandés Christian Huygens (1629-1695), quien logró describir cómo dos haces de luz en su interacción podrán destruirse, fenómeno que la teoría ondulatoria de Newton no logró explicar lo suficiente.
En 1888 el físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894) halló las aplicaciones de la teoría electromagnética de Maxwell, generando, por primera vez, la emisión de ondas electromagnéticas u ondas hertzianas, como se les conoció por aquellos años. La luz, por tanto, es una onda que -a diferencia de las ondas mecánicas como las del sonido o las que se forman en el agua– no necesita de un medio material para su propagación, pero es un ente que cumple con las propiedades de las ondas mecánicas, como el trasporte de energía y el tener asociada una longitud de onda.
Óptica geométrica
La óptica, en general, es el estudio de la interacción de la luz con los cuerpos materiales. Si el tamaño de dichos objetos es mayor que la longitud de onda de la luz incidente, se origina una rama de la óptica denominada óptica geométrica. Esta tiene como fin estudiar las leyes de propagación de la luz en medios trasparentes.
La figura es la representación gráfica de los rayos con líneas rectas y flechas, que indican la dirección de propagación de la luz. Observamos que existe una relación entre la geometría tanto de la fuente como de la luz o rayos de luz emitidos por la fuente. Así, una bombilla de filamento -como la que utilizamos en nuestras casas- genera rayos de luz en todas las direcciones, guardando una simetría esférica. Una fuente lineal o rectilínea genera rayos de luz que se propagan con simetría cilíndrica. En general, la fuente determina la geometría y la frecuencia de los rayos lumínicos.
Para el estudio de la óptica geométrica y como primera aproximación, el carácter ondulatorio de la luz no interesa.
Reflexión
El estudio de la luz es una de las áreas de la física de mayor importancia, debido a que el mundo que nos rodea lo percibimos a través de los sentidos, especialmente con el de la vista. El proceso de la visión humana es un fenómeno óptico. En este los rayos de luz deben incidir primero sobre el objeto, reflejarse o "rebotar" y, posteriormente, llegar al ojo para formar la imagen en la retina que se encuentra en la parte posterior del ojo, como lo vemos en la figura.
A esta propiedad que tiene la luz de incidir sobre una superficie y cambiar de dirección en el mismo medio de propagación, cuando se le interpone un objeto material, se conoce como reflexión.
Reflexión especular
Cuando un haz de rayos paralelos incide sobre una superficie lisa, los rayos se reflejan igualmente en forma paralela, como se ilustra en la figura; este tipo de reflexión se denomina especular. Especular es sinónimo de espejo, Las superficies lustrosas de vidrio y metal pulido son lisas y permiten este tipo de reflexión.
Fig. Reflexión especular Superficie lisa
Reflexión difusa
Ocurre cuando un haz de rayos paralelos incide sobre una superficie rugosa y como resultado se obtiene la dispersión de los rayos, como vemos en la figura; en este caso, finalmente se percibe una superficie opaca. El papel y la pintura en las paredes de las habitaciones, son ejemplos de superficies que difunden la luz incidente.
Fig. Reflexión difusa
Superficie rugosa
Ejemplo
Un haz de luz que incide sobre una superficie lisa, forma un ángulo de 37° con la normal. Determinemos el ángulo que forma con la superficie el haz reflejado.
Solución
Espejos planos
Los espejos planos son los que usualmente encontramos en casas, carros o almacenes, y que nos permiten ver la imagen reflejada de objetos y personas.
La figura 3.8 muestra el proceso de visión a través de la reflexión en un espejo plano. El objeto O se halla colocado frente a un espejo plano E, cuya imagen (I) la percibe una persona que está al mismo lado que el objeto respecto al espejo.
Los rayos de luz inciden en forma directa sobre el objeto O; luego, estos "salen" del objeto hacia el espejo, donde se reflejan y, posteriormente, se dirigen al ojo.
En este proceso el ojo "cree" que todos los rayos proceden de la imagen I, pero es claro que los rayos de luz no parten de I. Este tipo de imagen recibe el nombre de virtual porque se forma detrás del espejo -como nuestro cerebro cree-, pero al querer constatar su existencia no es posible observarla. Detrás del espejo no hay nada.
La imagen I que se forma en un espejo plano, además de ser virtual, tiene el mismo tamaño del objeto O, y se forma a igual distancia (di) del espejo, que la distancia del objeto al espejo (do).
Ejemplo
Una persona de 1,80 m de estatura desea comprar un espejo de pared en el cual pueda verse de cuerpo entero. ¿Cuál debe ser la altura mínima que ha de tener dicho espejo para que su imagen se vea completa? Consideremos como 0,14 m la distancia de los ojos a la parte superior de la cabeza.
Solución
De acuerdo con la figura, para que la persona pueda verse la punta de la cabeza debe seguir con sus ojos el rayo abc; por congruencia de triángulos, el lado superior del espejo debe estar colocado en el punto b. Para observarse los pies, debe seguir con sus ojos el rayo ade; de nuevo por congruencia, en el punto d debe situarse el lado inferior del espejo.
Con base en las dimensiones que se ven en la figura, la distancia db corresponde a la altura del espejo, es decir: 1,8m – 0,90m = 0,90 m.
Ejemplo
Si la persona del ejemplo anterior se halla a 1m del espejo,
a. ¿cuál es la distancia entre el espejo y la imagen?
b. ¿Cuál el tamaño de la imagen?
Solución
a. La distancia di entre el espejo y la imagen será 1 m, porque es el mismo espacio que hay entre objeto-espejo (do).
b. El tamaño de la imagen I será igual al del objeto. Luego I = 1,80 m.
Autor:
German Velez