Refracción

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En física, la refracción es la redirección de una onda cuando pasa de un medio a otro. La redirección puede ser causada por el cambio de velocidad de la onda o por un cambio en el medio. La refracción de la luz es el fenómeno más comúnmente observado, pero otras ondas, como las ondas de sonido y las ondas de agua, también experimentan refracción. El grado de refracción de una onda está determinado por el cambio en la velocidad de la onda y la dirección inicial de propagación de la onda en relación con la dirección del cambio de velocidad.

Para la luz, la refracción sigue la ley de Snell, que establece que, para un par dado de medios, la relación de los senos del ángulo de incidencia θ 1 y el ángulo de refracción θ 2 es igual a la relación de las velocidades de fase (v 1 / v 2) en los dos medios, o de manera equivalente, a los índices de refracción (n 2 / n 1) de los dos medios.frac{sintheta_1}{sintheta_2} = frac{v_1}{v_2} = frac{n_2}{n_1}

Los prismas y lentes ópticos utilizan la refracción para redirigir la luz, al igual que el ojo humano. El índice de refracción de los materiales varía con la longitud de onda de la luz y, por lo tanto, el ángulo de refracción también varía de manera correspondiente. Esto se denomina dispersión y hace que los prismas y los arcoíris dividan la luz blanca en sus colores espectrales constituyentes.

Luz

La refracción de la luz se puede ver en muchos lugares de nuestra vida cotidiana. Hace que los objetos debajo de la superficie del agua parezcan más cerca de lo que realmente están. Es en lo que se basan las lentes ópticas, que permiten instrumentos como anteojos, cámaras, binoculares, microscopios y el ojo humano. La refracción también es responsable de algunos fenómenos ópticos naturales, incluidos los arcoíris y los espejismos.

Explicación general

Una explicación correcta de la refracción involucra dos partes separadas, ambas como resultado de la naturaleza ondulatoria de la luz.

  1. La luz se ralentiza a medida que viaja a través de un medio que no sea el vacío (como el aire, el vidrio o el agua). Esto no se debe a la dispersión o la absorción. Más bien se debe a que, como una oscilación electromagnética, la luz misma hace que otras partículas cargadas eléctricamente, como los electrones, oscilen. Los electrones oscilantes emiten sus propias ondas electromagnéticas que interactúan con la luz original. La onda "combinada" resultante tiene paquetes de ondas que pasan por un observador a una velocidad más lenta. La luz se ha ralentizado efectivamente. Cuando la luz regresa al vacío y no hay electrones cerca, este efecto de desaceleración termina y su velocidad vuelve a c.
  2. Cuando la luz entra, sale o cambia el medio en el que viaja, en un ángulo, un lado u otro del frente de onda se ralentiza antes que el otro. Esta desaceleración asimétrica de la luz hace que cambie el ángulo de su recorrido. Una vez que la luz está dentro del nuevo medio con propiedades constantes, vuelve a viajar en línea recta.

Explicación de la ralentización de la luz en un medio

Como se describió anteriormente, la velocidad de la luz es más lenta en un medio que no sea el vacío. Esta ralentización se aplica a cualquier medio como el aire, el agua o el vidrio, y es responsable de fenómenos como la refracción. Cuando la luz sale del medio y regresa al vacío, e ignorando cualquier efecto de la gravedad, su velocidad regresa a la velocidad habitual de la luz en el vacío, c.

Las explicaciones comunes para esta desaceleración, basadas en la idea de que la luz se dispersa o es absorbida y reemitida por los átomos, son incorrectas. Explicaciones como estas provocarían un efecto "borroso" en la luz resultante, ya que ya no viajaría en una sola dirección. Pero este efecto no se ve en la naturaleza.

Una explicación correcta se basa en la naturaleza de la luz como onda electromagnética.Debido a que la luz es una onda eléctrica/magnética oscilante, la luz que viaja en un medio hace que los electrones cargados eléctricamente del material también oscilen. (Los protones del material también oscilan pero como son unas 2000 veces más masivos, su movimiento y por lo tanto su efecto, es mucho menor). Una carga eléctrica en movimiento emite ondas electromagnéticas propias. Las ondas electromagnéticas emitidas por los electrones oscilantes interactúan con las ondas electromagnéticas que componen la luz original, similar a las ondas de agua en un estanque, un proceso conocido como interferencia constructiva. Cuando dos ondas interfieren de esta manera, la onda "combinada" resultante puede tener paquetes de ondas que pasan por un observador a una velocidad más lenta. La luz se ha ralentizado efectivamente. Cuando la luz deja el material,

Explicación de la curvatura de la luz cuando entra y sale de un medio

Considere una onda que va de un material a otro donde su velocidad es más lenta como en la figura. Si llega a la interfaz entre los materiales en ángulo, un lado de la onda llegará primero al segundo material y, por lo tanto, se ralentizará antes. Con un lado de la ola yendo más lento, toda la ola girará hacia ese lado. Esta es la razón por la que una onda se desviará de la superficie o se acercará a la normal cuando se adentra en un material más lento. En el caso opuesto de una ola que alcanza un material donde la velocidad es mayor, un lado de la ola se acelerará y la ola pivotará alejándose de ese lado.

Otra forma de entender lo mismo es considerar el cambio de longitud de onda en la interfaz. Cuando la onda va de un material a otro donde la onda tiene una velocidad v diferente, la frecuencia f de la onda permanecerá igual, pero la distancia entre frentes de onda o longitud de onda λ = v / f cambiará. Si se disminuye la velocidad, como en la figura de la derecha, la longitud de onda también disminuirá. Con un ángulo entre los frentes de onda y la interfaz y un cambio en la distancia entre los frentes de onda, el ángulo debe cambiar sobre la interfaz para mantener intactos los frentes de onda. A partir de estas consideraciones la relación entre el ángulo de incidencia θ 1, se puede derivar el ángulo de transmisión θ 2 y las velocidades de onda v 1 y v 2 en los dos materiales. Esta es la ley de refracción o ley de Snell y se puede escribir como{displaystyle {frac {sin theta _{1}}{sin theta _{2}}}={frac {v_{1}}{v_{2}}}}.

El fenómeno de la refracción puede deducirse de una forma más fundamental a partir de la ecuación de onda bidimensional o tridimensional. La condición de contorno en la interfaz requerirá entonces que la componente tangencial del vector de onda sea idéntica en los dos lados de la interfaz. Dado que la magnitud del vector de onda depende de la velocidad de la onda, esto requiere un cambio en la dirección del vector de onda.

La velocidad de onda relevante en la discusión anterior es la velocidad de fase de la onda. Esto suele estar cerca de la velocidad de grupo que puede verse como la verdadera velocidad de una onda, pero cuando difieren, es importante usar la velocidad de fase en todos los cálculos relacionados con la refracción.

Una onda que viaja perpendicular a un límite, es decir, que tiene sus frentes de onda paralelos al límite, no cambiará de dirección incluso si cambia la velocidad de la onda.

Ley de la refracción

Para la luz, el índice de refracción n de un material se usa con más frecuencia que la velocidad de fase de onda v en el material. Sin embargo, están directamente relacionados a través de la velocidad de la luz en el vacío c como{displaystyle n={frac{c}{v}}}.

En óptica, por lo tanto, la ley de refracción se escribe típicamente como{displaystyle n_{1}sin theta _{1}=n_{2}sin theta _{2}}.

Refracción en una superficie de agua

La refracción ocurre cuando la luz atraviesa la superficie del agua, ya que el agua tiene un índice de refracción de 1,33 y el aire tiene un índice de refracción de aproximadamente 1. Mirar un objeto recto, como un lápiz en la figura aquí, que está colocado inclinado, parcialmente en el agua, el objeto parece doblarse en la superficie del agua. Esto se debe a la desviación de los rayos de luz a medida que pasan del agua al aire. Una vez que los rayos llegan al ojo, el ojo los sigue como líneas rectas (líneas de visión). Las líneas de visión (que se muestran como líneas discontinuas) se cruzan en una posición más alta que donde se originaron los rayos reales. Esto hace que el lápiz parezca más alto y que el agua parezca menos profunda de lo que realmente es.

La profundidad que parece tener el agua cuando se ve desde arriba se conoce como profundidad aparente. Esta es una consideración importante para la pesca submarina desde la superficie porque hará que el pez objetivo parezca estar en un lugar diferente, y el pescador debe apuntar más bajo para atrapar el pez. Por el contrario, un objeto sobre el agua tiene una altura aparente mayor cuando se ve desde debajo del agua. La corrección opuesta debe ser hecha por un pez arquero.

Para ángulos de incidencia pequeños (medidos desde la normal, cuando sen θ es aproximadamente igual a tan θ), la relación entre la profundidad aparente y la real es la relación entre los índices de refracción del aire y los del agua. Pero, a medida que el ángulo de incidencia se acerca a 90°, la profundidad aparente se acerca a cero, aunque aumenta la reflexión, lo que limita la observación en ángulos de incidencia altos. Por el contrario, la altura aparente se acerca al infinito a medida que aumenta el ángulo de incidencia (desde abajo), pero incluso antes, a medida que se acerca al ángulo de reflexión interna total, aunque la imagen también se desvanece a medida que se acerca a este límite.

Dispersión

La refracción también es responsable de los arco iris y de la división de la luz blanca en un espectro de arco iris cuando pasa a través de un prisma de vidrio. El vidrio tiene un índice de refracción más alto que el aire. Cuando un haz de luz blanca pasa del aire a un material que tiene un índice de refracción que varía con la frecuencia, ocurre un fenómeno conocido como dispersión, en el cual los diferentes componentes de color de la luz blanca se refractan en diferentes ángulos, es decir, se doblan en diferentes ángulos. cantidades en la interfase, para que se separen. Los diferentes colores corresponden a diferentes frecuencias.

Refracción atmosférica

El índice de refracción del aire depende de la densidad del aire y, por lo tanto, varía con la temperatura y la presión del aire. Dado que la presión es menor a mayor altitud, el índice de refracción también es menor, lo que hace que los rayos de luz se refracten hacia la superficie terrestre cuando viajan largas distancias a través de la atmósfera. Esto cambia ligeramente las posiciones aparentes de las estrellas cuando están cerca del horizonte y hace que el sol sea visible antes de que se eleve geométricamente sobre el horizonte durante un amanecer.

Las variaciones de temperatura en el aire también pueden causar la refracción de la luz. Esto se puede ver como una neblina de calor cuando se mezcla aire caliente y frío, por ejemplo, sobre un fuego, en el escape del motor o al abrir una ventana en un día frío. Esto hace que los objetos vistos a través del aire mezclado parezcan brillar o moverse aleatoriamente a medida que se mueve el aire frío y caliente. Este efecto también es visible en las variaciones normales de la temperatura del aire durante un día soleado cuando se utilizan teleobjetivos de gran aumento y, a menudo, limita la calidad de la imagen en estos casos. De manera similar, la turbulencia atmosférica produce distorsiones que varían rápidamente en las imágenes de los telescopios astronómicos, lo que limita la resolución de los telescopios terrestres que no utilizan óptica adaptativa u otras técnicas para superar estas distorsiones atmosféricas.

Las variaciones de temperatura del aire cerca de la superficie pueden dar lugar a otros fenómenos ópticos, como espejismos y Fata Morgana. Más comúnmente, el aire calentado por una carretera caliente en un día soleado desvía la luz que se acerca en un ángulo poco profundo hacia el espectador. Esto hace que la carretera parezca reflejada, dando la ilusión de que el agua cubre la carretera.

Significación clínica

En medicina, particularmente en optometría, oftalmología y ortóptica, la refracción (también conocida como refractometría) es una prueba clínica en la que el profesional de atención ocular adecuado puede utilizar un foróptero para determinar el error de refracción del ojo y las mejores lentes correctivas que se deben prescribir. Se presenta una serie de lentes de prueba en potencias ópticas graduadas o distancias focales para determinar cuál proporciona la visión más nítida y clara.

Galería

Ondas mecanicas

Olas de agua

Las ondas de agua viajan más lentamente en aguas menos profundas. Esto se puede usar para demostrar la refracción en tanques de ondulación y también explica por qué las olas en la costa tienden a golpear la costa cerca de un ángulo perpendicular. A medida que las olas viajan desde aguas profundas hacia aguas menos profundas cerca de la costa, se refractan desde su dirección original de viaje a un ángulo más normal a la costa.

Ondas sonoras

En acústica subacuática, la refracción es la flexión o curvatura de un rayo de sonido que se produce cuando el rayo pasa a través de un gradiente de velocidad de sonido desde una región de una velocidad de sonido a una región de una velocidad diferente. La cantidad de flexión del rayo depende de la cantidad de diferencia entre las velocidades del sonido, es decir, la variación de temperatura, salinidad y presión del agua. También se encuentran efectos acústicos similares en la atmósfera de la Tierra. El fenómeno de la refracción del sonido en la atmósfera se conoce desde hace siglos; sin embargo, a principios de la década de 1970, se puso de moda un análisis generalizado de este efecto a través del diseño de carreteras urbanas y barreras acústicas para abordar los efectos meteorológicos de la curvatura de los rayos de sonido en la atmósfera inferior.