Descubriendo la luz : experimentos divertidos de óptica [1 ed.] 8400103971, 9788400103972

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COLECCIÓNDIVULGACIÓN

Descubriendo la luz Experimentos divertidos de óptica

COLECCIÓNDIVULGACIÓN

Descubriendo la luz

Experimentos divertidos de óptica MARÍA VIÑAS PEÑA coordinadora

MARÍA VIÑAS PEÑA

COORDINADORA

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Descubriendo la luz

La luz pone en conexión múltiples esferas del conocimiento del ser humano (física, química, biología, astronomía, ingeniería, arte…); y, además, los fenómenos ópticos y las tecnologías relacionadas con ellos están muy presentes en nuestra vida cotidiana. ¿Qué es la luz? ¿Qué hay detrás de sus diferentes manifestaciones? ¿Qué es un instrumento óptico? ¿En qué se parece el ojo a un instrumento óptico? ¿Cómo explicamos la visión humana? ¿En qué se basan las tecnologías ópticas que utilizamos cada día? ¿Dónde está la óptica en la naturaleza? Este libro, escrito por un equipo de jóvenes científicos, pretende dar respuesta a estas y otras preguntas y acercar al lector al emocionante mundo de la óptica y la fotónica. Su propuesta divulgativa, dirigida al público general, pero con especial énfasis en los estudiantes de todos los niveles de Educación Secundaria, presenta una amplia variedad de experimentos relacionados con los distintos fenómenos e instrumentos ópticos, en donde se exponen con claridad los pasos a seguir. Todos ellos vienen precedidos de la explicación de los conceptos necesarios para su realización e interpretación, y acompañados de numerosas ilustraciones y curiosidades.

ISBN: 978-84-00-10397-2

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Descubriendo la luz Experimentos divertidos de óptica Sara Aissati Aissati Xoana Barcala Gosende Clara Benedí García Camilo Florian Baron Francesca Gallazzi Mario García Lechuga Juan Luis García Pomar

Rocío Gutiérrez Contreras Juan Luis Méndez González Roberta Morea Javier Nuño del Campo Pablo Pérez Merino Daniel Puerto García María Viñas Peña

Coordinadora: María Viñas Peña

Madrid, 2018

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Con la COLECCIÓN DIVULGACIÓN, el CSIC cumple uno de sus principales objetivos: proveer de materiales rigurosos y divulgativos a un amplio sector de la sociedad. Los temas que forman la colección responden a la demanda de información de los ciudadanos sobre los temas que más les afectan: salud, medio ambiente, transformaciones tecnológicas y sociales… La colección está elaborada en un lenguaje asequible, y cada volumen está coordinado por destacados especialistas de las materias abordadas. COMITÉ EDITORIAL

CONSEJO ASESOR

Pilar Tigeras Sánchez, directora Carmen Guerrero Martínez, secretaria Ramón Rodríguez Martínez José Manuel Prieto Bernabé Arantza Chivite Vázquez Javier Senén García Carmen Viamonte Tortajada Manuel de León Rodríguez Isabel Varela Nieto Alberto Casas González

José Ramón Urquijo Goitia Avelino Corma Canós Ginés Morata Pérez Luis Calvo Calvo Miguel Ferrer Baena Eduardo Pardo de Guevara y Valdés Víctor Manuel Orera Clemente Pilar López Sancho Pilar Goya Laza Elena Castro Martínez

Catálogo general de publicaciones oficiales http://publicacionesoficiales.boe.es

Editorial CSIC: http://editorial.csic.es (correo: [email protected])

Rosina López-Alonso Fandiño María Victoria Moreno Arribas David Martín de Diego Susana Marcos Celestino Carlos Pedrós Alió Matilde Barón Ayala Pilar Herrero Fernández Miguel Ángel Puig-Samper Mulero Jaime Pérez del Val

Publicación incluida en el programa editorial del suprimido Ministerio de Economía, Industria y Competitividad y editada por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (de acuerdo con la reestructuración ministerial establecida por Real Decreto 355/2018, de 6 de junio).

Primera edición: 2018 © CSIC, 2018 © María Viñas Peña (coord.) y, de los textos, sus autores, 2018 © Los Libros de la Catarata, 2018 © Fotografía de cubierta: “Jugando con un láser supercontinuo”, Francesca Gallazzi, María Viñas y Clara Benedí Reservados todos los derechos por la legislación en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de este libro, incluido el diseño de la cubierta, puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por medio ya sea electrónico, químico, mecánico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sin permiso previo por escrito de la editorial. Las noticias, los asertos y las opiniones contenidos en esta obra son de la exclusiva responsabilidad del autor o autores. La editorial, por su parte, solo se hace responsable del interés científico de sus publicaciones. ISBN (CSIC): 978-84-00-10397-2 e-ISBN (CSIC): 978-84-00-10398-9 ISBN (Catarata): 978-84-9097-536-7 NIPO: 059-18-117-X e-NIPO: 059-18-118-5 IBIC: PDZ Depósito legal: M-33.631-2018 En esta edición se ha utilizado papel ecológico sometido a un proceso de blanqueado ECF, cuya fibra procede de bosques gestionados de forma sostenible.

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Índice

Presentación, por Javier Santaolalla ........................................................... 7 Introducción.............................................................................................. 9 Agradecimientos........................................................................................ 11 Normas de seguridad para el uso de punteros láser.................................... 13

1. ¿Qué es la luz?...................................................................................... 15 2. Fuentes y detectores de luz............................................................... 49

3. Instrumentos ópticos........................................................................... 75 4. El ojo humano: una cámara de fotos biológica......................... 123 5. La luz en la naturaleza................................................................ 153 6. Tecnologías basadas en la luz........................................................... 191

Veamos lo que has aprendido.................................................................... 223 Glosario..................................................................................................... 245 Sobre los autores....................................................................................... 257

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Presentación

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esde que abrimos por primera vez los ojos al nacer hasta que los cerramos de una vez por todas con nuestro último suspiro, miles de millones de fotones atraviesan nuestro cristalino. Sí, así es, nuestra vida está escrita en esos fotones. Se trata de fotones cuando vemos a nuestros padres al nacer, con los que se crea un vínculo químico que dura para siempre; con fotones aprendemos de nuestro entorno y damos los primeros pasos; también son fotones los que recibimos cuando compartimos las primeras sonrisas cómplices en compañía de nuestro mejor socio en las aventuras de niños; hay fotones en la mirada de cariño y pasión ante nuestro primer beso, como también en nuestro mayor éxito académico, en el helado de chocolate que se derrite ante tus ojos, el mejor revés a una mano que hiciste igual que en tus sueños, el poema más bonito que has leído o ese paisaje que parece sacado de una acuarela. Tus mejores y peores memorias, el recorrido de tus pasos, tus sueños y anhelos; toda tu historia está escrita en fotones. Y no nos tiene que extrañar, porque somos animales visuales esculpidos por la evolución para sobrevivir en una Tierra sumergida en un baño de fotones, partículas de luz en movimiento continuo, perpetuo. De ahí la importancia de la vista: ella marca nuestros pasos —lo que queremos, lo que disfrutamos, lo que amamos— desde la pura supervivencia hasta el mayor de los placeres. Y es que la vista no solo nos conecta con nuestro entorno, nos alerta de peligros que acechan y fortalece nuestros lazos sociales, sino que además pinta y colorea nuestras vidas y da sentido a las más exquisitas expresiones artísticas. 7

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Y muchas veces ni reparamos en ello. El ritmo moderno no invita a detenernos un segundo y admirar cuánto hay de nosotros en cada fotón. Y los tenemos ahí, al alcance de la mano. A millones, qué digo, miles y miles de millones en cada segundo. Los tienes por doquier a tu alrededor. Entonces, deja que te invite a una nueva experiencia. La de pararte un instante a contemplar la belleza que hay detrás de lo obvio, de lo que damos por sentado, de lo que no reparamos. En este libro encontrarás muchas formas de entender y apreciar la riqueza de este mundo oculto, experimentos de óptica y fotónica con los que entender mejor la naturaleza de la luz. Te invitaría a trabajar en ello, pero realmente los científicos no hacemos experimentos, jugamos con ellos. Así que aquí tienes un buen plan, jugar como un niño con la luz para comprender mejor el mundo en el que vivimos: Amigo lector, ¿por qué no te detienes un segundo y admiras la belleza del mundo que está escrita en un fotón? Javier Santaolalla1

1. Ingeniero, doctor en Física de Partículas. Miembro de CMS en el European Organization for Nuclear Re­­search (CERN). Divulgador científico, con tres canales de YouTube dedicados a la ciencia. Véase #DateUnVoltio y @JaSantaolalla.

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Introducción

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a luz es un elemento que pone en conexión múltiples esferas del conocimiento del ser humano (física, química, biología, astronomía, ingeniería, arte…); además, los fenómenos ópticos y las tecnologías relacionadas con ellos están muy presentes en nuestra vida cotidiana. Sin embargo, poder entender estos fenómenos o ser capaces de explicarlos nos puede resultar complicado. ¿Qué es la luz? ¿Dónde están presentes la óptica y la fotónica? ¿Qué hay detrás de los diferentes fenómenos ópticos? ¿Qué es un instrumento óptico? ¿En qué se parece el ojo a un instrumento óptico? ¿Cómo explicamos la visión humana? ¿En qué se basan las tecnologías ópticas que usamos cada día? ¿Dónde está la óptica en la naturaleza? El libro que tienes en tus manos, escrito por un grupo de jóvenes científicos, ha nacido con el objetivo de dar respuesta a estas y a otras preguntas y acercarte así al emocionante mundo de la óptica y la fotónica. Nuestra intención ha sido abordar la óptica desde todas sus aristas, cubriendo tanto fenómenos fundamentales en la naturaleza como las aplicaciones y tecnologías más actuales. Aunque nuestro objetivo es llegar a un público general que esté interesado en la ciencia, hemos tomado la precaución de incluir experimentos y explicaciones que cubran los contenidos relacionados con la luz establecidos para la Educación Secundaria (ESO y Bachillerato). Nuestra experiencia en divulgación con alumnos de colegios e institutos, así como con el público general, nos ha enseñado que la mejor forma de conseguir este objetivo es a través de la realización de experimentos y la interpretación de lo que en ellos ocurre. Así pues, hemos desarrollado un conjunto de fichas para realizar paso a paso diferentes experimentos 9

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relacionados con la óptica (con un código de colores dependiendo de su dificultad), tras los que se tendrá el reto de demostrar lo que se ha aprendido. Para tener éxito en la comprensión de los experimentos se dispone de ayuda, ya que al principio de cada capítulo hay una introducción a todos los conceptos necesarios, junto con numerosas curiosidades. En el capítulo 1 descubrirás la naturaleza física de la luz, cómo se describe, cómo se propaga y cómo se comporta al interaccionar con distintos materiales. Entre otras, palabras como onda, fotón, reflexión, refracción, difracción o interferencia serán claves en este capítulo. En el capítulo 2 explorarás cómo se comportan diferentes fuentes y detectores de luz, muy presentes en nuestra vida cotidiana. Realizarás experimentos con emisores de luz extraordinarios como son los láseres y construirás detectores de luz “invisible”. En el capítulo 3 comprobarás cómo utilizando elementos ópticos sencillos, como lentes, espejos o prismas, puedes construir diferentes instrumentos ópticos. Para ello nos centraremos en comprender cómo se propaga la luz y se forman las imágenes al utilizar estos elementos, y cómo podemos manipularla usando diferentes instrumentos ópticos, como cámaras, microscopios o telescopios. Especial atención merece el capítulo 4, ya que en él se trata precisamente de la visión humana. Con la realización de los experimentos entenderás el funcionamiento de nuestros ojos, sus similitudes con un complejo instrumento óptico, sus grandes capacidades (visión en color, visión en profundidad, etc.) y también sus defectos (miopía, hipermetropía, etc.). En el capítulo 5 reproducirás en tu laboratorio (casa o aula) fenómenos ópticos que ocurren a diario en la naturaleza, como son los espejismos, el arcoíris o la observación de las estrellas. Por último, en el capítulo 6 te convencerás definitivamente de la importancia de la óptica en nuestra vida, pues conocerás tecnologías donde la luz es fundamental, como las telecomunicaciones, la generación de energía o incluso la industria alimentaria. Esperamos que disfrutes del libro y te diviertas jugando con la óptica y la fotónica. Los autores

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Agradecimientos

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ste libro que tienes en tus manos no hubiera sido posible sin la colaboración desinteresada de un grupo amplio de personas. Los miembros actuales y pasados de IOSA (IO-CSIC OSA Student Chapter), incansables divulgadores con ya más de diez años de experiencia en divulgación en Ciencia y Óptica. Docentes y divulgadores con los que hemos coincidido en estos años, motivo fundamental de la escritura de este libro. Ojalá os ayude un poquito. Amigos, colaboradores, compañeros del IO-CSIC, investigadores, familia, niños y mayores, público general con los que hemos interaccionado estos años. Vosotros nos habéis enseñado mucho. Daniel Pascual, ingeniero del IO-CSIC, la persona a la que hemos recurrido siempre que alguno de nuestros proyectos se ha quedado estancado por algún problemilla técnico. Carmen Guerrero, de Cultura Científica del CSIC, que siempre nos apoya en las locas ideas que le proponemos y con la que llevamos trabajando más de cinco años en proyectos de divulgación, como Ciudad Ciencia. Lourdes Llorente, miembro fundador de IOSA, revisora de muchos capítulos del libro, apoyo incondicional desde las antípodas. Susana Marcos, profesora de investigación del CSIC, supervisora de IOSA, soporte institucional y motivacional.

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Normas de seguridad para el uso de punteros láser

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a utilización segura de un láser requiere el conocimiento y la puesta en práctica de una serie de normas de seguridad que van más allá de las precauciones habituales que deben tenerse al operar cualquier con aparato eléctrico o mecánico. En los experimentos propuestos dentro del libro, se utilizarán láseres de baja potencia (punteros), que están diseñados para operar de forma segura, siempre que la luz del láser no impacte directamente a los ojos. En general, en los punteros se indica en una etiqueta el valor de potencia máxima de salida, y de acuerdo con esta potencia, podemos clasificar los láseres en 4 tipos. Los punteros láser recomendados para hacer los experimentos propuestos se encuentran dentro de las clases 1 y 2 (baja potencia), independientemente del color de la luz. Clase

Descripción

1

Seguro para el ojo en cualquier caso

2

Peligro para el ojo si la persona mira directamente al haz

3

Peligro significativo para el ojo

4

Peligro serio para el ojo, incluso las reflexiones del haz pueden ocasionar daños en la piel

Potencia máxima 0,1 mW 1 mW 500 mW > 500 mW

Por lo tanto, las consideraciones más importantes son las siguientes: • Buscar la etiqueta donde indique la potencia de funcionamiento del puntero láser que se va a utilizar para poder estimar el posible riesgo. Evitar utilizar punteros con una potencia superior a 5 mW. 13

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• Bajo ningún concepto mirar directamente al haz del láser. • Antes de encender el puntero láser, estimar un posible recorrido para prevenir posibles reflexiones que terminen en nuestros ojos. • No abrir nunca el contenedor del puntero que estemos utilizando. Esto puede hacer que un láser de clase 2 se convierta en uno de clase superior, aumentando así el riesgo de accidente. La etiqueta de advertencia sobre el peligro de trabajar con radiación láser acompañará los experimentos para cuya realización se deba emplear alguna fuente láser.

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1. ¿Qué es la luz?

¿

Has intentado definir alguna vez qué es la luz? Si es así, probablemente tu definición esté relacionada con la visión, con la capacidad de ver las cosas. La Real Academia Española define la luz como ‘el agente físico que hace visibles los objetos’. Sin embargo, la definición de la “naturaleza de la luz” es un tema complejo que ya captó el interés de los filósofos de la Antigua Grecia. Hacia el siglo XVII, el debate en torno a este tema se centraba en si la luz era una partícula o una onda, basándose en las distintas propiedades de la luz que se habían ido descubriendo a lo largo de la historia. Isaac Newton (1642-1727) fue uno de los defensores de la teoría corpuscular de la luz, que consideraba que la luz está formada por partículas, es decir, pequeñas partes de materia, como son las partículas de polvo o los granos

de arena. Christian Huygens (16291695), por otro lado, fue uno de los defensores de la teoría ondulatoria de la luz, que promulgaba que la luz es una onda. Dos definiciones completamente diferentes para un mismo concepto físico. Diferentes experimentos fueron desarrollados para intentar esclarecer este dilema, hasta que en 1900 Max Planck (1858-1947) introdujo las bases de una teoría que revolucionó el pensamiento científico y marcó el comienzo de la física moderna, la teoría cuántica. Desarrollada durante el siglo XX gracias a la contribución de científicos como Bohr, Born, Heisenberg, Schrödinger, Pauli, Dirac, Einstein o Broglie, la teoría cuántica esclareció que la luz no es ni una partícula ni una onda, sino que tiene una naturaleza dual: se comporta 15

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¿Sabías que… ? Newton, célebre por la teoría de la gravedad, también hizo grandes contribuciones a la óptica. En el título de su obra publicada en 1706 vemos términos que serán muy importantes en este capítulo: Opticks: or, a Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light.

Figura 1.1. Portada de Óptica, o un tratado de la reflexión, refracción y color de la luz, publicado por Newton (1706). Fuente: Newton, Wikimedia Commons.

como una onda cuando se propaga, y como una partícula cuando interacciona con la materia. En este libro especificaremos cuando sea necesario si la luz se está comportando como una onda o como una partícula, aunque en la mayoría de los casos nos referiremos a rayos de luz, que simplemente representan la dirección de propagación de la luz.

¿Qué es una onda? Una onda es una perturbación que transmite energía de un punto a otro de un medio, sin que el propio medio se mueva grandes distancias. Todos hemos visto cómo al lanzar una piedra en un estanque provoca una perturbación en la superficie lisa del agua, que se propaga en todas las direcciones en forma de pequeñas olas. La onda es transmitida a

través de pequeñas oscilaciones o vibraciones de las partículas que forman el medio, que siempre vuelven a la misma posición en que se encontraban cuando les alcanzó la onda: el agua del estanque sube y baja, cuando es alcanzada por la onda, pero no se desplazan con ella. La luz es un tipo específico de onda, denominada onda electromagnética (e. m.) por el tipo de energía que transporta. En la figura 1.2 hemos representado una onda en función de la distancia. Es decir, representamos la onda como si la tomásemos una fotografía mientras se propaga en la dirección del eje horizontal, observando cómo en el eje vertical van sucediéndose valores mínimos, llamados valles, con valores máximos, llamados crestas. La distancia vertical medida desde el eje horizontal hasta el valor máximo es lo que denominamos la amplitud de la onda. Cuanta más amplitud tiene una onda, más fuerte es su vibración y eso significa que produce más intensidad luminosa. En la figura 1.2 podemos distinguir ya varias de las características de una onda e. m.: vemos que la forma de la onda se repite constantemente, es lo que denominamos una onda periódica, que matemáticamente se describe con la función seno o coseno. Además, vemos que la onda avanza horizontalmente, mientras que la vibración se produce en vertical se desplazan en vertical (oscilan

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arriba y abajo, como si fueran un muelle), perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Por eso decimos que las ondas e. m. son ondas transversales. Si nos fijamos de nuevo en la forma periódica de la onda, vemos cómo siempre hay varios momentos de la vibración que “hacen lo mismo”, están en el mismo punto de la oscilación: unos están en la cresta; algunos están en el valle; otros en el eje horizontal (que es la posición de equilibrio) y otros en posiciones intermedias. Cuando dos partículas están en el mismo punto de la oscilación decimos que están en la misma fase. Normalmente, la fase se describe mediante un valor angular (grados o radianes). Si nos fijamos en la función seno o coseno, los valores de la función se repiten cada 360º, o lo que es lo mismo, 2π radianes. La distancia entre dos partículas consecutivas que están en la misma fase es siempre la misma, independientemente de la fase que estemos considerando, y se denomina longitud de onda. Se representa con la letra griega λ (lambda). Al ser una magnitud relacionada con la distancia, sus unidades se expresan en metros (o sus submúltiplos). Por ejemplo, la luz de los punteros láser verdes tiene una longitud de onda en torno a λ = 530 nm (nm = nanómetro, 1 nm = 1 x 10-9 m). Por tanto, una onda recorre una longitud de onda al completar un ciclo,

Cresta

λ

Amplitud

Distancia (metros) λ

0º

Onda en función de la distancia

90º 180º 270º 360º

Valle

1 ciclo = λ (m)

por lo que 2π radianes (360º) corresponde a λ metros. Nuevamente, encontramos puntos del gráfico que representan, en este caso, la misma partícula en la misma fase de su movimiento vertical (por ejemplo, en una cresta). Definimos como periodo el tiempo que tarda la vibración en llegar de nuevo a la misma fase de la onda, esto es, en completar un ciclo. Se representa mediante la letra griega Τ (tau), y se mide en segundos (y sus múltiplos/ submúltiplos). Otra magnitud interesante es la frecuencia, que se define como el número de ciclos (u oscilaciones) por unidad de tiempo (generalmente en un segundo) y, por lo tanto, es la inversa del periodo (frecuencia = 1/Τ): cuantas más oscilaciones por segundo, mayor es la frecuencia. Se representa mediante la letra griega ν (nu). Sus unidades se expresan en la magnitud denominada hertzio (Hz), que se corresponde con la inversa del segundo (Hz = s-1).

Figura 1.2. Representación de una onda en un momento concreto de su propagación, es decir, como si estuviera “congelada”. Fuente: Adaptado de J. Donnelly y N. Massa (2007): Light: Introduction to Optics and Photonics.

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Si conocemos la longitud de onda y el periodo de una onda, podemos calcular su velocidad de propagación, ya que sabemos que una onda recorre una distancia l en un ciclo, y que tarda 1 segundo en realizar un ciclo. Como la velocidad es espacio/tiempo, la velocidad de una onda se puede calcular como λ/Τ. La velocidad de una onda e. m. en el vacío tiene un valor constante de 299.792.458 m/s, o aproximadamente 300.000 km/s. La velocidad de la luz en el vacío fue incluida oficialmente como constante en el Sistema Internacional de Unidades el 21 de octubre de 1983. Se simboliza con la letra c, proveniente del latín celéritās (en español, celeridad o rapidez). Por lo tanto, en el vacío: c = λ/Τ = λ · ν. Una de las razones por las que se dudaba de la naturaleza ondulatoria de la luz era precisamente su propagación en el vacío: si una onda necesita la oscilación de partículas materiales para propagarse, como el agua del estanque al lanzar una piedra o las moléculas del aire en el caso de ondas de sonido, ¿cómo podían las ondas de luz propagarse en el vacío? La respuesta es que las ondas electromagnéticas se propagan a través de las oscilaciones de sus campos eléctrico y magnético, de ahí su nombre, y no a través de una oscilación mecánica que implique el desplazamiento de materia. Una carga eléctrica (un electrón) estática produce un campo eléctrico a su

alrededor que “repele” a las cargas del mismo signo que él y “atrae” a las cargas de diferente signo. Ese campo eléctrico generado por esa carga eléctrica no necesita materia para propagarse. Cuando la carga oscila, el campo eléctrico generado también oscila. Esa variación (perturbación) del campo eléctrico va a afectar también a las cargas que haya en su entorno, es decir, esa perturbación se va a propagar a través del espacio. Esta es la razón por la que, mientras que nos llega la luz de las estrellas, capaz de viajar por el vacío del espacio exterior, no nos llegan sus sonidos, ya que las ondas sonoras necesitan partículas materiales para propagarse. Por último, desde inicios de siglo XIX, con los descubrimientos de Ørsted, Ampère, Biot y Savart, sabemos que la variación en el campo eléctrico produce un cambio en el campo magnético, y viceversa. La propagación de las ondas electromagnéticas, con sus correspondientes campos eléctrico y magnético, fue descrita por James Clerk Maxwell (1831-1879) a través de sus célebres cuatro ecuaciones.

¿Existen diferentes tipos de luz? El espectro electromagnético Como hemos visto, la luz es una onda e. m. Sin embargo, no es difícil imaginar que hay distintos tipos de ondas e. m.,

dado que, por ejemplo, somos capaces de percibir luz de distinto “color”, como veremos en el capítulo 4. Aunque el color no es una propiedad física de la luz, sino un atributo creado por nuestra percepción visual, la forma en que el sistema visual percibe el color está relacionada con una propiedad física de las ondas e. m.: su frecuencia (y, por tanto, su longitud de onda, recuerda que c = λ · υ → λ = c/υ). De hecho, el rango de ondas electromagnéticas que somos capaces de “ver” es pequeño, comprende una región muy concreta del espectro e. m. que denominamos región visible del espectro o espectro visible. En realidad, con “luz” nos referimos solo a esta pequeña parte del espectro que podemos ver, y con “radiación”, a todo tipo de ondas e. m. en general. El espectro e. m. es el “mapa” que organiza la radiación electromagnética en función de su frecuencia o de su longitud de onda, como se muestra en la figura 1.3. Esto se debe a que estas propiedades definen características importantes de los distintos tipos de radiación, como, por ejemplo, la energía con la que interacciona con la materia, como veremos al final de este capítulo. Cuanto mayor es la frecuencia (o menor la longitud de onda), más energética es la radiación, y potencialmente más peligrosa para nuestra salud. El rango de ondas e. m. del espectro incluye, en un extremo, longitudes de onda del orden de kilómetros (y, por lo

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Figura 1.3. Espectro e. m. de la luz. A la izquierda, se representan las ondas con menores frecuencias (longitudes de onda más largas) y, a la derecha, las ondas con mayores frecuencias (longitudes de onda más cortas). Fuente: Adaptado de Wikimedia Commons.

Penetra en la atmósfera de la Tierra

Sí

Tipo de radiación Longitud de onda (m)

Sí

No

Radio 103

Microondas 10-2

Infrarrojo 10-5

No

Visible 0,5x10-6

Ultravioleta 10-8

Rayos X Rayos gamma 10-10 10-12

Escala aproximada de longitud de onda Edificios

tanto, unas frecuencias muy pequeñas, de cientos o miles de kilohertzios), como son las ondas de radio, que gracias a eso pueden atravesar obstáculos como edificios y montañas. A medida que avanzamos hacia longitudes de onda más cortas encontramos las microondas, con solo algunos centímetros o incluso micras de longitud de onda (frecuencia de cientos o miles de megahertzios), utilizadas por nuestros móviles y, en mayor intensidad, en nuestros aparatos de microondas de cocina. Seguidamente, como veremos, están las ondas infrarrojas, con una longitud de onda más corta que las de las microondas. En el otro extremo del espectro e. m. nos encontramos con los rayos gamma, las ondas e. m. con menor longitud de onda (0,03 – 0,003 nm) y mayor energía del espectro e.m. Estas ondas, que se generan en explosiones nucleares, son capaces de matar células vivas, y se utilizan en medicina para eliminar células cancerosas. A continuación, encontramos los rayos X, cuyas longitudes de onda pueden ser menores que la separación entre átomos

Humanos Mariposas

Punta de aguja

Protozoos

Moléculas

Átomos

Núcleo atómico

Frecuencia (Hz) 104 Temperatura en los objetos en los que esta radiación es la longitud de onda más intensa emitida

108



1012

1K -272ºC

(0,1 – 0,01 nm). Su frecuencia es, por lo tanto, bastante alta, así como la energía asociada, por lo que en grandes dosis pueden resultar nocivos para nuestra salud. Estas radiaciones no llegan de forma natural a la Tierra, ya que la atmósfera impide su paso desde el espacio exterior. Entre la radiación infrarroja (IR) que percibimos en forma de calor y la radiación ultravioleta (UV), que es la responsable tanto del moreno veraniego como de las quemaduras solares, se encuentra el espectro visible (VIS), el tipo de radiación electromagnética que puede ser detectada por el ojo humano y cuyas longitudes de onda abarcan aproximadamente el intervalo desde 380 nm (violeta) m pasando por 440 nm (añil), 480 nm (cian), 530 nm (verde),

1015

100K -173ºC

10.000 K 9,727 ºC

1016

1018

1020

10.000.000 K ~10,000,000 ºC

580 nm (amarillo), 650 nm (naranja), 700 nm (rojo) y 780 nm (rojo oscuro). La óptica nació ligada a los estudios de la visión, y por lo tanto relacionada con el espectro visible, pero hoy en día el rango del espectro que se estudia mediante las leyes de la óptica es algo mayor; abarca desde el UV al IR cercano, esta última de grandísima importancia en las comunicaciones por fibra óptica. Esto es lo que se denomina a veces el espectro óptico.

¿Cómo se propaga la luz? Una de las propiedades de la luz que podemos comprobar a simple vista es su propagación rectilínea. Lo podemos ver, por ejemplo, en la propagación de un 19

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Figura 1.4. Rayos de luz del sol que viajan en línea recta al pasar entre las hojas de los árboles. Fotografía: IOSA.

rayo de la luz del sol a través de ambientes polvorientos (figura 1.4) o utilizando un puntero láser. La propagación rectilínea solo se observa cuando el medio en el que se propaga la luz es homogéneo e isótropo, es decir, presenta las mismas propiedades en todas sus direcciones. Cuando la luz se propaga en un medio no homogéneo (por ejemplo, el aire durante un día caluroso) la dirección de propagación deja de ser rectilínea para depender de las propiedades del material en cada punto, y se producen efectos como los espejismos, como veremos en el capítulo 5. Esta propagación rectilínea de la luz tiene una consecuencia muy cotidiana: la aparición de sombras debido a la interposición de un obstáculo opaco

entre el punto objeto y el punto imagen, que impide la llegada de luz a este último. La zona de sombra generada corresponde a la proyección del obstáculo en el plano del punto imagen. En el caso de contar con más de un punto imagen se genera la zona de penumbra, ya que en ciertas zonas la presencia del obstáculo impide la llegada de toda la luz, mientras que en otras solo impide la llegada de parte de la luz, ya que la emisión de ciertos puntos no se ve obstaculizada. Un ejemplo muy interesante de la formación de sombras y zonas de penumbra son los eclipses, tanto solares como lunares, tal y como veremos en el capítulo 5. En aquellos casos en que la luz viaja de un medio a otro, parte de la luz es reflejada, parte absorbida y parte se

refracta, continuando su trayectoria rectilínea en el segundo medio siempre y cuando este sea homogéneo e isótropo. En el caso de la luz reflejada y refractada nos referiremos a los ángulos de incidencia, refracción y reflexión. Estos ángulos, por convenio, se miden siempre con respecto a la normal a la superficie que separa los dos medios, es decir, una recta perpendicular a la superficie en el punto en que la luz incide en la superficie.

¿Qué es la reflexión? Cuando la luz incide sobre la superficie que separa dos medios distintos, una parte de esa luz cambia de dirección regresando al medio inicial, formando respecto a la normal un ángulo (ángulo de reflexión) igual al de la luz incidente (ángulo de incidencia), como se muestra en la figura 1.5. Este fenómeno se conoce como reflexión. No todos los materiales se comportan igual: los metales reflejan prácticamente toda la luz incidente (por eso se utilizan para fabricar espejos),

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Figura 1.5. Ejemplo de reflexión en la naturaleza. Río Tormes a su paso por Salamanca. Fotografía: Warein Holgado.

mientras que los materiales transparentes, aunque también reflejan la luz, lo hacen en menor medida (por ejemplo, el cristal de un escaparate). Se pueden distinguir dos tipos de reflexión: la especular, característica de las superficies pulidas como los espejos (figura 1.5), y la difusa, característica de las superficies no pulidas donde los rayos se reflejan en distintas direcciones, como ocurre, por ejemplo, con la madera o nuestra propia piel. Si hacemos un símil

con una pelota, la reflexión especular sería como hacer botar la pelota de tenis en una pista de tenis y la difusa como hacerlo sobre una superficie repleta de piedras.

¿Qué es la refracción? La refracción es el cambio que se produce en la velocidad de la luz cuando se propaga en un medio distinto al vacío.

Una consecuencia de este cambio en la velocidad de propagación se observa cuando la luz incide en la superficie con un ángulo distinto de cero (es decir, con una dirección distinta de la normal). En estas condiciones, se produce un cambio en la dirección de la luz al llegar al segundo medio. Un efecto de esta desviación de los rayos refractados es que la imagen de un objeto sumergido en dos medios distintos presentará distintas 21

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Figura 1.6. Ejemplo de cómo la diferencia en el índice de refracción produce un efecto de desviación de la luz. Fotografía: IOSA.

características según el medio en que cada parte del objeto esté sumergido. Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado porque los rayos forman la imagen en una posición distinta dependiendo del índice de refracción del medio que atraviesen, aire o agua, como se observa en la figura 1.6. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción (origen de los espejismos, por ejemplo). El fenómeno de la refracción, ilustrado en la figura 1.7, se describe. matemáticamente con una relación trigonométrica conocida como ley de Snell, que relaciona el índice de refracción del medio por el que viaja el haz de luz (n1) y el ángulo de incidencia (θ1) con el índice (θ2) y ángulo (n2) del material donde se refracta el haz: n1 sin (θ1 ) = n2 sin (θ 2 ) ↔

sin (θ1 ) n2 = sin (θ 2 ) n1

La ley de Snell nos viene a decir que la desviación que sufre el rayo refractado es proporcional a la razón entre los índices de refracción que encuentra en su camino (véase experimento 1.1): • Cuando la luz pasa de un material con un índice de refracción menor a otro con uno mayor, como, por

ejemplo, del aire al agua, el rayo de luz es refractado con un ángulo más pequeño que el ángulo de incidencia (figura 1.7, izquierda), es decir, el rayo refractado se aleja de la normal. • En cambio, cuando la luz pasa de un índice mayor a uno menor, por ejemplo, de agua a aire, el rayo de luz es refractado con un ángulo mayor que el ángulo de incidencia (figura 1.7, centro), es decir, el rayo refractado se acerca a la normal. • En este caso, a medida que aumentamos el ángulo de incidencia, se puede llegar a una situación límite en la que el rayo de luz no se refracta sino que viaja paralelo a la superficie (ángulo de refracción = 90º). A este ángulo de incidencia, para el que por primera vez no hay rayo refractado, se le denomina ángulo crítico, θ1 y depende del índice de refracción de n los medios: sin (θ1 ) = n2 . Por ejemplo, 1 el valor del ángulo crítico con agua y aire es de 1 θ1 = arcsen = 37º 1,33 Para rayos incidentes con ángulo mayor que el crítico, se produce una reflexión total en la superficie del material: no hay luz refractada, sino que toda la luz se refleja. Para ángulos de incidencia menores solo parte de la luz es reflejada (y parte refractada).

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Figura 1.7. Un rayo de luz al propagarse de un medio a otro con diferente índice de refracción cambia su dirección de propagación. Cuando n1>n2 y, además, el ángulo de incidencia alcanza un ángulo crítico, el rayo no se refracta y hay reflexión total. Las fotografías ilustran estas dos situaciones, rayo refractado y reflexión total.

n1 < n2

n1 > n2

Línea normal

Aire

n1

θ1

Rayo refractado

Ángulo crítico

Reflexión interna total

θ2

n2

Fuente: Elaboración propia. Fotografías: IOSA. n2

n1 θ2

Agua

θ1

θ1

θ1

θ2

• Como hemos comentado antes, en el caso de que el rayo incida perpendicular (normal) a la superficie (ángulo de incidencia cero), no se desviará.

¿Qué es el índice de refracción? ¿Has intentado correr sumergido en el agua? Cuando estamos sumergidos en el agua nos cuesta más movernos que cuando corremos inmersos en el aire, como hacemos normalmente. Esto se debe a la resistencia que opone el medio por el que nos desplazamos. En el caso de la luz, sus propiedades de propagación también se ven modificadas al cambiar de medio. Así pues, la velocidad a la que se propaga la luz a través de un medio que no es el vacío depende del índice de refracción del material concreto en que se propaga. El índice de refracción es un número que indica cuánto se reduce la velocidad de la luz cuando esta se propaga en un medio

que no es el vacío. Se representa con la letra n, y depende de las propiedades del material que afectan a la propagación de la luz a través de él, como sus propiedades eléctricas y magnéticas o la densidad del material. La velocidad de propagación de la luz en un medio es igual:

cmaterial =

cc cmaterial

Por lo tanto, el índice de refracción del vacío es igual a 1.

¿Qué es la dispersión? Hemos visto que el índice de refracción depende de las propiedades

del material. Sin embargo, no hemos comentado hasta ahora que también depende de la longitud de onda del haz incidente: cuanto menor es la longitud de onda, mayor es la refracción. Por lo tanto, el índice de refracción aumenta al disminuir la longitud de onda, lo cual, si aplicamos la ley de Snell, implica que las longitudes de ondas más cortas (por ejemplo, las correspondientes al color azul) se refractan con un ángulo mayor que las largas (correspondientes al color rojo en el extremo opuesto del espectro visible). Este fenómeno se conoce como dispersión cromática, y es el responsable de los arcoíris que observamos cuando luz blanca 23

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¿Sabías que… ? Las gafas de sol están formadas por materiales que absorben la luz visible y reducen su transmisión. Igualmente, también poseen un filtro especial para proteger nuestros ojos de la radiación ultravioleta. Usualmente estos filtros se recubren de capas finas hechas con minerales que reflejan dicha radiación. Otro tipo de gafas utilizan filtros orgánicos que también son muy efectivos, aunque su mecanismo de funcionamiento es diferente.

Figura 1.8. Dispersión cromática de un haz de luz blanca al atravesar un prisma. Fotografía: Spigget, Wikimedia Commons.

(que es la combinación de todas las longitudes de onda que componen el visible) atraviesa oblicuamente las gotas de agua o cuando un haz de luz blanca atraviesa un prisma, como se observa en la figura 1.8 (véase experimento 1.2).

¿Qué es la absorción? La absorción es el proceso por el cual la energía que posee cualquier onda e. m. es captada por la materia. Todos los materiales absorben algún

tipo de radiación en algún rango de longitudes de onda, y esa energía puede ser reemitida en forma de nueva radiación, o bien transformada en otro tipo de energía, como calor o energía eléctrica. Los materiales capaces de absorber en todo el rango de la luz visible son materiales opacos, mientras que si transmiten ese rango de longitudes de onda se consideran transparentes. El color de todo lo que vemos depende de este proceso de absorción y

Figura 1.9. Visualización de un objeto a través de unas gafas de sol. Fotografía: IOSA.

reemisión, ya que solo vemos la luz que llega a nuestra retina. Así, un objeto blanco es aquel que refleja todo tipo de radiación visible, mientras que un objeto negro es aquel que absorbe toda la luz visible. Curiosamente, un objeto color

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INTERFERENCIA CONSTRUCTIVA

INTERFERENCIA DESTRUCTIVA

Onda 1

λ

Superposición

Onda 2

λ/2

verde absorbe todas las longitudes de onda excepto la del verde, y por esto lo percibimos de ese color. Esta es una de las razones por las que en verano evitamos los colores negros. Realizaremos el experimento 1.3 para comprobar la importancia que tiene la crema solar en nuestra piel a la hora de evitar los perjudiciales rayos ultravioleta.

¿Cuáles son las propiedades ondulatorias de la luz? A continuación, vamos a describir algunos fenómenos asociados al comportamiento ondulatorio de la luz, en particular las siguientes tres

propiedades de la luz: interferencia, difracción y polarización. La interferencia

Figura 1.10. Esquema de la interferencia constructiva y destructiva de dos ondas (izquierda). Mancha de gasolina sobre asfalto mojado (derecha). Fuente: Elaboración propia. Fotografía: IOSA.

Aunque no te hayas dado cuenta, seguro que en alguna ocasión has visto el patrón formado por interferencias: el patrón típico de interferencia es una serie de franjas que pueden ser de colores (iluminadas con luz blanca) o de un único color (iluminadas con un láser), alternando franjas brillantes y oscuras. ¿Te suena? Seguramente has visto algo parecido en la superficie de las pompas de jabón o en las manchas de gasolina en el asfalto mojado. Esas franjas son debidas a la interferencia de las ondas de luz. 25

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¿Sabías que… ? El interferómetro es un instrumento óptico que emplea la interferencia de las ondas de luz para medir con gran precisión pequeñísimas variaciones del espacio recorrido por las dos ondas. El Observatorio Avanzado de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales, denominado LIGO por sus siglas en inglés (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), permitió en 2016 el descubrimiento de las ondas gravitacionales, que habían sido predichas teóricamente por Einstein como consecuencia de su teoría de la relatividad en 1915.

Las interferencias tienen lugar cuando dos o más ondas electromagnéticas se superponen (coinciden en el mismo lugar al mismo tiempo), dando lugar a una nueva onda que es la suma algebraica (teniendo en cuenta el signo) de las ondas que se superponen. Sin embargo, no vemos franjas cada vez que llega luz a una superficie, porque además se tienen que cumplir ciertas condiciones, como que las ondas que se superpongan tengan la misma longitud de onda y que vibren en la misma dirección

Figura 1.11. Vista aérea del interferómetro Virgo localizado cerca de Pisa, en Italia, que muestra el edificio Mode-Cleaner, el edificio central, el brazo oeste de 3 km de longitud y el comienzo del brazo norte. Fotografía: The Virgo Collaboration, Wikimedia Commons.

Las franjas más luminosas que se observan en el patrón, sean del color que sean, se denominan máximos de interferencia, y aparecen cuando las dos ondas que interfieren coinciden en sus máximos (crestas) y mínimos (valles), formando una nueva onda con una amplitud igual a la suma de las amplitudes de las ondas iniciales. En este caso se dice que ambas ondas se encuentran en fase, y dan lugar a una interferencia constructiva (figura 1.10, izquierda). Las franjas oscuras que se forman en el patrón se denominan mínimos de interferencia, y aparecen cuando los máximos de una de las ondas que interfieren coinciden con los mínimos de la otra (están en oposición de fase). En este caso se

produce una interferencia destructiva, y la onda resultante tiene una amplitud igual a la resta de las amplitudes (figura 1.12, derecha), es decir, una onda atenuada (véase experimento 1.4). Difracción Hasta ahora hemos hablado de cómo la luz se propaga siguiendo trayectorias rectilíneas. Sin embargo, en determinadas circunstancias, la luz es capaz de “rodear” el borde de los objetos, de forma que puede seguir desplazándose más allá de obstáculos. Esta propiedad se denomina difracción, y es una propiedad exclusiva de las ondas que permite, por ejemplo, en el caso de las ondas de sonido, que seamos capaces

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Figura 1.12. Difracción de un frente de onda frente a una pequeña apertura. A la derecha se muestra el patrón de difracción (distribución de intensidad luminosa) formado tras pasar por la apertura. Fuente: Elaboración propia.

de oír a gente en la habitación de al lado, aunque no estemos justo enfrente de la puerta, o que en las fotos nocturnas los puntos de luz (farolas, estrellas…) aparezcan con puntas, que se generan por difracción en las rendijas del diafragma de la cámara. Huygens explicó este fenómeno en el siglo XVII, considerando que cada uno de los puntos que forman un frente de onda (puntos en la misma fase) actúa como un pequeño emisor de ondas secundarias con la misma longitud de onda que la onda inicial, de cuyo frente de onda forman parte. A medida que la onda avanza, los nuevos frentes de onda están formados por la envolvente de las ondas. Cuando un frente de onda encuentra un obstáculo, una parte de los rayos es bloqueada (absorbida o reflejada) y otra parte ve modificada su propagación al pasar por los bordes de ese objeto. Sería como una masa de gente que solo puede pasar por una puerta. Cuando, de una en una, todas las personas han atravesado la puerta, pueden avanzar en todas direcciones con mayor libertad. Esto se conoce como difracción, y ocurre para

cualquier tipo de onda (luz, sonido, etc.). Ese frente de onda, al pasar cerca del borde del objeto, da lugar a la formación de nuevos frentes de ondas. A comienzos del siglo XVIII, Fresnel modificó el principio de Huygens explicando que, si las ondas son coherentes, se superponen después de pasar por el obstáculo dando lugar a un patrón de interferencia que es característico de la difracción. Es lo que se denomina patrón de difracción, y se observa como un conjunto de franjas claras y oscuras, como se muestra en la figura 1.12 para el caso de una pequeña rendija. Este efecto lo puedes comprobar si formas una rendija muy pequeña con tus dedos y observas a través de ella un fondo luminoso (véase experimento 1.5). En el caso particular de una lámina con dos pequeñas rendijas u orificios, conocido como el experimento de la doble rendija de Young, realizado en 1801 y explicado a principios del siglo XX

utilizando la mecánica cuántica, el frente de onda original da lugar a dos nuevos frentes, cada uno “saliendo” de cada una de las rendijas (véase experimento 1.6). Sería como si en el ejemplo de la masa de gente tuviéramos dos puertas de salida en lugar de una. Esos dos frentes, al propagarse, interfieren entre sí, formando un patrón de interferencia. Así pues, vemos que los fenómenos de difracción e interferencia están muy relacionados. Polarización Como hemos mencionado antes, las ondas e. m. son ondas transversales, es decir, los campos magnético y eléctrico que producen la onda oscilan perpendicularmente a la dirección en la que se propagan. Para simplificar, solo representaremos las oscilaciones del campo magnético (E). Dependiendo de la dirección en que oscila su campo eléctrico, podemos definir: 27

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Luz

natu

ral

Plano de polarización inicial

Luz

pola

rizad

a lin

eal

Polarizador lineal

Dire

cción

de p

ropa

Figura 1.13 Esquema en el que se muestra el efecto de un polarizador lineal frente a una fuente de luz natural (no polarizada). Fuente: Elaboración propia.

gació

n

Plano de polarización final

• Luz polarizada: decimos que una onda e. m. está polarizada cuando su vector eléctrico oscila de una forma “ordenada”, es decir, no aleatoria. Dependiendo de la forma descrita por las oscilaciones del campo eléctrico al avanzar la onda, podemos definir distintos tipos de luz polarizada: en el caso de luz polarizada lineal, el campo eléctrico oscila a lo largo de una línea, de ahí el nombre. Para hacernos una idea, es como si nosotros, representando las oscilaciones del campo eléctrico, saltamos de arriba abajo al mismo tiempo que avanzamos hacia un lugar, entonces decimos que “nuestra onda” está polarizada verticalmente. Si, en cambio, nuestro compañero salta de izquierda a derecha mientras avanza, “su onda” está polarizada horizontalmente. El plano de

oscilación (arriba-abajo o derechaizquierda en este ejemplo) se denomina plano de polarización. La onda que normalmente representamos, como en las figuras 1.2 o 1.3, es una onda polarizada lineal que oscila en la dirección vertical (a 90º), aunque en la realidad existen ondas polarizadas lineales en todas las orientaciones posibles (a 180º u horizontal, a 30º, etc.). Además de la luz polarizada lineal, encontramos otros tipos de luz polarizada, la circular y la elíptica, en la que las oscilaciones del campo eléctrico van cambiando de dirección a medida que la onda avanza para describir una circunferencia y una elipse respectivamente. En este libro vamos a tratar solo luz polarizada lineal, por lo que cuando mencionamos luz polarizada, se sobreentiende lineal. • Luz no polarizada o luz natural: la mayor parte de la luz que nos rodea, proveniente del sol o de fuentes artificiales, como las bombillas, es de este tipo. Esto quiere decir que las oscilaciones del campo eléctrico ocurren en direcciones aleatorias (aunque siempre en el plano perpendicular a la dirección de propagación de la luz), que cambian a medida que la onda avanza. En el ejemplo anterior, es como si al avanzar fuéramos saltando hacia arriba, hacia la derecha, hacia la izquierda, hacia la

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¿Sabías que… ? Si te pones unas gafas de sol polarizadas y miras tu teléfono móvil en diagonal (45º) no ves nada. Haz la prueba. Los causantes de esto son la luz y los filtros polarizadores que tienen las pantallas de muchos teléfonos móviles.

derecha, oblicuo, hacia abajo, etc., en una secuencia aleatoria. Aunque la mayor parte de la luz que encontramos a nuestro alrededor es no polarizada, hay distintos fenómenos físicos que pueden convertir luz no polarizada en luz polarizada: • Polarización por absorción: al igual que podemos utilizar filtros de colores que permiten seleccionar una única longitud de onda, absorbiendo las demás longitudes de onda presentes en la luz blanca, podemos usar filtros polarizadores lineales (figura 1.13), que solo permiten el paso de las ondas que vibran en una la dirección determinada, la del denominado eje de transmisión del polarizador, absorbiendo las ondas que vibran en cualquier otra dirección. En el experimento 1.7 seremos capaces de bloquear o dejar pasar la luz utilizando polarizadores lineales. • Polarización por reflexión: La luz reflejada en una superficie no

metálica, como la del agua o cristal es, al menos parcialmente, polarizada en la dirección paralela a la superficie reflectante. Solo cuando la luz incide en la superficie reflectante a un ángulo determinado, que se denomina ángulo de Brewster (θB) y que depende exclusivamente de los índices de refracción de los medios a ambos lados de la superficie reflejante, la polarización es total. Ya que la luz reflejada es polarizada, podemos bloquearla utilizando un polarizador con su eje perpendicular a la superficie reflectante, de forma que solo veamos la luz transmitida (en vez de reflejada) por la superficie. Este es el principio óptico que permite ver el fondo de un estanque no muy profundo empleando gafas polarizadas. • Polarización por birrefringencia (o doble refracción): La birrefringencia es una propiedad de ciertos materiales que tienen diferentes índices de refracción según la dirección considerada (son

Figura 1.14. Gafas polarizadas frente a una pantalla. Dependiendo de la orientación de las gafas, la luz polarizada emitida por la pantalla puede o no puede pasar. Fotografía: IOSA.

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Figura 1.15. Difracción en la naturaleza al atravesar las ondas de agua un pequeño agujero en una pared natural. Three Fathoms Cove, cerca de Yong Shue O, Tai Po, Hong Kong. Fotografía: Lorenzarius, Wikimedia Commons.

¿Sabías que… ? Además de en la naturaleza, la difracción también ocurre con los electrones. Un haz de electrones se difracta al interactuar con los átomos de un material, proporcionándonos información de la estructura atómica que tiene ese material. Así pues, como predijo el premio nobel de física Louis de Broglie en 1929, las partículas, como son los electrones, también pueden comportarse como ondas. anisótropos). Esto significa que, cuando un rayo de luz atraviesa el cristal, dependiendo de su dirección de incidencia en este puede verse afectado por dos índices de refracción distintos, que denominamos ordinario (no ),



si afecta a dos de las tres direcciones dentro del cristal, y extraordinario (ne ), si afecta solo a una de las direcciones. Esto resulta en una “doble refracción”: el rayo incidente se divide en dos, cada uno con una polarización distinta, y viajando a una velocidad distinta, dependiendo del índice de refracción que encuentra a su paso. Si recordamos la ley de Snell, el ángulo de refracción dependía del índice de refracción, lo que quiere decir que cada uno de los rayos seguirá una trayectoria distinta, dependiendo del índice de refracción que encuentre a su paso. Algunos materiales que en condiciones normales son isótropos (y, por tanto, no son birrefringentes) se pueden convertir en birrefringentes al aplicarles una tensión o una fuerza. Este fenómeno se conoce como fotoelasticidad o efecto fotoelástico. Si las tensiones o fuerzas no son uniformes en una muestra, entonces la birrefringencia inducida por el efecto fotoelástico tampoco será uniforme. Si

colocamos el material entre dos polarizadores cruzados, veremos franjas que muestran las zonas del material bajo distinta tensión mecánica en distintos colores. Estos colores observados en el patrón de tensión se deben a que la birrefringencia depende de la longitud de onda (al estar relacionada con los índices de refracción) (véase experimento 1.7).

El fotón: la luz como una partícula A finales del siglo XIX, únicamente quedaban por explicar un par de fenómenos dentro del ámbito de lo que ahora denominamos física “clásica”, que estaban relacionados con la óptica: aunque la teoría ondulatoria de la luz era ampliamente aceptada ya que explicaba satisfactoriamente la mayoría de los fenómenos observados (como la interferencia de la doble rendija de Young), esta teoría

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era incapaz de explicar el efecto fotoeléctrico y la radiación del cuerpo negro. El efecto fotoeléctrico, descubierto experimentalmente por Heinrich Hertz (1857-1894) en 1887, consiste en la emisión de electrones por parte de un metal iluminado. La explicación del fenómeno es que la luz aporta energía electromagnética a los electrones del metal, y cuando esta energía es suficiente, son capaces de “salir” del metal, y por lo tanto decimos que el metal emite estos electrones. Sin embargo, la emisión de electrones, en vez de depender simplemente de la intensidad de la luz aplicada, dependía de la longitud de onda de la luz aplicada. Por ejemplo, cierto metal emitía electrones al ser iluminado por luz UV, pero no con luz roja (mayor λ), a pesar de que la intensidad de la luz roja fuera varias veces mayor que la de la UV.

Albert Einstein (1879-1955) propuso una explicación teórica de este efecto en 1905, trabajo por el cual le fue concedido el Premio Nobel de Física en 1921: la luz que le llega al metal no es una onda que proporciona energía de forma continua, sino una corriente de partículas, que fueron denominadas fotones. La energía de cada fotón es directamente proporcional a la frecuencia de la radiación que lleva asociada, y por tanto es mayor en fotones correspondientes al UV que en los correspondientes a luz roja, ya que la frecuencia del UV es mucho mayor (y su longitud de onda mucho menor) (véase experimento 1.8). Entre las aplicaciones más destacadas del efecto fotoeléctrico, podemos encontrar el efecto fotovoltaico, bastante conocido por su aplicación en la fabricación de células fotosensibles para generar energía renovable a partir de la luz

Bibliografía Barbero, S.; Dorronsoro, C. y Gonzalo, J. (2015): La luz: ciencia y tecnología, Madrid, CSIC-Los Libros de la Catarata. Casas, J. (1985): Óptica, Zaragoza, J. Casas, Librería Pons. Donnelly, J. y Massa, N. (2007): Light: Introduction to Optics and Photonics, Boston, New England Board of Higher Education.   

del sol. Estos dispositivos transforman la energía lumínica en energía eléctrica, al “excitar” electrones por absorción de la energía de los fotones. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts (1850-1903) en 1884.

Entonces, ¿qué es un fotón? El fotón es una partícula elemental, es la mínima parte en que se puede dividir un rayo de luz que aún conserva las propiedades como energía, frecuencia y longitud de onda, y constituye la unidad cuántica de energía luminosa. Los fotones no tienen masa, y su energía (indivisible) es proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética asociada. La energía de un fotón es igual a h·ν, donde h es la llamada constante de Planck, en honor al físico alemán que encontró dicha relación en el año 1900, y ν es la frecuencia.

Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (2015): “Unidad Didáctica. Ciencia con luz propia. Aplicaciones tecnológicas de la luz”, Madrid, Editorial SM. Hecht, E. (2016): Óptica, Madrid, Pearson. Serway, R. A. y Jewett, J. W. (2006): Física para ciencias e ingeniería, vol. 1 y 2, Madrid, Ediciones Paraninfo. Tipler, P. A. (2010): Física moderna, Barcelona, Reverte. 31

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

1.1

¿LA LUZ VIAJA EN LÍNEA RECTA? Índice de refracción, invisibilidad, refracción

Objetivo 1: Comprender el concepto de índice de refracción. Objetivo 2: Observar la dirección de la luz al pasar de un material a otro. MATERIALES • Bol transparente • Agua • Alcohol etílico (etanol) • Aceite de oliva

• Recipiente de vidrio vacío (tarro) • Perlas de hidrogel incoloras • Puntero láser de poca potencia ( = 4 mm • Adhesivo plástico/pistola de cola caliente • Guantes de trabajo • Taladro manual y brocas de metal • Tapón de corcho

¿Alguna vez has mirado una vieja bombilla de incandescencia y has pensado que no parece demasiado complicada? En realidad, no te equivocas y en este experimento te contaremos algunos trucos para que fabriques tu propia bombilla con un filamento de grafito. El principio es básico, se trata de pasar una corriente eléctrica para calentar un material y que emita luz visible. Figura 2.2.1. Materiales. Fotografía: IOSA.

Procedimiento 1. Busca un tarro de vidrio hermético. Para comprobarlo, puedes calentar el tarro sin la tapa (en el horno a baja temperatura o al baño María). Ponle la tapa, ciérralo bien con cuidado de no quemarte y déjalo enfriar. Si una vez frío la tapa está hundida hacia dentro y no hace “plop” al presionar sobre ella, el tarro es hermético. En caso contrario, deberás encontrar otro que sí lo sea. 2. Comenzaremos marcando y perforando en la tapa la posición de los agujeros para las piezas de corcho, como se muestra en la en la imagen (figura 2.2.2). Procura que queden bien separados entre sí y que no sean demasiado grandes. 3. Divide a continuación el tapón de corcho a la mitad y taladra en ellas el orificio que servirá de guía a los tornillos. Importante perforarlos con un diámetro algo menor para que los tornillos queden apretados. Ahora puedes introducirlos en los agujeros de la tapa y sellarlos con cola termofusible o silicona sanitaria.

Figura 2.2.2. Proceso de montaje de la bombilla. Fotografía: IOSA.

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2.2

EXPERIMENTO REINVENTANDO

A EDISON: CONSTRUYE UNA BOMBILLA

4. Pela, trenza y enrolla un trozo de cable alrededor de la cabeza de cada uno de los tornillos. Si dispones de conocimientos y material de soldadura o de alguien que los tenga, puedes soldarlos para una unión más firme (como se ve en las imágenes). En caso contrario, déjalos únicamente enrollados. Ahora puedes enroscarlos en las piezas de corcho de la tapa. 5. Extrae ahora la mina del lápiz con cuidado de no romperla ni hacerte daño. Es imprescindible el uso de guantes, tanto como protección como para no impregnarla de grasa con los dedos. Ahora puedes fijarla a los tornillos. Para ello, puedes utilizar la pieza metálica interior de dos clemas y un trozo de alambre o clip. Si no dispones de ellas, utiliza cable pelado y trenzado para este fin (nuevamente con guantes para mantenerlo limpio). 6. Pasa con cuidado la llama de un mechero por la mina para quemar los residuos que pueda haber en su superficie. Pega un pequeño trozo de vela al fondo del tarro, enciéndela y cierra con mucho cuidado todo el conjunto. 7. Una vez la vela se apague y el tarro se enfríe, la “bombilla” estará lista para su uso. 8. Conecta las cabezas de los tornillos en la tapa del tarro al interruptor y a la batería usando los cables con conectores de cocodrilo.

Figura 2.2.3. Prueba de funcionamiento del montaje final. Fotografía: IOSA.

Explicación El filamento de grafito actúa como una resistencia al paso de la corriente eléctrica, calentándose con el paso de esta a través de él. Además, a medida que va aumentando la temperatura en el filamento, el espectro emitido se va desplazando desde el infrarrojo hasta frecuencias más elevadas de luz visible.

Trucos Puedes intercalar un regulador de intensidad para modificar el comportamiento de la bombilla.

Veamos lo que has aprendido • ¿Qué ventaja crees que puede aportar un filamento de tungsteno frente al que usó Edison o al que hemos usado nosotros? • ¿Es esta una manera eficiente de producir luz visible? • Si miraras a través de un espectroscopio, ¿cómo crees que sería el espectro que observarías?

Experimentos relacionados Experimento 2.3. Detectando luz con semiconductores.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

2.3

Objetivo 1: Comprender los conceptos de electroluminiscencia y fotoconductividad. Objetivo 2: Aprovechar la coexistencia de ambos fenómenos en los LED para usarlos tanto como fuentes de iluminación como a modo de sensores de luz.

DETECTANDO LUZ CON SEMICONDUCTORES

MATERIALES • Arduino Uno • Sensores: 3 LED de 5 mm infrarrojos, rojos o amarillos

LED, fotodetectores, electroluminiscencia

45 min (+)

• Indicadores: 3 LED que emitan en visible • 3 resistencias de 300-350 Ohms • Placa de conexiones (Breadboard) • Cables de conexiones • Cable USB •O  rdenador con software Arduino IDE para programarlo

El funcionamiento de los LED se basa en una combinación de electrones y agujeros vacíos, donde al no haber electrón tenemos una carga positiva. La energía electromagnética liberada en este proceso se convierte en un fotón con capacidad de iluminar en tres tipos de longitudes de onda (rojo, verde y azul, mereciendo el azul el premio Nobel de Física en 2014 y completando por fin con su combinación con los dos anteriores la deseada luz blanca). Pero los LED van más allá de su función de fuente de iluminación, ya que también presentan la maravillosa propiedad de conducir la electricidad consumiendo en ambos procesos muy poca energía. ¿Exploramos estas dos propiedades?

Modelo p

Modelo n

Agujero

Electrón

Recombinación

Luz

Banda de combinación Nivel de Fermi Banda ancha (banda prohibida) Banda de valencia

Figura 2.3.1. Diagrama unión p-n en un diodo. Fuente: Elaboración propia.

Procedimiento Antes de empezar y para ayudarnos a desarrollar el experimento vamos a indicar algunos detalles técnicos. Tendremos en total 6 LED, 3 de ellos funcionarán como sensores y otros tres como indicadores. El uso del Arduino y su programación nos servirá para asociar por pares un LED “sensor” con un LED “indicador”.

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2.3

EXPERIMENTO DETECTANDO

LUZ CON SEMICONDUCTORES

1. Conecta en primer lugar el rail o carril negativo del breadboard al pin GND del Arduino (figura 2.3.2). 2. Conecta el pin corto (cátodo) de cada uno de los LED indicadores al rail negativo del breadboard y, al otro extremo de cada una de estas, un cable de conexión. Intercala entre una de estas conexiones una resistencia. En nuestro caso es indiferente en cuál de ellas la pongas. 3. Conecta los cables provenientes del paso anterior a los pines 9, 10 y 11 del Arduino. 4. Ahora conectaremos los LED que harán la función de sensores directamente a los pines 2 a 7 del Arduino. Los cátodos a los pares y los ánodos a los impares (2.3.3). 5. Programa ahora el Arduino con el script que encontrarás al final del experimento. 6. Hemos terminado. Podrás comprobar cómo al pasar el dedo sobre los LED con función de sensores la sombra es detectada en dicha posición, iluminándose el LED indicador que le corresponde. Es importante que la habitación donde realices el experimento tenga una buena y constante iluminación para que el montaje funcione correctamente (figura 2.3.4). En la polarización directa, los huecos están forzados a desplazarse hacia la región tipo n, y los electrones hacia la región tipo p.

Cuando un hueco y un electrón se combinan, desprenden energía. En los LED, esta energía es en forma de luz. Electrones

Huecos

Región tipo p

Región tipo n + Fuente de voltaje (en la polarización directa

Figura 2.3.2. Diagrama del funcionamiento del LED (izquierda) y esquema del circuito (derecha). Fuente: Adaptado de SPARKFUN (izquierda). Elaboración propia con Fritzing (derecha).

.

Figura 2.3.3. Montaje real conectado a ordenador para ser programado.

Figura 2.3.4. Montaje funcionando.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/ Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

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2.3

EXPERIMENTO D  ETECTANDO

LUZ CON SEMICONDUCTORES

Explicación Los LED cambian sus propiedades eléctricas según la cantidad y tipo de luz que les llegue, en un fenómeno conocido como Índice de refracción, invisibilidad, refracción fotoconductividad. Hemos aprovechado esa característica para utilizarlo como detector. Utilizando el Arduino y su programación, lo que hemos indicado es que cuando alguno de los LED “sensores” detecta un cambio de luminosidad (detectado por el Arduino con un cambio de la diferencia de potencial entre sus pines), active su LED “indicador” asociado y este se encienda (aplicándole una diferencia de potencial entre sus pines).

Trucos • Prueba a iluminar directamente sobre los LED de medida con una lámpara. De esta manera mejoras el funcionamiento de los sensores, ya que la diferencia en las condiciones de iluminación es mayor. • En caso de que, debido a cambios bruscos en la luminosidad ambiental, el montaje deje de funcionar correctamente, pulsa el botón reset del Arduino para que tenga lugar una nueva calibración.

Veamos lo que has aprendido • ¿Por qué crees que especificamos el color de los LED que utilizamos como sensores? ¿Piensas que puede tener algún tipo de relevancia en su funcionamiento o sensibilidad como sensores? En caso afirmativo, ¿cuál crees que es y a qué crees que se debe? • ¿Piensas que es imprescindible utilizar una microcontroladora como la que hemos utilizado para observar esta propiedad de los LED? ¿Por qué crees que la hemos utilizado?

Experimentos relacionados • Experimento 2.2. Reinventando a Edison: construye una bombilla.

Figura 2.3.5. Pintando con luz LED. Fotografía: IOSA.

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2.3

EXPERIMENTO DETECTANDO

LUZ CON SEMICONDUCTORES

Código // Tiempo máximo de descarga de los LED (es decir, máxima oscuridad) const unsigned int MAX_T = 10000; // Incremento respecto a medida de luz ambiental para considerar estar "en la sombra" const unsigned int THRESH_INC = 200; // Numero de LED que se utilizan para el sensado const int NUM_SENS = 3; // Definición de los pines const int GND_PINS[] = {2, 4, 6}; const int POS_PINS[] = {3, 5, 7}; const int OUT_PINS[] = {9, 10, 11}; // Variables globales unsigned int sen_times[NUM_SENS]; unsigned int sen_ambient[NUM_SENS]; unsigned int sen_darkness[NUM_SENS]; int out_values[NUM_SENS]; void setup() { int i; int j; Serial.begin(9600); // Definir los pines de salida como tal, poniendo además los pines que actuarán como GND en "low" (0V): for ( i = 0; i < NUM_SENS; i++ ) { Serial.println(i); pinMode(GND_PINS[i], OUTPUT); // Define pin de salida digitalWrite(GND_PINS[i], LOW); // Define pin de salida a "low" pinMode(OUT_PINS[i], OUTPUT); // Define pin de salida } // Calibrar los LED de sensado según la luz ambiental medida for ( i = 0; i < NUM_SENS; i++ ) { sen_ambient[i] = 0; } for ( j = 0; j < 4; j++ ) { for (i = 0; i < NUM_SENS; i++ ) { readLED(); sen_ambient[i] += sen_times[i] / 4; } } // Mostrar promedios de luz ambiental Serial.println("Promedios ambientales: "); for ( i = 0; i < NUM_SENS; i++ ) { Serial.print(sen_ambient[i]); Serial.print("\t"); } Serial.println(); Serial.println("---"); } void loop() { int i; readLED(); for ( i = 0; i < NUM_SENS; i++ ) { //Mostrar los tiempos del LED sensor de luz sin procesar en la pantalla Serial.print(sen_times[i], DEC); Serial.print("\t"); // Calcular el inverso de la luz detectada: cuánta "oscuridad" se detecta

if ( sen_times[i] > (sen_ambient[i] + THRESH_INC)) { sen_darkness[i] = sen_times[i] (sen_ambient[i] + THRESH_INC); } else { sen_darkness[i] = 0; } // Convertir el valor de oscuridad en valor de salida analógico (PWM) out_values[i] = map(sen_darkness[i], 0, MAX_T - sen_ambient[i] + THRESH_INC, 0, 255); // Iluminar los LED de salida en función del nivel de "oscuridad" detectada analogWrite(OUT_PINS[i], out_values[i]); } Serial.println(); } void readLED() { int i; unsigned int t; int discharged = 0; // Restablecer los tiempos de los LED for ( i = 0; i < NUM_SENS; i++ ) { sen_times[i] = 0; } // Aplicar voltaje inverso para medida de capacitancia.Para ello se definen como pins de salida en "high" (+5V) for ( i = 0; i < NUM_SENS; i++ ) { pinMode(POS_PINS[i], OUTPUT); digitalWrite(POS_PINS[i], HIGH); } // Aislar unión PN y desconectar la resistencia pull-up. Para ello definimos ahora los pins como entrada y los ponemos en "low" (0V): for ( i = 0; i < NUM_SENS; i++ ) { pinMode(POS_PINS[i], INPUT); digitalWrite(POS_PINS[i], LOW); } // Contar cuánto tardan los LED en descargarse for ( t = 0; t < MAX_T; t++ ) { // Si un LED se descarga, almacenar el tiempo que ha necesitado para ello for ( i = 0; i < NUM_SENS; i++ ) { if ( (sen_times[i] == 0) && (digitalRead(POS_PINS[i]) == 0) ) { sen_times[i] = t; discharged++; } } // Si todos los LED se han descargado, finalizar el recuento anticipadamente if ( discharged >= NUM_SENS ) { break; } } }

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

2.4

UNA LUZ EXTRAORDINARIA: EL LÁSER Láser, fuentes de luz, difracción

10 min (+)

Objetivo 1: Entender las propiedades de la luz láser. Objetivo 2: Entender la diferencia entre la luz láser y las demás fuentes de luz. MATERIALES • Una linterna LED blanca • Un puntero láser rojo o verde • Una linterna LED, del color del láser elegido

• Una red de difracción barata • Una hoja de papel blanco o negro mate • Papel milimetrado

El láser es una fuente de luz verdaderamente especial. En este experimento vamos a indagar en las propiedades que lo hacen único frente a las demás fuentes de luz. El haz generado por un láser es monocromático (de un solo color o, más bien, de una sola longitud de onda), colimado (produce “rayos” paralelos) y coherente (las ondas luminosas que lo componen tienen una relación de fase constante). En este experimento comprobaremos las tres principales características del láser.

Figura 2.4.1. Emisión láser de longitud de onda 480 nm (azul). Fotografía: IOSA.

Procedimiento 1. Monocromático: coloca la red de difracción cerca de tu ojo y mira a través de ella a la hoja de papel. Apunta a la hoja con las diferentes fuentes de luz (linterna blanca, roja/verde y láser). Presta atención a los diferentes patrones resultantes (figura 2.4.2). 2. Colimado: pega el papel milimetrado en una pared. Ilumínalo con las diferentes fuentes de luz a varias distancias (por ejemplo, 10 cm, 50 cm y 1 m), cuidando que el haz de luz sea perpendicular a la pared. Observa cómo varían los puntos de luz en la pared al alejarte de ella: si quieres puedes marcarlos en el papel o puedes observar cómo se mueven sujetando simultáneamente las linternas mientras te mueves. 3. Coherente: sujeta el láser y la linterna coloreada muy cerca de una hoja de papel, con un pequeño ángulo entre ellos. Enciende la fuente y observa.

Figura 2.4.2. Procedimiento para ver los patrones de difracción. Fotografía: Eliezer Sánchez González/ Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Explicación Monocromático: una red de difracción está compuesta por un número muy elevado de líneas tan pequeñas que nuestro ojo no puede verlas y que permiten difractar la luz, es decir, separar sus componentes según sus diferentes longitudes de onda. Los patrones observados cuando la luz pasa por un retículo de difracción presentan en el medio una mancha parecida a la fuente de luz original y a los dos lados unas alas en las que se pueden diferenciar las longitudes de ondas (los colores) que componen la luz. En el caso de la luz blanca, se pueden apreciar los diferentes colores del arcoíris en unas estrías más largas. El espectro de la linterna es continuo en la parte visible del espectro e.m. Si pasamos a la linterna coloreada podemos seguir viendo unas alas estiradas correspondientes a diferentes longitudes de onda, aunque se quedan todas en el área del rojo (o verde, según la linterna utilizada).

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2.4

EXPERIMENTO UNA

LUZ EXTRAORDINARIA: EL LÁSER

Observando el láser, las alas desaparecen y solo se ven unos puntos: significa que el espectro emitido es muy estrecho, correspondiente a una única longitud de onda (o muy pocas). Hemos verificado que, a diferencia de las otras fuentes de luz, el láser es monocromático (del griego, mono, ‘uno’ y chroma, ‘color’), aunque se puedan construir láseres que emitan más longitudes de onda (figura 2.4.3).

Figura 2.4.3. Imagen de la difracción de una lámpara de luz blanca (arriba), imagen de la difracción de un puntero láser verde (centro) e imagen de la difracción de una lámpara LED roja (abajo). Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Colimado: habrás notado que alejándote de la pared las áreas iluminadas por las linternas se ensanchan mucho más que la iluminada por el láser. Su luz diverge de la fuente, mientras que la luz producida por un láser bien colimado no diverge ni converge: los rayos viajan en paralelo en una sola dirección. La luz del láser se produce en una cavidad delimitada por dos espejos, de manera que solamente la luz que viaja en una dirección bien definida puede salir, produciendo un haz colimado. Coherente: mirando de cerca la luz proyectada, habrás notado que los puntos producidos por el puntero láser y por el LED son diferentes aunque sean del mismo color. El láser se caracteriza por un punto muy brillante y definido. El LED produce un área central más iluminada y un borde un poco menos. Ya has aprendido que la luz viaja como una onda. Se dice de estas que son coherentes cuando tienen una misma frecuencia y una relación de fase constante. Piensa en una onda con picos (máximos) y valles (mínimos): si dos o más ondas se superponen perfectamente de manera que todas tienen máximos y mínimos en la misma posición cuando viajan, se consideran coherentes. Eso también significa que su potencia se acumula, mientras que si los máximos y mínimos estuvieran desfasados podrían llegar a anularse el uno con el otro. El láser emite radiación coherente. Por eso no parece que emita una luz “más luminosa y definida”. Los LED no son coherentes, y los bordes que observamos en el papel son menos iluminados.

Trucos ¿Quieres crear un cielo estrellado? Posiciona dos o más redes de difracción unas encima de otras con las líneas en direcciones diferentes (puede funcionar también con un pañuelo de seda con mallas muy finas) y direcciona a través de ellas el haz de un puntero láser hacia el techo.

Veamos lo que has aprendido ¿Cuáles son las principales características de la luz generada por un láser que lo distinguen de las otras fuentes de luz?

Experimentos relacionados Experimento 1.5. ¿Cuál es el grosor de mi cabello? Experimento 2.1. Construye tu espectroscopio.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

2.5

MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: LA RADIACIÓN IR Luz infrarroja, experimento de Herschel

Objetivo 1: Repetir el experimento con el que Herschel descubrió la radiación infrarroja. Objetivo 2: Entender la relación entre temperatura y radiación. MATERIALES • Un prisma de vidrio • 3 termómetros de alcohol (de los para medir la temperatura ambiental)

30 min (+)

• Pintura o marcador permanente negro o cinta aislante negra • Caja de cartón (o algo similar para utilizar como soporte del prisma) • Cinta adhesiva • Tijeras

En el año 1800, William Herschel, mientras observaba el espectro de luz solar con distintos filtros, se dio cuenta de que, dependiendo del color de estos, era diferente la cantidad de calor que se transmitía. Fue mientras intentaba entender este fenómeno cuando, un poco por casualidad, descubrió la radiación infrarroja, un tipo de radiación presente en el espectro e. m. que, situada “más allá del rojo”, no es perceptible a simple vista. Herschel fue capaz de detectarla porque a ella se asocia una radiación térmica: parte de la radiación es emitida como calor, magnitud que se puede medir con un termómetro, como vamos a hacer nosotros en este experimento.

Figura 2.5.1. Sir William Herschel y Caroline Herschel. William puliendo un elemento telescópico, probablemente un espejo, y Caroline Herschel agregando lubricante. Fuente: Litografía en color de A. Diethe, ca. 1896. R. Burgess, Portraits of Doctors & Scientists in the Wellcome Institute, Londres, 1973, no. 1379.10.

Procedimiento 1. Este experimento se debe llevar a cabo al aire libre o cerca de una ventana en un día soleado sin nubes o neblina, ya que estas podrían reducir la visibilidad del fenómeno. 2. Pinta de negro o cubre con cinta opaca los bulbos de los termómetros para que absorban mejor el calor. Júntalos con cinta adhesiva de tal modo que la escala de temperatura de todos ellos quede alineada.

Figura 2.5.2. Prisma colocado sobre la caja recibiendo directamente la luz solar. En el suelo están colocados los termómetros de tal forma que cada uno reciba la iluminación de diferentes colores (izquierda) y posicionamiento de los termómetros respecto al espectro visible (derecha). Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

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2.5

EXPERIMENTO MÁS

ALLÁ DEL VISIBLE: LA RADIACIÓN IR

3. En el lado de la caja que dará hacia al sol tienes que crear un soporte para el prisma. Corta un área en la parte superior del borde, ligeramente más corta que el eje mayor del prisma y bastante profunda, para que el prisma pueda rodar. Si quieres puedes crear otro tipo de soporte por el prisma 4. Posiciona el prisma en la muesca. Ajusta su posición para obtener el espectro más ancho posible (ya has descubierto cómo funciona el prisma): puedes direccionar el espectro en la parte en sombra en el interior de la caja, pero te resultará más sencillo obtener un espectro más ancho si lo proyectas un poco más lejos, por ejemplo, en el suelo o en una mesa. Asegúrate de que el prisma no se mueva. 5. Coloca los termómetros en la sombra para medir la temperatura ambiente. 6. Sitúa los termómetros donde se separa el espectro, de modo que el primer bulbo coincida con el azul, el segundo con el amarillo y el tercero caiga ligeramente más allá de la parte roja visible (dependiendo del tamaño de los termómetros esto resultará más o menos fácil, pero asegúrate de que uno se quede más allá del rojo), como se muestra en la figura 2.5.2. 7. Espera alrededor de cinco minutos y registra la temperatura en cada termómetro.

Explicación Aunque puede que observes diferencias debidas a las condiciones en las que se lleve a cabo el experimento, verás la tendencia de las temperaturas de los termómetros a aumentar desde el azul hacia el rojo y más allá de él. Es esta posición situada más allá del rojo la que presentará la temperatura más elevada. A pesar de que nuestro ojo a simple vista no sea capaz de percibir nada, deducimos por la lectura del termómetro que ahí hay también algún tipo de radiación con su propia energía; y que se refleja y refracta a través del prisma de la misma manera que la luz visible. Estamos en la región infrarroja del espectro e. m. Los termómetros (o, mejor dicho, el vidrio que los compone) absorben más energía, y por tanto se calientan más, en la región del rojo e infrarrojo (con longitudes de onda más largas) que en la región azul (longitud de onda más corta). Cuando la luz pasa a través del prisma, no se refracta de manera lineal. Como resultado, la parte infrarroja está más concentrada a la salida y muestra una mayor temperatura. Hoy sabemos que en realidad el espectro de la luz solar tiene su pico de máxima energía en otra región, correspondiente con la luz amarilla, y no en el infrarrojo. Este “error” no quita relevancia al importante descubrimiento que hizo Herschel.

Trucos Si tienes a disposición termómetros de mayor precisión, puedes utilizar cuatro en lugar de tres. Así podrás medir mejor el aumento de la temperatura debido a la absorción de los diferentes colores. También puedes probar con unos termómetros adhesivos (suelen ser pegatinas para los acuarios).

Veamos lo que has aprendido • Intenta repetir el experimento en diferentes momentos del día o cambiando un poco la posición de los termómetros respecto al espectro. ¿Notas alguna diferencia? ¿Qué podemos concluir? • ¿Qué relación hay entre temperatura y color (o, mejor dicho, espectro e. m., ya que no conseguimos verlo por completo)?

Experimentos relacionados Experimento 1.2. Rompiendo la luz: el prisma de Newton. Experimento 2.1. Construye tu espectroscopio.

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3. Instrumentos ópticos

A

lo largo de este capítulo vamos a describir el comportamiento de los rayos de luz cuando atraviesan los distintos elementos ópticos que pueden formar parte de un sistema óptico: lentes, espejos y prismas. Es decir, la desviación que sufren los rayos de luz al atravesar distintos elementos ópticos. Este análisis nos permite predecir las características de la imagen formada por una combinación de elementos ópticos; por ejemplo, en el caso de un microscopio, donde la imagen se encuentra invertida y es de tamaño mayor que el objeto que observamos. Esto quiere decir que no vamos a analizar fenómenos relacionados con el comportamiento de la luz como onda, aunque puedan estar presentes (interferencia, difracción, entre otras), ni vamos a considerar la intensidad de la luz, nos centraremos en describir aquellas propiedades basándonos

únicamente en la trayectoria que siguen los rayos de luz. Utilizaremos la denominada óptica geométrica, mediante cálculos o representaciones gráficas (trazado de rayos), para calcular las trayectorias de los rayos a través de elementos ópticos o de combinación de los mismos (sistemas ópticos). Describiremos, haciendo uso de la óptica geométrica, las características más relevantes de los elementos y sistemas ópticos sencillos, así como los sistemas ópticos más complejos formados por la combinación de diferentes elementos sencillos, como pueden ser las cámaras fotográficas, telescopios y microscopios.

Conceptos básicos Conocer las características de la imagen que forma de un objeto un elemento 75

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óptico tiene gran importancia, ya que nos permite saber cómo se verá el mundo a través de dicho elemento óptico. Un objeto emite luz (fuente de luz) o refleja la luz proveniente de una fuente de luz en forma de rayos. Estos rayos se propagan en línea recta si el medio es homogéneo e isótropo, que es lo más común, hasta llegar a un medio con un índice de refracción distinto. Como vimos en el capítulo 1, la superficie que separa los dos medios de distinto índice de refracción va a refractar o reflejar los rayos de luz no absorbidos, que se desviarán siguiendo la ley de la refracción (ley de Snell) o la ley de la reflexión (ángulo de reflexión = ángulo de incidencia), respectivamente. Cuando estudiamos la imagen formada por un elemento óptico a partir de un objeto no es suficiente estudiar un único rayo, sino que necesitamos estudiar un mínimo de dos rayos ya que, la imagen se forma en el punto donde se cruzan dos rayos que parten del mismo punto del objeto, tras atravesar todos los elementos ópticos que componen un sistema óptico. En realidad, de cada punto de un objeto parten no solo dos rayos, sino lo que se denomina un pincel de luz, es decir, varios rayos de luz que proceden de un mismo punto del objeto y que llenan el elemento óptico al atravesarlo, para pasar después de reflejarse o refractarse a formar el correspondiente punto imagen. El

estudio de la propagación de estos pinceles de luz, formados por rayos, nos permite determinar las características de la imagen de un objeto formado por el sistema o elemento óptico: posición, naturaleza (real o virtual), tamaño relativo al objeto (aumento: magnificación o reducción) y orientación respecto del objeto (derecha o invertida). La característica de los rayos de luz que nos proporciona información sobre la posición del objeto del que proceden o de la imagen que van a formar es la vergencia. Si los rayos del pincel se esparcen o separan los unos de los otros a medida que avanzan, decimos que divergen (como los rayos que parten de los puntos del objeto en la figura 3.1, izquierda), provenientes de un punto común, y la vergencia tiene signo negativo. Si, por el contrario, los rayos de un mismo pincel de luz se acercan cada vez más los unos a los otros a medida que avanzan, apuntando hacia un mismo punto, decimos que convergen, y la vergencia se considera positiva. En principio, solo aquellos elementos ópticos cuya superficie es curva son capaces de cambiar la vergencia de los rayos que lo atraviesan o se reflejan en él. La vergencia se mide en dioptrías, que es el inverso de la unidad de distancia, el metro (D = 1/m). Por lo tanto, conocida la vergencia a la entrada o salida de un elemento o sistema óptico, es fácil determinar la posición

del objeto o la imagen de la que parte o a la que llega el pincel de luz. En el caso en que los rayos se mantienen paralelos los unos a los otros a medida que se propagan, es decir, ni se acercan ni se separan, decimos que los rayos están colimados, y provienen de o viajan hacia un punto infinitamente lejano. La forma más sencilla de entender el proceso de formación de imágenes es trabajar con un elemento con el que estamos más familiarizados, como una lente convergente como la de la figura 3.1, que muestra una sección transversal de dicha lente. Si colocamos un objeto delante de la lente, por ejemplo, un lapicero, a una distancia suficiente, los pinceles de luz emitidos por los puntos del objeto se refractarán al atravesar la lente, de la que saldrán convergentes, formando una imagen en el punto en el que los rayos del mismo pincel de luz se crucen (o converjan). Podemos encontrar la posición de esta imagen alejando una pantalla (un trozo de papel) de la lente, hasta que observemos la imagen en la lente. En la mayoría de los casos el objeto es real: situado delante de la lente (a la izquierda si estamos viendo la sección), emite pinceles divergentes hacia el elemento óptico. Sin embargo, un elemento o sistema óptico no necesita tener un objeto “físico” delante para formar una imagen, le basta con tener rayos divergentes que parezcan provenir de un objeto delante del sistema para

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Lente

Lente

Imagen virtual

F

Objeto

Imagen real Distancia focal

que forme una imagen de este objeto “real”. Un ejemplo de objeto real para el sistema óptico de nuestros ojos, pero que no está presente físicamente, es un holograma. Un holograma es una imagen fotográfica que, al ser iluminada apropiadamente, refleja o transmite los rayos de luz de forma que parecen provenir de un objeto tridimensional situado delante de nuestros ojos, que no está presente físicamente. En el experimento 3.1 explicamos cómo construir un holograma de reflexión. En aquellos casos en que somos capaces de observar la imagen formada en una pantalla, decimos que la imagen es real. En estos casos, la imagen se encuentra siempre detrás de la lente que la forma (a la derecha en caso de que estemos viendo la sección), en el punto donde los pinceles de luz provenientes del objeto convergen tras atravesar la lente. Sin embargo, esto no siempre ocurre así. En aquellos casos en que tenemos un sistema divergente, o el

F

Objeto

objeto está demasiado cerca de una lente convergente, los rayos salen de la lente divergentes. Si extendemos los rayos hacia atrás, podemos encontrar un punto donde se cruzan (figura 3.1, derecha), pero este punto, de donde los rayos parecen provenir, está delante de la lente. Es imposible poner una pantalla que nos muestre dicha imagen ya que, al estar delante de la lente, bloquearía los rayos provenientes del objeto. En este caso decimos que la imagen es virtual. Un ejemplo de imagen virtual es la imagen aumentada que vemos a través de una lupa; aunque la imagen es virtual, el sistema óptico de nuestro ojo es capaz de hacer converger los rayos divergentes que salen de la lupa en nuestra retina, formando en esta una imagen real, que es la que percibimos (véase capítulo 4). El espacio situado delante del elemento óptico correspondiente, donde se encuentran los objetos reales, se denomina espacio objeto, mientras que el espacio situado detrás de la lente, donde

Distancia focal

Figura 3.1. Trazado de rayos a través de un sistema óptico convergente que forma la imagen de un objeto. Los planos imagen y objeto son perpendiculares al eje óptico y paralelos a la superficie de la lente (izquierda). Imagen virtual magnificada de un objeto con una lente convergente. En este caso el observador está en el lado izquierdo de la imagen (derecha). Fuente: Camilo Florian Baron.

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ESPEJO PLANO

ESPEJO CONVEXO

ESPEJO CÓNCAVO

Focal Centro de curvatura

Imagen

Objeto

C

F

Objeto

F

Imagen

Distancia objeto

Distancia imagen

Figura 3.2. Cuando miramos a un espejo, siempre obtenemos una imagen virtual del objeto que estamos observando. En la imagen de la izquierda, con un espejo plano, el lápiz visto desde la izquierda por un observador parece que está a la derecha, a una distancia imagen medida desde el espejo. En el centro y derecha vemos como se forma la imagen del mismo objeto a través de un espejo cóncavo y uno convexo, respectivamente. Fuente: Camilo Florian Baron.

se encuentras las imágenes reales, se denomina espacio imagen.

¿Qué elementos reflejan la luz? Los espejos Como hemos visto, cuando la luz encuentra un medio de índice de refracción distinto, parte de la luz se refleja, parte se refracta y parte es absorbida. Lo que llamamos espejos son simplemente elementos ópticos que reflejan un alto porcentaje de la luz incidente. Generalmente los espejos que utilizamos a diario están fabricados a partir de una superficie metálica altamente reflectante depositada detrás de una superficie de vidrio protectora.

Todos los espejos funcionan de acuerdo con la ley de la reflexión que ya hemos visto: cuando un rayo de luz incide sobre la superficie de un espejo, este lo refleja en sentido contrario formando un ángulo con la normal (perpendicular) a la superficie igual al ángulo de incidencia. Según sea la geometría de la superficie del espejo (plana, curva…), la normal será diferente para distintos puntos de incidencia, y por lo tanto el efecto del espejo sobre los pinceles de luz, en particular sobre su vergencia, también será diferente (figura 3.2). La figura 3.2 (izquierda) muestra el trazado de los rayos incidentes en un espejo plano procedentes de distintos puntos del objeto. Para encontrar la dirección de los rayos reflejados, solo

tenemos que trazar la normal en cada punto de incidencia, y trazar el rayo reflejado formando el mismo ángulo que el incidente con dicha normal. Como hemos comentado antes, para encontrar la imagen formada tenemos que ver el punto donde los rayos reflejados convergen. Un espejo plano no cambia la vergencia de los rayos, y como los rayos incidentes provenientes de un objeto real situado delante del espejo llegan divergentes a este, se reflejan también divergentes. Esto nos indica que la imagen es virtual, y para ver de dónde parecen provenir los rayos reflejados tenemos que extenderlos hacia atrás. Es por esto por lo que al mirarnos en un espejo plano nos parece ver nuestra imagen “detrás” o “dentro” del espejo.

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Figura 3.3. Patente de periscopio submarino solicitada por Sarah Matter en 1845.

¿Sabías que… ?

Fuente: MujeresConCiencia.

Además, la imagen producida por un espejo plano tiene el mismo tamaño y orientación que el objeto y se encuentra a la misma distancia del espejo que la imagen virtual producida por el espejo. La inversión de la imagen es parcial: la izquierda se transforma en derecha, pero no hay inversión vertical. En el experimento 3.2 fabricaremos nuestro propio periscopio, un instrumento óptico que posibilita la observación cuando un obstáculo impide la visión directa de un objeto, utilizando dos espejos planos. Los espejos curvos o esféricos también cumplen la ley de la reflexión pero, a diferencia de los espejos planos, las normales en cada punto de su superficie no son paralelas entre sí. En el caso de superficies curvas esféricas, las rectas normales (perpendiculares) a la superficie pasan por el centro de curvatura de la superficie esférica. Es por esto por lo que los espejos esféricos cambian la vergencia de los rayos incidentes, y como consecuencia, el tamaño de la imagen ya no será el mismo que el del objeto, sino que será de mayor o menor tamaño dependiendo del tipo de espejo curvo,

cóncavo o convexo, y de la posición del objeto (figura 3.2). Antes de describir el efecto de estos dos tipos de espejos esféricos sobre los rayos de luz necesitamos definir algunos elementos. Como en toda esfera, el centro de curvatura (C) de un espejo esférico es el punto equidistante de todos los puntos de la superficie esférica. Cualquier línea trazada desde cualquier punto de la superficie al centro de curvatura se denomina radio de curvatura (R), y es perpendicular (normal) a la superficie en dicho punto. El eje óptico de un espejo (y cualquier otro elemento óptico) es la línea horizontal que pasa a través de su centro de curvatura. La intersección del eje óptico con la superficie del espejo es el vértice. En los espejos esféricos cóncavos, el interior de la esfera que forma la superficie es la parte reflectante, y por lo tanto su centro de curvatura está delante del espejo (a la izquierda de la sección del espejo representada en la figura 3.2 centro). Los espejos cóncavos son espejos

Sarah Matter fue la inventora de la patente del periscopio submarino, en 1845. El periscopio fue clave en la historia de la navegación submarina, pues permitió observar la superficie desde un submarino sumergido. La primera noticia que se tiene de la utilización de un periscopio data de 1864, fecha en la que el ingeniero de la Armada de los EE UU Thomas Doughty usó un tubo de hierro y unos espejos a bordo de un barco fluvial en expedición al río Rojo.

convergentes, es decir, los rayos incidentes en el espejo serán más convergentes tras reflejarse en su superficie. En el caso de rayos incidentes en el espejo paralelos a su eje óptico (vergencia cero), los rayos reflejados convergen en un punto del eje óptico situado delante del espejo, a mitad de camino entre la superficie de este y su centro de curvatura. Este es el punto focal o foco del espejo, que representamos en los diagramas con la letra F. Aplicando el principio de reversibilidad de la luz, todos los rayos incidentes en la superficie provenientes del foco se reflejarán paralelos al eje óptico. La distancia desde el vértice del espejo al punto focal se denomina 79

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distancia focal, y se representa con la letra f. La distancia focal de un espejo es la mitad de su radio de curvatura (f = R/2). La capacidad de un espejo de cambiar la vergencia de los rayos incidentes en él tras reflejarlos es lo que denominamos potencia del espejo, que representamos con la letra F. Al igual que la vergencia, se mide en dioptrías, y se calcula como la inversa de la distancia focal del espejo medida en metros (F = 1/f ). Cuanto más corta es esta distancia focal (y por lo tanto el radio del espejo), mayor es la potencia del espejo, es decir, un espejo convergente (potencia positiva) convergerá más los rayos, mientras que un espejo divergente (potencia negativa), divergirá más los rayos. Los espejos cóncavos son espejos convergentes que, cuando el objeto está más alejado del espejo que su foco, forman una imagen real invertida que puede ser de mayor, igual o menor tamaño que el objeto, según su posición. Cuando el objeto está más cerca del espejo que su foco, la imagen producida es virtual, derecha, y aumentada. Los espejos de aumento que a veces encontramos en el baño para maquillarse o afeitarse son espejos cóncavos. Los espejos cóncavos también se utilizan en aplicaciones para proyectar luz, como, por ejemplo, en los faros de los coches. Los espejos convexos, en que la parte reflectante está en el exterior de la esfera que forma la superficie, son espejos divergentes. Es decir, cambian la

vergencia de los rayos incidentes de forma que se reflejan más divergentes (parte derecha figura 3.2). En este caso, el centro de curvatura del espejo está detrás de la superficie reflectante, al igual que lo está su punto focal, a medio camino entre el vértice del espejo y su centro de curvatura (f = R/2). Cuando rayos paralelos al eje óptico inciden en un espejo cóncavo, se reflejan divergentes. Si extendemos los rayos más allá de la superficie del espejo, parecen provenir del punto focal que, en este caso, al estar detrás del espejo, es virtual. Por el principio de reversibilidad de la luz, y tal como vimos para espejos cóncavos, aquellos rayos incidentes en el espejo apuntando en la dirección de su punto focal se reflejarán paralelos al eje óptico. La potencia de un espejo divergente se considera negativa, y su valor absoluto será mayor cuanto más corta sea su distancia focal (F = 1/f ). Los espejos convexos forman, a partir de un objeto real, una imagen virtual de menor tamaño que dicho objeto.

Elementos que refractan la luz: dioptrios planos, prismas y lentes Como vimos en el capítulo 1, cuando la luz se propaga hacia un medio con distinto índice de refracción cambia su dirección. Este fenómeno es conocido como refracción y es descrito 81

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n1

n2

Pantalla

α2

I1 Rojo

α1 Luz blanca

I2

Naranja Verde

Prisma

Figura 3.4. Refracción de un rayo de luz en un dioptrio plano (lámina transparente plano-paralela) (izquierda) y refracción de un rayo de luz blanca a través de una combinación de varios dioptrios planos formando un ángulo entre sí, un prisma (derecha). Fuente: Camilo Florian Baron.

matemáticamente por la ley de Snell que, si conocemos el ángulo de incidencia y los índices de refracción de ambos medios, nos permite determinar la dirección del rayo de luz refractado. Una superficie que separa dos medios de distinto índice de refracción se denomina dioptrio. Dependiendo de si dicha superficie es plana o curva, podemos definir dioptrios planos y curvos, respectivamente. Al igual que vimos con los espejos planos, un dioptrio plano no cambia la vergencia de los rayos. Esto quiere decir que los rayos divergentes que lleguen al dioptrio plano procedentes de un objeto real en su espacio objeto también serán divergentes, y formarán una imagen virtual. Si extendemos los rayos hacia atrás para encontrar el punto en que parece formarse la imagen, esta aparece en el mismo lado del dioptrio que el

Azul Violeta

objeto. Un ejemplo típico y muy sencillo es el de una ventana. La luz que la atraviesa prácticamente no se desvía de su trayectoria de incidencia, pero si miramos con un ángulo rasante, el objeto real y el que vemos están en posiciones diferentes. Esto puede entenderse como la refracción en una lámina planoparalela (figura 3.4, izquierda). El efecto de un dioptrio plano sobre los rayos provenientes de un objeto es cambiar su dirección hacia la normal si el objeto está inmerso en el medio de menor índice, o alejarse de la normal en caso contrario. Si el objeto está inmerso en el medio de mayor índice refractivo, la imagen virtual formada por el dioptrio estará más cerca de este que el objeto. Esto se puede comprobar trazando los rayos desde el objeto a la superficie que, al refractarse hacia el medio de menor

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índice donde estamos observándolos, se alejarán de la normal. Si extendemos estos rayos hacia atrás, se cruzarán entre la superficie y el objeto. Por eso las piscinas llenas de agua parecen menos profundas de lo que en realidad son: el fondo de la piscina se encuentra sumergido en agua (n = 1,33), de mayor índice de refracción que el aire (n = 1) desde el que observamos los rayos refractados. En realidad, no vemos el fondo de la piscina, sino la imagen virtual de éste, firmada por el dioptrio plano (agua-aire), que ese encuentra más cerca de la superficie que el fondo. Por el contrario, en aquellos casos en que el objeto está inmerso en el medio de menor índice de refracción, y lo observamos desde el medio de mayor índice de refracción, la imagen virtual se forma por detrás del objeto. Los rayos, que en este caso se refractan hacia el medio de mayor índice refractivo desde donde los observamos, se acercan a la normal, y al extenderlos hacia atrás se cruzan en un punto por detrás del objeto. La posición de la imagen virtual depende de la proporción entre los índices de refracción de ambos medios y la distancia del objeto. Si combinamos dos dioptrios planos formando un ángulo entre sí, de forma que separan el medio entre los dioptrios (por ejemplo, vidrio) de un medio externo (generalmente aire), tenemos un prisma óptico. El efecto de un prisma en los rayos que lo atraviesan es un

desplazamiento lateral, así como un cambio en la trayectoria, que es proporcional al ángulo formado por los dioptrios (ángulo apical) y a la relación entre el índice de refracción del prisma y del medio en que está inmerso. Si asumimos que el medio es aire, y el índice de refracción del prisma es mayor que 1, los rayos se desviarán en la dirección opuesta al ángulo apical, donde está la denominada base del prisma. Si observamos la trayectoria de dos rayos de luz provenientes del mismo objeto real a través del prisma, podemos encontrar la posición de la imagen producida por el prisma, que es virtual, localizada en el espacio objeto, y desplazada lateralmente hacia el ápex del prisma (punto de unión de los dioptrios planos que lo forman). Si al observar un objeto colocamos un prisma delante de nuestro ojo, el objeto parecerá saltar hacia el ángulo (ápex) del prisma, ya que lo que observamos entonces es la imagen formada por el prisma. Los prismas (figura 3.4, derecha) se pueden utilizar también por sus propiedades reflectantes, cuando la reflexión total interna se da en una o varias de sus superficies. Es el caso de los prismas que se utilizan en los telescopios de tipo Kepler para que la imagen final sea derecha. Al igual que existen espejos curvos, existen los dioptrios curvos, formados por una superficie curva que separa dos medios de distinto índice de refracción.

En el caso de dioptrios esféricos, la superficie curva es una esfera. Como vimos con los espejos, esta curvatura permite a estos elementos ópticos cambiar la vergencia de los rayos incidentes, en este caso mediante la refracción. Esta propiedad es lo que denominamos potencia refractiva (F), y depende de la diferencia entre los índices de refracción que separa la superficie y del radio de curvatura de la superficie: F = (n’- n)/R Cuanto mayor es la diferencia entre los índices refractivos o menor es el radio de curvatura de la superficie, mayor es la potencia refractiva, es decir, un dioptrio convergente (potencia positiva) convergerá más los rayos, mientras que un dioptrio divergente (potencia negativa) divergirá más los rayos. Un dioptrio esférico será convergente (potencia positiva) si el lado convexo de la esfera está en contacto con el menor índice de refracción, y será divergente (potencia negativa) si es el lado cóncavo de la esfera. Los dioptrios esféricos tienen dos puntos focales: • El punto focal (o foco) imagen es el punto del eje óptico en el que convergen (o del que parecen provenir) los rayos incidentes en el dioptrio paralelos a su eje óptico, después de refractarse. 83

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Distancia focal

Distancia focal

Figura 3.5. Refracción de un pincel de rayos de luz a través de un dioptrio esférico convergente (izquierda) y divergente (derecha). Fuente: Camilo Florian Baron.

• El punto focal (o foco) objeto es el punto sobre el eje sobre el que los rayos que pasen (o apunten en su dirección) al incidir en el dioptrio saldrán paralelos, después de refractarse. En el caso de un dioptrio convergente los puntos focales son reales (figura 3.5, izquierda). Esto quiere decir que el punto focal objeto está en el espacio objeto y el punto focal imagen en el espacio imagen. Sin embargo, en el caso de un dioptrio divergente, los puntos focales son virtuales: los rayos que inciden paralelos divergen tras refractarse, y para encontrar el punto focal imagen necesitamos extender los rayos hacia atrás, en el espacio imagen (figura 3.5, derecha). En el caso del punto focal objeto, para obtener rayos refractados paralelos necesitamos que los

rayos incidan convergentes, y al extenderlos más allá de la superficie del dioptrio converjan en el espacio imagen. Las distancias desde el vértice del dioptrio (intersección con su eje óptico) al punto focal objeto y al punto focal imagen son las distancias focales objeto (f ) e imagen (f’), respectivamente. Estas distancias se pueden calcular a partir de la potencia refractiva del dioptrio (F ) y los índices de refracción correspondientes al espacio objeto, delante del dioptrio (n), y el espacio imagen, localizado detrás del dioptrio (n’ ) como: f = - n/F

y

f ’ = n’/F

respectivamente. Por tanto, las distancias focales objeto e imagen no coinciden, ya que los índices de refracción son distintos: F = - n/f = n’/f ’ . Cuanto más

corta es esta distancia focal, mayor es la potencia del dioptrio. En cuanto a la imagen formada por un dioptrio convergente, cuando el objeto está más alejado del dioptrio que su foco objeto, la imagen formada es real, invertida y de mayor, igual o menor tamaño que el objeto, dependiendo de la posición de este. Cuando el objeto está más cerca del espejo que su foco, la imagen es virtual, derecha, y aumentada. Los espejos convexos forman, a partir de un objeto real, una imagen virtual de menor tamaño que dicho objeto. Una lente es un elemento óptico formado por dos dioptrios, generalmente curvos, que separan el material del que está fabricada la lente del medio exterior. El efecto de una lente sobre la vergencia de los rayos de luz, es decir, su potencia refractiva, depende de la potencia

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refractiva de los dioptrios que la componen, y en el caso de lentes gruesas, también de su espesor. Dependiendo del valor de la suma de las potencias refractivas de los dioptrios que componen la lente, tendremos lentes convergentes (potencia refractiva positiva) y divergentes (potencia refractiva negativa). Las lentes convergentes (figura 3.6, izquierda) son más gruesas en el centro que en el borde, pueden formar imágenes reales, que podemos observar en una pantalla, y al mirar a través de ellas, los objetos se ven aumentados. Las lentes divergentes (figura 3.6, derecha), por el contrario, son más gruesas en el borde que en el centro, generalmente forman imágenes virtuales, y al mirar a través de ellas los objetos aparecen reducidos. Existen distintas combinaciones de dioptrios cóncavos y convexos que pueden resultar en lentes convergentes o divergentes. Es lo que denominamos la “forma” de la lente, y cada forma tiene un nombre distinto. Al igual que vimos en los dioptrios curvos, una lente convergente hace converger los rayos paralelos al eje óptico incidentes en su superficie hacia su foco imagen, situado detrás de la lente. En el caso de una lente divergente, los rayos incidentes paralelos al eje óptico se refractan divergentes, de forma que parecen provenir del foco imagen de la lente, localizado delante de la lente, en el espacio objeto, ya que es virtual. Cuando trabajamos con lentes, generalmente nos olvidamos de los

Punto focal

Distancia focal

puntos focales de cada uno de los dioptrios que la componen, para pasar a definir un foco objeto y un foco imagen de la lente, incluyendo el efecto de ambas superficies. Ambos focos se encuentran en el exterior de la lente, por lo que, si la lente está inmersa en aire, podemos calcular su potencia a partir de la posición del foco imagen, es decir, la distancia focal imagen, como F = 1/f ’. En la mayoría de los casos, para simplificar, asumimos que el espesor de las lentes es tan pequeño que podemos asumir que las superficies anterior y posterior de la lente están prácticamente pegadas la una a la otra. Entonces decimos que se trata de lentes delgadas, y representamos ambas superficies de la lente como una única línea, donde se refracta la luz. En el experimento 3.3 realizaremos la construcción de varios de los

Punto focal

Distancia focal

Figura 3.6. Rayos de luz atravesando una lente convergente (izquierda) y una divergente (derecha). Fuente: Camilo Florian Baron.

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¿Sabías que… ? Las lentes convergentes sirven para corregir la hipermetropía y las divergentes, la miopía. Si al mirar a los ojos de alguien a través de sus gafas estos parecen más grandes, las lentes serán convergentes, y por lo tanto sabemos que tiene hipermetropía. Si los ojos parecen más pequeños, las lentes son divergentes, y, por lo tanto, se trata de un miope. En lugar de tener una única lente en su sistema óptico, como el ser humano, muchos insectos poseen un sistema de microlentes. Esto les permite tener un campo de visión más amplio. El ser humano ha reproducido esto y lo ha trasladado a aplicaciones de cámaras compuestas como veremos en el capítulo 4.

elementos ópticos y comprobaremos su comportamiento con la luz, y en el experimento 3.4 utilizaremos lentes pequeñas, con forma esférica, que nos permitirán ver objetos diminutos.

¿Qué es el trazado de rayos?

Figura 3.7. Los artrópodos como esta mosca Calliphora vomitoria tienen ojos compuestos, es decir, su sistema visual es un sistema compuesto por muchas microlentes. Fotografía: J. J. Harrison. Wikimedia Commons.

El trazado de rayos es una técnica gráfica que nos permite determinar las características de la imagen correspondiente a un objeto trazando la trayectoria de los rayos a medida que atraviesan o se reflejan en los elementos que encuentran a su paso hasta formar la imagen final (figura 3.8). Para aplicar el trazado de rayos necesitamos realizar un dibujo a escala, aunque la escala vertical y horizontal no tienen por qué ser la misma. En el trazado de rayos necesitamos incluir:

• El eje óptico, que es la recta horizontal que coincide con el eje de simetría del sistema óptico y que pasa por los centros de curvatura de los elementos que componen el sistema. Por lo tanto, el eje óptico es perpendicular a todas las superficies, y la luz incidente en la dirección del eje óptico no se desvía. • El objeto, representado normalmente como una línea vertical perpendicular al eje óptico, con una cabeza de flecha, para poder distinguir si la imagen es invertida o derecha respecto al objeto. Su tamaño, generalmente medido desde el eje óptico al punto más alejado del eje, se representa con la letra y. • El elemento óptico (o elementos ópticos), representado con una línea vertical perpendicular al eje óptico. El punto en que la línea cruza el eje óptico es el vértice de la superficie/lente. Necesitamos incluir también los puntos focales del elemento óptico y su centro de curvatura. Cada uno de estos elementos debe estar situado a la distancia adecuada de acuerdo con la escala que corresponda (vertical u horizontal, si no coinciden). Una vez que tenemos nuestro dibujo a escala con los elementos necesarios, pasamos al trazo de rayos propiamente

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dicho. La idea es trazar unos rayos determinados, que se denominan rayos principales. Estos rayos principales forman parte del mismo pincel de luz, que parte del punto del objeto que está más alejado del eje óptico y, aunque hay tres rayos principales, solo es necesario trazar dos para encontrar, en el punto en que se cruzan tras atravesar el sistema óptico, el punto correspondiente de la imagen, que está más alejado del eje óptico. Los rayos principales son: • Un rayo que incide en la superficie óptica paralelo al eje óptico, sale apuntando hacia (elemento divergente) o atravesando (elemento convergente) el punto focal imagen. • Un rayo que, al incidir en el elemento óptico, cruza (elemento convergente) o apunta hacia (elemento divergente) el punto focal objeto, sale paralelo al eje óptico. • El rayo denominado nodal es un rayo que atraviesa el sistema sin desviarse. En el caso de un espejo o un dioptrio curvos, este es el rayo que apunta o cruza el centro de curvatura (rayo normal). En el caso de una lente, es el rayo que apunta al denominado centro óptico de la lente, que en una lente delgada consiste en la intersección de su superficie con el eje óptico.

Distancia focal

h0

F

Objeto

F h1

d0

Características y tipos de sistemas ópticos En ocasiones es difícil conseguir obtener el tipo de imagen deseado, con buena calidad óptica y bajo ciertas condiciones, con un solo elemento óptico. En estos casos, se puede utilizar una combinación de elementos ópticos, que es lo que denominamos un sistema óptico. Un sistema óptico puede estar constituido por cualquier conjunto de superficies reflectoras (espejos) o refractoras (por ejemplo, lentes) en cualquier orden. Cuando un sistema óptico cuenta únicamente con espejos se llama catóptrico, si solo está formado por superficies refractantes se llama dióptrico

d1

Figura 3.8. Trazado de tres rayos al atravesar una lente convergente que forman una imagen de un objeto posicionado a una distancia d0, a una distancia d1 después de la lente. Fuente: Camilo Florian Baron.

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180º 90º

35º

45º

Figura 3.9. Campo de visión con una cámara que dispone de diferentes objetivos. El campo de visión disminuye cuanto más larga sea la focal. Fuente: Adaptado de quecamarareflex.com.

60º

12º

6º

400 mm 200 mm

70 mm

50 mm 35 mm 20 mm 15 mm

Tele largo

Tele corto

y si contiene ambos tipos se llama sistema catadióptrico. En el experimento 3.5 construiremos un sistema óptico catóptrico y otro dióptrico, que nos permitirán hacer “invisibles” los objetos. El método de trazado de rayos que hemos visto anteriormente también se aplica en el caso de un sistema óptico. Simplemente tenemos que tener en cuenta que los rayos no dejan de propagarse al formar la primera imagen, sino que siguen avanzando en línea recta hasta que encuentran el siguiente elemento óptico. Por lo tanto, la imagen formada por un elemento del sistema es,

Normal

Gran angular

Ojo de pez

a la vez, objeto para el siguiente elemento, al que le llegan los rayos procedentes de dicho objeto. En algunas ocasiones los rayos convergentes provenientes de un elemento óptico encuentran el siguiente elemento óptico antes de llegar a formar la imagen real. Por tanto, los rayos incidentes en el segundo elemento óptico, en vez de ser divergentes, como hemos visto para un objeto real, serán convergentes. Si extendemos estos rayos más allá de la superficie del elemento óptico, podemos ver cómo se cruzan en el espacio imagen para formar un objeto virtual.

Cuando trabajamos con un sistema óptico, hablamos de potencia, distancias y puntos focales del sistema completo. Solo consideramos las características de cada elemento para aplicaciones concretas, como el trazado de rayos elemento a elemento. Hay otras características que definen un elemento óptico, así como su aplicación, alguna de las cuales ya hemos visto en referencia a elementos ópticos. Este es el caso del aumento lateral, que es el cociente entre el tamaño de la imagen producida por un sistema óptico y el del objeto correspondiente m=

yi y

es decir, indica si la imagen es mayor (m > 1), del mismo tamaño (m = 1) o menor que el objeto correspondiente (m < 1 en valor absoluto). Además, el signo del aumento nos indica la orientación de la imagen respecto del objeto: m > 0 si ambas orientaciones son iguales, y m < 0, es decir, si está invertida (m < 0) o derecha (m > 1). El campo de visión de un sistema óptico es la extensión del objeto que

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Pantalla

Rayos de luz

Apertura (centro de proyección)

aparece en la imagen producida por el sistema. El sistema óptico actúa como una ventana a través de la cual vemos el objeto y, dependiendo de las características de la ventana (tamaño, distancia, posición), podremos ver más o menos partes del objeto. Generalmente, cuantos más aumentos tiene un sistema óptico, menor es el campo de visión. Se puede medir en mm en el objeto o en grados (ángulo subtendido por el objeto al sistema óptico) (figura 3.9).

Una cámara sin lentes: ¿cómo funciona una cámara oscura? Una de las maneras más sencillas de entender el proceso de formación de la imagen es mediante la utilización de una cámara oscura (figura 3.10). La cámara

oscura es un sistema óptico ¡sin elementos ópticos! Consta únicamente de un orificio muy pequeño, de mm de diámetro, y una pantalla translúcida para poder observar la imagen que se forma en ella. ¿Cómo se explica la formación de la imagen de un objeto únicamente haciendo pasar la luz por un orificio? La formación de esta imagen se puede entender si consideramos que de cada punto del objeto emergen rayos de luz en todas las direcciones. De cada punto del objeto únicamente atraviesa el orificio un pincel de luz que sigue viajando en línea recta, cruzando el eje óptico, hasta llegar a la pantalla, donde forma una “mancha” de luz que representa el “punto” imagen correspondiente al punto objeto del que partieron los rayos. Esta mancha de luz será menor cuanto menor sea el orificio

Figura 3.10. Esquema que representa los rayos de luz que pasan por la apertura de la cámara oscura. La imagen se forma en el interior de la cámara, y el resultado es una imagen invertida (izquierda). Imagen de la cámara oscura en el palacio ducal de Béjar (España) (derecha). Fuente: Adaptado de www.scratchpixel.com (izquierda). Fotografía: Manuel Garrote Prieto, departamento de Turismo del Ayuntamiento de Béjar (derecha).

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ILUMINACIÓN DE KÖHLER

Figura 3.11. Esquema de dos tipos diferentes de iluminación. La iluminación tipo Köhler utiliza dos tipos de diafragmas diferentes, uno de campo y otro de apertura, posicionados en lugares diferentes en el camino que traza la luz entre el objeto y la fuente de luz. La iluminación crítica también utiliza dos aperturas, pero menos elementos ópticos. Fuente: Camilo Florian Baron.

ILUMINACIÓN CRÍTICA

(en realidad, existe un límite para el tamaño del orificio a partir del cual el “punto” imagen empieza a aumentar de nuevo de tamaño debido a la difracción, que vimos en el capítulo 1), que limita el tamaño del pincel de luz que lo atraviesa. Cuanto más fino el pincel de luz, más finos los “puntos” que forman la imagen en la pantalla, y por lo tanto será más fácil apreciar detalles en la imagen, aparecerá más nítida. Como la luz cruza el eje óptico al dirigirse desde el objeto a la pantalla, la imagen que obtenemos es invertida.

De un pequeño objeto transparente a una imagen en la gran pantalla: sistemas de proyección Un sistema óptico de proyección es generalmente un sistema óptico convergente cuya función es formar la imagen de un objeto sobre un plano que ejerce de pantalla, con lo que la imagen debe ser real. Para ello el objeto debe estar más alejado del sistema óptico que su foco objeto. Dependiendo de esta distancia, la imagen proyectada será mayor, menor o de igual tamaño que el objeto (aumento lateral), y será invertida. Un ejemplo de sistema de proyección es el proyector de cine o de diapositivas, en el que la imagen proyectada por un objetivo es de mayor tamaño que el objeto. En este tipo de sistemas, es importante que el objeto transparente (la diapositiva) esté iluminado con suficiente intensidad y de forma uniforme, para que la imagen tenga buena calidad. El elemento óptico principal de un sistema de iluminación es el condensador, que es una lente que concentra la luz emitida por la fuente de iluminación en una posición u otra, según el sistema de iluminación utilizado. Existen dos sistemas de iluminación diferentes: el sistema de iluminación crítica y el sistema de iluminación Köhler, ilustrados en la figura 3.11.

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Una imagen del mundo exterior: ¿cómo funciona una cámara fotográfica? Uno de los sistemas ópticos más conocido es la cámara fotográfica, cuya función es formar la imagen de un objeto sobre un detector de luz, a través de un sistema óptico. Este sistema óptico está compuesto por un sistema de lentes convergentes que en su conjunto llamaremos objetivo, y un diafragma que puede estar incluido en el objetivo o en el cuerpo de la cámara. Hasta hace unos años, el “sensor” utilizado era la llamada película fotográfica (de 35 mm), compuesta por un material fotosensible en el que se registraba la imagen al entrar en contacto con la luz. Este proceso necesitaba un procesado químico de “revelado” para poder ver la fotografía capturada. Sin embargo, hoy en día las cámaras han cambiado la película fotográfica por un sensor electrónico (en general, un dispositivo CCD, véase capítulo 2). El elemento que controla cuándo y cuánta luz le llega al sensor o la película es el obturador, que permanece todo el tiempo cerrado hasta que se produce el disparo. Cuanto mayor es el tiempo de apertura, llamado técnicamente tiempo de exposición, mayor cantidad de luz va a quedar registrada en el sensor. Existen dos tipos de obturadores: 1) central, que está situado entre las lentes del

objetivo y está formado por unas laminillas que se abren y cierran, y 2) plano focal, que recibe su nombre por estar situado muy cerca del plano focal, es decir, muy cerca del sensor fotográfico. El diafragma es la parte de la cámara que controla cuánta luz entra por medio de un diámetro variable (figura 3.13). Una característica clave de las cámaras es su capacidad de enfocar objetos a distintas distancias. Esto se consigue porque internamente la cámara posee elementos mecánicos que cambian la distancia relativa entre las lentes del objetivo. Se puede asumir que cada objetivo sea equivalente a una única lente convergente caracterizada por una apertura y una distancia focal determinadas. Se denomina número f a la relación entre la focal del objetivo (f ) y la apertura del diafragma (D), y se suele indicar como f/4 (o como 1:4) o en algunos casos F4, siendo 4 el valor del número f. Cuanto menor es el valor del número f, mayor es la cantidad de luz que pasa por el objetivo. Además, dos objetivos con focales distintas pero con igual número f dejan pasar la misma cantidad de luz. También en las especificaciones del objetivo se indica el mínimo número f, que corresponde a la máxima apertura que el objetivo puede alcanzar. Si este valor es muy cercano a 1, el objetivo se considera muy luminoso. El objetivo estándar es el que tiene una focal de entre 45 y 60 mm, ya

Figura 3.12. Sección transversal (corte) de una cámara réflex de una sola lente (SLR). Fotografía: LIBRESHOT.

¿Sabías que… ? El origen del nombre de las cámaras réflex proviene de la arcaica palabra inglesa reflexion. La razón es la colocación del espejo que permite observar en el visor exactamente la misma imagen que se va a grabar en el sensor.

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Pentaprisma

Pentaprisma Objetivo Objetivo

Ocular

Imagen

Luz Luz

Película Sensor Obturador

Espejo Objeto

Diafragma

Espejo

Diafragma

Figura 3.13. Interior de una cámara fotográfica con un trazado de rayos esquemático. En rojo está señalada la posición del sensor que recibe la luz del objeto de interés. Fuente: Camilo Florian Baron.

que cubre aproximadamente el ángulo de visión central del ojo humano, que está entre 40º y 65º. Se suele caracterizar también por tener una gran apertura (típicamente f/1,4 o f/1,8). Estos objetivos son muy luminosos y, por lo tanto, se pueden utilizar también en condiciones de poca luz y en el interior. En el experimento 3.6 construiremos nuestra propia cámara fotográfica con la ayuda de una caja de zapatos.

¿Miramos las estrellas? Observando objetos muy lejanos con un telescopio El telescopio es un instrumento óptico que permite observar objetos

lejanos con un mayor tamaño aparente que a simple vista, lo que nos permite distinguir más detalles. Todos los telescopios están formados por al menos dos lentes: un objetivo y un ocular. El objetivo es el componente óptico del telescopio que recibe directamente los rayos procedentes del objeto que observamos, y su misión es formar una imagen real de dicho objeto, que denominamos imagen intermedia, delante del ocular. El objetivo es, por tanto, un espejo o una lente convergente, dependiendo de si el telescopio es reflector o refractor, respectivamente. Es muy importante que el objetivo sea capaz de captar una gran cantidad de luz procedente del objeto para que al aumentarlo la imagen tenga

suficiente luminosidad como para apreciar los detalles. Es por esto por lo que los objetivos son los elementos ópticos de mayor diámetro en un telescopio. La función del ocular, la lente que está más cerca del ojo del observador, es formar una imagen muy aumentada de la imagen intermedia producida por el objetivo. La imagen formada por el ocular es la imagen final que ve nuestro ojo. Los rayos que entran a un telescopio, al proceder de un objeto tan distante que se puede considerar situado a una distancia infinita, son paralelos entre sí. Para que podamos ver la imagen formada por el telescopio sin tener que hacer el esfuerzo de enfocarla, como ocurre con los objetos cercanos,

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ZONA HORIZONTAL

ZONA VERTICAL

¿Sabías que… ? Binocular

Binocular

Punto ciego Punto ciego

Región monocular

Punto ciego

Región monocular

Los peces tienen un gran campo de visión por cada ojo (alrededor de 180º). Sus ojos están situados a ambos lados de la cabeza y, aunque la visión individual de cada ojo no es de mucha calidad, cuando se fusionan se forma una única imagen en la zona frontal de su cabeza (alrededor de 30º). Así pues, consiguen una visión con más detalles que simples movimientos, pudiendo detectar formas e identificar a sus presas. El objetivo del ojo de pez utilizado en fotografía se correspondería únicamente a la visión con un solo ojo, es decir, con un gran campo de visión.

Punto ciego

Figura 3.14. Campo de visión esquemático de un pez. Como se puede observar, hay varias áreas en las que dispone de visión binocular. Fuente: Camilo Florian Baron.

necesitamos que los rayos lleguen al ojo paralelos. Cuando rayos paralelos incidentes en un sistema óptico salen paralelos después de atravesarlo, decimos que es un sistema afocal, es decir, no tiene puntos focales, y ni converge ni diverge la luz (no tiene potencia). Para que un telescopio cumpla esta condición, la distancia entre el objetivo y el ocular (longitud del tubo del telescopio) es igual a la suma de la focal del ocular y del objetivo, de forma que el foco imagen del objetivo coincida con el foco objeto del ocular. De esta forma el objetivo hace converger los rayos del objeto en su punto focal imagen, donde se forma la imagen intermedia. Esta imagen es el objeto para el ocular, y se encuentra en su foco objeto, por lo que los rayos

salen de éste paralelos, formando la imagen a una distancia infinita. El aumento visual o angular (M) (la cantidad de aumentos que produce un telescopio respecto a la observación directa de, por ejemplo, la luna) viene dado por el cociente de las focales del objetivo y el ocular en valor negativo: M=

f 1ab f 1ac

Así pues, para obtener una magnificación grande, la focal del objetivo tiene que ser mucho mayor que la del ocular (y, por lo tanto, su potencia, mucho menor). Hay 2 tipos principales de telescopios: refractores y reflectores. En cuanto a telescopios refractores, existen solo dos tipos, dependiendo de si

el ocular es una lente convergente o divergente. Ambos tipos de telescopios refractivos tienen lentes objetivo similares. Galileo inventó en el siglo XVII el telescopio que lleva su nombre. En el telescopio de Galileo el objetivo es una lente o sistema de lentes convergente, al igual que en el telescopio kepleriano, pero el ocular es divergente (figura 3.15, arriba). Como el foco objeto de una lente divergente se encuentra detrás de la lente, los telescopios de tipo Galileo son más cortos que los keplerianos. Además, la imagen final formada por el ocular divergente de este tipo de telescopio está orientada en la misma dirección que el objeto, por lo que no necesitan un sistema de inversión como los telescopios keplerianos. Un inconveniente de este 93

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Figura 3.15. Esquema de un telescopio de Galileo (arriba) que utiliza una lente convergente y otra divergente; de Kepler (centro) que utiliza dos lentes convergentes. La separación entre las lentes es igual a la suma de sus distancias focales; de Newton (abajo), donde los rayos que provienen de un objeto lejano se reflejan en un espejo parabólico, que se dirigen posteriormente al objetivo (lente o espejo convergente) mediante un espejo plano.

TELESCOPIO DE GALILEO Lente convergente Lente divergente

Ocular

Fuente: Camilo Florian Baron.

¿Sabías que… ?

TELESCOPIO DE KEPLER

Lente convergente

El mayor telescopio de la Tierra tendrá un espejo curvo de 40 metros (más grande que una cancha de baloncesto). La construcción de este telescopio, llamado ELT (Extremely Large Telescope), ha comenzado en 2017 en Chile.

Lente convergente

Ocular

TELESCOPIO DE NEWTON Lente convergente

Ocular

Espejo plano a 45º

Espejo parabólico

tipo de telescopios es que su campo visual es más estrecho que el de un kepleriano de similar aumento. El telescopio kepleriano, inventado por Johannes Kepler también en el siglo XVII, está formado por dos lentes convergentes, es decir, en este tipo de telescopio refractivo el ocular es convergente (figura 3.15, centro). La imagen final producida por este tipo de telescopio es invertida, lo cual no es demasiado importante para fines astronómicos. Cuando este tipo de telescopio se utiliza para otros fines,

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Figura 3.16. Dibujo de un microscopio propiedad de Van Leeuwenhoek (1756). Fotografía: Henry Baker, Wikimedia Commons.

se incluye un sistema inversor entre el objetivo y el ocular para que la imagen final tenga la misma orientación que el objeto. El sistema inversor puede estar formado por lentes, como en el caso del telescopio terrestre, o por prismas reflectantes, como en el caso de los prismáticos, que son dos telescopios idénticos paralelos entre sí, cada uno con un par de prismas inversores (en la parte más gruesa, de la que sujetamos los prismáticos). Hay distintos tipos de telescopios reflectores, según la forma del espejo o combinación de espejos curvos que constituyen el objetivo del telescopio. Newton en 1668 fue el primero en diseñar un espejo reflector, dando nombre a un tipo de espejo reflector. La incorporación del espejo como objetivo en el telescopio supuso una mejora en la calidad de la imagen, ya que los espejos, a diferencia de las lentes, no producen dispersión cromática (figura 3.15, abajo). Esta es una de las razones por las que los espejos reflectores son los más utilizados en la actualidad.

¿Sabías que… ? Ya en 1660 Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) hizo importantes aportaciones en el campo de la microbiología utilizando un microscopio simple diseñado y fabricado por él mismo que le permitió alcanzar 200 aumentos. Al utilizar una única lente para alcanzar tantos aumentos, esta necesitaba un radio de curvatura tan pequeño, que su diámetro era de 1 a 2 mm.

En el experimento 3.7 construiremos estos 3 tipos de telescopios: Galileo, Kepler y Newton.

¿Cómo podemos ver lo más diminuto? Mirando muy de cerca con un microscopio A diferencia del telescopio, el microscopio nos permite ver detalles de objetos cercanos muy pequeños. El

microscopio simple consta de una única lente convergente de alta potencia refractiva, la lupa. Para que una lente convergente actúe como una lupa, es decir, produzca una imagen aumentada y no invertida de un objeto, dicho objeto debe colocarse entre la lente y su punto focal objeto F. En estas condiciones, la imagen es virtual, y los rayos que salen de la lente son paralelos o divergentes. Cuanto mayor sea la potencia refractiva de la lupa, mayor será su aumento. Como hemos 95

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Lente 2

Figura 3.17. Esquema de un microscopio básico formado por dos lentes para visualizar un objeto (arriba). Imagen de un microscopio convencional actual (abajo izquierda). Imágenes del ojo de una abeja tomadas mediante microscopía óptica (derecha).

Lente 1

Imagen

Fuentes: Camilo Florian Baron (arriba); Tomia, Wikimedia Ojo

Objeto

Imagen real

Commons (izquierda); Woodturner, Wikimedia Commons (derecha).

Platina transparente

visto, cuanto mayor es la potencia refractiva, más corta es la distancia focal de la lente, y menor el radio de curvatura de sus superficies. A medida que disminuye el radio de curvatura, el diámetro de la lente disminuye y la calidad óptica de la lente empeora. Por ello, para aquellas aplicaciones donde son necesarios aumentos muy grandes, como para observar organismos microscópicos (1 micra o µm es 1,00 veces más pequeña que

1mm), se utiliza una combinación de lentes que permite grandes aumentos, controlando la calidad óptica del sistema óptico completo, y sin que esto influya el diámetro de las lentes a utilizar. Por ello, necesitamos un sistema óptico que combine al menos dos lentes (figura 3.17), cada una contribuyendo en parte al aumento final producido. Es lo que denominamos microscopio o microscopio compuesto. Los microscopios

compuestos constan de dos sistemas ópticos: el sistema de observación y el sistema de iluminación. El sistema de observación consta de un diafragma, el objetivo y el ocular. Ambas lentes son convergentes y, al igual que en el caso del telescopio, el objetivo es la lente más cercana al objeto y el ocular, la más cercana al ojo del observador. Sin embargo, la configuración de un microscopio es diferente de la de un telescopio. En un microscopio el objeto está muy cerca del objetivo, por lo que los pinceles que inciden en este son muy divergentes y convergerán por detrás del foco imagen del objetivo. Esta imagen intermedia real, aumentada e invertida del objeto, formada por el objetivo del microscopio, actúa como objeto para el ocular, que se comporta como una lupa. La imagen intermedia está situada más cerca del ocular que su foco imagen, por lo que la imagen producida por el ocular es virtual, aumentada y orientada en la misma dirección que la imagen intermedia. Es decir, la imagen final producida por el

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microscopio es invertida con respecto del objeto. El objetivo y el ocular son, en general, dos lentes (o combinaciones

de lentes) convergentes separadas de forma que su focal total es pequeña en valor absoluto. En el experimento 3.8 construiremos un

microscopio clásico y en el experimento 3.9 construiremos un microscopio más especial, un microscopio láser.

Bibliografía Casas, J. (1985): Óptica, Zaragoza, J. Casas, Librería Pons. Donnelly, J. y Massa, N. (2007): Light: Introduction to Optics and Photonics, Boston, Hardcover.

Hecht, E. (2016): Óptica, Madrid, Pearson. Tipler, P. A. (2010): Física moderna, Barcelona, Reverte.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

3.1

Objetivo 1: Crear una pirámide pseudoholográfica.

¡INTENTA COGERME!

MATERIALES • Móvil o tablet • Papel cuadriculado • Tijeras

Imagen virtual, reflexión

• Rotulador • Papel de transparencias • Celofán o pegamento transparente

20 min (+)

Un libro de ciencia ficción de 1948, donde en una escena aparecía una cara aumentada delante de una placa transparente presentando un gran realismo y tres dimensiones, inspiró al físico Yuri Denisyuk a investigar más sobre el procedimiento óptico que producía este fenómeno. De esta forma, se perfeccionaron lo que actualmente conocemos como hologramas de reflexión, muy usados en fotografía y con grandes variantes en su técnica. La pirámide pseudoholográfica es un sistema innovador utilizado por empresas para mostrar productos, logos, objetos o animaciones en 3D, entre otras cosas.

Figura 3.1.1. Materiales. Fuente: IOSA.

Procedimiento 1. Coge el bolígrafo, la regla y el papel cuadriculado. Empieza haciendo la plantilla de una de las caras de la pirámide tal y como se indica en la figura 3.1.2. 2. Sitúa la plantilla sobre el papel de transparencias. Dibújala cuatro veces y recorta las cuatro caras. 3. Pega las caras con celofán o pegamento transparente formando una pirámide. 4. Busca en YouTube “vídeos para proyectar hologramas”. 5. Coloca la pirámide en el centro de la pantalla del teléfono móvil y reproduce el vídeo. Has creado una imagen virtual ¡Intenta cogerla!

7 cm

5 cm

1 cm

Figura 3.1.2. Esquema para la realización de las pirámides. Fuente: Elaboración propia.

x4

Figura 3.1.3. Foto de la pirámide pseudoholográfica. Fotografía: Juan Aballe/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

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3.1

EXPERIMENTO ¡INTENTA

COGERME!

Explicación Lo que está ocurriendo en este experimento es que una imagen se refleja sobre una superficie reflectante con un ángulo igual al de incidencia. Como la superficie reflectante es a su vez translúcida, provoca la sensación de que la imagen proviene del otro lado de la superficie, es decir, del centro de la pirámide. Al tener cuatro imágenes, es posible rotar el sistema, o dar vueltas alrededor de él, y seguir viendo la imagen como si estuviera en 3 dimensiones flotando en el centro de la pirámide. Para poder ver una imagen tridimensional completa, es necesario que las cuatro imágenes (figura 3.1.4) que se proyectan sean simétricas respecto al centro, punto exacto donde debe de estar la punta de la pirámide. De no ser así, no nos daría la sensación de ser siempre la misma imagen y habría pequeños desplazamientos de una imagen respecto a otra.

Trucos Puedes crear tus propios vídeos para crear las imágenes que quieras. Puedes utilizar un Power Point y añadir el GIF que más te guste cuatro veces. Piensa en qué dirección debe ir cada uno. Guárdalo como un vídeo, ¡y listo!

Veamos lo que has aprendido • ¿Cómo crees que debe estar la imagen en la tablet o móvil para que tú la veas derecha? • ¿Qué pasaría si solo hubiese una imagen en la tablet o móvil?

Experimentos relacionados Experimento 3.2. ¡No hay nada fuera de mi alcance! Experimento 3.5. Nada por aquí, nada por allá: invisibilidad con espejos y lentes.

Figura 3.1.4. Foto de la pirámide pseudoholográfica. Fotografía: Juan Aballe/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

3.2

¡NO HAY NADA FUERA DE MI ALCANCE! Espejos, reflexión

45 min (+)

Objetivo 1: Montar un periscopio sencillo. Objetivo 2: Entender su principio de funcionamiento, basado en la reflexión de dos espejos dispuestos en un ángulo de 45º. MATERIALES • Un envase rectangular grande de leche o zumo vacío • Una caja de galletas (alternativa)

• Cartón corrugado (alternativa) • Tubos de cartón de papel de cocina (alternativa) • Dos espejos planos de tamaño similar (preferiblemente rectangulares) • Escuadra y transportador • Cinta adhesiva y pegamento • Papel de aluminio (opcional)

El periscopio es un instrumento óptico que se utiliza para observar el mundo exterior desde las zonas inaccesibles a nuestra visión de una manera directa, prolongando el campo de visión. Es el caso de los primeros periscopios en los submarinos o en la Primera Guerra Mundial, con fines militares en Tierra para vigilar al enemigo desde las trincheras. También la base de ciertos instrumentos médicos que sirven para observar órganos internos. El que construyas puedes utilizarlo para conseguir acercarte al borde de un muro y mirar al otro lado del mismo, donde no llegues por tu altura y sin necesidad de estirarte.

Figura 3.2.1. Un periscopio dentro de un submarino de la marina estadounidense. Fotografía: U. S. Navy, Wikimedia Commons.

Procedimiento 1. Coge el cartón de leche vacío (o alguna de las alternativas) y recorta un rectángulo cerca de uno de los extremos, tan ancho como te permita la anchura del cartón. Será uno de los visores por donde podrás mirar. 2. En el lado opuesto haz otro orificio similar, de tal manera que si uno queda por la parte anterior y superior, el otro quede por la parte posterior e inferior, como en la figura 3.2.2. 3. Con unos trocitos de cinta adhesiva, pega dentro de la caja uno de los espejos frente a una de las aberturas pero colocándolo a 45° de inclinación. Del mismo modo, coloca el otro espejo en la otra apertura, también a 45°. Para este paso, puedes cortar una pieza de cartón sobre la que apoyar el espejo, este tendrá como sección un ángulo de 90° y dos de 45°. Una de las caras tendrá las dimensiones del espejo, y las otras dos, un alto algo menor. De esta manera podrás asegurarte de que los ángulos son los correctos y el espejo queda bien alineado (figura 3.2.2). 4. Ya tienes tu periscopio Ahora tienes que probarlo. Mantén el periscopio con la apertura superior justo por encima del borde de un muro o pared, y mira a través de la apertura inferior. ¡Puedes ver por encima del borde! Si quieres que se asemeje a un periscopio profesional, envuélvelo con papel de aluminio (figura 3.2.3).

Figura 3.2.2. Esquema de colocación de los espejos (izquierda). Esquema de cómo tiene que quedar el periscopio (derecha). Fuente: Camilo Florian Baron.

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3.2

EXPERIMENTO ¡NO

HAY NADA FUERA DE MI ALCANCE!

Figura 3.2.3. Funcionamiento del periscopio.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Explicación El funcionamiento de los espejos se puede explicar siguiendo la ley de reflexión de la luz. En un espejo plano común, un haz de rayos de luz paralelos que incide sobre la superficie se refleja de tal modo que cada rayo reflejado se mantiene en el mismo plano que su rayo incidente correspondiente, por lo que el haz de rayos reflejados continúa siendo de rayos paralelos, aunque cambien de dirección. La segunda ley de la reflexión indica que el rayo reflejado tendrá el mismo ángulo que el rayo incidente. Este fenómeno se observa cuando nos miramos enfrente del espejo, en cuyo caso los rayos incidentes proyectan nuestra imagen sobre este. Los rayos reflejados nos devuelven esta misma imagen pero invertida (la imagen es derecha, simétrica y virtual). En el espejo del extremo superior del periscopio que hemos construido se reflejarán los rayos provenientes de objetos ubicados fuera de nuestra área de visión. Al incidir este a 45º y, siguiendo la segunda ley de reflexión de la luz, los objetos se reflejarán a 45º también, por lo que los rayos incidentes y los rayos reflejados formarán entre sí un ángulo recto. Esto permite que los rayos reflejados en el espejo superior acompañen la trayectoria del tubo y se dirijan verticalmente hacia abajo, aunque proyectando una imagen invertida. Estos rayos reflejados, a su vez, incidirán sobre el espejo ubicado en el extremo inferior, repitiéndose este fenómeno que volverá a invertir la imagen, por lo que los rayos finales percibidos por el ojo del observador corresponderán exactamente a la imagen original.

Trucos • Puedes construir el periscopio en dos mitades que encajen una dentro de otra, así podrás “extenderlo” o “encogerlo” según sean tus necesidades. En este caso, convendrá que utilices dos cajas separadas en su construcción. • Escoge espejos de dimensiones adecuadas a la caja o tubo que vayas a usar. Así podrás orientarlos a 45º más fácilmente. Antes de introducir los espejos en el tubo que has elegido, ayúdate realizando un croquis en el tubo marcando el lugar donde se ubicarán.

Veamos lo que has aprendido • ¿Por qué es importante que los espejos formen internamente un ángulo de 45º con las caras de la caja? • ¿Por qué no es imprescindible en este experimento el uso de lentes? ¿Eres capaz de relacionarlo de alguna manera con tu vida diaria? • ¿En este experimento hay formación de imagen? ¿Sí? ¿No? ¿Dónde? • La reflexión de la luz en un espejo es posible gracias a una propiedad de la luz que ya hemos aprendido anteriormente. Esta es también la que permite la formación de imagen en una cámara oscura (por medio de un agujero). ¿Sabes de qué estamos hablando?

Experimentos relacionados Experimento 3.1. ¡Intenta cogerme! Experimento 3.7. Un astrónomo en casa.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

3.3

FABRICA TUS LENTES Y MIRA QUÉ PASA Lentes, prismas, microlentes, formación de imagen, distancia focal

3 h (+)

Objetivo 1: Construir de forma artesanal lentes ópticas con gelatina y silicona. Objetivo 2: Entender la formación de imagen y medir la distancia focal de nuestras lentes. MATERIALES Para las lentes y prismas de gelatina • Gelatina transparente (sin sabor) • Bandeja plana con paredes de al menos 2 cm de alto • Vaso o taza • Cúter

• Cazo • Cocina • 3 punteros láser • Metro

Para las microlentes de silicona • Barra de silicona termofundente • Pinzas • Cúter • Fuente de calor (vela o mechero)

Construir una lente casera no es una tarea sencilla. Hay que prestar atención al tamaño de la lente, sus ángulos y la forma de sus lados. Para fabricar nuestras lentes y prismas utilizaremos gelatina y silicona. La gelatina es transparente y solidifica a temperatura ambiente, además es fácil de cortar. La silicona también es transparente y fácil de manejar. En este experimento aprenderemos la diferencia entre lentes convergentes y divergentes. Para ello utilizaremos láseres, cuyo haz se desviará y refractará, según el tipo de lente que atraviese. Después de ver cómo se refractan los haces con cada lente, aplicaremos estos conocimientos a la formación de la imagen, poniéndola detrás de la lente convergente y divergente. También calcularemos la distancia focal, para ver la imagen nítidamente.

Procedimiento

Figura 3.3.1. Vista a través de una lente gruesa convergente. Fotografía: IOSA.

Fabricación de lentes y prismas de gelatina 1. El primer paso es la construcción de las lentes. Debes preparar la gelatina como indique el fabricante, ponerla dentro de la bandeja y asegurarte de que cubre al menos 1 cm de la bandeja. 2. Una vez que la gelatina esté sólida, utiliza un vaso o una taza para cortar la silicona en superficies curvas y un cuchillo para crear las superficies rectas (figura 3.3.2). Consigue las figuras que se muestran en la figura 3.3.3.

Figura 3.3.2. Recorte y separación de la gelatina sólida según los moldes de las lentes: lente convergente (izquierda), lente divergente (centro) y lente planoconvexa (derecha). Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

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3.3

EXPERIMENTO FABRICA

TUS LENTES Y MIRA QUÉ PASA

3. Saca las lentes de la bandeja con cuidado de no romperlas y deja el resto de la gelatina en la bandeja. 4. Para poder ver si las lentes que has fabricado desvían la luz, debes hacer pasar luz de los punteros láser. Debes unir los tres punteros con cinta adhesiva de tal forma que los rayos sean paralelos, para luego hacerlos pasar por las lentes de gelatina y ver cómo se desvían. 5. Utiliza la lente de gelatina convergente y haz pasar los rayos de los punteros a través de ella. Apunta la distancia entre la lente y el punto en el que los tres haces se cortan. ¿Se puede hacer lo mismo con la lente divergente? (figura 3.3.4).

Figura 3.3.3. Forma deseada de los diferentes tipos de lentes y prismas. Fuente: Elaboración propia.

Figura 3.3.4. Trazado de rayos con las lentes producto del experimento (de izquierda a derecha): lente convergente, lente divergente, lente planoconvexa y sistema compuesto. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Fabricación de una microlente de silicona 1. Utiliza la barra de silicona y un cúter. La idea es tener un hilo lo más fino posible de la barra de silicona. Cuanto más delgado y corto sea, más pequeña será la microlente final. 2. Una vez que tengas preparado el hilo de silicona, con ayuda de las pinzas, debes acercarlo lentamente hacia la fuente de calor que hayas utilizado (por ejemplo, la vela). 3. A medida que te vayas acercando, la silicona se irá derritiendo. Ten cuidado de no ir demasiado rápido, pues puede ser que la silicona se consuma por la llama. 4. Tan pronto como detectes que el hilo de silicona se contrae formando una pequeña gota esférica, debes alejarla para que se solidifique conservando esta forma. 5. Has construido pequeñas lentes que te permiten observar cosas que tus ojos a simple vista no pueden.

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3.3

EXPERIMENTO FABRICA

TUS LENTES Y MIRA QUÉ PASA

Explicación Cuando la luz atraviesa cualquier medio transparente, dependiendo de su índice de refracción y del nivel de pulido de su superficie, Índice de refracción, invisibilidad, refracción desviará la luz en mayor o menor medida. En el caso específico de las lentes, las convergentes desviarán la luz a un punto en concreto conocido con el nombre de distancia focal, medido desde la cara de la lente por donde sale la luz. Una manera muy sencilla de medir la distancia focal de una lente es hacer pasar a través de ella rayos paralelos que incidan sobre la lente en diferentes puntos. Una vez estos atraviesen la lente, convergerán en un punto que es posible medir con una cinta métrica. Puedes hacer lo mismo con los otros tipos de lentes convergentes. En el caso de las lentes divergentes, el efecto es el opuesto. En lugar de desviar los rayos hacia un punto en concreto, estas lentes los separan. Para poder medir la distancia focal de este tipo de lente la superficie por donde incide la luz debe ser muy pulida, para poder visualizar la poca luz que se refleja. Si lo logras, podrás observar que los rayos reflejados se comportan como si hubiesen atravesado una lente convergente, uniéndose todos en un punto que corresponde con la distancia focal de la lente. Si la superficie de tu lente es lo suficientemente lisa, podrás medir también la focal de tu lente divergente. Si pones las microlentes de silicona o la lente de gelatina convergente sobre una pantalla de un móvil, comprobarás que la imagen se ve magnificada Aunque para que forme una imagen nítida no debe tener burbujas en su interior y su superficie debe estar muy lisa.

Trucos • Ya que hasta ahora las lentes de gelatina que has fabricado son transparentes, puedes probar a utilizar gelatina de diferentes colores y ver qué pasa cuando tiene el mismo color que la luz de los punteros láser. • Puedes colocar las lentes de silicona sobre las plantillas (A-F) para ver cómo funcionan diferentes instrumentos ópticos. • Puedes jugar con el tamaño de las microlentes de silicona que has fabricado y comprobar si el tamaño del objeto que estás visualizando cambia. Ya que estas lentes son muy pequeñas, puedes utilizar la pantalla de tu móvil para magnificar los píxeles emisores de luz.

A

C

E

B

D

F

Figura 3.3.5. Plantillas de diferentes sistemas ópticos sobre las que puedes colocar las lentes que has fabricado. Imprímelas a un tamaño mayor para que veas bien qué ocurre con los rayos al atravesar las diferentes superficies. Fuente: Laser ray box kit. Laser Ray Scale PDF.

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3.3

EXPERIMENTO FABRICA

TUS LENTES Y MIRA QUÉ PASA

Veamos lo que has aprendido • ¿Qué ocurriría si la superficie de la lente no fuese completamente lisa? • ¿Qué ocurre con la distancia focal si aprietas la lente y aumentas su curvatura? • ¿Qué pasaría si utilizáramos agua con gas para fabricar la lupa de hielo? ¿Crees que mejoraría? • ¿Por qué crees que necesitamos una lente pequeña para poder ver los píxeles emisores de luz de la pantalla de nuestro móvil?

Experimentos relacionados: Experimento 3.4. Microlentes: más allá de una lupa.

Figura 3.3.6. Luz láser atravesando una combinación de lente convergente y divergente. Fotografía: Sara el Aissati.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

3.4

MICROLENTES: MÁS ALLÁ DE UNA LUPA

Objetivo 1: Visualizar y dibujar la distribución de los píxeles de la pantalla de tu móvil. Objetivo 2: Utilizar perlas de hidrogel secas e hidratadas para tener una mayor resolución que con las gotas líquidas. MATERIALES

Refracción, lentes convergentes, lentes gruesas, magnificación

• Agua • Pulverizador de agua • Teléfono móvil o tablet

• Perlas de hidrogel • Microlentes fabricadas en el experimento 3.3 (opcional)

30 min (+)

¿Alguna vez has visto la pantalla de tu ordenador o de tu móvil con gotitas de agua en su superficie? Si es así y has mirado con atención, seguramente habrás visto puntos de color azul, rojo y verde. En realidad, las pequeñas gotas de agua están actuando como una lente que nos permite resolver/visualizar los píxeles emisores de luz de nuestras pantallas. Para que te hagas una idea, una pantalla de un móvil de alta resolución está formada por 1.920 píxeles de alto por 1.800 de ancho. Eso hace que, si la pantalla tiene 5,5 pulgadas (diagonal), el tamaño del píxel sea menor que 10 micras de lado (un pelo tiene 100 micras). En este experimento fabricarás lentes líquidas de agua para visualizar los píxeles de la pantalla de tu móvil. Además, también utilizaremos perlas de hidrogel secas y veremos cómo afecta su comportamiento óptico al hidratarlas. Finalmente, mostraremos cómo las bolas de hidrogel hidratadas se pueden utilizar como lentes convergentes.

Figura 3.4.1. Perla de hidrogel sin hidratar. Fotografía: IOSA.

Procedimiento Experimento con gotas de agua Antes de empezar, ten en cuenta que el agua puede averiar el dispositivo electrónico que vas a utilizar. Por lo tanto debes utilizar pequeñas cantidades de agua, puedes utilizar un pulverizador por ejemplo, y trata de evitar mojar el auricular. Si las gotas son demasiado grandes, mueve rápidamente el móvil de forma horizontal mientras soplas a la pantalla. Pulveriza un poco de agua sobre la pantalla desbloqueada y con un fondo de pantalla luminoso. Fíjate que en los lugares donde están las pequeñas gotitas aparecen los colores verde, azul y rojo. Si la gotita es suficientemente pequeña distinguirás que esos colores están agrupados en pequeños cuadrados, ocupando cada uno de ellos una tercera parte con forma rectangular.

Figura 3.4.2. Perlas de hidrogel sin hidratar sobre una pantalla. Fotografía: IOSA.

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3.4

EXPERIMENTO MICROLENTES:

MÁS ALLÁ DE UNA LUPA

Experimento con perlas de hidrogel 1. Seca la pantalla y coloca sobre ella una perla de hidrogel seca. Es fundamental que el móvil esté sobre una superficie muy plana. Intenta observar ahora los píxeles de la misma forma que en el paso anterior, pero sin pulverizar agua, ¿ves los colores? ¡También puedes probar este paso con la microlente que has fabricado en el experimento 3.3! 2. Mete en agua la perla de hidrogel. Debes dejarla sumergida al menos 2h para que se hidrate bien. Su tamaño aumentará considerablemente. Cuando esté hidratada colócala sobre un texto (libro, revista, etc.) y verás un interesante efecto en las letras sobre las que está apoyada. Pero ten cuidado, recuerda que, como está hidratada, se encuentra muy húmeda y perderá un poco de agua. 3. Durante un día soleado puedes colocar una de estas esferas hidratadas al sol, y hacer una lupa. Podrás ver cómo la luz se concentra en un solo punto rodeado de una zona de sombra. ¿Eres capaz de estimar la distancia focal de esta lente? 4. Sujeta la esfera hidratada con tus dedos y mira a través de ella. Mírala desde una distancia de 30 o 40 cm e intenta observar objetos que estén a unos pocos metros. El resultado lo puedes ver en la figura 3.4.3.

Figura 3.4.3 Formación de una imagen invertida de un objeto lejano con una perla de hidrogel hidratada. Fotografía: IOSA.

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3.4

EXPERIMENTO MICROLENTES:

Imagen virtual

MÁS ALLÁ DE UNA LUPA

Lente convergente

F

F Objeto

Distancia focal

Figura 3.4.4. El objeto está a una distancia de la lente menor que su distancia focal, por lo que la imagen que se observa está derecha y aumentada.

Distancia focal

Fuente: Camilo Florian Baron.

Lente convergente

Objeto

F

F

Distancia focal

Distancia focal

Imagen real

Figura 3.4.5. El objeto está a una distancia de la lente mayor que su distancia focal, por lo que la imagen que se observa está invertida y es más pequeña. Fuente: Camilo Florian Baron.

Explicación Las gotitas de agua, al igual que las pequeñas esferas, tienen dos propiedades fundamentales para ser consideradas como lentes: ser de un material con índice de refracción mayor que el aire y una superficie con curvatura. Debido a que la curvatura de la superficie es convexa, tanto de las gotas como de las esferas, estas se comportan como lentes convergentes. La diferencia entre ellas es que la gota de agua puede considerarse como una lente planoconvexa y la esfera como una lente biconvexa. Cuando el objeto está situado a una distancia de la esfera menor que la distancia focal, se ve magnificado y no invertido (figura 3.4.4). En cambio, cuando se observa un objeto más lejano (a mayor distancia que la distancia focal), este se observará invertido (figura 3.4.5). Gracias a que la curvatura de las microlentes es bastante grande, su distancia focal es muy corta. Es por ello por lo que vemos una ampliación considerable del objeto estudiado, lo cual las hace muy eficientes cuando se requiere visualizar objetos pequeños. Como vimos en la teoría, la distancia focal de una lente gruesa depende del radio de curvatura de sus caras. Esta relación indica que cuanto menor sea el radio de curvatura, menor será su distancia focal. Al utilizar esferas, donde hay dos superficies curvas con el mismo radio de curvatura, la distancia focal es todavía menor, obteniendo una magnificación mucho mayor, como se demuestra al poder observar los píxeles de la pantalla al colocar una pequeña lente esférica. En ambos casos, cuando la curvatura es muy grande y los rayos paralelos que vienen de lejos inciden en diferentes puntos de la superficie, se observa que no todos los rayos se focalizan en el mismo punto. Este efecto es conocido como aberración esférica. La aberración esférica es la responsable de que veamos los objetos deformados. Por ejemplo, la imagen de los píxeles, cuya forma es rectangular, es más bien una imagen trapezoidal.

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3.4

EXPERIMENTO MICROLENTES:

MÁS ALLÁ DE UNA LUPA

Trucos • Puedes utilizar un spray para pulverizar las gotas de agua sobre la pantalla del teléfono móvil, como los que se usan para los perfumes. De esta forma las gotitas de agua serán más uniformes y mucho más pequeñas que si lo haces con tu mano. • Puedes buscar otros objetos esféricos que te puedan servir para magnificar objetos. Por ejemplo, puedes utilizar una canica de cristal.

Veamos lo que has aprendido • ¿Por qué una lente esférica o semiesférica se comporta como una lente convergente? • ¿Por qué se magnifican objetos que se encuentran muy cercanos al punto de apoyo de la microlente? • ¿Por qué se produce una magnificación tan grande cuando las esferas (o semiesferas) son cada vez más pequeñas? • ¿Por qué con la bola de hidrogel hidratada vemos la imagen sin invertir cuando el objeto está cerca e invertida cuando el objeto está lejos?

Experimentos relacionados Experimento 3.3. Fabrica tus lentes y mira qué pasa.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

3.5

NADA POR AQUÍ, NADA POR ALLÁ: INVISIBILIDAD CON ESPEJOS Y LENTES Espejos, reflexión, lentes, divergencia, convergencia

30 min (+)

Objetivo 1: Crear un dispositivo de camuflaje con espejos o lentes. Objetivo 2: Entender cómo se propaga la luz en este sistema y cómo ocurre la formación de imágenes. Objetivo 3: Comprender cómo los prestidigitadores juegan con esos conceptos para crear ilusiones ópticas. MATERIALES Configuración I: espejos

Configuración II: lentes

• 4 espejos planos • Soportes • Transportador

• 4 lentes convergentes (focales 200 mm) • 4 lentes divergentes (focales 75-100 mm) • Soportes • Regla

La invisibilidad es una de las fantasías más recurrentes en las obras de ciencia ficción. Disponer de una capa que permita pasar desapercibido para el resto del mundo es un sueño que ha desvelado no solo a escritores y directores de cine, sino también a muchos científicos de renombre. En la actualidad, alcanzar cierto tipo de invisibilidad es posible, aunque se limita a objetos en una escala muy pequeña fabricados de una nueva clase de materiales que no se encuentran en la naturaleza y que presentan propiedades electromagnéticas inusuales. Estos son conocidos como metamateriales, los cuales permiten desviar o atenuar los rayos de luz incidentes sobre un objeto, haciéndolos imperceptibles. A pesar de esto, en una escala más grande, es posible lograr un efecto de invisibilidad utilizada por ilusionistas y prestidigitadores que consiste en el uso de espejos o lentes. En este experimento te enseñaremos sus trucos.

Figura 3.5.1. Materiales. Fotografía: IOSA.

Procedimiento Invisibilidad con espejos 1. Coloca los 4 espejos como se indica en la figura 3.5.2. Las caras reflectantes deben quedar en el interior, una enfrente de la otra. 2. Asegúrate de que forman un ángulo de 90º. Para ello, puedes utilizar un transportador o una escuadra. 3. Posiciona un objeto de tamaño adecuado en el área de invisibilidad indicada en la figura. Para probar que funciona, desplázalo de arriba abajo y disfruta del efecto de aparición y desaparición. 4. Para ver si el truco funciona, en primer lugar colócate delante del espejo 1. Luego intenta cambiar de posición y observa qué pasa (figura 3.5.4).

Espejo 4

Espejo 3 Objeto invisible

Observador Espejo 1

Espejo 2

Figura 3.5.2. Esquema de montaje con la invisibilidad con espejos. Fuente: Camilo Florian Baron.

Invisibilidad con lentes 1. En este caso, tu habilidad estará puesta a prueba pues es crítica la alineación de las lentes. Toma dos lentes convergentes y dos lentes divergentes y sitúalas en línea siguiendo el orden de la figura 3.5.3: primero una convergente, luego dos divergentes, para acabar de nuevo con una convergente. 2. Ten presente que las lentes divergentes son las que se posicionan en la parte central del dispositivo.

Objeto invisible

Observador

Figura 3.5.3. Esquema de montaje con la invisibilidad con lentes. Fuente: Camilo Florian Baron.

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3.5

EXPERIMENTO NADA

POR AQUÍ, NADA POR ALLÁ: INVISIBILIDAD CON ESPEJOS Y LENTES

3. Asegúrate con una regla de que la distancia entre lentes convergentes y divergentes es idéntica tanto al principio como al final. 4. Replica el montaje anterior de costado, teniendo en cuenta que debes mantener las lentes con las mismas distancias como se indica en la figura. 5. Sitúa el objeto que quieras que desaparezca en el área de invisibilidad (figura 3.5.3). 6. Para aumentar o disminuir la zona de invisibilidad, debes acercar o alejar las lentes divergentes siempre que no pierdas la simetría. Ahora ya lo tienes, ¡a disfrutar de tu dispositivo de invisibilidad!

Figura 3.5.4. Montaje y prueba de la invisibilidad con espejos.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/ Cultura Científica (CSIC)/ IOSA.

Figura 3.5.5. Montaje y prueba de la invisibilidad con lentes. Fotografía: IOSA.

Explicación El secreto de este experimento está en desviar la luz alrededor del objeto que queremos que desaparezca. En el primer caso, el primer espejo (espejo 1 en la figura) refleja la luz lejos del área invisible hacia la segunda pareja de espejos (espejos 2 y 3), para devolverla al final al espejo detrás del área oculta (espejo 4). En el segundo caso, las lentes convergentes concentran la luz sobre las lentes divergentes, evitando el objeto escondido. Las lentes divergentes son importantes en el diseño propuesto porque evitan que el fondo de la imagen aparezca invertido.

Trucos • Cuanto más grandes sean los espejos o las lentes, más grandes serán los objetos que puedas esconder. • Los espejos perpendiculares pueden separarse (siempre que mantengas el ángulo de 90º) para cubrir objetos alargados. • Si no quieres que descubran tu secreto, esconde la segunda pareja de espejos (2 y 3) detrás de una pared (por ejemplo al final de un pasillo) o introduce los espejos dentro de una caja dejando al observador un único punto desde donde observar el fenómeno.

Veamos lo que has aprendido • Los objetos ocultos, ¿son invisibles para un observador desde cualquier punto? • ¿Cómo veríamos un objeto situado en el área delimitada entre los espejos?

Experimentos relacionados Experimento 3.1. ¡Intenta cogerme! Experimento 3.3. Fabrica tus lentes y mira qué pasa.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

3.6

DE UNA CAJA DE ZAPATOS A UNA CÁMARA DE FOTOS Fotografía, lentes, formación de imágenes

1 h (+)

Objetivo 1: Comprender cómo funciona la formación de imágenes en la retina de nuestro ojo, ya que se basa en el mismo principio que en una cámara fotográfica. Objetivo 2: Entender cómo funciona una cámara fotográfica. MATERIALES • Una lente con una longitud focal de 12 a 17 cm (equivalente a entre 6 y 8 dioptrías) • Una caja de zapatos

• Trozos de cartón o cartulinas • Un par de tijeras, cúter, regla y grapadora • Pegamento para cartón y un pincel • Un papel translúcido o un folio fino • Una película fotográfica • Líquido para revelado

La cámara fotográfica es posiblemente uno de los instrumentos ópticos más populares de nuestro tiempo. El primer antecedente de las cámaras fotográficas son las cámaras oscuras, ya descritas por algunos filósofos griegos como Aristóteles. Estas cámaras consistían simplemente en una habitación con un pequeño agujero en una de las paredes proyectándose la imagen en la pared opuesta de la sala. A partir de este instrumento clásico, la introducción de lentes y un diafragma (un agujero con diámetro variable) es posible crear una cámara de fotos moderna. Para grabar las imágenes, las cámaras analógicas requieren un soporte físico; las películas fotográficas creadas a partir de materiales fotosensibles donde la imagen queda inmortalizada. En este experimento verás cómo construir tu cámara fotográfica analógica.

Procedimiento Cámara de fotos sencilla

Diafragma 20 mm diámetro

Caja de zapatos Pantalla

Cartulina

Lentes 12-17 cm de distancia focal

Grapas

Tapa

Figura 3.6.1. Configuración de la cámara de fotos que vamos a montar. Fuente: Elaboración propia.

1. Corta la caja de zapatos sin cortar la tapa. Para ello, traza dos líneas paralelas a las paredes más estrechos de la caja. La primera estará a una distancia igual a la distancia focal de la lente desde un extremo y la segunda será dos centímetros más larga desde el extremo contrario. Corta por estas líneas para obtener las partes 1 y 2, respectivamente. 2. Toma la parte 2 y reduce ligeramente su altura para que encaje en la parte fija. 3. Haz un agujero, de un tamaño un poco más pequeño que la lente, en la pared de la parte 1. 4. Coloca la lente en un trozo de cartón y fíjalo con pegamento o grapas sobre el agujero. 5. Ahora pega o grapa esta parte 1 a la tapa de la caja de zapatos. 6. Toma la parte 2 y recorta una pequeña ventana en la parte posterior. En esta ventana debes colocar el papel translúcido. 7. Coloca el objeto que quieras fotografiar e ilumínalo. Apunta con la cámara y enfoca el objeto moviendo la parte 2. Observa cómo la imagen se forma en el papel translúcido (figura 3.6.2). Añadiendo nuevos elementos a tu cámara 1. Realiza un pequeño agujero de unos 2 cm en una cartulina para crear un diafragma. Colócalo por delante de la lente objetivo. 2. Utiliza una lente adicional para crear un objetivo macro o un ojo de pez. 3. Para construir un ojo de pez, toma otra lente y colócala en el extremo de un tubo 4. Emplea goma Eva y cinta aislante para darle una mayor consistencia. Finalmente, pégalo o sujétalo en el objetivo de tu cámara.

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3.6

EXPERIMENTO DE

UNA CAJA DE ZAPATOS A UNA CÁMARA DE FOTOS

Inmortalizando la imagen en una fotografía 1. Una vez que las imágenes sacadas sean nítidas, intenta realizar una foto casera. Tapa la lente de tu cámara y trabaja con la máxima oscuridad posible. Coloca el papel fotográfico sobre el plástico transparente y cierra la cámara. 2. Enciende la luz y, con la lente tapada, apunta y enfoca el objeto a fotografiar. 3. Destapa la cámara y deja que la luz penetre en la cámara durante 20 segundos. 4. Vuelve a tapar la cámara y, de nuevo en oscuridad, extrae el papel fotográfico y aplícale los líquidos de revelado para obtener la imagen sobre el papel.

Figura 3.6.2. Objeto retroiluminado y cámara tomado imagen. Funcionamiento de la cámara de fotos. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Explicación En la cámara que hemos construido podemos identificar las partes básicas de una cámara analógica. Básicamente, una cámara tradicional consta de, como mínimo, una primera lente objetivo; luego un diafragma, que se encarga de regular la cantidad de luz que llegará a la película; un obturador, que definirá el momento en el que queremos hacer la captura y, finalmente (dependiendo de nuestra lente objetivo), una segunda lente que enviará la imagen a la película en un tamaño adecuado. La velocidad del obturador es lo que define el tiempo de exposición de la película a la luz entrante. El diafragma está fijo o bien podemos construirlo adicionalmente, como hemos sugerido previamente. La tapa que colocamos a la lente hace las funciones de obturador, regulando el tiempo de exposición por el tiempo de apertura de la cámara. Si queremos hacer fotos en condiciones de poca iluminación (donde necesitamos un diafragma abierto y más tiempo de exposición), la solución más sencilla es utilizar un carrete o película más sensible a la luz.

Trucos Una alternativa para construir un diafragma es utilizar tu mano o un tapón de botella para aumentar o reducir la cantidad de luz que nos llega a nuestra cámara.

Veamos lo que has aprendido • ¿Por qué la imagen que se proyecta en la pantalla transparente está del revés? • Si eliminamos la lente del sistema, ¿se formará la imagen del objeto en la pantalla? ¿Por qué?

Experimentos relacionados Experimento 3.2. ¡No hay nada fuera de mi alcance! Experimento 3.7. Un astrónomo en casa.

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OBJETIVOS Objetivo 1: Construir un telescopio refractor tipo Galileo y tipo Kepler. Identificar sus principales diferencias. Objetivo 2: Conocer las ventajas y desventajas de cada telescopio según sus características (tipo de lente, abertura, distancia focal, relación focal, aumento, etc.). Objetivo 3: Caracterizar el telescopio que se ha construido a partir de los conceptos que se han aprendido en los objetivos anteriores.

EXPERIMENTO

3.7

UN ASTRÓNOMO EN CASA

MATERIALES

Lentes, espejos, refracción, reflexión

Para el telescopio de Galileo • Una lente pequeña cóncava • Una lente grande convexa • Tubos de cartón de reciclaje

2 h (+)

El telescopio es un instrumento óptico que permite observar objetos lejanos con mucho más detalle que a simple vista. Es una herramienta fundamental en astronomía: cada desarrollo o perfeccionamiento de este instrumento ha permitido avances en nuestra comprensión del universo. Existen dos tipos de telescopios: los refractores y los reflectores; en función de si están constituidos solo por lentes, que refractan la luz, o también incorporan espejos, que la reflejan. Dentro de los espejos refractores, podemos encontrar los de Galileo y los de Kepler, con diferentes características debidas a su diferente combinación de lentes. En este experimento vamos a construir un telescopio de cada tipo. Así entenderemos mejor las diferencias entre ambos y podremos empezar a observar la belleza que esconde un cielo estrellado.

• Pegamento • Tiras de filtro • Regla • Tijeras y cúter

Para el telescopio de Kepler  (además de lo anterior): • Dos lentes convexas: una pequeña para el ocular y otra más grande para el objetivo

Figura 3.7.1. Materiales.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

TELESCOPIO DE KEPLER

TELESCOPIO DE GALILEO Lente convergente

Lente convergente

Lente divergente

Lente convergente

Ocular Ocular

Figura 3.7.2. Telescopio de Galileo (izquierda), telescopio de Kepler (derecha). Fuente: Elaboración propia.

Procedimiento 1. Lo primero que necesitas conocer es el diámetro y la focal de tus lentes. Si no te acuerdas de cómo medir la focal de una lente, ¡no te preocupes! vuelve al experimento 3.3 para recordarlo. 2. Pega cada lente en ese extremo de un tubo. Ten en cuenta que el diámetro de los tubos ha de ser similar al de las lentes. Si la lente queda mayor, puedes pegarla con cuidado de no ensuciarla, y si queda pequeña, puedes rellenar el hueco con fieltro, por ejemplo. 3. Coloca un tubo dentro del otro, de manera que las lentes queden en extremos opuestos de los dos tubos. Es necesario que el tubo menor pueda deslizarse suavemente hacia dentro y hacia fuera dentro del tubo mayor. 4. Pega las tiras de fieltro alrededor del exterior del tubo menor para llenar el hueco entre los tubos. Pon suficientes capas para que quede más o menos ajustado, pero que pueda deslizarse, para llevar a cabo el enfoque.

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3.7

EXPERIMENTO UN

ASTRÓNOMO EN CASA

5. Para calcular la longitud de tu telescopio, ¡recuerda!: la suma de las focales de ambas lentes es igual a la distancia entre ellas, siendo esto así cuando el telescopio está enfocado a infinito, teóricamente. El tubo de mayor diámetro, por estética, tiene mayor longitud que el de menor diámetro. El tubo de menor diámetro ha de estar en posición media según la longitud total. Así, tendremos recorrido suficiente para poder aumentar o reducir la distancia a la hora de enfocar (figuras 3.7.4 y 3.7.5).

Figura 3.7.3. Resultado final al ensamblar los componentes. Fotografía: IOSA.

Figura 3.7.4. Imagen derecha producida por el telescopio de Galileo. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Figura 3.7.5. Imagen invertida producida por el telescopio de Kepler. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Más difícil todavía: el telescopio de Newton 1. Un telescopio refractor no tiene muchas partes, y lo puedes construir si sigues el esquema de la figura 3.7.6. 2. Como espejo primario necesitas uno cóncavo. Por ejemplo, un espejo de maquillaje podría tener el diámetro y la focal adecuada. Cuanto mayor sea el diámetro, más luz captarás. 3. Para el espejo secundario necesitarás un espejo plano y de dimensiones menores al primario. Lo ideal sería que la superficie reflectante fuera la primera, y no la segunda, como en los espejos normales, ya que se evita la pérdida de luz. 4. Corta dos círculos de cartón con las dimensiones del espejo primario. Estos dos círculos irán separados por unos tornillos y unas tuercas que harán tope. Ello nos permitirá desplazar el espejo hacia delante o hacia atrás, para enfocar el telescopio.

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3.7

EXPERIMENTO UN

ASTRÓNOMO EN CASA

5. Pega el espejo primario sobre este sistema. 6. Necesitas colocar el espejo secundario (el plano) en un ángulo de 45º respecto al primario, tal y como aparece en el esquema. Los centros de ambos espejos deben quedar a la misma altura. ¡Ten en cuenta que estás magnificando: un pequeño error se notará mucho más! Fija los elementos ópticos lo mejor posible para evitar vibraciones. 7. Con una lente convergente, forma un ocular para mirar. Ajusta la distancia tal y como ves en el esquema para que la luz salga colimada del telescopio. 8. Y listo. También puedes utilizar un tubo de PVC para evitar luz externa y tener más protegida la óptica del telescopio.

Lente convergente

Ocular

Espejo plano a 45º

Espejo parabólico

Figura 3.7.6. Telescopio de Newton. Fuente: Camilo Florian Baron.

Explicación En el telescopio de Galileo, los rayos paralelos de luz procedentes de un objeto distante son llevados a un punto en el plano focal del objetivo mediante una lente convergente. El ocular es una lente divergente que intercepta estos rayos y los hace paralelos una vez más. La imagen final es una imagen virtual, derecha, ubicada en el infinito y con la misma forma que el objeto. En el telescopio de Kepler, tanto ocular como objetivo son lentes convergentes. El objetivo brinda una imagen real e invertida y, mediante el ocular, el observador ve una imagen virtual de mismo sentido. Es decir, invertida respecto al objeto. El telescopio newtoniano utiliza espejos en lugar de lentes. La luz procedente del objeto observado se propaga a lo largo del tubo hasta alcanzar el espejo primario, ubicado en la parte trasera. El espejo refleja los rayos hacia delante y, gracias a su forma cóncava, los concentra en un espacio muy reducido. A continuación, un espejo plano dirige la luz hacia un orificio en la parte lateral del tubo y, con la ayuda de un ocular, que no es más que una lente, se puede observar el astro deseado. El telescopio de Galileo es un telescopio muy luminoso, y la imagen final es derecha sin necesidad de un sistema inversor. Sin embargo, tiene un campo de visión muy reducido. El telescopio de Kepler, al utilizar una lente convexa en el ocular en lugar de la cóncava del modelo de Galileo, tiene la ventaja de permitir un campo de visión mucho más amplio y con mayor detalle, pero la imagen para el espectador se invierte. El telescopio newtoniano, al utilizar espejos evita la aberración cromática de las lentes; sin embargo, la desventaja de los newtonianos frente a los refractores es el sombreado de la luz entrante. Como los refractores no tienen ningún elemento en el recorrido óptico que cause obstrucción en el camino óptico, son capaces de proporcionar más luz y contraste a las imágenes con la misma apertura que los reflectores. Conociendo las focales de las lentes que se han utilizado en el objetivo y ocular y sus diámetros, puedes calcular su abertura, su relación focal, sus aumentos y clasificar el telescopio. Identifica todas las características que has aprendido en los objetivos anteriores: La abertura es el diámetro efectivo de la lente o espejo principal del telescopio. La abertura será quien nos defina la capacidad colectora de nuestro telescopio. A mayor abertura, más capacidad de captar luz y, a mayor cantidad de luz, podremos ver objetos más tenues. La distancia focal: es el punto en el que concentra la luz, es decir, la lente o espejo principal del telescopio.

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3.7

EXPERIMENTO UN

ASTRÓNOMO EN CASA

Cuando relacionamos matemáticamente abertura y distancia focal nos da un valor muy útil: la relación focal, que viene definida de la siguiente forma:

Relación focal =

Distancia focal Diámetro

La relación focal también se conoce como número f. A menor relación focal, más luminoso es el telescopio. Es decir, menos tiempo necesitaríamos para fotografiar objetos débiles. Los aumentos de un telescopio vienen definidos por la siguiente expresión: Aumentos =

Distancia focal del telescopio Distancia focal del ocular

Para que nuestro telescopio tenga una buena calidad óptica es recomendable no pasar del doble de aumentos de nuestra abertura. En otras palabras, si nuestro telescopio tiene 50 mm de diámetro, no debemos usar más de 100 aumentos. Si ponemos más, veremos muy distorsionada y borrosa la imagen.

Trucos • Prueba diferentes combinaciones de lentes y de materiales para los tubos. Puedes obtener las lentes de cámaras fotográficas viejas, lupas u otros artículos ópticos. • Pinta el interior de tus telescopios de color negro mate pizarrón, para evitar que haya reflexiones de luz parásita. En el exterior puedes ser todo lo creativo que quieras. • Intenta no tocar las partes frontales de tus lentes y espejos ópticos con las manos (usa guantes de látex) y antes de incorporarlas a tu telescopio límpialas con un paño. • Cuando vayas a realizar la observación, elige un día de cielo despejado y una zona con poca contaminación lumínica artificial.

Veamos lo que has aprendido • ¿Qué diferencia hay entre un telescopio refractor y uno reflector? • ¿Cuál es la principal diferencia entre el telescopio de Galileo y el de Kepler? • ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de cada telescopio?

Experimentos relacionados Experimento 3.2. ¡No hay nada fuera de mi alcance! Experimento 3.3. Fabrica tus lentes y mira qué pasa. Experimento 3.6. De una caja de zapatos a una cámara de fotos.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

3.8

MICROSCOPIO: CÓMO VER LO DIMINUTO

Objetivo 1: Construir un microscopio siguiendo las instrucciones propuestas. Objetivo 2: Optimizar el sistema para obtener medidas con escala real, alinear los elementos ópticos (smartphone, lente, muestra e iluminación) y calcular la magnificación del sistema. MATERIALES

Lentes, formación de imagen, distancia focal, combinación de lentes

60 min (+)

• Dos lentes convergentes de una cámara desechable (usualmente con focales de 25 mm y 45 mm)

• Tubo de PVC de ~3 cm de diámetro o cartulina (para formar un tubo) • 2 bases de madera o plástico • 4 piezas de Lego • Fuente de iluminación (o flash continuo de otro móvil) • Cinta adhesiva

Un microscopio es un instrumento óptico que produce una imagen magnificada de objetos pequeños (o microscópicos, es decir, del orden de micras) gracias a la ayuda de lentes convexas. La lupa sería un microscopio simple compuesto por una única lente, pero si queremos ir a detalles diminutos necesitamos combinar distintos elementos ópticos. Principalmente, un microscopio básico consta de: 1) pletina, lámina transparente donde situamos la muestra que queremos observar; 2) sistema de iluminación y diafragma, que ilumina la muestra (se ilumina por debajo); 3) objetivo, es la lente más próxima a la muestra (suele tener gran potencia) y 4) ocular, es la lente situada cerca de nuestro ojo. La combinación de la potencia de las lentes del objetivo y el ocular determina la magnificación de nuestro microscopio (por ejemplo, la notación 40x indica que vemos el objeto una versión escalada 40 veces mayor). La imagen observada se crea en nuestra retina, si somos nosotros los que observamos, o en el sensor de la cámara, en el caso de que queramos registrar esa imagen. Hoy podemos construir un microscopio y tomar las imágenes con ayuda de nuestro smartphone, ¿quieres uno?

Procedimiento

Imagen

Lente

Ojo/Móvil Lente 2

Objeto

Lente 1 Platina transparente

Imagen

Objeto

Figura 3.8.1. Lupa y microscopio simple (dos lentes, dos diafragmas y una iluminación). Fuente: Camilo Florian Baron.

Construcción del microscopio 1. Identifica las dos lentes para construir el microscopio: una de focal corta (utilizada como lente 1, objetivo) y una de focal más larga

(que usaremos como ocular, lente 2). 2. Montaremos en uno de los extremos del tubo una de las lentes y, en el otro extremo, la otra. La longitud del tubo dependerá de la focal de las lentes. Sugerimos utilizar una longitud de 16 cm. 3. Para crear la plataforma para sujetar el tubo de las lentes, puedes usar un trozo adicional de tubo (parte 1). Es importante que las piezas se puedan desplazar en altura para poder modificar las distancias entre lentes y, para esto, utiliza las piezas de Lego como se indica en la figura. 4. También debes fabricar una primera plataforma que tenga un agujero para que pase la iluminación hacia tu objeto (parte 2). 5. Por último, el sistema de iluminación, que puede ser un LED o bien el flash en modo continuo de un móvil (parte 3). 6. Una vez que lo tengas ensamblado, es hora de ajustar el sistema. Lo primero es poner el objeto en la platina transparente y encender la iluminación. 7. Prueba a mirar por la lente 2 y ajusta la distancia entre el tubo de las lentes y tu objeto. La distancia teórica es de 21,6 mm usando como lente 1 una focal de 25 mm. 8. Voilà! Ya lo tienes… ahora puedes usar la cámara de tu móvil para tomar imágenes de tu objeto magnificado (figura 3.8.2). Cuantificación de la capacidad de magnificación de nuestro sistema: medida directa 1. En este caso, para facilitarnos las medidas, vamos a utilizar como muestra patrón una mina de portaminas, por ejemplo, 0,5. Esto significa que tendrá aproximadamente 0,5 mm de espesor (500 µm).

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3.8

EXPERIMENTO MICROSCOPIO:

CÓMO VER LO DIMINUTO

2. Para saber cuál es la magnificación que tenemos, simplemente debemos hacer un cociente entre la medida real del objeto y la medida del objeto en una foto hecha con el móvil. 3.S i quieres hacer una estimación teórica basándose en los valores reales de tu sistema, tendrás que saber cuál es la longitud del tubo y las distancias focales de las lentes que estás utilizando. Para esto, sigue el procedimiento indicado en la explicación.

Explicación

Figura 3.8.2. Vista final del microscopio construido, en el que se muestra cómo se ilumina el objeto con la linterna de un móvil e imagen a través del sistema. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

La curiosidad por lo pequeño ha permitido desarrollar e implementar muchas mejoras a los diferentes instrumentos ópticos que están a nuestro alcance hoy en día. En el caso concreto del microscopio, sus orígenes se remontan al uso de una simple lupa que nos permite magnificar objetos de la forma más sencilla posible, hasta los más modernos microscopios ópticos de alta resolución con los que actualmente se hace investigación. El microscopio que acabas de construir es el resultado de combinar dos lentes convergentes para visualizar el mundo de lo pequeño sin tener que utilizar una única lente convergente gigante. Básicamente incorpora una lente objetivo (que es la que se encuentra más cerca del objeto a estudiar) y una lente ocular (que nos permite formar la imagen ampliada). A lo largo de los años, se han incorporado diferentes elementos para obtener imágenes más nítidas, con más aumentos y con resoluciones espaciales excepcionales. Dos elementos básicos son la incorporación de diferentes diafragmas que permiten controlar, por ejemplo, la cantidad de iluminación que llegará a la muestra y el campo visual. Con el desarrollo de objetivos complejos que contienen múltiples lentes ha sido posible utilizar diversos filtros que nos permiten obtener todavía más información sobre el objeto que estamos analizando. Tales son los esfuerzos por estas mejoras que, en el año 2014, Eric Betzig, Stefan W. Hell y William E. Moerner fueron galardonados con el Premio Nobel de Química por sus desarrollos en técnicas de microscopía de fluorescencia de alta resolución.

Trucos • Para optimizar tu sistema, también puedes jugar con las distancias entre la fuente de iluminación y la muestra, para así obtener una iluminación más homogénea. En el caso de muestras que no sean translúcidas, puedes iluminar la muestra desde la parte superior, para que refleje en su superficie y se dirija a la lente. Puedes probar con una moneda de 1 euro, donde la estrella tiene un tamaño de punta de 450 µm. • Si quieres aumentar aún más la resolución de tu sistema, utiliza una microlente. El experimento 3.4. Microlentes: más allá de una lupa es el adecuado para este caso.

Veamos lo que has aprendido • ¿Cuál es la importancia de la iluminación en la calidad de imagen que podríamos obtener? • ¿Podríamos utilizar un telescopio como si fuera un microscopio? • ¿Qué tamaño tiene un virus? Con nuestro microscopio, ¿podremos visualizar uno? • ¿Cuál crees que es el objeto más pequeño que podríamos observar con un microscopio basado en luz? • ¿Qué crees que haría falta para visualizar un átomo? ¿Sería posible con un sistema similar?

Experimentos relacionados Experimento 3.3. Fabrica tus lentes y mira qué pasa. Experimento 3.4. Microlentes: más allá de una lupa. Experimento 3.9. Un minimundo en una gota.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

3.9

UN MINIMUNDO EN UNA GOTA

Objetivo 1: Construir un microscopio simple basado en una gota de agua y un puntero láser. Objetivo 2: Calcular los aumentos de tu microscopio, intentar descubrir los diferentes microorganismos para diferentes muestras de aguas (río de montaña, ciudad...) y ver sus diferencias. MATERIALES

Refracción, lentes, microscopios, aumento

20 min (+)

• Puntero láser verde (o rojo) • Jeringuilla o un palillo • 2 rollos de cartón de papel higiénico

• Brida de plástico • Pantalla blanca (o una pared) • Agua (del grifo, de un charco, de río, del mar, saliva)

El mundo microscópico dentro de una gota puede ser fascinante. Paramecios, amebas y diferentes microorganismos pueden ser observados de una forma simple. Podremos ver sus movimientos, sus formas y tamaños, ya que una gota suspendida, debido a su forma y a su diferente índice de refracción con respecto al aire, se puede comportar como una lente esférica. Así, con la ayuda de un puntero láser fabricaremos un microscopio simple donde veremos las sombras de los microorganismos dentro de la gota, ¡consiguiendo hasta 100 aumentos!

Procedimiento 1. Llena la jeringa con agua que hayas cogido del grifo o en la naturaleza y colócala apoyada entre dos soportes, por ejemplo, los dos rollos de cartón de papel higiénico, de manera que quede sujeta entre ellos. Presiona el émbolo de la jeringa de manera que una gota quede suspendida pero sin llegar a caer. 2. Sujeta el puntero láser con la brida de plástico de tal forma que el botón de encendido quede presionado. Coloca posteriormente con cuidado el puntero para que quede a la misma altura que la gota de agua y su luz se dirija a la pared blanca. Para conseguir la misma altura y que el rayo incida en la gota puedes ayudarte con un cuaderno o libro. Ve probando abriendo hojas hasta que aciertes con la altura idónea.

Figura 3.9.1. Materiales. Fotografía: IOSA.

Figura 3.9.2. Montaje del experimento completo (izquierda) y detalle del montaje en el que se observa la gota suspendida (derecha). Fotografía: IOSA.

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3.9

EXPERIMENTO UN

MINIMUNDO EN UNA GOTA

Figura 3.9.3. Proyección sobre una superficie blanca de la gota iluminada con el láser verde (se puede ver un ala de una avispa situada entre el láser y la gota). Fotografía: Juan Luis García Pomar.

Explicación Aquí la gota se comporta como una lente esférica. El haz de luz penetra en la gota pasando dos veces por las interfases aire/agua. Se producen, por tanto, dos refracciones, como muestra la figura 3.9.3, produciéndose un foco en la parte posterior de la gota y alcanzando posteriormente la pantalla situada a una distancia (d). Obsérvese que la imagen de la sombra proyectada del objeto estará invertida. El sistema funciona como un proyector de imágenes. El aumento lineal que produce el sistema está en razón directa a la distancia (d) entre la lente de proyección (en nuestro caso la gota) y la pantalla e inversamente proporcional a la distancia focal de la gota (f), ya que el objeto se encuentra muy cerca del plano focal de la lente. A = d/f Para una gota esférica la distancia focal (f) se puede aproximar a f = R/2 · [n/(n-1)] donde R es el radio de la gota (que lo puedes aproximar al radio del agujero de tu jeringa) y n es el índice de refracción del agua (n = 1,33).

Trucos • Si no tienes jeringa puedes usar un palillo, mojándolo y dejando que una gota quede suspendida pero sin caer, finalmente coloca el palillo con cuidado en un soporte con cinta adhesiva para que quede suspendido. Cuanto más pequeña sea la gota, más aumentos tendrás en tu microscopio. • Pon agua de mar, río o charcos para ver los microorganismos moverse, esta agua no debe ser demasiado turbia. • Puedes poner una lámina transparente, como un ala de insecto o piel de cebolla, entre el láser y la gota y la verás también aumentada, al igual que si fuera un proyector.

Veamos lo que has aprendido  eniendo en cuenta que el índice de refracción del agua es n = 1,33, y sabiendo la distancia (d) de la gota a tu pantalla, T ¿puedes calcular los aumentos de tu microscopio?

Experimentos relacionados Experimento 3.3. Fabrica tus lentes y mira qué pasa. Experimento 3.4. Microlentes: más allá de una lupa. Experimento 3.8. Microscopio: cómo ver lo diminuto.

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4. El ojo humano: una cámara de fotos biológica

E

l ojo humano es un instrumento óptico con unas prestaciones increíbles, no solo es capaz de formar una imagen enfocada en su sensor (la retina), sino que además tiene la habilidad de enfocar a distintas distancias y trabajar bajo un gran rango de niveles de luz con una calidad óptica optimizada para sus funciones. Es por esto por lo que durante años supuso el punto débil de la teoría de la evolución de Darwin, como él mismo reconoció: ¿cómo es posible que simplemente a través del proceso de selección natural se hubiera llegado a crear un instrumento óptico biológico tan perfecto? Pero la capacidad de ver no pertenece únicamente a los ojos, sino que es un complejo proceso (figura 4.1) que se produce a lo largo de fases diferenciadas donde se percibe, reconoce, transforma y procesa la información visual, a lo largo de tres

etapas: óptica, retiniana y neuronal. Nuestros ojos forman la imagen del mundo exterior, el cerebro interpreta la imagen procedente de cada ojo “a tiempo real” y la visión es el increíble resultado de un maravilloso trabajo conjunto.

El ojo, el sistema óptico biológico formador de imágenes La primera etapa del proceso visual es la etapa óptica, donde el ojo es el principal protagonista al recoger la luz proveniente de los objetos de nuestro entorno. Si observamos un objeto lejano se puede considerar que la propagación de la luz es rectilínea y paralela a la posición de nuestro ojo y que viaja por el aire, un medio homogéneo con un índice de 123

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Etapa neuronal

Etapa óptica

Etapa retiniana

Figura 4.1. El proceso de la visión humana: etapa óptica, etapa retiniana y etapa neuronal y su analogía con un sistema de cámara, sensor y procesador. Fuente: María Viñas y Camilo Florian Baron.

refracción con valor de 1. Cuando la luz entra en el ojo, cambia del aire a un medio acuoso (con un índice de refracción aproximado de 1,334), en el que su velocidad de transmisión cambia, produciéndose el fenómeno de refracción. Además, el ojo está formado por diferentes tejidos que incluyen estructuras biológicas transparentes que funcionan como lentes convergentes (córnea y cristalino, esta última una lente de potencia variable), fluidos transparentes que proporcionan nutrición y soporte (lágrima, humor acuoso y humor vítreo) y un diafragma capaz de ofrecer aperturas adaptadas a la luz ambiental (iris), que cambian la trayectoria de los rayos de luz reuniéndolos en la posición de nuestra retina, del mismo modo que las lentes de una cámara

proyectan la imagen sobre el sensor digital, tal y como muestra la figura 4.1. Por último, nuestros ojos están debidamente protegidos por la esclera, los párpados y los huesos de nuestra órbita ocular. Este diseño tan especializado responde al requerimiento de captar información casi infinita del mundo exterior y focalizarla en nuestro sensor biológico, la retina. Como vemos, esta configuración se puede asemejar a la de una cámara fotográfica (figura 4.2), con su objetivo y ocular, sensor y carcasa, pero veamos más en detalle sus componentes. La córnea proporciona la mayor parte de la potencia refractiva del ojo, ya que contribuye aproximadamente con 2/3 de la potencia total del ojo. Este gran aporte se debe a la forma de la superficie corneal (lente de tipo menisco convergente) y a la diferencia de índice de refracción entre el aire y la córnea (con valor parecido al del agua); es el primer medio (junto con la película lagrimal) con el que se encuentra la luz a su entrada en el ojo. El cristalino es la segunda lente que forma el sistema óptico, se trata de una lente convergente biconvexa que aporta el tercio restante a la potencia refractiva del ojo (unas 20 dioptrías en estado desacomodado; más adelante entraremos en detalle sobre la acomodación, el autoenfoque del ojo). Tanto la córnea como el cristalino

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actúan para transmitir y enfocar de forma óptima la luz sobre la retina, donde la transparencia en ambos tejidos es un requerimiento crítico. Para ello, la córnea dispone de una estructura de colágeno altamente organizada y el cristalino, de distintas interfases y proteínas (denominadas cristalinas) distribuidas regularmente como en capas de cebolla, por lo que no se pueden considerar sistemas ópticos sencillos. Esto lo veremos en el experimento 4.1. El iris se encuentra entre la córnea y el cristalino y es un diafragma que, gracias a sus músculos dilatador y esfínter, modula la entrada de luz en el ojo. El tamaño de la apertura delimitada por el iris, que denominamos pupila, varía automáticamente dependiendo de la intensidad de luz que le llega al ojo (actuando como el diafragma variable de una cámara fotográfica). Estos son los elementos ópticos del ojo, no son lentes artificiales ni la estructura mecánica de una cámara fotográfica, sino que son tejidos que necesitan soporte, protección y nutrición. Además, tenemos tres tipos distintos de fluidos transparentes por donde se propaga la luz (la película lagrimal, el humor acuoso y el humor vítreo) y tejidos de soporte ricos en colágeno, fibras y vasos sanguíneos que están fuera del paso de la luz (la esclera, los párpados, la conjuntiva,

el músculo ciliar y la coroides), vitales para el mantenimiento del sistema visual.

Retina: la magia de la luz Alrededor del 90% de la información sensorial que recibimos de nuestro entorno es visual y su entrada se produce a través de la retina, la estructura del fondo de nuestro ojo. La retina está situada en la posición donde se focalizan los rayos de luz que han entrado en el ojo y es la parte fácilmente observable del sistema nervioso central, ya que tiene células similares a neuronas. Estas células especializadas convierten la señal luminosa en impulso eléctrico, desencadenando la segunda etapa del proceso visual, la fototransducción. Fascinante, ¿no? Pero ¿qué ocurre cuando la luz llega a la retina? Santiago Ramón y Cajal (18521934), fundador de la neurobiología moderna, fue el primero en mostrar con precisión el sistema nervioso, la existencia de las neuronas y la conexión entre ellas, y la organización de las células en las distintas capas de la retina (estructura representada en algunos de sus dibujos, figura 4.3). Contrariamente a lo que podríamos imaginar, la luz refractada por la córnea y el cristalino no llega directamente a los fotorreceptores, sino que debe atravesar

Figura 4.2. El ojo como cámara de fotos biológica. Fotografía: Tinypic.

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Figura 4.3. La retina es la capa interior del globo ocular, presenta una estructura compleja compuesta por diez capas diferentes de células. Fue descrita en detalle por Santiago Ramón y Cajal en el año 1900. Fuente: Sistema de la estructura de la retina perteneciente al manuscrito Estudio de los centros cerebrales olfatorios, ópticos y auditivos y relaciones de continuidad que con ellos tienen los nervios del mismo nombre en la especie humana y en los vertebrados, Santiago Ramón y Cajal, Instituto Cajal, CSIC.

¿Sabías que… ? Ramón y Cajal realizó una gran aportación al conocimiento de la estructura histológica de la retina mediante el método de tinción de Golgi y, gracias a su habilidad en el dibujo, nos descubrió los entresijos de los diferentes tipos de células que componen la retina: fotorreceptores, células bipolares, células horizontales, células amacrinas y células ganglionares. Aunque resulta increíble lo detallado de sus dibujos, gracias al avance de los microscopios y las últimas técnicas de imagen de alta resolución, hemos podido obtener fotografías reales de la retina con altísima calidad y avanzar un poquito más en su conocimiento (figura 4.4).

primero las neuronas a las que están conectados los fotorreceptores. La explicación es que las neuronas de la retina son transparentes, como casi todo en nuestro ojo, y los fotorreceptores con sus opsinas consumen una gran cantidad de energía para iniciar el proceso visual, por lo que necesitan estar conectados a su fuente de alimentación: el epitelio pigmentario, que no es transparente, sino que tiene una molécula que absorbe la luz y no

deja que vaya más allá. El epitelio pigmentario no es el encargado de iniciar el proceso visual, tan solo hace de barrera para la luz. Un poco raro pero años de evolución han determinado este proceso como uno de los más fascinantes y especializados del cuerpo humano. En la retina humana existen dos tipos de fotorreceptores que, debido a su forma, reciben los nombres de conos

y bastones. Los bastones están especializados en visión nocturna, por lo que son muy sensibles y pueden detectar muy bajos niveles de luz, del orden de unos cuantos fotones (o cuantos de luz). Como solo hay un tipo de bastones, no somos capaces de distinguir colores en condiciones de baja iluminación, cuando solo los bastones están activos. Los conos son los responsables de la visión diurna, cuando los niveles de luz son mayores y, por lo tanto, no son tan sensibles como los bastones. Al ser más pequeños, se pueden empaquetar con mayor densidad (más “píxeles” por unidad de área), proporcionando una mayor resolución de detalles que los bastones. Existen tres tipos de conos distintos, sensibles a diferentes zonas del espectro visible, como veremos más adelante, lo que nos permite distinguir colores en condiciones de luz diurnas. Otra de las características más fascinantes de la retina es cómo se distribuyen los fotorreceptores. Hemos dicho que los conos nos ayudan a ver

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con detalle. Pues bien, hay una zona de la retina, ligeramente descentrada hacia el lado nasal, llamada fóvea, que está formada únicamente por conos, por lo que es la zona de la retina que más luz recibe. A la fóvea se la conoce por ser el punto de mayor agudeza visual, y es el punto con el que fijamos cuando queremos ver algo en concreto. La densidad de los conos va disminuyendo conforme nos alejamos de la fóvea y empiezan a aparecer más y más bastones hasta que llega una zona, en la periferia, donde los conos dejan de tener presencia y tan solo hay bastones. Si el sistema óptico ocular se asemeja a una cámara fotográfica, podemos decir que la retina es nuestro sensor digital. Sin embargo, una diferencia importante entre el sensor de una cámara y la retina ocular es que, mientras el sensor de la cámara se limita a representar la imagen punto a punto (en cada píxel) de forma que se pueda luego proyectar en una pantalla, la retina además analiza la imagen que le llega, y en lugar de transmitir al cerebro una representación punto a punto de la imagen, transmite información priorizada al cerebro como, por ejemplo, los bordes de los objetos en la imagen y la orientación de los objetos. Para ello, la retina no solo contiene células sensibles a la luz (fotorreceptores), que transforman en

actividad eléctrica la energía luminosa, sino que estas están conectadas a una red de neuronas que procesan dicha señal eléctrica que luego sale del ojo a través de los axones neuronales que forman el nervio óptico. El punto de la retina donde estos axones neuronales se juntan para formar el nervio óptico se llama disco óptico (figura 4.5). En esta zona de la retina no hay fotorreceptores que perciban la luz, por lo que se denomina el punto ciego. Está localizado

Figura 4.4. Imagen de un microscopio confocal de los conos (en rojo) y bastones (en verde), fotorreceptores de la retina. Fotografía: Cortesía de Robert Fariss, National Eye Institute (NIH).

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¿Sabías que… ? Fue un médico francés del siglo XVII quien, por primera vez, haciendo la disección de un ojo humano, observó que el disco óptico carecía de fotorreceptores, por lo que supuso que debía de ser un punto ciego. A veces es importante saber si hay alguna parte de la retina que no esté funcionando correctamente. Para ello se utiliza una prueba llamada campimetría donde, mientras el paciente está mirando a un punto fijo, se le presentan luces en diferentes posiciones del campo visual para comprobar cuáles ve. El punto ciego es precisamente un sistema de control ya que, si se proyecta una luz que debería caer en el punto ciego y el paciente la ve, este no está haciendo la prueba correctamente.

Figura 4.5. Esquema del punto ciego de la retina. Fuente: Henry Gray (1825-1861), Edward Anthony Spitzka (1876-1922), Anatomy, descriptive and applied (1913); Filadelfia, Nueva York, Lea & Febiger, Open Knowledge Commons.

unos 15º hacia la zona temporal respecto a la fóvea y, aunque en esa zona no vemos, no nos damos cuenta porque el cerebro “rellena” esa parte de la imagen.

En el experimento 4.2 veremos esta parte. Por último, la señal luminosa viaja por las vías visuales y es codificada según sus distintas características (detalle, color, movimiento) hasta llegar al córtex visual, en el lóbulo occipital del cerebro, encargado de procesar la información visual.

Pero ¿es el ojo un buen instrumento óptico? Como ves, el ojo tiene muchas similitudes con una cámara fotográfica, con sus lentes que enfocan en una pantalla receptora o el diafragma que controla la cantidad de luz. Aunque tenemos que decir que el ojo cuenta con unos mecanismos mucho más sofisticados que los de una cámara fotográfica, también es cierto que la calidad de la imagen que se forma en la retina no llega a ser del todo perfecta. Vamos a hacer una prueba: mira un punto de luz pequeño y algo lejano, como el de un led que emita cualquier electrodoméstico de tu casa. Sabemos que deberíamos ver un punto. Cierra un ojo. ¿No te parece que el punto tiene como unas patas y halos, como si se tratara de una especie de pulga en vez de un punto? Ahora prueba a mirar con el otro ojo. ¡Esa pulguita es diferente! De esta experiencia podemos sacar dos conclusiones: si la imagen que nos da el ojo de un punto no es otro punto,

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Figura 4.6. Ojos rojos al ser iluminados por un flash fotográfico debido a los vasos sanguíneos de la coroides. Fotografía: PeterPan23, Wikimedia Commons.

significa que el ojo tiene ciertas imperfecciones. Además, estas imperfecciones son diferentes entre los dos ojos. En efecto, el ojo no es un sistema óptico perfecto. Las diferencias entre las imágenes del punto real del LED y la que tú has visto con cada uno de tus ojos se llaman aberraciones, y se pueden medir, cuantificar y estudiar su influencia, aunque a día de hoy no es posible corregirlas con unas gafas. Además, hay que tener en cuenta que hay otros fenómenos como la difracción o la dispersión que afectan en gran medida la calidad final de la imagen. Helmholtz (1821-1894) fue un famoso científico del siglo XIX, con estudios en numerosos campos, que desarrolló importantes conocimientos en la óptica. Fue célebre su frase que decía lo siguiente: “no es exagerado decir que, si un óptico quisiera venderme un instrumento que tuviera tantos defectos como los del ojo, estaría justificado que le reprendiera su falta de cuidado de la forma más enérgica y se lo devolviera”. Sin embargo, Helmholtz bien sabía que

¿Sabías que… ? Los “ojos rojos” que vemos a menudo en las fotografías se deben a la luz que, reflejada en el fondo del ojo, sale a través de la pupila. La pupila normalmente parece negra porque la mayoría de la luz que entra al ojo es absorbida, y no vuelve a salir. Sin embargo, cuando utilizamos un destello intenso y de muy corta duración, como es el caso del flash fotográfico, la coroides no tiene tiempo de contraerse, y vemos la luz que se refleja en la retina y vuelve a salir del ojo, llenando la pupila dilatada. El tono rojizo se debe al color de los vasos sanguíneos que se encuentran en la retina.

los defectos que tiene el ojo no son tan notables como en cualquier otro instrumento. ¿Por qué? Como vamos contando en este capítulo, el proceso visual no depende solo del ojo ni acaba en la retina. Es el cerebro el encargado de interpretar toda la información que recibe a través de la retina y el encargado de compensar parte de estas imperfecciones o de adaptarse a ellas, de manera que en la vida cotidiana no somos plenamente conscientes de ellas. El cerebro está adaptado a la calidad visual de cada uno y, cuando esa calidad cambia, porque nos ponen unas gafas

nuevas, por ejemplo, se tiene que volver a adaptar a la nueva calidad de las imágenes que recibe.

El cerebro: la última etapa del proceso de la visión En las dos secciones anteriores hemos visto las dos primeras fases, la primera, que se corresponde con el proceso óptico de transmisión de la luz, y la segunda, que se conoce como el proceso de transformación de estímulo luminoso a impulso nervioso. La tercera fase 129

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Figura 4.7. Cuadro de Salvador Dalí “Gala desnuda mirando el mar que a 18 metros aparece el presidente Lincoln” en el que se juega con la doble imagen y el desenfoque (izquierda). Ilusión óptica de un cubo imposible. Nuestro cerebro es capaz de ver un cubo completo, aunque parte de la información sea errónea (derecha). Fuente: Dalí, Flicker (izquierda); Pixabay (derecha).

comprende la transmisión de los impulsos nerviosos hacia la corteza visual, en el lóbulo occipital, localizado en la fosa cerebral posterior. Y por último, la cuarta fase es la de interpretación de la información en la corteza cerebral a tiempo real, completando el proceso visual. El cerebro es quizás la estructura biológica más compleja en la historia evolutiva. Sin embargo, visualmente hablando, es sorprendentemente fácil engañarlo, ya que tiene sus limitaciones. El cerebro muestrea con gran velocidad y resolución la información que es crítica, la que tiene más contenido, pero limita a un proceso de relleno el resto de información, la que no considera tan relevante. Es decir, nuestro cerebro selecciona la información que quiere procesar y nos libra de la restante; esta es una estrategia eficaz en

términos de recursos neuronales. Imaginemos los recursos energéticos que consumiríamos si tuviéramos que procesar toda la información procedente de cada uno de nuestros sentidos. Este proceso activo de reconstrucción de nuestra percepción visual se parece en gran medida a nuestra realidad, pero no completamente. Y cuando hay una falta de correspondencia entre percepción y realidad entran en juego las ilusiones ópticas. La base de las ilusiones ópticas es la psicología, y se pueden clasificar en varios grupos: por un lado, tenemos las que se deben a fenómenos fisiológicos, que dependen de la respuesta física del ojo a un estímulo (por ejemplo, el blanqueamiento de los fotorreceptores por flash de una cámara de fotos, la desaparición de un objeto cuya imagen

cae sobre el punto ciego de la retina o los pocos detalles que tienen nuestros objetos que están en la periferia de la escena) y, por otro, tenemos las ilusiones ópticas que se deben a fenómenos psicológicos, que tienen su fundamento en la perspectiva geométrica y están relacionadas con la asociación de ideas durante el aprendizaje. Las ilusiones ópticas son una combinación de fisiología y psicología que implica todo el proceso visual (desde el ojo al cerebro) y su resultado final es el engaño. Los magos aprendieron su uso hace siglos. Exploraremos esto en los experimentos 4.3 y 4.7.

La acomodación: un sistema de autoenfoque natural Una vez completadas las etapas visuales, vamos a describir conceptos únicos del sistema visual. Uno de ellos es nuestra sorprendente capacidad para enfocar objetos lejanos y cercanos de forma automática y sin perder detalle, esta maravillosa propiedad se la debemos al cristalino.

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Como vimos en el capítulo 3, cuando tenemos una lente de una potencia refractiva fija, la posición de la imagen producida por la lente depende de la posición del objeto. Cuando el objeto está muy lejos, la imagen se va a formar en el plano focal imagen, así que podemos situar nuestro sensor (la retina, en nuestro caso) en este punto para conseguir una imagen enfocada. Si acercamos el objeto, la vergencia de la luz que llega al objetivo de la cámara desde el objeto aumenta. Esto quiere decir que para mantener la misma distancia imagen que en el caso anterior, para que la imagen se forme en la misma posición, la vergencia imagen tiene que ser la misma. Esto solo es posible si aumentamos la potencia refractiva del objetivo de nuestra cámara: L’ = L + F, si L’ = 1/l’ es constante y L = 1/l aumenta al reducirse la distancia l, luego F tiene que aumentar. En el caso de una cámara fotográfica esto se consigue enfocando el objetivo. Al enfocar el objetivo girándolo, en realidad cambiamos la posición relativa de las lentes que lo forman, aumentando la potencia total del sistema de lentes. En el caso del ojo, para enfocar objetos más cercanos sobre la retina también necesitamos aumentar su potencia refractiva, aunque el mecanismo, que se denomina acomodación, es distinto del de las cámaras fotográficas. En el caso del ojo, el aumento de potencia refractiva se consigue aumentando la potencia del

¿Sabías que… ? Muchas ilusiones ópticas tienen un impacto importante en nuestra vida cotidiana, como es la teoría de la ilusión de Helmholtz. Esta teoría se aplica tanto en el mundo de la moda, como en la decoración, a la hora de dar una perspectiva más amplia del espacio. La elección de las rayas para la vestimenta de los presos no es casualidad, pues los hace más visibles y facilita su identificación en una multitud en caso de fuga. Además, las rayas constituyen un castigo psicológico, ya que en la Edad Media estos estampados caracterizaban a las prostitutas, los bufones y a otros marginados sociales. El disco de Benham, que veremos en el experimento 4.7, fue inventado por Charles Benham, un periodista e inventor aficionado de juguetes, y al principio se vendió como un simple juguete. Sin embargo, en la actualidad es usado por algunos especialistas como un método para diagnosticar algunas enfermedades oculares, esencialmente los casos de neuritis óptica.

cristalino, principalmente al aumentar la curvatura de su cara anterior (vimos en el capítulo 3 que, al aumentar la curvatura de una superficie refractiva curva, aumenta su potencia) (figura 4.8). El proceso de acomodación es continuo, el ojo acomoda o desacomoda cada vez que nos fijamos en un nuevo objeto. Sin embargo, con el envejecimiento el cristalino se vuelve menos elástico, y vamos perdiendo de forma progresiva la capacidad de acomodar (a los 40 años difícilmente podremos leer este libro sin una ayuda óptica, hoy en día gafas o lentes de contacto, quién sabe si en los próximos años contaremos con otro tipo de lentes de enfoque automático). 131

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Retina Córnea

Cristalino

Visión lejos

Córnea

Cristalino (ACOMODACIÓN)

Retina

Visión cerca

Figura 4.8. Ilustrando el proceso de acomodación. Fuente: Pablo Pérez Merino.

Errores de enfoque en el ojo, ¿por qué necesitamos gafas? Durante el desarrollo del ojo necesitamos que el punto focal del sistema óptico del ojo coincida exactamente con la posición de la retina, requiriendo un alto grado de coordinación entre la córnea, el cristalino y la longitud del ojo. Un ojo que tiene la capacidad de enfocar nítidamente la imagen en la retina decimos que es emétrope. Sin embargo, en ocasiones el ojo no es capaz de enfocar con nitidez la imagen, presentando algún tipo de error

refractivo y reduciendo la calidad óptica del ojo. Eso significa que el tamaño del ojo no está ajustado a la potencia del sistema óptico del ojo, desencadenando miopía o hipermetropía, o que las propias lentes presentan algún tipo de irregularidad, teniendo como resultado algo de astigmatismo. Si el ojo es demasiado largo o tiene una potencia refractiva convergente, la imagen de un objeto se forma delante de la retina y decimos que el ojo es miope. En este caso los rayos de luz se focalizan delante de la retina, pero si continuamos su propagación hacia la retina vemos como continúan divergiendo y forman una mancha borrosa en la posición de la retina (figura 4.9). Por el contrario, si el ojo es demasiado corto o su potencia refractiva no es suficiente para hacer converger los rayos de luz sobre la retina decimos que el ojo es hipermétrope. En este caso, los rayos llegan a la retina convergentes, pero apuntando a un punto situado por detrás de la retina (figura 4.9). Un ojo miope se puede corregir mediante lentes divergentes. Estas disminuyen la convergencia del ojo la cantidad necesaria para que la imagen se forme sobre la retina. Cuando decimos que un ojo es miope de -3,0 D, lo que queremos decir es que la potencia de la lente correctora que necesita es -3,0 D, es decir, divergente. Por el contrario, un ojo hipermétrope no tiene suficiente potencia refractiva para formar la imagen sobre la retina y necesitamos aportar más

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Figura 4.9. Esquema de los diferentes errores refractivos, al observar una escena y con sus correspondientes correcciones.

EMÉTROPE

MIOPÍA

HIPERMETROPÍA

ASTIGMATISMO

Fuente: IOSA. ¿Cómo ven?

Su ojo

¿Sabías que… ? Todos nacemos hipermétropes y, a medida que vamos creciendo, el tamaño del ojo se va sincronizando con su potencia refractiva para que la imagen esté enfocada en la retina y no tengamos errores refractivos. Este proceso se denomina emetropización, y una vez más el ojo nos sorprende siendo capaz de determinar si tiene que reducir o aumentar su velocidad de crecimiento. Sin embargo, los cambios en nuestra forma de vida parecen estar afectando a este proceso, causando una epidemia de miopía que empieza a ser un problema en países como Singapur, donde el 90% de la población tiene miopía.

potencia refractiva convergente. Por lo tanto, cuando decimos que un ojo es hipermétrope de +3,0 D, sabemos que esta es la lente que corrige su error refractivo, enfocando la imagen sobre la

Su frente de onda

¿Cómo se corrige?

retina. Esto lo veremos en el experimento 4.4. El miope o el hipermétrope tienen el punto focal por delante o por detrás de la retina debido a que la potencia del ojo o longitud del mismo no son los correctos. Pero si hay algún tipo de irregularidad o descentramiento en la córnea o cristalino, entonces no se forma un único punto focal, sino que se presentan distintos focos para distintas orientaciones. Esto se conoce como astigmatismo, y su corrección se realizaría con lentes cilíndricas o tóricas (figura 4.9).

¿Por qué tenemos dos ojos? Visión binocular, tridimensional y campo visual La visión binocular es la integración de la sensación producida por los estímulos luminosos que llegan a cada ojo en una percepción única (figura 4.10). El hecho de tener dos ojos no es sinónimo de visión binocular. El camaleón, por ejemplo, tiene dos ojos que se mueven independientemente y, sin embargo, no tiene visión binocular. Para que esta tenga lugar los dos ojos se 133

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Campo visual derecho

Campo visual izquierdo

Campo binocular

Campo visual del ojo izquierdo

Campo visual del ojo derecho

Glándula hipófisis Nervio óptico Quiasma óptico Núcleo supraquiasmático del hipotálamo

Tracto óptico Núcleo geniculado lateral del tálamo

Corteza visual derecha

Corteza visual izquierda

Vista inferior

Figura 4.10. Campo visual horizontal y vertical. Fuente: OpenStax College, Wikimedia Commons.

han de mover de forma coordinada, de manera que la impresión final del espacio exterior sea única. La ventaja fundamental de la visión binocular sobre la monocular es la posibilidad de la visión en profundidad o visión estereoscópica. Comprobaremos este fenómeno en el experimento 4.5. La estereopsis es un fenómeno de percepción que proporciona información

válida y precisa acerca de la distancia relativa de un objeto respecto a otro. Este concepto usualmente se confunde con el término de percepción de profundidad. Sin embargo, son conceptos totalmente distintos, ya que hay pacientes con visión monocular que pueden percibir distancias relativas entre objetos en el espacio y, sin embargo, no tienen estereopsis. La visión binocular, junto a la disparidad retiniana, es decir, la diferencia entre dos imágenes en la retina (debido a que las dos retinas no tienen la misma visión del estímulo dada la localización de los ojos) es la base para la creación de imágenes en tres dimensiones (3D) en superficies planas, utilizadas en diferentes proyectos de exploración espacial (figura 4.11). El campo de visión binocular contiene el campo visual de los dos ojos, sin mover la cabeza, y este se extiende a través de una región que excede los 180º horizontalmente, pero hay regiones que son invisibles para cada uno de los dos ojos debido a la nariz.

¿Cuántas imágenes por segundo puede ver realmente el ojo humano? El movimiento Al moverse un objeto frente a nuestros ojos, se va formando en la retina una sucesión de sus imágenes en diferentes regiones de esta, dando la sensación de

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que se está moviendo. Sin embargo, también podemos tener la sensación de movimiento producido por objetos que están en reposo y que aparecen y desaparecen de manera oportuna. Esta sensación se llama movimiento aparente, en contraposición al movimiento real. Lo veremos en el experimento 4.6. Para que el cerebro pueda distinguir entre dos imágenes que se forman en dos regiones distintas de la retina, estas imágenes se tienen que formar en intervalos de tiempo bien definidos. De ahí surge el concepto de la resolución temporal del ojo humano, y la relación con un concepto básico en cine o en los videojuegos, los FPS (frame o fotogramas por segundo), es decir, cuántas series de imágenes somos capaces de hilar por segundo para observar una serie secuencial como una serie continua, dicho de otro modo, una única imagen en movimiento que, al fin y al cabo, es lo que los humanos podemos percibir. Por lo tanto, la exposición exacta es de 24 fotogramas por segundo, es decir, una película en la que por cada segundo de exposición a la luz pasan 24 fotogramas frente al proyector. Los personajes los observamos como personas en situaciones reales con movimientos reales, cuando en realidad hemos engañado a nuestra vista y nuestra mente, un ejemplo de lo cual puede verse en la figura 4.12. Sin embargo, si estos mismos fotogramas fuesen expuestos a una velocidad

diferente, nuestra vista percibiría esas mismas situaciones como no reales. La proporción es la siguiente: a mayor número de fotogramas expuestos por segundo, mayor sensación de lentitud; y a menor número de fotogramas expuestos por segundo, mayor sensación de rapidez. Por ejemplo, a 36 fotogramas por segundo, el ojo humano percibe una situación en lo que hoy en día se conoce como cámara lenta o slow motion, mientras que la misma imagen, o los mismos fotogramas, si se reproducen a un número menor de 24, por ejemplo a 18 fotogramas por segundo, nos da como resultado que logremos percibir esas mismas situaciones en cámara rápida, es decir, tanto los personajes como las actividades que estos desarrollan. El único detalle que ha cambiado es que por delante del proyector pasan menos exposiciones por segundo de los mismos fotogramas anteriores.

Figura 4.11. Dos naves lanzadas por la NASA dentro de la misión STEREO (Observatorio de Relaciones Sol y Tierra). Fotografía: NASA.

¿Cómo ha evolucionado el órgano de la visión en otros seres vivos? El reino animal abarca millones de especies y más de 95% de estas comparten una característica: el poder de la visión. Sin embargo, no existen dos especies que vean el mundo de la misma manera. Hay una gran variedad de ojos en el mundo animal; existen ojos con diferentes aspectos, tamaños y

Figura. 4.12. La frecuencia de aleteo de este colibrí coincide con los frames de la cámara, de manera que da la sensación de estar quieto suspendido en el aire. Fotografía: MaxPixel, https://www.maxpixel.net/Bird-InFlight-Colorful-Humming-Bird-Wildlife-2507644

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HUMANO

NAUTILO

TRILOBITES

¿Sabías que… ? La industria cinematográfica está probando el formato de 48 FPS, el doble de la tasa tradicional de 24 FPS. La primera película que se rodó en 48 FPS fue El hobbit (Peter Jackson). Al principio puede parecer que los movimientos son excesivamente rápidos, artificiales, pero esto solo es porque estamos acostumbrados a los 24 FPS. Con 48 FPS cada fotograma se expone durante menos tiempo a la luz porque se toman más imágenes por segundo, por eso la nitidez de cada frame es mayor.

configuraciones. Esto se debe a que los animales tienen estilos de vida diferentes, que les han hecho evolucionar para garantizar su supervivencia. Los ojos de los animales constituyen un excelente ejemplo de evolución convergente. Todos los ojos de los diferentes animales en todo el planeta actual no evolucionaron a partir del mismo ojo ancestral. De hecho, los ojos han evolucionado en diferentes linajes, pero, de forma extraordinaria, la evolución ha utilizado los mismos genes básicos para la creación de los ojos de criaturas tan extremadamente diferentes como la mosca, los calamares o el ser humano. A comienzos del periodo Cámbrico, hace 544 millones de años, el

Figura 4.13. Ojos de animales con distintas complejidades (de izquierda a derecha): humano, nautilo y trilobites. En la parte superior, el animal; en el medio, un montaje experimental, y abajo, un trazado de rayos. Fuentes: Sofiezborilova, Pixabay (arriba izquierda); Skeeze, Pixabay (arriba centro); Adolfo-atm, Pixabay (arriba derecha); IOSA (centro); Clara Benedí (abajo).

reino animal experimentó una etapa de transición, ya que aparecieron nuevas especies, incluyendo los ancestros marinos de dinosaurios, elefantes y humanos. Estas especies eran más grandes y con mayor movilidad que sus predecesores, desarrollaron armas de combate y, lo más crucial, los ojos. Los ojos de los trilobites son los primeros en aparecer en el registro fósil de ojos compuestos. Los trilobites son animales de extremidades articulares, que actualmente abarcan crustáceos, insectos y arañas, entre otros. Observado de cerca, el ojo compuesto consiste en dos estructuras redondas sobre la cabeza, en las que se aprecian pequeños cuerpos

circulares en una serie de filas, cada una de las cuales contiene varios de estos círculos, que son en realidad lentes (figura 4.13). El siguiente paso en la evolución del ojo podemos imaginarlo de la siguiente manera: si tenemos una lámina de células sensibles a la luminosidad y plegamos dicha lámina en forma de “U”, obtendríamos una figura cóncava denominada ojo en copa. Si seguimos plegando gradualmente, la copa se cierra sobre sí misma dejando solamente un agujero en la parte superior, lo que provee al ojo con un mecanismo similar al de una cámara

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estenopeica. El nautilo, un género de moluscos cefalópodos, cuenta con ojos de este tipo (figura 4.14), simples, que proveen una visión borrosa del entorno y poco detallada, pero permite determinar algunas formas simples. La clave para obtener una imagen más clara y que provea una buena visión se encuentra en las lentes. Cuanto mejor sea la lente, de mayor calidad será la imagen obtenida. La selección natural ha seguido trabajando generación tras generación, imponiendo en cada fase pequeñas mejoras sobre diferentes características, como la curvatura, la trasparencia de las lentes y de los medios oculares, hasta que finalmente se ha alcanzado un grado de evolución como el del ojo humano.

Sin embargo, encontramos en la naturaleza muchos ejemplos de animales con ojos más sorprendentes que los nuestros; por ejemplo, podemos destacar el primate llamado tarsero. Sus enormes ojos están fijos en el cráneo y no pueden girar en sus órbitas, desventaja que este animal compensa con un cuello que gira 360º. Siendo sus ojos más pesados y grandes que su cerebro, el tarsero tiene una vista muy aguda y una excelente visión nocturna. También es interesante el caso del pez duende, que incorpora en su sistema de visión un espejo que le permite ver hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo. Figura 4.14. La estructura del ojo del pulpo es muy similar a la del ojo humano.

Bibliografía Atchison, D. A. y Smith, G. (2000): Optics of the Human Eye, Oxford, Butterworth-Heinemann. Díaz, R. (2013): Arte, magia e ilusión: las ilusiones ópticas en el arte y otras producciones visuales, Madrid, CSIC. Kahle, W. y Frotscher, M. (2017): Atlas de anatomía con correlación clínica. Tomo 3, Sistema nervioso y órganos de los sentidos, Madrid, Editorial Médica Panamericana. Macknik, S. L., Martínez-Conde, S. y Blakeslee, S. (2012): Los engaños de la mente, Barcelona, Destino.

¿Sabías que… ? La estructura del ojo del pulpo es muy similar a la del ojo humano, excepto la estructura de la retina, que es al revés (las células sensibles a la luz se encuentran más cercanas al cristalino que el resto de las células de la retina). Esto indica que este tipo de ojo evolucionó de forma muy similar al nuestro, a pesar de seguir una ruta evolutiva tan distinta.

Fotografía: Edmondlafoto, Pixabay.

Puell, M. C. (2006): Óptica fisiológica: El sistema óptico del ojo y la visión binocular, Madrid, Universidad Complutense de Madrid. Schwartz, S. H. (2013): Geometrical and Visual Optics, Nueva York, McGraw Hill Professional. Stratton, G. M. (1986): “Some Preliminary Experiments on Vision without Inversion of the Retinal Image”, Psychological Review, 3 (6), pp. 611-617. Valenzuela, M. (2008): Anomalías en la visión del color, Publicatuslibros [Disponible en www. publicatuslibros.com].

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

4.1

¿CÓMO FUNCIONA EL OJO HUMANO? ¿Y EL DE OTROS OJOS ANIMALES? Anatomía del ojo

60 min (+)

Objetivo 1: Montar el ojo del nautilo. Objetivo 2: Construir e identificar las partes de un ojo humano y compararlas con las partes de una cámara fotográfica. MATERIALES • Pelota de plástico • Tubo de PVC o de cartón resistente • Lente convexa (lupa) • Linterna

El proceso de la visión es complejo y necesita 3 elementos básicos: ojo, cerebro y luz. Sin luz somos incapaces de ver. Sin embargo, en muchos casos es la óptica del ojo la que determina el tipo de visión. En este experimento podrás montar dos modelos de ojo diferentes, en los que intervienen diversos elementos ópticos: un agujero estenopeico y una lente. Por supuesto, la calidad de la imagen que llega a la retina no es igual. ¡Compruébalo!

Procedimento

• Trozo circular de plástico transparente de diámetro algo mayor que el tubo de PVC • Trozo de papel cebolla del mismo tamaño que el trozo circular de plástico • Cúter, tijeras, pegamento y cinta adhesiva

Iris

Diafragma

Retina

Película

Pupila

Abertura Cristalino

Objetivo

Figura 4.1.1. Formación de la imagen en el ojo y en una cámara de fotos. Fuente: Elaboración propia.

El nautilo El nautilo tiene el sistema visual más sencillo que te puedas imaginar: un simple agujero estenopeico que regula la cantidad de luz que entra, sin ningún tipo de lente. 1.Haz un pequeño agujero en una cartulina. ¡Puedes dibujar al animal sobre la cartulina! 2. Ilumina una diapositiva de forma que la imagen pase a través del agujero estenopeico. Coloca detrás del nautilo una cartulina blanca para ver cómo se forma la imagen.

Figura 4.1.2 Esquema del ojo del nautilo (izquierda) y montaje del experimento.

Fuente: IOSA. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

El ojo humano 1. Coge el plástico circular transparente y pégalo a un extremo del tubo de PVC. 2. Pega el trozo de papel cebolla sobre el plástico transparente. Aquí es donde se proyectará la imagen, es decir, será la retina. 3. Corta la pelota de plástico por la mitad, con la ayuda del cúter. ¡no te cortes! 4. Haz un agujero en el centro de cada una de las mitades. Por uno de los agujeros pasará el tubo de PVC y en el otro se colocará la lente (lupa). Esta lente representará el conjunto de córnea y cristalino. 5. Inserta el tubo de PVC de manera que el plástico y el papel cebolla queden en la parte interna de la pelota.

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4.1

EXPERIMENTO ¿CÓMO

FUNCIONA EL OJO HUMANO? ¿Y EL DE OTROS OJOS ANIMALES?

Figura 4.1.3. Cómo utilizar el ojo modelo (izquierda). Mirando a través del ojo modelo (derecha). Fotografía: Eliezer Sánchez González/ Cultura Científica (CSIC)/ IOSA.

6. Ajusta la distancia entre la lupa y el papel hasta obtener una imagen enfocada. 7. Junta las dos mitades de la pelota y fíjalas con celo.

Explicación La luz entra en el ojo a través de la córnea (la lupa en nuestro experimento). El iris controla los músculos que alteran el tamaño de la pupila con el fin de ajustar la cantidad de luz que entra al ojo (en este caso el orificio que simula la pupila es de tamaño fijo). Después de pasar a través de la pupila, la luz llega al cristalino (la lupa), que enfoca la luz en la retina (el círculo transparente recubierto de papel de cebolla). La retina contiene miles de células que son sensibles a la luz y ayudan a transformar esta en un mensaje neural para que el cerebro lo interprete como una imagen. El ojo equivale ópticamente a la cámara fotográfica corriente, tiene un sistema de lentes, un sistema de apertura variable (la pupila), y una retina que corresponde a la placa fotográfica sobre la cual se proyectan las imágenes. La araña saltadora (Salticidae) tiene uno de los mejores sistemas visuales del mundo de los invertebrados. En total tiene ocho ojos, seis laterales y dos en la parte delantera de su cabeza, de modo que le proporcionan una especie de visión periférica. Los ojos principales se sitúan en la parte delantera, y le permiten localizar a sus presas y cazarlas. Estos ojos disponen de dos lentes como nuestra córnea, que hacen un primer filtrado de la luz, pero después disponen de dos estructuras tubulares que llegan hasta una segunda lente. El sistema de dos lentes hace que las arañas saltadoras vean el mundo a través de dos pequeños telescopios que pueden ir moviendo y ajustando. Al igual que nosotros acomodamos cambiando la forma de nuestro cristalino para cambiar la distancia focal, la araña enfoca con diferentes capas de su retina. Tiene una sucesión de fotorreceptores dispuestos en una especie de escalera, que le permite percibir con nitidez objetos a distintas distancias en función de donde dirija el estímulo, es decir, una capa recibe las imágenes enfocadas y la otra las recibe borrosas. Cuanto más desenfocada aparece la imagen en esta capa, más cerca del ojo se encuentra el objeto. Este detalle permite a la araña calcular la distancia exacta que tiene que saltar para atrapar a su presa. La segunda, tercera y cuarta capas son responsables de la visión del color, y la primera capa funciona en alta agudeza y percepción de forma. Combinando las cuatro capas, la araña tiene visión en 3D.

Trucos Puedes pintar la pelota de blanco para que se parezca más a un ojo, así como el iris alrededor de la lupa.

Veamos lo que has aprendido • ¿Cómo tiene que ser la imagen en la retina? • La parte de la retina que estamos observando ¿cuál sería y por qué?

Experimentos relacionados Experimento 3.6. De una caja de zapatos a una cámara de fotos.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

4.2

¿QUÉ COSAS OCURREN EN TU RETINA?

Objetivo 1: Observar posimágenes. Objetivo 2: Verificar la existencia del punto ciego en la retina y calcular, teniendo en cuenta las distancias, qué ángulo forman la fóvea y el punto ciego. Objetivo 3: Comprobar cómo el cerebro puede formar una sola imagen completa aunque solo veamos diferentes trozos por separado.

Retina, fotorreceptores, persistencia retiniana,

MATERIALES

luz, formación de imagen

30 min (+)

• Linterna • Cartón • Regla • Folio blanco • Celo o cinta adhesiva

• Cúter • Bolígrafo • Tubo de cartón largo (como el de papel de cocina) • Cartulina negra

El funcionamiento de nuestro cuerpo se basa en numerosas reacciones químicas. Por ejemplo, en el proceso de transformación de la señal luminosa que llega a la retina en un impulso nervioso se produce también una reacción química. Con este experimento podrás comprobar y alterar estos procesos. La retina es la parte del ojo que recibe la información de la imagen que estamos viendo, como el sensor en una cámara fotográfica. Para que toda esta información pueda ser enviada al cerebro se utiliza el nervio óptico, el “cable” que comunica ambos órganos. La zona de unión entre el nervio óptico y la retina carece de fotorreceptores, las células sensibles a la luz, por lo que es una zona ciega. ¿No te lo crees? ¡Compruébalo tú mismo!

Procedimiento Experimento con la luz de una linterna 1. Con ayuda del cúter recorta una figura sencilla en el cartón (un cuadrado o un triángulo). 2. Métete en una habitación oscura. 3. Coloca la linterna detrás del agujero para que la luz atraviese la zona recortada, sin que sobresalga por los lados del cartón. Pues mantener el cartón de pie sujeto por libros a ambos lados, por ejemplo. 4. Mantén el cartón y la linterna separados de ti la longitud de tu brazo. 5. Mira al agujero brillante durante 30 segundos. 6. A continuación, mira una pared en blanco y parpadea un par de veces. ¿Qué es lo que ves? ¿De qué color es? 7. Ahora mira la palma de tu mano y de nuevo la pared. ¿Qué diferencias hay? Experimento con una cruz y un círculo

Figura 4.2.1. Montaje del experimento. La linterna está colocada detrás del cartón. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

1. Dibuja una cruz y un círculo en un papel separados entre sí unos 12 o 15 cm. 2. Coloca el papel a unos 15 cm de tus ojos. 3. Tápate el ojo izquierdo y mira la cruz con el derecho. 4. Ahora mismo, la cruz está enfocada en la fóvea y el círculo en una zona periférica de la retina. 5. Aleja poco a poco el papel sin dejar de mirar a la cruz. 6. Llegará un momento en el que el círculo desaparezca. ¡Es porque está siendo proyectado sobre tu punto ciego de la retina! 7. ¿A qué distancia de tu ojo tienes que colocar el papel para que dejes de ver el círculo? Experimento con un tubo con una rendija 1. Recorta un trozo de cartulina negra para formar una tapa en uno de los extremos del tubo. Hazlo más grande para que puedas pegarlo en el tubo.

Fóvea

Punto ciego Retina periférica

Nervio óptico

Figura 4.2.2. Partes del ojo que intervienen en la detección del punto ciego. Fuente: IOSA.

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4.2

EXPERIMENTO ¿QUÉ

COSAS OCURREN EN TU RETINA?

2. En mitad del círculo que acabas de hacer, recorta un rectángulo de 2,5 cm de largo y 3 mm de ancho (¡milímetros! Tiene que ser una rendija muy fina). 3. Guiña un ojo y coloca el tubo por el extremo abierto en el otro. No puedes ver mucho, pero si vas moviendo el tubo (con la cabeza y el cuerpo quietos), aunque solo veas trozos de la imagen pequeños, en tu cabeza estás viendo la imagen completa. ¡Mueve el tubo a diferentes velocidades y comprueba qué pasa!

Explicación

Figura 4.2.3. Montaje del experimento. Fotografía: IOSA..

Lo que está ocurriendo en la primera parte de este experimento es que, al observar durante mucho tiempo una luz brillante, los bastones de la retina se saturan. Los bastones contienen una proteína llamada rodopsina, la cual es sensible al estímulo luminoso. Cuando recibe luz se rompe, y en la oscuridad se vuelve a formar. Al estimular la proteína con tanta intensidad de luz, el proceso de regeneración tarda más, lo que se convierte en unos segundos de “ceguera”. La saturación que estamos produciendo en el experimento es de forma localizada y por eso se mantiene la forma (el triángulo o el cuadrado) de la figura que hemos hecho en el cartón. La imagen que ves se llama postimagen. En el segundo experimento, siempre que mantengas la mirada fija en la cruz, esta va a ser proyectada en la fóvea, el punto de máxima agudeza visual, y todo lo que esté alrededor (en este caso, el círculo) en el resto de la retina. Si vas desplazando el papel, pero mantienes la mirada fija en la cruz, esta va a seguir estando proyectada en la fóvea, mientras que la proyección de la cruz se va a ir desplazando sobre toda la retina, hasta que llegue un momento en el que coincida con el punto ciego, donde no hay células fotosensibles, y por tanto se deje de ver. Con un poquito de trigonometría podemos calcular cuál es la separación entre la fóvea, zona de mayor agudeza visual, y el punto ciego en la retina. El ángulo (a) en cuestión es igual al que subtiende el círculo con respecto a la cruz: α = arctg

12 o 15 cm d

En el tercer experimento, la distancia (d) es una aproximación, ya que se puede medir desde el vértice del ojo y no desde centro de rotación, por lo que hay que tener en cuenta que este valor siempre va a ser algo mayor. En este experimento probamos lo que se conoce como persistencia visual. El ojo y el cerebro retienen las imágenes durante una pequeña fracción de segundo. Cuando mueves el tubo rápidamente, el cerebro retiene las fracciones de las imágenes el tiempo suficiente para formar una imagen completa de lo que estás viendo.

12 cm a =d

a

Figura 4.2.4. Cómo calcular el ángulo del punto ciego. Fotografía: IOSA.

Trucos • Puedes jugar todavía un poquito más con las posimágenes. Cubre tus ojos durante 10 minutos. Pasado ese tiempo, destápalos, abre los ojos y observa una escena bien iluminada durante medio segundo. Luego vuelve a cerrar los ojos. Te va a parecer que aun con los ojos cerrados sigues viendo la escena. • Puedes complicar un poco el experimento de las posimágenes jugando con los dos ojos. Repite el mismo proceso, pero esta vez observa la figura iluminada con solo uno de ellos, manteniendo el otro cerrado. Prueba a mirar otra vez a la pared, primero con un ojo y luego con el otro. Verás que este efecto solo ocurre en el ojo que ha sido expuesto a la gran intensidad de luz. • En el segundo experimento, para que te sea más fácil medir la distancia desde tu ojo al papel, colócate marcas de posicionamiento y sitúa el papel en algún soporte para que el desplazamiento sea más uniforme.

Veamos lo que has aprendido • En el experimento de la posimagen, ¿por qué cuando se hace el experimento con un solo ojo el efecto no se transfiere al otro? • ¿Por qué no solemos darnos cuenta de la existencia del punto ciego? • ¿A qué ángulo está aproximadamente el punto ciego del eje óptico?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

4.3

Y TÚ, ¿DE QUÉ COLOR LO VES? Color, contraste

30 min (+)

Objetivo 1: Observar colores bajo diferentes condiciones y ver cómo cambia nuestra percepción de los mismos. MATERIALES • Tijeras • Pegamento y celo • Papel translúcido gris (o cinta adhesiva gris)

• Regla • Cartulina negra y blanca • Papel translúcido de colores: amarillo, morado, dos tonos de azul y dos tonos de naranja

La percepción de los colores juega un papel importante en nuestra vida. En febrero de 2015, la foto de un vestido empezó a circular por las redes sociales y causó cierto revuelo en internet. ¿Qué tenía de especial el vestido? Aparentemente era un vestido normal, pero la mitad de la población mundial lo veía dorado y blanco y la otra mitad, negro y azul. Puedes buscar la foto del vestido en internet. En este experimento veremos cómo ciertos factores afectan a cómo percibimos los colores, y cómo nuestro cerebro nos puede engañar.

Procedimiento Experimento con cartulinas de colores 1. Recorta por la mitad una de las cartulinas naranjas y otra de las azules. Hazlo de forma que cojas la azul del tono más oscuro y la naranja del tono más claro. Pega dos de las mitades de diferente color con celo y deja boca arriba la parte que no tenga celo. Este será nuestro nuevo fondo. 2. Del resto de los colores (excepto gris, negro, blanco y los que hayas utilizado para hacer el fondo), recorta cuadrados iguales de cada color y una tira rectangular (de los mismos colores). 3. Coge dos cuadrados del mismo color y pégalos a la misma distancia en el fondo que has preparado en el paso 1. Cada cuadrado debe estar en un color diferente. Repite este paso con todos los cuadrados. 4. Pregúntale a un amigo qué color le parece más claro o más oscuro. Une los cuadrados con la tira rectangular del mismo color y demuéstrale que, a pesar del fondo, ¡el color es el mismo! Experimento con cartulinas blancas, negras y grises 1. Recorta ocho tiras de cartulina negra de 1,50 cm de ancho y 20 cm de largo. 2. Pega las tiras sobre la cartulina blanca formando barras horizontales, dejando 1,50 cm de separación entre ellas. 3. Recorta ocho tiras de 1,50 cm de ancho y 5 cm de largo del papel translúcido o cinta adhesiva gris. Si utilizas cinta adhesiva, pégala antes sobre un trozo de papel para que la puedas mover sin problema. Coloca cuatro tiras grises en el lado derecho de la cartulina que has preparado en el punto 2. Ponlas sobre cuatro rayas negras consecutivas. 4. Coloca otras cuatro tiras grises en el lado opuesto y a diferente altura que las anteriores (empieza más arriba o más abajo) sobre las partes blancas. 5. ¿Te parece el mismo tono de gris? Ve moviendo las tiras grises y observa lo que pasa.

Figura 4.3.1. Experimento con las cartulinas de colores.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/ IOSA.

Figura 4.3.2. Montaje del experimento con las cartulinas blancas, negras y grises. Fotografía: IOSA.

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4.3

EXPERIMENTO Y

TÚ, ¿DE QUÉ COLOR LO VES?

Figura 4.3.3. Percepción visual de los colores en tus experimentos. Fotografía: IOSA.

Explicación Los conos son los encargados de procesar la visión del color. Tenemos tres tipos diferentes de conos, y cada uno de ellos es sensible a un color diferente. Esto hace que distingamos muchos colores, pero también que podamos confundirlos. Por eso, si colocamos un color azul claro sobre un fondo azul oscuro, este va a aparecer más brillante, ya que los conos que procesan este color están centrados en el color azul oscuro que está de fondo, y el resto de los conos no son tan sensibles a ese color. Algo parecido es lo que sucede en el experimento del gris con el negro y el blanco. Al ir cambiando las tiras grises de posición, se puede observar que en algún momento parecen ser del mismo tono de gris (cuando se encuentran paralelas sobre negro o blanco las dos tiras a la vez); pero, cuando están intercaladas, una entre tiras negras y otra entre tiras blancas, el tono de gris es notablemente diferente. También las tiras negras parecen más oscuras en algunas zonas y más claras en otras. Sabiendo que el tono de gris y negro es siempre el mismo, ¿esto a qué se debe? Pues bien, se debe a cómo procesa la información de luz y oscuridad nuestro ojo. La claridad es una propiedad relacionada con la cantidad de luz que los objetos reflejen, y esto se procesa en conjunto con la imagen que observamos, no somos capaces de separar un objeto de otro. Si tapamos las líneas negras y solo vemos blanco y gris, el blanco refleja un 80% de la luz que recibe, creando un entorno muy luminoso, por lo que el gris se ve afectado. Sin embargo, si tapamos el blanco y solo vemos el negro, se refleja un 5% de la luz que recibe, y el entorno se oscurece mucho. El gris tiene la capacidad de reflejar del 10 al 70% de la luz que recibe dependiendo de su entorno, por lo que… ¡ahora ya lo entendemos! Esto se conoce como constancia de claridad.

Trucos • Prueba a cambiar los fondos, pon colores más oscuros o más claros para ver qué fondo provoca que lo que coloques encima se perciba más claro o más oscuro. El contraste también funciona a la inversa: colores diferentes pueden parecer iguales. • Intenta coger dos colores similares pero diferenciables a simple vista, y encuentra un fondo donde ambos parezcan iguales.

Veamos lo que has aprendido ¿Por qué el fondo sobre el que vemos el objeto afecta al color del que ves los cuadrados?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

4.4

¿POR QUÉ HAY PERSONAS QUE LLEVAN GAFAS? Formación de imagen, defectos refractivos, retina

1 h (+)

Objetivo 1: Comprender por qué hay ojos miopes y ojos hipermétropes. Objetivo 2: Explicar cómo se corrigen tales defectos refractivos. MATERIALES • Una pecera con agua • Una lupa (si no tienes, puedes colocar una lente convergente dentro de un rollo de cartón)

El tamaño del globo ocular y la forma de la córnea tienen unos parámetros que permiten que los rayos paralelos que llegan a nuestros ojos enfoquen sobre la retina con nitidez. Cuando uno o varios de estos parámetros no cumplen la regla, las imágenes que se forman en la retina están emborronadas. Esto es lo que se conoce como defectos refractivos, como vimos en la figura 4.9. ¡Experimentemos con la miopía y la hipermetropía!

• Una lente convergente y otra divergente • Linterna • Una letra impresa en papel de acetato, que hará de imagen • Cartulina negra y blanca DINA4 • Plastilina (opcional)

Figura 4.4.1. Materiales. Fotografía: IOSA.

Procedimiento 1. Recorta un agujero en la mitad de la parte inferior de la cartulina negra. Pega en este orificio la imagen de la letra. 2. Sitúa la lupa detrás de la cartulina negra a una distancia no muy lejana. 3. En la misma línea de mirada, coloca la pecera llena de agua y pega la cartulina blanca en el lado opuesto al más cercano a la lupa. Esta será la retina de nuestro ojo experimental. 4. Una vez situados todos los elementos en línea recta, ilumina la imagen con la linterna para formar la imagen en la retina (la pantalla). Mueve la lupa hasta formar una imagen nítida de la letra. 5. Has creado un ojo emétrope, es decir un ojo sin defectos refractivos.

Figura 4.4.2. Formación de la imagen en un ojo. Fotografía: IOSA.

Figura 4.4.3. Compensación de una hipermetropía simulada mediante el acercamiento de la cubeta. Fotografía: IOSA.

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4.4

EXPERIMENTO ¿POR

QUÉ HAY PERSONAS QUE LLEVAN GAFAS?

6. Para simular un ojo con miopía, alejaremos la retina de su posición inicial. Es decir, la imagen se formará antes de la pantalla. Puedes comprobarlo con la ayuda de una cartulina blanca extra. 7. Para simular un ojo hipermétrope, seguiremos el mismo procedimiento, pero esta vez acercando la retina respecto a la posición inicial. La imagen se formará por detrás de la retina. Como en el caso anterior, puedes comprobarlo utilizando otra cartulina blanca. 8. Una vez que has creado un ojo miope e hipermétrope, ¿cómo hacemos que estos ojos sean emétropes? Para corregir la miopía y la hipermetropía, es decir, hacer que la imagen formada delante o detrás de la retina se forme en la retina, ponemos delante de la lupa una lente divergente (negativa) o convergente (positiva). ¡Adivina cuál es cuál! OJO MIOPE

OJO HIPERMÉTROPE

MIOPE COMPENSADO

HIPERMÉTROPE COMPENSADO

OJO EMÉTROPE

Figura 4.4.4. Simulación mediante trazado de rayos de las diferentes ametropías. Fotografía: IOSA.

Explicación El defecto refractivo se puede considerar como un error en la potencia debido a un desajuste entre la potencia equivalente (potencia de córnea, cristalino) y la longitud del ojo. Por ejemplo, si la potencia equivalente es demasiado alta para una determinada longitud del ojo, la imagen se forma delante de la retina y esto resulta en un error refractivo miópico. Si la potencia es demasiado baja en relación a la longitud del ojo, la imagen se forma detrás de la retina y resulta en un error refractivo hipermetrópico. Para corregir un ojo miope se interpone una lente divergente (negativa), en cambio un ojo hipermétrope se corrige con una lente convergente (positiva) (figura 4.4.4).

Veamos lo que has aprendido • ¿Qué es un ojo emétrope? ¿Qué diferencia hay entre un ojo miope y un ojo hipermétrope? • Si una persona está corregida con gafas o lentes de contacto divergentes o negativas, ¿qué defecto refractivo tiene?

Experimentos relacionados Experimento 4.1. ¿Cómo funciona el ojo humano? ¿Y el de otros ojos animales?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

4.5

¿VEMOS CON LOS DOS OJOS? Visión binocular, visión simultánea, fusión, estereopsis, percepción de la distancia

30 min (+)

Objetivo 1: Experimentar el primer grado que da lugar a la visión binocular: la visión simultánea. Objetivo 2: Experimentar el tercer grado que da lugar a la visión binocular: la estereopsis. MATERIALES • Un folio • Dos cartulinas • Plantilla para gafas • Papel de celofán rojo y azul • Una caja de zapatos con la tapa

• Tijeras • Celo o cinta adhesiva • 2 pajitas de beber • Dos monedas de diferente tamaño o dos círculos de cartón de diferentes tamaños • Folio o cartulina de un color que contraste con el interior de la caja de zapatos

Si tenemos dos ojos no es por capricho de la naturaleza. El tener una visión binocular (figura 4.10) nos proporciona una visión en profundidad, pero para llegar a ello es necesario cumplir una serie de grados previos: la visión simultánea (primer grado), la fusión (segundo grado) y finalmente la estereopsis, es decir, visión en profundidad (tercer grado). Cuando una persona no tiene visión en profundidad (le ocurre a un 8% de la población) y, por ejemplo, no es capaz de ver películas 3D, puede ser porque le fallen cualquiera de los tres grados de la visión binocular, pero ¿cómo puedes saber si tú tienes visión binocular?

Procedimiento Visión simultánea y fusión 1. Coge el folio y enróllalo a lo largo. 2. Colócalo delante de tu ojo derecho (te será más fácil en el izquierdo si eres zurdo) y mira a través de él como si fuera un catalejo. Debes mantener el otro ojo abierto. 3. Inclina el tubo ligeramente hacia la nariz. 4. A mitad del tubo coloca tu mano abierta, con la palma mirando hacia ti. 5. Desplázala a lo largo del folio. ¿Qué ocurre? (figura 4.5.1). Estereopsis

Figura 4.5.1. Posición y resultado del experimento cuando se tiene visión binocular: una mano con agujero. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

1. En una cartulina dibuja dos veces la forma de una gafa. 2. Recorta ambas plantillas, incluidos los espacios por donde mirarás (los llamaremos ventanas). 3. Recorta dos trozos de celofán, uno de color rojo y otro de color azul, de un tamaño mayor que las ventanas que has recortado anteriormente. 4. Pega los trozos de celofán sobre el borde de la ventana. Procura que queden lo más estirados posible. 5. Pega encima la segunda forma de cartulina que has recortado, haciendo que ambas coincidan y dejando los cuadrados de celofán en el centro. 6. Dobla la cartulina para dar forma a las patillas. 7. Busca en internet “vídeo anaglifos” y míralo con las gafas puestas. ¿Qué diferencia hay si no te las pones? (figura 4.5.2).

Figura 4.5.2. Visión de un anaglifo a través de las gafas rojo-azul. Fotografía: IOSA.

¿Distancia correcta? 1. Coge la caja de zapatos y quítale la tapa. 2. Recorta una ventana de 8 x 13 cm en uno de los lados cortos de la caja y haz un agujero en el centro del rectángulo recortado. El agujero debe ser de 0,5 cm de diámetro, para que veas bien a través de él con un ojo.

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4.5

EXPERIMENTO ¿VEMOS

CON LOS DOS OJOS?

3. Tapa con el rectángulo la ventana que has hecho en la caja. Para ello, pon celo en la parte inferior del rectángulo y pégalo a la parte inferior de la ventana. La ventana debe quedar tapada por el rectángulo. 4. En el lado opuesto de la caja (enfrente de donde acabas de hacer la ventana), haz un agujero para cada pajita. Hazlos de forma que queden a la misma altura, con un poco de separación entre ellos y que las pajitas queden sujetas. 5. Recorta la cartulina para que tenga la misma altura que la caja. El ancho de la cartulina debe ser mayor que el de la caja, para poder hacer unas solapas. Haz dos agujeros en la cartulina, a la misma altura y distancia que los que has hecho en la caja de zapatos. Cada pajita debe pasar por Figura 4.5.3. Descripción del montaje (izquierda) y montaje experimental (derecha). Fuentes: IOSA. estos agujeros. 6. Pega la cartulina a la caja. Para ello, coloca las solapas hacia donde están los orificios de las pajitas, de forma que a través de la ventana de la caja no se vean las solapas. 7. Introduce las pajitas por los orificios. Al estar también el orificio de la cartulina, las pajitas se mantendrán rectas y alineadas. 8. Utiliza las dos monedas de diferente tamaño para recortar dos círculos de diferente tamaño. El color de los círculos debe contrastar con el color del interior de la caja. Pega cada círculo al extremo de una pajita y… ¡vamos a empezar! 9. Coloca las pajitas a distancias diferentes de la ventana. Mira a través del orificio de la ventana e intenta mover una de las pajitas hasta que te parezca que los dos círculos tienen el mismo tamaño. Cuando estés seguro, despega la ventana y compruébalo con los dos ojos.

Explicación En el primer experimento estamos forzando a que cada ojo vea una cosa diferente, con uno el agujero y con el otro la mano. Si existe visión simultánea, vas a ver ambas imágenes. Si además tu cerebro tiene la capacidad de fusionar, verás como si tu mano tuviera un agujero (ambas imágenes se superponen). La posición del agujero sobre la mano depende de la distancia a la que tengas tu mano con respecto a ti mismo. En el segundo experimento tu ojo de nuevo está recibiendo dos imágenes diferentes (anaglifos), una azulada y otra rojiza, pero de la misma escena. Además, si te fijas en la escena, las imágenes están desplazadas lateralmente una respecto a la otra. Al ser imágenes diferentes, tu cerebro puede fusionarlas y darles profundidad. Cuanto más desplazas estén entre sí, más diferentes van a ser, y el cerebro les otorgará mayor profundidad. En el tercer experimento vemos que, al estar mirando solo con un ojo, la percepción de la profundidad se ve afectada. Es complicado saber qué círculo está más lejos y cuánto. Al comprobarlo con los dos ojos, tenemos dos imágenes diferentes (una por cada ojo), y eso proporciona suficiente información para que nuestro cerebro analice y discrimine el tamaño, la forma y la distancia de los objetos.

Trucos En internet hay páginas web para generar tus propios anaglifos a partir de imágenes propias. ¡Puedes probar con una fotografía tuya graciosa!

Veamos lo que has aprendido ¿Crees que podemos diferenciar profundidad con un solo ojo?

Experimentos relacionados Experimento 4.1. ¿Cómo funciona el ojo humano? ¿Y el de otros animales?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

4.6

¿CÓMO VEMOS EL MOVIMIENTO? Persistencia retiniana, cine

Objetivo 1: Construir un taumátropo. Objetivo 2: Construir un zoótropo. MATERIALES • Folio • Pajita • Rotuladores • Pegamento

• Cartón duro • Cartulina negra • Vaso de plástico • Chinchetas

45 min (+)

Por las características de la visión, se pueden hacer juegos que crean ilusiones, pero con un principio físico detrás de ellos. Ya en 1824, John Ayrton Paris lo sabía e inventó el taumátropo, aparato con el que pretendía demostrar la persistencia retiniana, pero que acabó convirtiéndose en un popular juego de la Inglaterra victoriana. Lo mismo ocurrió con el zoótropo, creado en 1834 por William George Horner, tras el que se esconde el mismo concepto y que, en este caso, fue el precursor de los inicios del cine. Tú también puedes construir ambos aparatos y comprobar por ti mismo lo que John y William ya conocían.

Procedimiento Construcción del taumátropo 1. Coge un folio y dóblalo por la mitad. 2. Dibuja en uno de los lados un pez y en el otro, una pecera. Ambos dibujos deben tener la misma orientación. Comprueba que el pez es más pequeño que la pecera. 3. Pega el folio, colocando la pajita entre ambas caras. 4. Gira la pajita sobre sí misma rápidamente y mira al papel. ¡El pez está dentro de la pecera!

Figura 4.6.1. Taumátropo por ambos lados.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/ Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Construcción del zoótropo 1. Pega los dos extremos de la cartulina. 2. Pega el rectángulo de cartulina por el otro lado del cartón, de manera que quede un cilindro (tambor). Con los triángulos de uno de los bordes será más fácil darle la forma circular. Para que las pestañas no se vean, lo puedes tapar con el otro círculo de cartulina negra. 3. Para que el tambor gire, coge un vaso de plástico, colócalo boca abajo y pégale un trozo de cartón del tamaño de una moneda. Coloca el tambor encima y sujétalo con una chincheta. 4. En una cartulina blanca de 50 cm de ancho y 5,5 cm de alto dibuja una serie de dibujos secuenciales. Por ejemplo, un animal corriendo. 5. Pega los extremos de la cartulina e introdúcelo en el tambor. 6. Gira el tambor y mira a través de las ventanitas. ¡Verás cómo parece que ves a un animal corriendo!

Figura 4.6.2. Plantilla para hacer el zoótropo. Fuente: Elaboración propia.

Figura 4.6.3. Medidas de la cartulina negra y de las partes a montar para la construcción del zoótropo y recorte. Fotografía: IOSA.

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4.6

EXPERIMENTO ¿CÓMO

VEMOS EL MOVIMIENTO?

Figura 4.6.4. Resultado final del montaje experimental y la tira de imágenes en movimiento. Fotografía: IOSA.

Explicación Detrás de ambos experimentos se encuentra el mismo principio: una imagen proyectada en la retina permanece en ella un tiempo muy pequeño, 0,1 segundos, antes de desaparecer por completo. Si tras esta imagen se presenta otra a continuación, el cerebro las va a interpretar como juntas. Por eso en el primer caso el pez parecía estar dentro de la pecera, porque las dos imágenes se solapaban, y por eso también podemos construir una ilusión de movimiento a través de dibujos estáticos utilizando el zoótropo.

Trucos Para la primera parte puedes utilizar infinitos pares de imágenes: un pájaro y una jaula, un huevo frito y una sartén, una ventana y una cara, un ramo y un jarrón, las dos caras de una moneda… ¡Imaginación al poder! Lo mismo ocurre en la segunda parte: un globo que se va volando, una persona corriendo, alguien metiendo una canasta o un trapecista. ¡Tú pones los límites! En internet tienes un montón de opciones disponibles que puedes imprimir y utilizar.

Veamos lo que has aprendido En la segunda parte, ¿por qué la tira de imágenes se mete en un tambor y hay que mirar a través de las ventanas?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

4.7

¡NO PODRÁS CREER LO QUE VES!

Objetivo 1: Comprender el efecto psicofísico detrás de la ilusión óptica del disco de Benham y sus variaciones. Objetivo 2: Comprender la ilusión de Helmholtz, en su habitual formato con cuadrados de líneas verticales y en su forma humana tridimensional. MATERIALES

Ilusiones ópticas

30 min (+)

• Cartón • Tijeras • Pegamento • Regla • Palillo

• Pequeño cilindro de madera • Plantilla de disco de Benham • Hoja de papel (mejor cuadriculada) • Bolígrafo

Las ilusiones ópticas son fenómenos bastante sencillos que consiguen engañar a nuestro cerebro. Por ejemplo, un círculo con una mitad negra y la otra blanca y unas líneas negras dibujadas. Una estructura muy sencilla que, girándola rápidamente, hará que veas diferentes colores. Este fenómeno se llama “disco de Benham”, y hay gente que ve rojo, verde, azul, marrón… Y tú, ¿qué colores ves? Seguro que alguna vez has escuchado eso de que las camisas con rayas verticales estilizan la figura porque hacen parecer más alto y delgado, mientras que las camisas con rayas horizontales tienen justo el efecto contrario, pero, ¿es esto cierto? Con solamente un papel y un bolígrafo podrás comprobarlo. ¡Así de fácil!

Figura 4.7.1. Disco de Benham.

Fuente: Selket, Wikimedia Commons.

Procedimiento Disco de Benham 1. Recorta un círculo en el cartón del mismo tamaño que el disco que vas a utilizar. Puedes utilizar la plantilla para dibujar el disco de Benham o imprimirlo por internet. Marca el centro del círculo de cartón con una X. 2. Pega la plantilla del disco sobre el cartón. 3. Utiliza el palillo para perforar la X. 4. Introduce el pequeño cilindro de madera. 5. Gira tu disco con la plantilla hacia arriba y presta atención a las líneas. ¿Qué notas? Teoría del cuadrado de Helmholtz

Figura 4.7.2. Montaje del disco de Benham. Fuente: IOSA.

1. Dibuja en un papel el mismo número de líneas verticales y horizontales, equidistantes entre sí. Tendrás dos cuadrados de áreas idénticas. 2. ¿Qué grupo de líneas te parece más estrecho y alargado? 3. Ahora haz de modelo, vístete con ropa de rayas, verticales y horizontales. ¿Cuál crees que te estiliza más? Diferentes ilusiones ópticas 1. Fíjate en la figura 4.7.4, ¡los círculos parecen moverse! 2. Si ahora observas la figura 4.7.5, ¿eres capaz de ver los puntos negros que hay en los círculos blancos? ¿Desaparecen cuando los miras?

Figura 4.7.3. Teoría del cuadrado de Helmholtz Fuente: IOSA.

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4.7

EXPERIMENTO ¡NO

PODRÁS CREER LO QUE VES!

Figura 4.7.4. Ilusión óptica de las serpientes giratorias. Fuente: Wikimedia Commons.

Figura 4.7.5. La cuadrícula centelleante. Fuente: Wikimedia Commons.

Explicación En el disco de Benham tenemos solamente dos colores: el blanco y el negro. Para poder ver el color blanco, los tres tipos de conos deben responder por igual, sin embargo, en cada persona tienen tiempos de respuesta diferentes. Como en esta plantilla ambos colores, el negro y el blanco, se están alternando rápidamente, cada persona ve tonalidades distintas, según respondan los receptores del color Si variamos la velocidad de giro del disco veremos cómo varía la saturación de los colores que percibimos y, además, si variamos la dirección de giro del disco observaremos cómo se invierten los colores. Helmholtz (1867) comprobó que un cuadrado compuesto de líneas horizontales parece ser demasiado alto, y uno compuesto de líneas verticales parece demasiado ancho. Este efecto se observa en situaciones de la vida cotidiana como, por ejemplo, una habitación vacía que parece más pequeña que una que está amueblada y una pared cubierta con un patrón de papel que se ve más grande que una pintada uniformemente de un solo color. La explicación exacta aún se desconoce, pero se han realizado estudios, el último dirigido por el psicólogo experto en percepción Peter Thomson, en el que se confirmó esta teoría. En las figuras humanas este efecto de la delgadez o anchura se observa sobre todo en las caderas; el patrón verticalmente rayado hace que las caderas parezcan más anchas, siendo el contorno de la silueta el mismo, por lo que se puede desmentir que las rayas verticales tengan un efecto adelgazante. La figura 4.7.4 muestra una ilusión óptica conocida como serpientes giratorias, creada por el científico Akiyoshi Kitaoka. Estos círculos se crearon siguiendo unos patrones de colores y sombras similares a los que recibimos de un objeto en movimiento. Es por eso por lo que parece que están en continuo movimiento. Este tipo de ilusión afecta a la visión periférica, si miramos fijamente un solo círculo el movimiento se detendrá. La figura 4.7.5 muestra la ilusión óptica de la cuadrícula centelleante, una variante de la rejilla de Hermann. Esta ilusión óptica se debe al complejo funcionamiento de las células ganglionares que forman la retina y al proceso de inhibición lateral. Esto, en resumidas cuentas, significa que la intensidad del punto concreto es el resultado de la suma de diferentes células, por lo que la distancia entre las líneas de la cuadrícula hace que nuestras células se confundan y omitan la intersección entre cuadrados.

Trucos • No todo el mundo ve lo mismo cuando el disco gira, prueba con tus amigos. • Busca ilusiones ópticas en internet y ¡descubre cómo engañar a tu cerebro de forma fascinante!

Veamos lo que has aprendido • ¿Por qué es necesario que el disco de Benham gire? • Si quieres recomendar a alguien un tipo de estampado para estilizar su figura, ¿qué le recomendarías?, ¿rayas verticales u horizontales?

Experimentos relacionados Experimento 4.6. ¿Cómo vemos el movimiento?

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5. La luz en la naturaleza

L

os fenómenos ópticos en la naturaleza son generalmente debidos a interacciones entre la luz solar y la atmósfera, las nubes, el agua, el polvo y otras partículas y materiales, animales y plantas, e incluso objetos, tanto naturales como creados por la mano del hombre. Desde las puestas de sol a los arcoíris, pasando por los azules y verdes de los océanos y la increíble variedad de colores de animales y plantas, la naturaleza nos muestra multitud de ejemplos de fenómenos ópticos. Algunos son consecuencia del comportamiento dual de la luz como partícula y como onda. Algunos son fácilmente observables, como el arcoíris, y otros solo pueden observados y medidos mediante precisa instrumentación científica, como, por ejemplo, la curvatura de la luz de una

estrella por el sol durante un eclipse solar, demostrando la curvatura del espacio tal y como predice la teoría de la relatividad.

Reflexión y refracción Como hemos visto en capítulos anteriores, la luz se propaga por el camino más rápido y en línea recta en el seno de un material transparente y homogéneo. Su comportamiento se rige básicamente por las leyes de la reflexión y refracción. ¿Qué son los espejismos? Los espejismos son fenómenos asociados a la propagación de la luz en medios no homogéneos, donde el índice de refracción (n) varía continuamente con 153

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Figura 5.1. Esquema del proceso de formación de un espejismo inferior (parte superior) y esquema del proceso de formación de un espejismo superior. En ambos esquemas se representan las diferentes densidades de las distintas capas de aire con puntos que están más juntos o separados (parte inferior). Fuente: Camilo Florian Baron.

la altura y la luz describe trayectorias curvas. Dichas curvas presentan una concavidad en la dirección de aumento del índice de refracción. Es decir, la luz se curva hacia el medio con mayor índice de refracción. En un espejismo la luz cambia de trayectoria (se dobla) al atravesar las capas de aire a distinta temperatura. Popularmente los espejismos están asociados a alucinaciones, pero no lo son. Los espejismos son fenómenos ópticos reales donde la posición real del objeto está sujeta a la interpretación humana, ya que la formación de la imagen está

condicionada por la refracción de la luz. Los espejismos (véase experimento 5.1) pueden clasificarse en inferiores y superiores. El espejismo inferior se produce en días calurosos, cuando la capa de aire que está directamente sobre el suelo está más caliente que las capas superiores, produciéndose un gradiente térmico que lleva asociado un gradiente de índice de refracción. El índice de las capas cercanas al suelo es menor (zonas más calientes, menos densas) que el de las capas más elevadas (zonas más densas). Como consecuencia, los rayos de luz se curvan de manera que parecen reflejarse en el suelo (figura 5.1, parte superior). Debido a las diferentes densidades del aire frío y el aire caliente, los espejismos que se producen en desiertos o carreteras hacen ver no solo agua donde no la hay, sino también otros elementos que parecen encontrarse dentro de ella y que en realidad se encuentran por encima. Las “apariciones” de agua en este tipo de espejismos se explican por el brillo que produce la reflexión del cielo sobre el suelo. El espejismo superior se produce cuando el índice de refracción disminuye con la altura, fenómeno que suele darse en zonas frías, donde la capa de aire próxima al suelo es muy fría y es más densa que las capas superiores. Esto sucede en el mar, ya que el agua está más fría que el aire, por lo que enfría las

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capas de aire cercanas a la superficie del agua, cambiando así su densidad y la forma en la que los rayos de luz se refractan (figura 5.1, parte inferior). De esta forma se crea un espejismo donde parece que los barcos flotan. Un tipo de espejismo superior es el conocido como fata morgana, donde objetos que se encuentran en el horizonte, como islas o acantilados, adquieren una apariencia alargada y elevada, similar a castillos de cuentos de hadas. La separación regular entre el aire caliente y el aire frío (más denso) puede actuar como una superficie refractante, produciendo una imagen invertida sobre la que la imagen distante parece flotar. Estos efectos suelen ser visibles por la mañana después de una noche fría. La fata morgana más conocida se produce en el estrecho de Mesina, entre Calabria y Sicilia.

¿Sabías que… ? Se puede hacer invisible un objeto utilizando la óptica de los espejismos. Cuando se cambia la temperatura de un material a alta velocidad y este se encuentra en el agua o en el aire, se crea un efecto de invisibilidad ¡y el material desaparece! ¡Solo vemos agua o aire! Esto se llama refracción fototérmica, y se origina por el gradiente de refracción que se genera alrededor de una superficie caliente. Es exactamente el mismo efecto que vemos en las carreteras en verano. Puedes encontrar más información en internet: ¡busca refracción fototérmica y aprende a hacer desaparecer las cosas!

¿Hay reflexión total en la naturaleza? Si la luz pasa de un medio de índice mayor a un medio de índice menor, por ejemplo, de agua a aire, puede dar lugar a la reflexión total interna, que se produce en el medio de mayor índice cuando la luz incide sobre la superficie con un ángulo superior al ángulo límite o crítico. La reflexión total interna puede observarse al bucear, ya que, al abrir los

ojos bajo la superficie del agua, la interfaz agua-aire aparecerá plateada, como un espejo plano (véase experimento 5.2). Un ejemplo de los

Figura 5.2. Reflexión total interna en un vidrio, principio básico de la transmisión de información en fibras ópticas. Fotografía: IOSA.

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Figura 5.3. Esquema del dicroísmo: se transmite la componente vertical y se absorben el resto. Fuente: Elaboración propia.

¿Sabías que… ? Los pescadores pueden pasar desapercibidos para los peces si calculan el ángulo en el que habrá reflexión total. De esta manera, los peces serán incapaces de verlos.

efectos de la reflexión total interna son los diamantes tallados para joyería, en los que la combinación entre el altísimo índice de refracción del diamante, que permite un ángulo crítico muy pequeño, y los diferentes tallados permite que toda la luz incidente se refleje internamente con efectos increíbles. La reflexión total interna es el principio básico para la propagación de la luz en la fibra óptica

(figura 5.2). Estudiaremos este fenómeno en el capítulo 6. Una combinación interesante de reflexión y sombras se da en las denominadas cáusticas. Puedes observar cáusticas en una copa con agua (véase experimento 5.2). La copa proyecta una sombra, pero también produce una región curva de luz brillante. En circunstancias ideales (rayos perfectamente paralelos, de un origen en el infinito) debería verse una parte de la luz con forma de nefroide o de riñón. En la piscina, las cáusticas se forman cuando la luz atraviesa las olas del agua de la piscina. Formalmente, en óptica, una cáustica es la envolvente de los rayos de luz reflejados o refractados por una superficie curva u objeto, o la proyección de esa envolvente de rayos en otra superficie.

¿Hay luz polarizada natural? Las fuentes de luz habituales en la naturaleza emiten luz no polarizada; sin embargo, hay bastantes ejemplos del

efecto de la polarización (que analizamos en el capítulo 1) a nuestro alrededor. La forma habitual de polarizar la luz es mediante el dicroísmo (figura 5.3). Este fenómeno consiste en la absorción selectiva preferente de todas las componentes del campo eléctrico, excepto la paralela al eje del material. Por lo tanto, a través del material dicroico solo se transmite la componente paralela al eje del mismo. El fenómeno del dicroísmo se da de forma natural en algunos cristales, como la turmalina, muy dependiente de la longitud de onda, o la herapatita, en forma de cristales muy pequeños. La polarización de la luz puede detectarse fácilmente observando su reflexión a través de un polarizador lineal que situemos ante nuestro ojo. Es muy interesante utilizar gafas polarizadas para observar el arcoíris, ya que la luz que lo forma tiene un alto grado de polarización. El motivo es que el ángulo de reflexión que se produce en el interior de las gotas de agua que quedan tras la lluvia es muy próximo al

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Figura 5.4. Difracción de la luz en una tela de araña. Fotografía: Vineeth Mathew, Wikimedia Commons.

ángulo de Brewster, como vimos en el capítulo 1. Las gotas también producen un efecto dispersor, dando lugar a los colores del arcoíris. De este modo, en el arcoíris, además de la separación cromática, se produce también polarización de la luz de forma natural. Se pueden observar zonas del cielo azul que presentan un importante grado de polarización, ocasionado por la difusión en la atmósfera, que explicaremos más adelante. Los aficionados a la fotografía saben que pueden obtenerse imágenes contrastadas entre el cielo azul, las nubes y el paisaje mediante la colocación adecuada de un polarizador frente al objetivo de la cámara.

Interferencias y difracción en la naturaleza Como hemos visto en capítulos anteriores, los fenómenos de interferencia y difracción tienen un origen común: la superposición de

ondas luminosas (tema que analizamos en el capítulo 1). En esencia, ambos fenómenos pueden explicarse sabiendo que la superposición de dos o más ondas luminosas puede dar lugar a otra onda. La intensidad de esta nueva onda no es la suma de las intensidades de las ondas que se superponen, sino que depende del solapamiento espacial y temporal entre las ondas superpuestas. En nuestro entorno cotidiano se producen multitud de fenómenos de interferencia y difracción (véase experimento 5.3). Es muy común encontrar patrones de difracción cuando se mira o se

¿Sabías que… ? Hay distintos insectos, como las abejas, que aprovechan la polarización del cielo para orientarse, por lo que si se colocase un polarizador delante de una colmena (¡no lo hagas!) en la dirección adecuada, las abejas se desorientarían.

fotografía una fuente de luz, especialmente si esta es relativamente intensa y pequeña. Por ejemplo, cuando se miran los rayos del sol el sol a través 157

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¿Sabías que… ? Los escarabajos son iridiscentes gracias a la estructura de su caparazón, que además suele tener una polarización determinada que utilizan para confundir a sus depredadores. Además, esos colores vivos han hecho que los escarabajos se utilicen para joyas o adornos en trajes. Los ojos de los gatos poseen estructuras multicapa con formas similares a las estructuras que sufren el fenómeno de la iridiscencia. Esto les ayuda a mejorar su visión nocturna, ya que dichas estructuras producen reflejos metálicos de colores iridiscentes. La luz se refracta al atravesar las pequeñas ranuras de las barbas (los pelitos) de las plumas de las aves. Cuidado, ¡este fenómeno no es la iridiscencia! Figura 5.5. Ejemplo de iridiscencia en un escarabajo de las adelfas. Fotografía: Skeeze, Pixabay.

de la hoja de un árbol, la difracción se produce a través de los huecos de la hoja. ¿Qué es la iridiscencia? La iridiscencia o goniocromatismo se define como un cambio en el color observado al variar el ángulo de iluminación o de observación de un objeto. • Iridiscencia en la atmósfera: este efecto se produce con la formación de cristales o gotas de agua de tamaños diminutos en alguna capa de la atmósfera. Cuando la luz del sol las ilumina, se produce difracción. Más adelante veremos algún ejemplo de iridiscencia en la atmósfera.

• Iridiscencia en materiales: se debe a interferencias en películas delgadas de aceite o gasolina, por ejemplo, en charcos creados sobre el asfalto. • Iridiscencia en el mundo animal: algunas especies de escarabajos, moscas, mariposas o moluscos utilizan estructuras muy finas con múltiples capas para producir efectos sorprendentes (figura 5.5). Los patrones de iridiscencia que se producen en el plumaje de algunas especies de aves, como el pavo real, se deben a un mecanismo más complejo basado en microestructuras similares a las que pueden encontrarse en los cristales fotónicos, en los que el índice de refracción varía de forma periódica.

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Figura 5.6. La medusa Aequorea victoria produce la proteína verde fluorescente (GFP, por sus siglas en inglés) (izquierda). El brillo que presenta en esta imagen se debe al reflejo del flash utilizado para realizar la foto. Los Pyrodinium bahamense, un tipo de microorganismos unicelulares que tienen la capacidad de producir luz en condiciones ambientales muy favorables y cuando su población ha sufrido un elevado crecimiento. En ese momento, cuando el agua es movida se produce la reacción luminosa, como sería el caso de las famosas playas de estrellas (derecha). Fotografía: "Un universo de luz", CSIC, 2015 (izquierda). Bruce Anderson (University of Stellenbosch), BMC Ecology, 2013, 13:6, doi:10.1186/1472-6785-13 -6 (derecha).

Fluorescencia y fosforescencia Los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia se caracterizan por absorber una determinada longitud de onda y emitir luz de mayor longitud de onda, es decir, de menor energía (véase experimento 5.4). La diferencia de energía se debe principalmente a pérdidas en forma de vibraciones térmicas durante el proceso de absorción-emisión. En la fluorescencia, la emisión de energía es prácticamente

inmediata, mientras que en la fosforescencia la emisión se produce a lo largo de un periodo de tiempo mucho más largo. ¿Cómo es la vida a oscuras? Bioluminiscencia La luz es esencial para la vida. Cuando escasea, los seres vivos tienen que adaptarse para sobrevivir. Así, en la oscuridad hay formas de vida capaces de adaptarse a estas condiciones extremas y generar su propia luz (figura 5.6). La

bioluminiscencia es la producción y emisión de luz visible por un organismo vivo gracias a una reacción química ocurrida en su interior: la enzima luciferasa cataliza la oxidación de la luciferina, una proteína que emite luz pero que no produce calor, lo que hace que sea eficiente energéticamente. Se trata de un fenómeno muy extendido en todos los niveles biológicos: en ciertas especies de bacterias, hongos, insectos, moluscos, cefalópodos, crustáceos, equinodermos y peces, entre otros. El espectro de emisión varía en función de 159

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¿Sabías que… ? Las estrellitas que ponemos en el techo de las habitaciones, las manillas de algunos relojes, las señales de emergencia, etc., son fosforescentes. Por eso brillan en la oscuridad. La fosforescencia se basa en el mismo principio que la fluorescencia, pero la luz se emite durante más tiempo. ¡No las confundas! Los rotuladores que utilizamos para subrayar, mal llamados fosforitos, son fluorescentes. Brillan tanto porque su tinta contiene compuestos fluorescentes, produciéndose la fluorescencia al absorber la luz ultravioleta que les llega del sol.

la especie y de las condiciones del entorno, aunque el 80% de las especies animales bioluminiscentes habitan los océanos, donde han desarrollado variados sistemas de emisión de luz. La bioluminiscencia se utiliza en el reino animal como medida de defensa y ataque, o con el objetivo de comunicarse o reproducirse. Las criaturas abisales y las luciérnagas son claros ejemplos de este fenómeno. Las primeras utilizan la luz como reclamo para sus presas, que se ven atraídas por la luz y caen en las fauces de su depredador. Las luciérnagas hembra son las únicas

Figura 5.7. Rotuladores fluorescentes. Fotografía: IADE-Michoko, Pixabay.

bioluminiscentes, y brillan para facilitar la búsqueda de pareja, aunque también se cree que podrían utilizar esa luz para evitar ser comidas por depredadores. El exoesqueleto de los escorpiones también tiene compuestos fluorescentes. Hay varias hipótesis para explicar este hecho, dado que los escorpiones son animales nocturnos. Esta fluorescencia se podría deber a que en sus inicios los escorpiones fuesen diurnos y utilizasen estos compuestos para bloquear la radiación ultravioleta. Otra hipótesis es que las moléculas fluorescentes se produjeran durante el endurecimiento del exoesqueleto.

El color de las plantas El color que presenta cada planta depende del predominio de un pigmento o la combinación de varios. El verde de las hojas se debe a la presencia de la clorofila (véase experimento 5.5), que es fundamental para la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas convierten la luz del sol en energía química. La mayoría de las plantas sanas son verdes porque contienen clorofila, pigmento que refleja la componente verde de la luz y absorbe las componentes azul y roja. Aunque una pequeña parte de esta luz absorbida se disipa en forma de fluorescencia, la mayoría se emplea en activar la

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Figura 5.8. Bosque en otoño. Fotografía: Valiunic, Pixabay.

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Figura 5.9. En los plátanos maduros, las células muertas de los puntos negros se iluminan en catabolitos de clorofila fluorescentes. Fotografía: "Fluorescent chlorophyll catabolites in bananas light up blue halos of cell death", Simone Moser, Thomas Müller, Andreas Holzinger, Cornelius Lütz, Steffen Jockusch, Nicholas J. Turro y Bernhard Kräutler.

fotosíntesis. Gran parte de las frutas y verduras son verdes, y a medida que van madurando se producen cambios metabólicos que alteran la coloración. Se degrada la clorofila y aparecen otros pigmentos, como carotenos y antocianinas, que aportan colores desde el amarillo pálido hasta el anaranjado y el rojo oscuro. Estos pigmentos son vitales no solo para la autoprotección de la planta, sino también para la salud de los humanos por sus efectos antioxidantes. Las plantas enfermas pueden experimentar cambios en la composición de sus pigmentos, causando cambios de color o emisión de luz a longitudes de onda diferentes que las plantas sanas (figura 5.9).

¿Sabías que… ? En otoño los días comienzan a ser más cortos y la clorofila se degrada, sin que se vuelva a regenerar. Por eso quedan a la vista otros pigmentos, como los carotenoides y las antocianinas, que dan a las hojas color amarillo y rojo, respectivamente. Cuando los plátanos están muy maduros, la clorofila se degrada, igual que ocurre en las hojas de las plantas. Sin embargo, en este caso, los metabolitos que se producen en la degradación son fluorescentes.

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El cielo y los fenómenos atmosféricos La atmósfera terrestre, además de ser fundamental para la vida en el planeta, es el hogar de una gran variedad de fenómenos ópticos causados generalmente por las interacciones entre la luz del sol y las partículas atmosféricas. Al atravesar la atmósfera terrestre, la luz proveniente del sol interacciona con moléculas (N2, O2, O3, CO2 y otros gases) y partículas sólidas o líquidas (polvo, polen, gotas de agua, etc.) que pueden provocar la absorción selectiva de la luz o un fenómeno conocido como dispersión o scattering, que consiste en la desviación de los rayos al encontrarse pequeños objetos. El grado de dispersión depende de la densidad y la masa de aire que la luz atraviese. Si hay poca densidad de partículas o la masa de aire es pequeña, la dispersión es menor que si hay una densidad de partículas alta o una masa de aire grande que atravesar. La parte baja de la atmósfera es más densa y contiene más partículas en suspensión que la superior. Por este motivo, en un día soleado, el cielo se ve más oscuro desde la montaña que desde la playa. ¿Por qué es el cielo azul? La atmósfera es transparente a la luz visible. Es decir, las longitudes de onda correspondientes a este rango del

espectro llegan a la superficie de la Tierra. El mecanismo de dispersión de Rayleigh, que sucede cuando el tamaño relativo de las partículas de la atmósfera es pequeño, hace que la luz de longitudes de onda cortas (el azul violáceo) se disperse más, independientemente de la radiación incidente. Es por esto por lo que, en un día despejado, podemos observar un azul violáceo intenso en el cielo. Además, como el ojo humano tiene una mayor sensibilidad espectral para el azul que para el violeta, el color del cielo resulta ser predominantemente azul. Cuando el tamaño relativo de las partículas y moléculas respecto a λ es mayor (como ocurre con las nubes o con las gotas de agua en un día nublado), todas las longitudes de onda se dispersan por igual, por lo que no cambia el color de la luz esparcida. Entonces, dependiendo de la concentración de gotas de agua que haya en la atmósfera o en la nube, se producirá más o menos difusión y el color irá desde el blanco hasta el gris oscuro casi negro cuando la luz que incide es blanca. En los amaneceres y atardeceres el sol se acerca al horizonte. En ese momento el espesor de la atmósfera desde el sol a nuestros ojos es mayor, por lo que todas las longitudes de onda corta se eliminan dispersándose en la

¿Sabías que… ? En una puesta de sol, cuando vemos que este toca la línea del horizonte, en realidad está más abajo. Esto se debe a la refracción atmosférica. En el amanecer ocurre lo contrario; vemos el sol antes de que haya salido.

Sol aparente Sol real

Horizonte Atmósfera

Figura 5.10. Posición aparente del sol y posición real al anochecer. Fuente: IOSA.

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Figura 5.11. Luz blanca atravesando una gota de agua y descomponiéndose en los diferentes colores que la componen y dan lugar al arcoíris. Fuente: Camilo Florian Baron.

atmósfera debido al mecanismo de dispersión de Rayleigh; eso le da un color rojizo (experimento 5.6). En las grandes ciudades, debido a la contaminación, aumenta la presencia de partículas en suspensión a lo largo del día, por lo que los atardeceres presentan colores más brillantes que los amaneceres. Por otro lado, en lo alto de las montañas y a la salida y puesta del sol se puede observar el arrebol. Este fenómeno tiene lugar cuando el sol está justo debajo del horizonte. En ese momento, todo se tiñe de rojo. En el lado opuesto a la parte del horizonte por la que se pone el sol también están ocurriendo fenómenos atmosféricos. Por ejemplo, el Cinturón de Venus es rosa y se produce por la refracción de los últimos rayos de sol. Debajo de éste aparece la sombra de la Tierra, que se ve azul y se produce porque la luz del sol es tapada por la Tierra.

¿Cómo se forma el arcoíris? El abanico de color característico del arcoíris, como el de la figura 5.12, se genera cuando la luz solar atraviesa gotas de lluvia y se refracta de manera diferente según la longitud de onda. Algo similar ocurre con los halos luminosos, discos luminosos que se forman alrededor del sol o de la luna y tienen un anillo iridiscente alrededor, como puedes ver en la figura 5.13. Se producen al refractarse la luz del sol o de la luna en los pequeños cristales en suspensión de la atmósfera. Las glorias son halos que se producen por la interacción de la luz con las gotas de las nubes o la humedad. Son de colores, no lo confundas con el arcoíris, que tiene un radio mayor. Como acabamos de ver, la luz solar, al atravesar la atmósfera terrestre, provoca diferentes efectos ópticos.

Figura 5.12. Imagen de un arcoíris tras la lluvia. Fotografía: Brigachtal, Pixabay.

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Figura 5.15. Auroras boreales. Fotografía: Hans, Wikimedia Commons.

Figura 5.13. Imagen de halos luminosos. Fotografía: Oimheidi, Pixabay.

Figura 5.14. Nubes iridiscentes. Fotografía: Marco Brotto, Pixabay.

A continuación te mostramos más efectos de este tipo: • Nubes iridiscentes: la luz del sol, o claro de luna, se difracta al pasar a través de una nube fina que contiene gotitas de agua o pequeños cristales de hielo del mismo tamaño, formando anillos de luz brillante débilmente coloreados (coronas). Los bordes iridiscentes de una nube representan pequeñas porciones de coronas inusualmente grandes. El color, que depende del tamaño de las gotitas, se extiende de azul-blanco a rojo-parduzco figura 5.14).

• Auroras boreales: estas impresionantes cortinas de color son producidas por la interacción de partículas procedentes del sol con los compuestos de oxígeno y nitrógeno de la parte alta de la atmósfera (termosfera), tras haber sido previamente desviadas a los polos por la magnetosfera, el campo magnético que envuelve la Tierra (figura 5.15). • Rayo verde: durante la salida o la puesta de sol, este cambia de color y, repentinamente, puede verse un destello verde que dura entre uno y dos segundos. Las causas se encuentran en la refracción de la luz al atravesar la atmósfera: la luz se mueve más lentamente en las capas de aire más bajas, más densas, que en el aire en capas superiores, menos denso (efecto espejismo) (figura 5.16). Debido a esto, los rayos de luz solar siguen una trayectoria ligeramente curva (véase experimento 5.1), en la

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Figura 5.16. Rayo verde observado durante una puesta de sol. Fotografía: Yuhansso, Wikimedia Commons.

¿Sabías que… ? La novela Le Rayon Vert (El rayo verde), de Julio Verne, está dedicada al raro pero fascinante fenómeno óptico que da nombre a la novela. Hay más de 50 fenómenos ópticos atmosféricos. ¡Si buscas “óptica atmosférica” en internet encontrarás muchos más!

misma dirección que la curvatura de la Tierra. La luz de alta frecuencia (verde/azul) se curva más que la luz de baja frecuencia (roja/naranja), así que los rayos verdes y azules de la parte superior del sol en el horizonte permanecen visibles, mientras que los rayos rojos están tapados por el horizonte. El destello verde se ve con mayor probabilidad en aire limpio, que permite que más luz alcance al observador sin ser dispersada. El posible “destello azul” debido a la luz de dicho color no se

ve porque el color azul se dispersa más en el aire y queda solo la luz de color verde. Para ver el rayo verde, debes tener una visión perfecta del horizonte. Es decir, estar en una playa durante la puesta de sol. Aun así, debes tener paciencia para verlo, pues no se produce todos los días y es difícil de ver.

El cielo nocturno: ¿por qué no se ven las estrellas en la ciudad y sí en el campo? El resplandor de la luz artificial, ocasionado por el uso de lámparas o farolas en las ciudades, envía luz de forma directa e indirecta hacia el cielo. Esta luz choca con las partículas en

suspensión presentes en la atmósfera, que la devuelven hacia el suelo en forma de luz difusa, lo que se conoce como contaminación lumínica. Se define como la iluminación producida por fuentes de luz artificial que afectan negativamente los cielos, el ambiente, los recursos naturales y la salud de los seres humanos. Una definición simple de este fenómeno es “toda aquella luz artificial que se escapa fuera del perímetro o zona que se pretende iluminar” (véase experimento 5.7). Las consecuencias de la contaminación lumínica son numerosas. La principal es que el cielo deja de ser negro para adoptar el color de la iluminación artificial urbana. Si bien estéticamente afecta la visibilidad de los hermosos cielos estrellados, también 167

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Figura 5.17. Ejemplo de contaminación lumínica: vista aérea de Madrid (izquierda) y de Santiago de Compostela (derecha). Fotografía: IOSA.

¿Sabías que… ? Los observatorios astronómicos tienen acuerdos con las ciudades cercanas para regular la contaminación lumínica y así no interferir con las medidas de estos. Los eclipses sí pueden observarse independientemente de la contaminación lumínica.

sufre el bolsillo del consumidor de energía eléctrica. Pero la contaminación lumínica puede reducirse, mejorando el diseño de las lámparas y farolas para evitar enviar un exceso de luz innecesario al cielo, donde nadie lo necesita, optimizando el espectro de emisión de estas fuentes y, por supuesto, racionalizando el uso de las fuentes luminosas (figura 5.17).

¿Podemos ver los satélites artificiales a simple vista? La luna es el satélite natural de la Tierra y a veces puede observarse a simple vista de día, aunque aparentemente es poco brillante, y de noche, donde parece que

su brillo aumenta considerablemente, aunque es el mismo. Aunque parezca brillante y de un color entre plata y blanco, la luna está compuesta de una piedra casi negra. Entonces, sabiendo que los satélites artificiales casi siempre están forrados de un material reflectante, ¿crees que se podrán ver a simple vista? La respuesta es que sí. Los satélites artificiales de la Tierra suelen ser objetos pequeños que orbitan fuera de la atmósfera, a más de 300 km de la superficie terrestre, en la órbita baja. Si las condiciones de observación son las apropiadas, podemos verlos a simple vista. Para ello el cielo debe estar oscuro y el sol tiene que iluminar las órbitas de estos cuerpos. ¡Estas condiciones se cumplen cada día! Al comienzo y al final de cada noche, cuando se pone el sol, y cuando sale. Pero no todos los satélites se van a observar igual, algunos brillan más que otros, y eso depende de la distancia y su tamaño. Cuanto más cerca y más grande sea el satélite, más brillante lo veremos. Pero además, al igual que la luna, la fracción iluminada de los satélites también va a influir (como las fases de la luna): a mayor superficie iluminada, mayor brillo percibido. Seguro que muchas personas han visto algún satélite artificial alguna vez, pero lo habrán confundido con un avión, y es que los satélites están en continuo movimiento. Se mueven muy rápido, y es por eso por lo que pueden

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parecer aviones, pero los satélites artificiales no dejan ninguna estela, no tienen luces que parpadean, y son de un color blanco puro. ¡Intenta buscar un satélite en el próximo anochecer sin luna!

¿Es el universo pura óptica? Durante milenios, el ser humano concebía el cosmos como una vasta región oscura en la que flotaban multitud de puntos luminosos, llamados estrellas, cuya naturaleza era totalmente desconocida e inaccesible. Muchas civilizaciones antiguas creían que el cielo les enviaba señales sobre la vida, la guerra, terremotos, el futuro de los reinos… Los humanos han observado el cielo sintiendo curiosidad por el sol, la luna, los planetas y las estrellas, y los ha utilizado para indicar las

estaciones del año a cazadores y granjeros a los navegantes o como instrumento de medida, como veremos en el experimento 5.8. Un fenómeno que se puede observar sin instrumentación óptica necesaria (¡pero sí con la protección adecuada!) son los eclipses. Un eclipse se produce cuando un planeta, o una luna, se interponen en el camino del sol. Desde la Tierra se pueden observar dos tipos diferentes de eclipses: solar o lunar. En el caso de un eclipse solar, la luna nueva se interpone entre la Tierra y el sol, y en pleno día todo se oscurece por unos instantes (figura 5.18). Los eclipses solares se pueden observar cada año y medio aproximadamente, pero desde diferentes lugares de la Tierra. Son poco frecuentes y pueden ser totales, parciales o anulares. ¡No mires nunca directamente al sol durante este tipo de eclipses! ¡Tus gafas

Figura 5.18. Imagen de un eclipse solar. Fotografía: Pxhere.

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Figura 5.19. Montaje de diferentes fases de un eclipse lunar. Fotografía: IB306660, Pixabay.

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Figura 5.20. La Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio, más conocida como NASA, es la agencia del gobierno estadounidense responsable del programa espacial civil, así como de la investigación aeronáutica y aeroespacial.

¿Sabías que… ? La NASA publica cada día una fotografía diferente de un fenómeno óptico de nuestro fascinante universo junto con una breve explicación del mismo realizada por un astrónomo de la NASA. Para ver estas fotografías, busca en internet “NASA & Astronomy Picture of the Day”. Según un promedio de la NASA se puede ver un eclipse solar desde un mismo lugar de la Tierra cada 375 años, y solo durante unos pocos minutos.

Fuente: NASA.

de sol normales no sirven! Tienes que usar unas gafas con filtros especiales para esta ocasión, o puedes sufrir lesiones irreversibles en tus ojos. En los eclipses lunares, es la Tierra la que se interpone entre el sol y la luna llena. La luna entra en la zona de sombra de la Tierra, por lo que durante la noche desaparece la luna llena por unos instantes. Los eclipses lunares se pueden ver en más localizaciones geográficas que los eclipses solares. Todas las personas que se encuentren en el lado de la Tierra donde es de noche durante el eclipse pueden verlo. Este tipo de eclipses pueden ser totales o parciales. Hoy en día, podemos analizar la mayoría de la información contenida en la radiación emitida por los astros. Esta luz ha podido recorrer distancias inimaginables y tardar millones de años en llegar a la Tierra. Una auténtica viajera en el tiempo que nos muestra tanto el presente del universo como su pasado.

Gracias a la luz y las tecnologías ópticas asociadas a la misma (de las que hablaremos en el capítulo 6), tenemos una imagen bastante completa de cómo es el universo observable: la estructura interna de las estrellas y las reacciones termonucleares que ocurren en su interior, causantes de su brillo; el movimiento de las galaxias y las inabarcables distancias a las que se encuentran; cuál es nuestro lugar en el universo y de dónde proceden los elementos químicos que nos forman. Estas tecnologías también han permitido medir la circunferencia de la Tierra, ver otras galaxias aparte de la nuestra, comprobar que la Tierra NO es el centro del sistema solar ni del universo, ver los cráteres en la luna, predecir el regreso del cometa Halley o cuantificar la probabilidad de encontrar vida en otros sistemas solares. La óptica nos abre una ventana al universo.

¿De qué color son las estrellas? Para poder discriminar y clasificar de qué colores son las estrellas hay que

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analizar el espectro de cada estrella, o lo que es lo mismo, generar el arcoíris artificial que se formaría al descomponer la luz que cada estrella emite. El sol es una estrella que emite principalmente luz verde, lo que hace que, cuando se forme el arcoíris, el color verde resulte más intenso. Si cambiásemos el sol por otra estrella diferente, tendríamos los mismos colores pero con intensidades diferentes. Al crear el espectro de cada estrella, se calcula la diferencia de intensidades entre la energía de banda del azul y la del

verde. Esta diferencia se conoce como el índice de color, y está comprendido entre -0,5 y +2. De esta forma se crea una clasificación, dependiendo del valor del índice de color. Si este número está entre -0,5 y 0, las estrellas se clasifican como azules. Si el índice de color es un número entre el 0 y el 0,5, las estrellas se denominan blancas. Cuando el valor aumenta hasta 0,8, tenemos estrellas amarillas, y anaranjadas cuando el índice de color aumenta hasta 1,1. Y, finalmente, se denominan estrellas rojas si el índice de color rebasa el valor de 1,1.

Bibliografía Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (2015): “Unidad Didáctica. Ciencia con luz propia. Aplicaciones tecnológicas de la luz”, Madrid, Editorial SM. Donnelly, J. y Massa, N. (2007): Light: Introduction to Optics and Photonics, Boston, Hardcover.

El color de las estrellas está relacionado con la temperatura superficial que cada estrella posee. Pero esta relación es contraria a la percepción subjetiva que tenemos las personas. Nosotros tendemos a relacionar el color rojo con el calor, y el azul con el frío. Con las estrellas ocurre lo contrario, las estrellas rojas son las que tienen una temperatura superficial más baja, y las estrellas azules poseen una temperatura superficial mucho más elevada.

Galadí-Enríquez, D. (2008): A ras de cielo, Córdoba, Almuzara. Serway, R. A. y Jewett, J. W. (2006): Física para ciencias e ingeniería, vol. 1 y 2, Madrid, Ediciones Paraninfo. Tipler, P. A. (2010): Física moderna, Barcelona, Reverte.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

5.1

¿ES VERDAD TODO LO QUE VEMOS? Refracción

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Objetivo 1: Demostrar que en el mismo medio la luz viaja en línea recta. Objetivo 2: Demostrar que en un medio visualmente homogéneo la luz no viaja en línea recta. MATERIALES • Lápiz • Vaso • Cubeta rectangular transparente, lo más larga posible

• 1 kg de azúcar • 2 l de agua • Un puntero láser

Los espejismos son fenómenos ópticos que se dan bajo unas condiciones particulares y que hacen que veamos cosas donde no las hay. ¿Quién no ha visto en alguna película a alguien en el desierto correr para beber agua y, que cuando llega a donde debería estar, solo haya arena? Antiguamente se creía que los espejismos como los Fata Morgana eran obras de brujería para atraer a los marineros a su muerte.

Procedimiento ¿Viaja la luz en línea recta? 1. Pon un litro de agua en la cubeta. 2. Desde uno de los extremos de la cubeta enciende el puntero láser. 3. Puedes comprobar que la luz del láser viaja en línea recta a través de un medio homogéneo.

Figura 5.1.1. Ejemplo de espejismos. Fotografía: “Un universo de luz”, CSIC, 2015.

Creando un espejismo con azúcar 1. Pon cada litro de agua en una jarra independiente (¡reutiliza el litro de agua del procedimiento anterior!) y mezcla el azúcar solo con 1 litro de agua. 2. Mezcla bien el agua y el azúcar, obtendrás una concentración saturada. 3. Tendrás una jarra con 1 litro de agua y 1 litro de agua saturada en azúcar. 4. Coge la cubeta e introduce primero en ella el litro de agua fresca. 5. A continuación, echa por encima el agua saturada, con cuidado (puedes ayudarte de un cartón o un embudo para no salpicar) e intenta esparcirla por toda la cubeta. 6. Deja que la disolución repose durante 1 día al menos, para que el azúcar quede en el fondo de la cubeta. 7. Ya puedes coger el puntero láser y encenderlo en uno de los extremos de la cubeta. 8. ¿Qué ocurre? ¿La luz sigue viajando en línea recta?

Figura 5.1.2. Rayo láser atravesando una cubeta solo con agua. Fotografía: IOSA.

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5.1

EXPERIMENTO ¿ES

VERDAD TODO LO QUE VEMOS?

Figura 5.1.3. Rayo láser atravesando una cubeta con azúcar disuelto en agua. Fotografía: IOSA.

Explicación Como hemos visto en capítulos anteriores, la luz viaja en línea recta dentro del mismo medio. Debido a esto, nuestro cerebro interpreta que la luz siempre viaja en línea recta y es por eso por lo que vemos los espejismos. Sin embargo, cuando podemos diferenciar dos medios, como son el agua y el aire, ya no asociamos que la luz viaja en línea recta, porque somos capaces de ver la diferencia de los medios y sabemos que la velocidad de la luz cambia con el índice de refracción, como hemos visto en el capítulo 1. El mecanismo por el que hemos conseguido doblar un haz láser es similar al que provoca la aparición de espejismos. En nuestro experimento los diferentes índices de refracción del agua fresca y del agua saturada de azúcar hacen que el haz láser se curve. Esto es similar a lo que sucede con los espejismos, donde la densidad de las diferentes capas de aire es diferente, haciendo que los rayos se refracten, aunque visualmente no se note la diferencia entre las diferentes capas.

Trucos • Prueba a apagar la luz: verás mucho mejor cómo se dobla el haz del láser. Además, ¡puedes probar con diferentes colores de láser! • Coge una cubeta rectangular más larga para poder ver mejor cómo se curva el haz láser.

Veamos lo que has aprendido ¿Por qué crees que el cerebro interpreta que la luz viaja en línea recta?

Experimentos relacionados Experimento 3.9. Un minimundo en una gota.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

5.2

¿QUÉ ESCONDE EL AGUA? Reflexión total interna, cáusticas

Objetivo 1: Realizar cáusticas caseras. Objetivo 2: Observar la superficie exterior desde el fondo de la piscina. MATERIALES • Una piscina • Una copa de cristal

• Agua • Luz del sol o artificial

30 min (+)

Como estamos viendo a lo largo de este libro, la óptica está presente en muchas de nuestras actividades cotidianas. Hasta en verano, cuando vamos a la piscina o cuando tomamos un vaso de agua. ¿Te has preguntado por qué a veces parece que el agua está “cuarteada”? Seguro que alguna vez, mientras buceabas en la piscina o en el mar, has observado que la superficie se convertía en un espejo. En este experimento vas a aprender por qué.

Procedimiento Realización de cáusticas caseras 1. Llena el fondo de la copa con agua. 2. Ilumina la copa con luz blanca y observa lo que pasa cuando la luz atraviesa la copa. 3. Mueve la copa y observa los cambios que se producen en la luz que atraviesa el agua.

Figura 5.2.1. Cáusticas observadas sobre el fondo de una piscina. Fotografía: Pixabay.

Observación del agua 1. Sumérgete en la piscina, preferiblemente con gafas para bucear, y, desde unos cm por debajo de la superficie del agua, mira hacia arriba con diferentes ángulos, ¿ves algo diferente según tu ángulo de mirada? 2. Sumérgete a diferentes profundidades y observa qué pasa.

Figura 5.2.2. Formación de cáusticas con una copa con agua.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/ Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

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5.2

EXPERIMENTO ¿QUÉ

ESCONDE EL AGUA?

Figura 5.2.3. Reflexión total bajo el agua. Fotografía: Jean-Marc Kuffer, WiKimedia Commons.

Figura 5.2.4. Melichthys niger nadando bajo el agua y la correspondiente imagen generada por reflexión total. Fotografía: Janderk, Commonswiki.

Explicación Las cáusticas son concentraciones de los rayos de luz reflejados o refractados por una superficie curva o por un objeto. Cuando la luz atraviesa la copa con agua en un punto, se refracta y produce una sombra y una concentración de luz que llamamos cáustica. Si estamos sumergidos cerca de la superficie y miramos justo hacia arriba podemos ver un cono de luz de 96º conocido como la ventana de Snell, pero fuera de ese cono la superficie del agua actúa como un espejo, debido al fenómeno de reflexión total interna. Esa superficie fuera del cono va a reflejar la luz que provenga de especies submarinas, ya sea porque emiten luz o porque la reflejan, pero se verá un poco oscuro en las zonas en las que no haya ningún objeto o animal cerca que reflejen la luz.

Trucos • ¡Si el día está nublado o estás en una habitación con poca luz puedes utilizar una linterna para observar las cáusticas en la copa con mayor facilidad! • ¡Si quieres ver otro efecto en las cáusticas, añade un poco de leche al agua! • Si en lugar de sumergirte en la piscina puedes hacerlo en el mar, podrás observar el fenómeno de la reflexión total en los peces o algas que tengas a tu alrededor. ¡Puedes aprovecharlo para sacar unas fotos alucinantes! Puedes buscar en internet cómo ve un pez debajo del agua a causa de la reflexión total.

Veamos lo que has aprendido ¿Por qué se da el fenómeno de la reflexión total interna a pocos centímetros de la superficie del agua?

Experimentos relacionados Experimento 6.2. Un chorro de luz: experimento de Tyndall-Colladon.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

5.3

¿DE DÓNDE SALEN ESOS COLORES? Iridiscencia, interferencias

Objetivo 1: Obtener una superficie iridiscente que muestre los colores que forman la luz blanca. MATERIALES • Bote de hacer pompas de jabón • Agua

• Esmalte de uñas transparente • Cartulina negra, del tamaño de la palma de la mano • Una cubeta o barreño

15 min (+)

Muchas veces observamos colores vivos y cambiantes en fenómenos cotidianos, como las pompas de jabón, una mancha de aceite en la carretera o en algunos animales. Las capas finas sufren el efecto de las interferencias, según el ángulo de incidencia de la luz, veremos diferentes colores.

Procedimiento 1. Llena una cubeta con agua y sumerge la cartulina negra hasta el fondo; mantenla sumergida en el fondo de la cubeta. En los pasos posteriores tienes que ser rápido para que la cartulina no se ablande demasiado. 2. Deja caer dos o tres gotas de esmalte transparente sobre la superficie del agua. 3. Espera a que las gotas de esmalte se expandan sobre la mayor superficie de agua posible. 4. Recoge la película de esmalte con la cartulina negra del fondo, con cuidado para que se quede lo más homogéneo posible. 5. Espera a que se seque la cartulina.

Figura 5.3.2. Proceso de fabricación de la lámina fina en una cartulina negra. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Figura 5.3.1. Formación de pompas de jabón gigantes. Fotografía: Xoana Barcala Gosende.

Figura 5.3.3. Resultado tras la inmersión de la cartulina y su posterior secado. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

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5.3

EXPERIMENTO ¿DE

DÓNDE SALEN ESOS COLORES?

Explicación Cuando un rayo de luz incide en la capa externa de la pompa Rayo Rayo reflejado incidente primario de jabón, parte de la luz se refleja dirigiéndose al ojo del Rayo secundario observador, y otra parte se refracta atravesando la capa de Rayo terciario agua hasta su parte más interna. En esa parte más interna volvemos a encontrar otro proceso de refracción y reflexión. Aire Rayos atenuados n1=1 progresivamente El rayo reflejado desde la última capa de la pompa de jabón tiene que atravesar de nuevo la primera capa, y llega al ojo del observador paralelo al primer rayo reflejado. Los diferentes Solución colores se deben al recorrido de los rayos de luz a través del jabonosa grosor de la pompa de jabón en ese momento. n2=1,4 Cuando la pompa de jabón se crea, puede tener un grosor de varias micras, que va disminuyendo hasta unos pocos nanómetros antes de destruirse. La luz se refleja en las dos superficies de la película jabonosa, como vimos en el experimento 1.4. El grosor de la capa varía, por lo que la Rayos refractados hacia el interior distribución de los colores también. Cuando la pared es más gruesa se aprecian colores azules y verdes, que cambian a tonos Figura 5.3.4. Esquema de la refracción en cada una de las superficies de la pompa de jabón. rojos y amarillos a medida que la pared de la pompa de jabón Fuente: Camilo Florian Baron. se vuelve más fina. Esto sucede si el ángulo de incidencia es el mismo, ya que es otro factor que influye en los colores que apreciamos. Por eso, cuando este ángulo cambia, los colores que vemos varían aunque el espesor sea el mismo, ya que el recorrido de la luz no es el mismo. Con respecto al segundo procedimiento, el esmalte de uñas es una mezcla de una sustancia resinosa y un disolvente. Cuando este se evapora, sobre la superficie del agua solo queda una fina capa de esa sustancia resinosa, que funciona como una lámina delgada sujeta a los fenómenos de las interferencias. El esmalte no se extiende de forma completamente homogénea, por lo que su espesor varía de unas zonas a otras y se crean interferencias constructivas para unos colores y destructivas para otros.

Trucos • Haz letras sobre la cartulina negra, pegando trozos de papel celo. Sumérgela en el agua. Al recoger la gota de esmalte con la cartulina, este solo se quedará en las zonas en las que no haya celo. De esta manera puedes escribir un mensaje iridiscente. • Haz pompas de jabón y observa los diferentes colores según cómo incida la luz en ellas.

Veamos lo que has aprendido ¿Por qué la pompa se ve azul y verde cuando sus paredes son gruesas y amarilla y roja cuando son finas?

Experimentos relacionados Experimento 1.4. ¿Es verdad que la luz es una onda?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

5.4

Emisión de luz en el mundo orgánico

Objetivo 1: Observar la fluorescencia de la quinina y modificar su estructura electrónica al añadir amoniaco. Objetivo 2: Observar e identificar distintos elementos fluorescentes de la naturaleza. Objetivo 3: comprender cómo se produce la bioluminiscencia. Objetivo 4: Entender que la luminiscencia es utilizada como medida de seguridad.

e inorgánico

MATERIALES

LA LUZ QUE ESCONDE LA NATURALEZA

• Luz ultravioleta • Tónica • Amoniaco

5 min (+)

• Mineral fluorescente (fluorita, corindón) • Barritas o pulseras luminosas • Billetes o documentos oficiales (DNI, pasaporte, carnet de conducir o sellos)

En la naturaleza hay múltiples ejemplos de organismos fluorescentes. La medusa Aequorea victoria produce una proteína fluorescente que se denomina green fluorescent protein (GFP) porque emite luz verde. Los investigadores Martin Chalfie, Osamu Shimomura y Roger Y. Tsien fueron galardonados con el Premio Nobel de Química 2008 por el descubrimiento y desarrollo de la GFP, que se utiliza para marcar otras proteínas in vivo. La quinina, que también es fluorescente, se utilizaba como remedio para la malaria. Es una molécula que proviene del árbol del quino y es amarga. Hoy en día se utiliza para darle ese característico sabor amargo a la tónica. En los minerales también se encuentran muchos ejemplares fluorescentes. El fenómeno de la luminiscencia, nos permite introducir en los billetes y otros documentos oficiales marcas aparentemente invisibles que aparecen únicamente bajo una luz ultravioleta

Procedimiento La fluorescencia está en todas partes 1. Sirve tónica en un vaso e ilumínala con la luz ultravioleta. Verás la fluorescencia de la tónica. 2. Sin dejar de iluminar la tónica con la luz ultravioleta, añade un poco de amoniaco a la tónica. ¿Qué ha pasado? 3. Ilumina con la luz ultravioleta los minerales. Verás que cambian de color. Si no tienes este material, observa las fotografías. 4. Coge una de las barritas y dóblala por la mitad. ¡Luz! Verás que poco a poco, toda la barrita se ilumina y brilla. De ahí el nombre de barrita luminosa. 5. Después de doblar la barrita luminosa, ilumínala con la luz ultravioleta. Verás que aumenta la intensidad de su color.

Figura 5.4.2. Tónica iluminada con luz ultravioleta.

Figura 5.4.1. Medusas fluorescentes. Fotografías: Pxhere.

Figura 5.4.3. Fluorita con iluminación normal y bajo luz ultravioleta. Fotografía: IOSA.

Fotografía: IOSA.

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5.4

EXPERIMENTO LA

LUZ QUE ESCONDE LA NATURALEZA

Figura 5.4.4. Pulseras fluorescentes. Fotografía: IOSA.

Figura 5.4.5. Billetes iluminados con luz blanca (la habitual) y con luz ultravioleta. Fotografía: IOSA, CSIC.

Un detector de billetes falsos 1. Enciende la lámpara ultravioleta e ilumina los documentos y billetes. En una habitación oscura observarás resultados más espectaculares. 2. Diviértete buscando marcas y viendo lo que aparece al iluminar con la luz ultravioleta

Explicación La quinina presente en la tónica es fluorescente, sin embargo, al añadir amoniaco se altera la estructura electrónica de la quinina y deja de tener fluorescencia. Los minerales fluorescentes suelen tener uranio en su composición. En el caso de la fluorita, son las impurezas de tierras raras las que le dan la propiedad fluorescente. Las barritas luminosas tienen dos partes. El recubrimiento de plástico exterior y otro tubito de vidrio en el interior. El tubito de vidrio contiene agua oxigenada, mientras que el de plástico tiene compuestos de oxalato. Al doblar el palito, el tubito de vidrio se rompe y entran en contacto el agua oxigenada y el oxalato. Se inicia una reacción química que produce luz. Es una reacción quimioluminiscente. Dependiendo de los colorantes que se pongan en la disolución de oxalato, la luz se verá de un color u otro. Algo similar ocurre en los animales bioluminiscentes. Dos compuestos producidos por el animal dan lugar a una reacción química que produce luz. No debe confundirse con la fosforescencia o la fluorescencia. Los billetes, pasaportes y documentos oficiales de muchos países hacen uso de la luminiscencia. La lámpara que has utilizado emite una luz violeta que puedes ver, pero su espectro de emisión es más amplio y comprende parte de la radiación ultravioleta, invisible a nuestro ojo. Es esa parte de la radiación la que activa la luminiscencia y nos permite poder observar las marcas luminiscentes que tienen estos documentos.

Trucos Ahora ya sabes por qué en algunos supermercados iluminan con una lámpara morada los billetes con los que vas a pagar. La lámpara morada es de ultravioleta y… ¡están comprobando que los billetes no son falsos! Si no tienes una lámpara ultravioleta y no la puedes comprar, aprovecha cuando vayas al supermercado y pide que te lo dejen ver.

Veamos lo que has aprendido • ¿Por qué los gin-tonics brillan en la discoteca? • ¿En qué se diferencia la fluorescencia de la fosforescencia? • ¿Por qué hay que doblar el palito luminoso para que emita luz? • ¿Cómo es posible que observemos figuras amarillas o rojas en nuestros billetes y pasaportes con luz ultravioleta?

Experimentos relacionados Experimento 5.5. La clorofila, ¿verde? Experimento 6.4. ¿Tiene mi aceite de oliva antioxidantes?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

5.5

LA CLOROFILA, ¿VERDE?

Objetivo 1: Comprobar que la luz solar es necesaria para la síntesis y desarrollo de la clorofila y observar qué ocurre en la planta cuando la clorofila está degradada. Objetivo 2: Extraer y observar la fluorescencia de la clorofila. MATERIALES

Fotosíntesis, fluorescencia

30 min (+)

• Planta con hojas grandes y verdes • Papel de aluminio • Yodo para las heridas • Cazo • Alcohol etílico

• Hojas frescas de espinaca • Colador • Batidora • Vaso transparente • Linterna ultravioleta

La clorofila se encuentra en los cloroplastos de las plantas. Durante el día, cuando las plantas reciben luz, se produce oxígeno a través de la fotosíntesis. En este experimento vamos a ver qué pasa cuando una planta no recibe luz, y lo que esconde la clorofila.

Procedimiento Observar la clorofila degradada 1. Haz un sobre con el papel de aluminio en el que quepa una de las hojas de la planta. Puedes hacer más de un sobre y así tapar más de una hoja. 2. Espera una semana y destapa las hojas de la planta. ¿Qué ha pasado? Si las hojas siguen verdes, deja los sobres puestos hasta que se marchiten las hojas. 3. Después de observar las diferencias entre las hojas que tapaste y las que no, pon a hervir durante 30 segundos una de las hojas que tapaste y otra de las que no estaban tapadas. Márcalas para poderlas distinguir. Puedes quitarle el peciolo a una de las dos, por ejemplo. 4. Mételas en un frasco con alcohol durante toda la noche. 5. Comprueba que no queda clorofila en ninguna de las hojas (cuando hayan perdido el color verdoso) y sumérgelas en una disolución que tenga la misma proporción de agua y yodo. ¿Tienen las dos hojas el mismo color?

Figura 5.5.1. Hojas tapadas con papel de aluminio. Fotografía: IOSA.

Comprobar la luminiscencia de la clorofila 1. Corta las hojas de espinaca en trozos pequeños y mantenlos en ebullición durante 1 minuto. 2. A continuación, cuela con cuidado los trozos de espinaca y mételos en el vaso de la batidora. El agua en la que herviste las hojas es para desechar. 3. Añade 50 ml de alcohol y bate las hojas. 4. Cuela el puré resultante en el vaso de vidrio. Para recoger mejor la clorofila, añade más alcohol en el vaso de la batidora y en el puré y cuélalo. 5. Ahora tienes la clorofila extraída de las hojas en el alcohol. Apaga la luz e ilumina la clorofila con la luz ultravioleta. ¡Cambia de color!

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5.5

EXPERIMENTO LA

CLOROFILA, ¿VERDE?

Figura 5.5.2. A la izquierda y en el centro tubos con pintura fluorescente disuelta y a la derecha el extracto de clorofila, bajo iluminación ultravioleta. Fotografía: IOSA.

Explicación En ausencia de luz, la clorofila no se sintetiza, se degrada y la hoja se pone marrón. Esto ocurre al meter las hojas en el sobre de papel de aluminio. El almidón es el azúcar que se produce durante la fotosíntesis. El yodo reacciona con este, dando lugar a un compuesto azulado. Por lo tanto, nos indica si en las hojas se ha producido fotosíntesis o no. Por eso, al mezclar con yodo la hoja que estuvo tapada con papel de aluminio, simplemente se tiñe y queda marrón, pero no reacciona porque no tiene almidón. Sin embargo, la hoja que no se tapó y tenía su clorofila en perfecto estado, sí realizó la fotosíntesis y por lo tanto tenía almidón, que reacciona con el yodo. Al iluminarla con luz solar la clorofila se ve verde, ya que absorbe todas las longitudes de onda excepto la correspondiente al color verde. Sin embargo, con luz ultravioleta, parte de la luz absorbida se emite en forma de calor, por lo que la energía de la luz emitida es menor que la absorbida. Por este motivo, la clorofila se ve roja.

Trucos • Haz un agujero pequeño al sobre de papel de aluminio. Puedes darle diferentes formas. Así, la hoja tendrá una parte verde con la forma que le hayas dado al agujero. • Quita el sobre de papel de aluminio de una de las hojas tapadas. ¿Vuelve a producirse clorofila en esa hoja?

Veamos lo que has aprendido • ¿Por qué la hoja tapada con papel de aluminio se pone marrón? • ¿Para qué sirve teñir las hojas con yodo? • ¿Por qué la clorofila cambia de color al iluminarla con luz ultravioleta? ¿Por qué no ocurre esto con la luz ultravioleta proveniente del sol?

Experimentos relacionados Experimento 5.4. La luz que esconde la naturaleza. Experimento 6.4. ¿Tiene mi aceite de oliva antioxidantes?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

5.6

ATARDECER ARTIFICIAL: DISPERSIÓN DE LA LUZ EN NUESTRA ATMÓSFERA Dispersión de Mie, dispersión de Rayleigh, atardecer, color azul del cielo

15 min (+)

Objetivo 1: Producir la dispersión de la luz de forma controlada para generar producir un cambio de color de la luz blanca proveniente de la linterna y reproducir la luz azul de un día despejado y la luz rojiza de un atardecer.

MATERIALES • Recipiente transparente con agua • Leche

Como hemos explicado en el capítulo 1, la luz viaja en línea recta a menos que los materiales que se encuentre en su camino modifiquen su trayectoria. En el caso de la luz del sol, que podríamos denominar luz blanca (contiene todos los colores, incluyendo el rojo, amarillo, verde, azul), cuando entra en la atmósfera sufre cambios de color, dándole el color azul violáceo al cielo en un día despejado y el típico color rojizo al atardecer. Lo que ocurre es que la luz interactúa con las moléculas de gas en nuestra atmósfera y estas dispersan la luz. Debido a que la longitud de onda de los colores violeta-azul son las más cortas (400 nm), se dispersan unas diez veces más que la luz amarilla-roja (además de un efecto de resonancia con las moléculas de la atmósfera que favorece la emisión de luz azul). En cambio, cuando el sol está en el horizonte, al amanecer o atardecer, la luz viaja un camino más largo por nuestra atmósfera, por lo que la mayoría de la luz de otros colores se dispersa, dejando principalmente los colores rojos, naranjas y amarillos que encontramos a la salida y puesta del sol. En este experimento trataremos de simular las partículas de la atmósfera para obtener el efecto de un cielo azul y una puesta de sol rojiza, así que vamos a comenzar.

• Linterna de luz blanca • Cucharilla

Figura 5.6.1. La dispersión de los rayos de luz provenientes del sol en las partículas de la atmósfera produce un color rojizo típico del atardecer. Fotografía: Pexels.

Procedimiento 1. Debes hacer el experimento en un espacio cerrado y oscuro, con las luces apagadas. 2. Coloca suficiente agua en el recipiente transparente, pero no lo llenes hasta el borde porque luego debes agitarlo y debes evitar que se salga. 3. Coloca en uno de los extremos la fuente de luz blanca, tal y como se muestra en la figura 5.6.2. Los puntos donde observarás los efectos de la leche en el agua están situados lateralmente al eje de iluminación y en línea con la fuente. 4. Lentamente, agrega algunas gotas de leche. Ayúdate de la cucharilla para agitar el agua y homogeneizar la solución. 5. Ahora debes tener una mezcla de agua y leche con color gris. Agrega un poco más de leche hasta que veas por los laterales que la luz blanca se dispersa, dándole un color azulado a la mezcla.

Figura 5.6.2. Montaje experimental. Fuente: Camilo Florian Baron.

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5.6

EXPERIMENTO ATARDECER

ARTIFICIAL: DISPERSIÓN DE LA LUZ EN NUESTRA ATMÓSFERA

6. Una vez que consigas ajustar este color, mira hacia la luz través del recipiente y verás que la luz blanca se torna de color amarillo o algo rojizo. Lo que estás visualizando lateralmente es el análogo al color que tiene el cielo durante el día. En cambio, cuando visualizas la fuente de luz a través de la mezcla que has creado, estás simulando las condiciones que ocurren durante el atardecer, pues los rayos del sol atraviesan la atmósfera dispersando sobre todo las longitudes de onda rojas y naranjas en esa dirección, por eso lo vemos de ese color.

Figura 5.6.3. Recipiente con el agua visualizado de perfil (arriba izquierda) y alineado con la fuente de luz (arriba derecha). Después de agregar un poco de leche y disolverla homogéneamente, la imagen de perfil se torna blanco-azulada debido a la dispersión de la luz azul (abajo izquierda) y la luz que está alineada se torna amarillo-rojiza, justo como al atardecer (abajo derecha). Fotografía: IOSA.

Trucos • Ten cuidado cuando estés mezclando la leche en el agua. Si te pasas con la cantidad, toda la solución se tornará demasiado oscura como para apreciar el efecto, y tendrás que rebajarla agregando más agua limpia. • Puedes utilizar el flash que tiene incorporado tu teléfono como fuente de luz blanca.

Veamos los que has aprendido • ¿Por qué las nubes son de color blanco si deberían dispersar de forma similar la luz proveniente del sol? • ¿Funcionaría el experimento si en lugar de leche utilizáramos azúcar o sal, por ejemplo?

Experimentos relacionados Experimento 1.2. Rompiendo la luz: el prisma de Newton. Experimento 5.3. ¿De dónde salen esos colores?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

5.7

EL CIELO NOCTURNO: ¿DÓNDE ESTÁN LAS ESTRELLAS? Contaminación lumínica, cielo, estrellas

20 min (+)

Objetivo 1: Observar el problema de la contaminación lumínica y sus posibles soluciones. MATERIALES • Una caja de zapatos • Dos linternas • Un tapón grande de refresco o papel de aluminio

• Cinta adhesiva oscura • Un elemento punzante (un clip, un alambre, un punzón, una chincheta…)

Desde principios del siglo pasado, la iluminación ha estado perjudicando nuestros cielos. El resplandor de la luz artificial, ocasionado por el uso inadecuado de lámparas o farolas, envía luz de forma directa e indirecta hacia el cielo, lo que se conoce como contaminación lumínica.

Procedimiento 1. Tapa todas las rendijas de la caja con cinta adhesiva oscura. 2. Haz pequeños agujeros con un elemento punzante en la parte superior de la caja para crear el planetario. 3. En el lado opuesto a estos agujeros, es decir, en la parte inferior de la caja, haz un pequeño agujero para introducir la linterna. Figura 5.7.1. Foto nocturna del skyline madrileño. 4. Enciende una de las linternas e introdúcela en el agujero Fotografía: Maxpixel. que acabas de realizar. Ya tienes un pequeño planetario que puedes proyectar en un techo bajo o en las baldas de una estantería en una habitación oscura. 5. Coloca la otra linterna cerca de tu planetario. Tiene que estar encendida y dirigida hacia el cielo estrellado que has formado en el paso anterior. Esta linterna simulará una farola. 6. Coloca encima de la linterna un tapón de refresco o un pequeño “sombrero” hecho de aluminio. ¿Notas alguna diferencia?

Figura 5.7.2. Caja agujereada para simular el planetario. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

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5.7

EXPERIMENTO EL

CIELO NOCTURNO:¿DÓNDE ESTÁN LAS ESTRELLAS?

Figura 5.7.3. Simulación de cielo sin luces artificiales alrededor. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Figura 5.7.4. Simulación de cielo con contaminación lumínica.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Figura 5.7.5. Simulación de cielo con contaminación lumínica atenuada, gracias a la pantalla colocada sobre la linterna.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Explicación La contaminación lumínica sucede cuando se ve un resplandor de luz en el cielo producido por el reflejo de la luz artificial en los gases y las partículas muy livianas que quedan suspendidas en el aire. Ese mismo resplandor hace menos oscura la noche, y entonces la luz de las estrellas “desaparece” progresivamente de nuestro firmamento. Decimos que “desaparecen”, porque no podemos percibir las estrellas que brillan con menor intensidad. La pantalla superior que se pone en las farolas evita que gran parte de la luz que estas emiten ilumine el cielo. De esta manera, disminuye la contaminación lumínica.

Trucos Si quieres que mole más puedes usar un planisferio celeste para colocar los agujeros de tu caja-planetario.

Veamos lo que has aprendido • ¿Qué ocurre con la iluminación debajo de la linterna al colocarle el tapón? • ¿Podemos tener un eclipse lunar todos los meses? • ¿Por qué la luna puede tener un color rojizo o anaranjado cuando se produce un eclipse lunar?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

5.8

LA LUZ DEL SOL COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA Luz colimada, proyecciones, sombras

20 min (+)

Objetivo 1: Comprender el concepto de luz colimada natural y utilizarla para proyectar sombras y medir la altura de un árbol. Objetivo 2: Utilizar el mismo principio para hacer una estimación de nuestra altura.

MATERIALES • Tubo de PVC o cartón de 1 metro de largo • Metro

La luz de las estrellas y, en particular, la del sol han cautivado desde siempre al hombre. Desde los orígenes de la astronomía, las noches estrelladas se convirtieron en el perfecto laboratorio donde se buscaba no solo encontrar nuestro sitio en el universo, sino también información sobre el origen del mismo. Durante el día, cuando el sol se encuentra justo encima de nuestra cabeza, su luz provoca situaciones curiosas: las sombras que produce apenas modifican su tamaño cuando se pone un objeto en su camino, al contrario de lo que pasa con la luz de las velas o la de una linterna, por ejemplo, cuya sombra aumenta de tamaño al acercarse a la fuente de luz. Este tipo de luz, la proveniente del sol y de las estrellas, situados ambos a distancias muy lejanas, se puede entender con fines prácticos como luz colimada. En esta, los rayos de luz son paralelos entre sí debido a las grandes distancias desde su origen (las estrellas). Esto significa que la proyección de una sombra producida por un objeto que se oponga a su camino permanece prácticamente invariable a grandes distancias.

• Reloj • Papel y lápiz • Calculadora

Figura 5.8.1. Proyección de la sombra de cuatro personas sobre la parte inferior de una montaña. A pesar de la distancia, las sombras permanecen del mismo tamaño que las personas. Fotografía: IOSA.

Procedimiento Como se ha comentado, la sombra que produce el árbol cuando la luz del sol incide sobre él no cambia de tamaño al proyectarla a cierta distancia. Por lo tanto, la podemos utilizar para estimar su altura. Lo que debemos hacer es simplemente medir algunas distancias y relacionarlas con la distancia conocida del tubo de cartón. 1. Es indispensable salir en un día despejado, para tener la sombra del árbol lo más definida posible. Coloca el tubo de cartón vertical sobre el suelo, de tal forma que la sombra del árbol apenas toque la parte superior del tubo de cartón, como se ve en la figura 5.8.2. 2. ¡Ahora a medir! Con ayuda del metro, debes medir la distancia entre el tubo de cartón y el final de la sombra del árbol que se forma sobre el suelo (figura 5.8.2, B’) y también medir el tubo (figura 5.8.2, A’).

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5.8

EXPERIMENTO LA

LUZ DEL SOL COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA

3. Has formado un triángulo rectángulo. Por lo tanto, utilizando identidades trigonométricas puedes hacer un cálculo muy simple con la calculadora para encontrar el ángulo que se forma entre la sombra y el suelo, siendo: ángulo de la sombra = arcotangente (longitud del tubo A’ distancia B’). Nos falta medir la distancia que hay desde el final de la sombra hasta la base del árbol (B). 4. Finalmente, calcula la altura del árbol utilizando la misma identidad trigonométrica: altura del árbol (A) = distancia B * tangente (ángulo).

Figura 5.8.2. Esquema de los triángulos formados con la sombra que produce el árbol, el lápiz (en nuestro caso, un tubo de cartón) y la distancia hasta la base del árbol. Fuente: Elaboración propia.

Trucos Al principio, compara los valores obtenidos en tus cálculos con la altura de un objeto conocido, como, por ejemplo, tu altura. De esta forma puedes validar tu procedimiento para lanzarte a medir cosas de las que realmente no tienes información, como, por ejemplo, la altura de un poste de iluminación, un árbol o un edificio, ¿por qué no?

Veamos lo que has aprendido • Nombra dos ejemplos más donde se pueda encontrar luz colimada, ya sea natural o artificialmente creada. • ¿La luz que utilizan los coches para iluminar la carretera podría considerarse colimada? ¿Por qué?

Experimentos relacionados Experimento 1.1. ¿La luz viaja en línea recta?

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6. Tecnologías basadas en la luz

M

uchas veces los científicos escuchan el comentario: “Muy interesante, pero ¿para qué sirve?” Pues bien, si hasta ahora no hemos conseguido convencerte de la importancia de la óptica y la fotónica, esperamos que después de este capítulo no tengas dudas, ya que tanto en nuestro día a día como en la investigación más vanguardista existen infinidad de aplicaciones y tecnologías basadas en la luz que mejoran nuestra calidad de vida y enriquecen nuestro mundo. En el capítulo 1 hemos descrito que la luz es una forma de energía y que puede comportarse como onda y como partícula. Además, en el capítulo 2 hemos visto sus diferentes formas en el espectro e. m., donde tan solo una pequeña porción es visible para el ojo humano. Del uso del espectro visible podemos poner numerosos ejemplos que

van desde la televisión o cualquier otro tipo de pantallas hasta la iluminación, pero también se ha conseguido desarrollar numerosas aplicaciones para el beneficio de la sociedad que emplean el espectro de luz que el ser humano no puede ver, como los rayos X o los ultravioleta. Así, el conocimiento de las propiedades de la luz por científicos nos ha llevado a desarrollar diferentes aplicaciones en campos tan diversos como las comunicaciones, la agricultura, la energía, la seguridad, la salud, el medio ambiente o el arte, entre otros. Entre las aplicaciones más sencillas y cotidianas de la óptica y la fotónica destaca la iluminación y los sensores de los smartphones (véase capítulo 2) o la construcción de diferentes instrumentos ópticos (véase capítulo 3). Además, cabe destacar que en los discos ópticos (CD, 191

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DVD o Blu Ray) la información se guarda y se lee gracias a un láser, y que hay otras tecnologías que también utilizan la radiación electromagnética, aunque a frecuencias fuera de la visible, para aplicaciones de comunicaciones (wifi o los mandos a distancia) o energéticas (horno microondas, como utilizamos en el experimento 6.1). Por tanto, en este capítulo trataremos de dar algunos ejemplos de cómo la luz mejora y enriquece nuestro mundo en diferentes aplicaciones y su uso potencial en el futuro.

La luz en las telecomunicaciones La luz en las comunicaciones. ¿Cómo funciona internet? Las tecnologías basadas en luz, especialmente aquellas relacionadas con comunicaciones de fibra óptica, son fundamentales para el intercambio de información. Siguiendo la herencia del telégrafo y el teléfono, los cables de fibra óptica han reemplazado a los hilos de cobre porque pueden transportar una mayor cantidad de datos y más deprisa que su contraparte electrónica. En las comunicaciones ópticas, se envía información codificada en un haz de luz por un hilo de vidrio o de plástico conocido como fibra óptica.

Este sistema fue originalmente desarrollado para los endoscopios en la década de los cincuenta, con el objetivo de ayudar a los médicos a ver el interior del cuerpo humano sin necesidad de tener que abrirlo primero. En 1960, los ingenieros encontraron una forma de utilizar esta misma tecnología para transmitir llamadas telefónicas a la velocidad de la luz (300.000 km por segundo). Una fibra óptica está formada por un núcleo y una cubierta/revestimiento (figura 6.1, izquierda). La parte principal es el núcleo por donde viaja la luz. Envolviendo la parte externa del núcleo hay otra capa, conocida como cubierta/ revestimiento. De manera intuitiva, se podría esperar que la luz que viaja en un hilo transparente se salga por los bordes. Sin embargo, los fotones viajan por el núcleo de la fibra óptica rebotando contra las paredes de forma repetida, como una pelota entre las paredes de cristal de una pista de squash. Para que la luz pueda quedar confinada totalmente en el interior del núcleo de la fibra sin salir a la cubierta el núcleo debe tener un índice de refracción más alto que la cubierta. Esto permite que se produzca el fenómeno de la reflexión interna total, que hace que cuando la luz llega a la superficie que separa dos medios diferentes con un ángulo igual o superior al ángulo límite la luz se refleje completamente y no se refracte, como se verá en el experimento 6.2.

Un cable de fibra óptica está formado por unos pocos o cientos de hilos de fibra óptica delgados. El tamaño de cada hilo de fibra es menos de una décima parte del grosor de un cabello humano (50/125 µm), y a través de cada hilo se pueden realizar unas 25.000 llamadas telefónicas, por lo que un cable de fibra óptica puede llevar fácilmente varios millones de llamadas. Otra característica interesante de las fibras ópticas es su baja atenuación. Gracias a ello podemos observar la trasmisión de un haz de luz después de 15 km de fibra, aunque la intensidad del haz trasmitido se habrá reducido a la mitad. Sin embargo no todo es transmitir la luz sino convertirla en información en el otro extremo de la misma, para lo que se utilizan sensores para convertir los impulsos de luz en información eléctrica, y posteriormente en información como se verá en el experimento 6.3. Algo similar a las comunicaciones por fibra son las comunicaciones en espacio libre (FSO por sus siglas en inglés), que transmiten información codificada en un láser en el infrarrojo cercano sin necesidad de un soporte físico para transportar los fotones. Este sistema se espera que pueda ser usado para la comunicación con los satélites espaciales. También, la luz visible de los sistemas de iluminación puede emplearse para transmitir información. Esta técnica, conocida como VLC, está

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FIBRA ÓPTICA Haz de luz

Núcleo

Revestimiento

Recubrimiento plástico

empezando a usarse de manera experimental en domótica o ciudades inteligentes. ¿Cómo sabe nuestro teléfono dónde estamos en el mapa? Si usas un sistema de navegación en el coche, el teléfono u otro dispositivo para llegar a un destino, dependes de emisiones de radiación electromagnética transmitida por una red de satélites orbitando a 20.000 km de la Tierra. Originalmente diseñado para uso militar y de inteligencia, el sistema de posicionamiento global (GPS) en los EE UU, el sistema ruso GLONASS y el BeiDou chino son los sistemas de redes de satélites que te indican tu

posicionamiento en el momento exacto si posees un receptor de señal. Estos sistemas se basan, entre otras características, en precisos relojes ópticos que utilizan las propiedades fundamentales de la desintegración de los átomos de cesio o rubidio. El futuro sistema europeo Galileo usará máseres (láseres de microondas) que mejorarán la precisión de sus sistemas. Los satélites emiten señales de forma constante, delineando su posición en cada instante a lo largo del día. Los correspondientes receptores en la Tierra, por ejemplo, tu teléfono móvil, configuran estas señales para determinar exactamente la localización exacta de al menos cuatro de estos satélites. Con esta información, el sistema es capaz de

Figura 6.1. Esquema de una fibra óptica (izquierda). Luz viajando a través de fibras ópticas (derecha). Fuente: Elaboración propia (izquierda). Fotografía: Groman123, Flickr (derecha).

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Figura 6.2. Sistema de posicionamiento global Galileo. Fotografía: European Space Agency.

calcular tu específica longitud, latitud y altitud sobre la superficie de la Tierra (figura 6.2).

La luz como herramienta de seguridad ¿Cómo ve la policía lo que llevamos dentro de la maleta? La seguridad aeroportuaria es hoy en día muy estricta. Las tecnologías ópticas son esenciales para combatir amenazas y proteger a los pasajeros. Lo mismo ocurre en estaciones ferroviarias, oficinas públicas, museos, etc. Muchos sistemas de inspección

en las terminales de aeropuertos a lo largo del mundo usan rayos X que generan imágenes en tiempo real para escanear el equipaje y buscar objetos y sustancias prohibidas. Los terahercios (longitud de onda de mm) se utilizan para hacer escáneres de cuerpo completo y detectar bombas y explosivos debajo de las ropas del pasajero. Nuevos sistemas están en estudio en los aeropuertos en los que un láser pasa a través de una botella translúcida u opaca para detectar la diferencia crucial entre tu champú y un líquido explosivo.

¿Cómo evitar falsificaciones? ¿Cómo saber si un billete es real? La luz ultravioleta se usa para comprobar la autenticidad y evitar falsificaciones en documentos gubernamentales y papel moneda. Una de las medidas típicas antifalsificación es la inserción de una tira de material fluorescente (del que hemos hablado en el capítulo 5) que brilla bajo la exposición de la luz ultravioleta; otra medida de seguridad es la inserción de hilos fluorescentes que se añaden a la pasta del papel y por eso aparecen de forma aleatoria; finalmente tenemos la tinta de seguridad que únicamente es visible bajo luz

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Figura 6.3. Hologramas en los billetes de 20 euros (izquierda) y 50 euros (derecha). Fotografía: Roberta Morea.

ultravioleta, como veremos en el experimento 5.4. Otra medida de seguridad es la holografía, ya que esta técnica de imagen es muy difícil de reproducir. Los principios de la holografía fueron descubiertos en 1947 por Dennis Gabor mientras buscaba formas de mejorar su microscopio electrónico. A través de los patrones de interferencia creados por haces de luz láser se puede reconstruir una imagen tridimensional de un objeto. En muchos casos, en las tarjetas de crédito o en los billetes hay un holograma para ayudar a distinguirlos de las falsificaciones, como se muestra en la figura 6.3.

¡La luz es energía! La tecnología solar, una gran fuente de energía al alcance de todos. ¿Cómo podemos usarla? En la Tierra, la vida en todas sus formas depende finalmente de la luz y la energía irradiada por el sol. Recientemente, la

humanidad ha hecho importantes avances en el entendimiento de cómo adquirir y almacenar la enorme energía del sol para alimentar energéticamente nuestras infraestructuras, casas e industrias. Existen dos formas de recoger la energía solar: • Indirectas: donde se utiliza un paso intermedio antes de obtener energía aprovechable. Este ejemplo lo encontramos en la energía solar térmica, donde la luz solar se utiliza para calentar un líquido que mueve una turbina. La primera referencia del uso de energía solar térmica se debe a Arquímedes (siglo III a. C.), que en la batalla de Siracusa habría utilizado espejos parabólicos para concentrar los

rayos solares sobre las velas de los barcos romanos, con el objetivo de hacerlas arder. Actualmente, se utilizan unos espejos colectores cilíndricos-parabólicos que concentran la luz en un tubo que pasa por el foco de estos espejos, el cual contiene un líquido que al calentarse se lleva a un depósito que evapora agua y mueve una turbina, produciendo electricidad. En el experimento 6.5 os proponemos hacer un horno solar. • Directas: por ejemplo, las celdas solares que convierten la luz directamente en electrones. Este tipo de energía se llama energía fotovoltaica. La primera celda solar fue fabricada por Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) en el siglo XIX. Las celdas solares, o celdas fotovoltaicas, emplean 195

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¿Sabías que… ? Si se pudiera aprovechar solamente el 30% de la energía solar que nos llega podríamos cubrir toda la demanda energética del planeta.

materiales semiconductores para convertir la energía solar en energía eléctrica para un uso inmediato o futuro. Como vimos en el experimento 2.3, cuando un fotón incide sobre una unión p-n de semiconductor, su energía puede ser utilizada para generar un par electrón hueco. Los electrones se moverán hacia la parte negativa (capa tipo n), mientras que los huecos se moverán hacia la parte positiva (capa tipo p), generándose una corriente eléctrica. La energía fotovoltaica se considera una energía limpia e inacabable debido a que no depende de los combustibles fósiles (como el petróleo). Aunque hoy en día las celdas solares no son muy eficientes en la trasformación de energía solar en energía eléctrica, este es un campo emergente de investigación donde muchos científicos estudian los procesos y los materiales para realizar celdas cada vez más eficientes, ya que la luz solar es una fuente de energía gratuita. En el experimento 6.6 montaremos un experimento para aprovechar esta fuente de energía.

La luz en la industria y los materiales A gran escala: la luz en la industria actual En el plano industrial, las tecnologías ópticas han supuesto una pequeña

revolución. Su aplicación más común es el procesado de materiales, si bien pueden emplearse también para metrología (midiendo de manera precisa el tamaño o posición de un material) o detección (comprobando, por ejemplo, la composición de un elemento sin degradarlo). Entre las ventajas del láser para su uso en procesado de materiales destaca la posibilidad de concentrar una gran cantidad de energía en una pequeña área. De este modo, es posible llevar a cabo cortes, perforaciones o soldaduras con una gran precisión. Otra ventaja es su capacidad para inducir reacciones fotoquímicas de utilidad para la fotolitografía, creada en el siglo XIX por Alphonse Poitevin. Esta técnica usa la luz para transferir un patrón geométrico a un material. Los principios de esta técnica todavía se usan para fabricar sofisticados circuitos integrados dentro de teléfonos inteligentes, ordenadores o todo tipo de aparatos electrónicos. La resolución de hasta 10 nanómetros en la fabricación de circuitos electrónicos complejos, gracias a ondas electromagnéticas de pequeña longitud de onda, ha permitido crear circuitos muy pequeños con un reducido consumo de energía. Así, estas técnicas han llevado a la industria de los semiconductores a producir progresivamente aparatos más pequeños, más baratos y con mayores prestaciones. Sin la fotolitografía los aparatos como

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los ordenadores o los teléfonos inteligentes no cabrían en tu habitación, ya no digamos en tu bolsillo, y serían realmente caros. Nuevos materiales También se están desarrollando nuevos materiales que interaccionan con la luz de maneras exóticas como, por ejemplo, los llamados metamateriales, que, como indica su sufijo, son materiales creados artificialmente (no existen en la naturaleza), como el mostrado en la figura 6.4. Están constituidos principalmente por estructuras metálicas muy pequeñas en comparación con la longitud de onda. Y es la geometría de estas estructuras la que gobierna sus propiedades electromagnéticas, es decir, la interacción que tiene el material con la luz. Lo que a simple vista podría parecer un simple juego de luces derivó en una importante amalgama de nuevos fenómenos físicos y cantidad de aplicaciones tales como la construcción de lentes planas o la posibilidad de obtener superresolución, es decir, superar el límite de difracción, lo que podría suponer aumentar la capacidad de los sistemas de almacenamiento de información. Pero quizás una de las propiedades más impactantes es la posibilidad de obtener invisibilidad de manera más efectiva que la que aprendimos en el experimento 3.5.

Así, un grupo de la Universidad de Duke en Estados Unidos exploró la posibilidad de crear una capa de metamaterial alrededor de un objeto de tal forma que transformase el camino de la luz para que esta lo rodeara y continuase como si no hubiera existido tal objeto, que permanecería invisible para un observador exterior. Este primer trabajo se realizó en dos dimensiones y para las microondas; nuevos estudios se están haciendo en el espectro visible y en situaciones tridimensionales. Si bien queda mucho para obtener una capa como aquella que hacía invisible a Harry Potter, la puerta hacia la ciencia ficción ha sido una vez más abierta y puede que la quimera de la invisibilidad se encuentre un poco más cerca.

Figura 6.4. Metamaterial basado en microresonadores de oro sobre grafeno. Fuente: Juan Luis García Pomar.

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Figura 6.5. Fotografía de la NASA detectando radiación infrarroja. Se ve que la mayor intensidad de infrarrojo corresponde a la selva del Amazonas. Fotografía: Holli Riebeek, NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington.

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Agricultura y alimentación. La luz como instrumento tradicional e innovador ¿Cómo ayudan las tecnologías basadas en la luz en la agricultura? La vida vegetal ha evolucionado de forma eficiente para utilizar la luz del sol a través de la fotosíntesis (véase experimento 5.5). En agricultura hoy los granjeros crecen de forma rutinaria cultivos bajo techo usando luz artificial donde el espectro y la intensidad pueden ser controlados para aumentar la cosecha o producir cultivos fuera de su crecimiento estacional. Además de controlar el ciclo de crecimiento, la luz se utiliza también para analizar la salud de un cultivo, optimizando la irrigación y aplicación de insecticidas y fertilizantes o prediciendo cuándo una plantación está lista para ser cosechada. El análisis infrarrojo revela la cantidad de azúcar o agua en plantas vivas, mientras que la medida de la transmisión de la luz a través de las hojas es una forma simple de determinar el contenido de clorofila de estas y por consiguiente analizar la salud de la planta. Con sensores de fibra óptica se puede conocer la composición química del suelo usando un sensor de fluorescencia y una luz LED (véase capítulo 2). En tiempos de cosecha la maquinaria guiada por láser maximiza la recolección de los cultivos.

Los sensores remotos de diferentes fuentes como satélites o drones pueden producir una información más especializada. Así, la imagen hiperespectral, aquella que captura la luz más allá del rango óptico aumentando el ancho de banda, nos da información útil sobre zonas con diferentes cultivos, riesgo de incendio o inundaciones o incluso cultivos ilegales de drogas (figura 6.5). ¿Cómo se utiliza la luz en la industria alimenticia? La luz es una de las pocas herramientas para inspeccionar la composición y calidad de la comida sin llegar a degradarla. Por esto, desde la granja hasta la industria de empaquetado, diferentes técnicas ópticas son usadas de forma extensa para asegurar la calidad y la seguridad de los alimentos que consumimos cada día. Por ejemplo, muchos alimentos se escanean con técnicas fotográficas para asegurar que su tamaño y superficie son los que se esperan, por ejemplo, que cada guisante en su forma congelada está aislado y es uniforme en forma, tamaño y superficie. También los procesos de empaquetado son a menudo controlados por medio de luz para medir la cantidad de oxígeno en el interior de los paquetes y así asegurar que la comida no se estropee. Más sofisticadas y quizás más vitales para el control de calidad son las técnicas que, a través de una medición de luz,

nos permiten comprobar el interior de los mismos alimentos, haciendo que su consumo sea más seguro. Los rayos X y las imágenes por difracción láser pueden detectar las imperfecciones y los contaminantes, hoy en día incluso por debajo de la nanoescala. En esta escala, podemos ver las moléculas que causan tales defectos. Las técnicas de espectroscopía estudian la interacción entre la radiación y la materia como, por ejemplo, la fluorescencia, que puede identificar características químicas en los alimentos (véase experimento 6.4), permitiendo la detección de contaminantes y patógenos. Las mismas técnicas se utilizan, por ejemplo, para medir el contenido de grasa de los cacahuetes, todavía dentro de sus cáscaras, o el contenido de nitrógeno de los vegetales.

¿Cómo se obtiene la sal? ¿Se puede obtener agua potable del agua del mar? Las salinas litorales (figura 6.6) han sido aprovechadas históricamente por las distintas civilizaciones que se han asentado en la cuenca mediterránea. Desde los fenicios hasta la actualidad, marismas y saladares han sido utilizados metódicamente para la obtención de un frágil cristal de gran importancia económica: la sal. 199

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Figura 6.6. Salinas litorales en la isla de Lanzarote. Fotografía: Heinrich Pniok, Wikimedia Commons.

potable o al menos utilizable en la industria, agricultura, etc. El proceso de desalación es conocido desde la antigüedad, cuando a través de rudimentarios evaporadores y utilizando la energía solar se obtenía agua potable a pequeña escala, tal y como se sigue haciendo hoy y como como haremos en el experimento 6.7. El desarrollo tecnológico actual permite la producción a gran escala de agua apta para aplicaciones agrícolas e industriales partiendo del agua del mar u otras aguas salobres. La extracción de la sal es un proceso dinámico que se puede dividir en cinco periodos que corresponden al mismo número de charcas evaporadoras. En ellas, paso a paso, gracias a la energía solar se evapora el agua y empiezan a precipitar los otros minerales, hasta que por último tiene lugar la precipitación del cloruro de sodio, la sal. El recurso inverso es la obtención de agua potable por medio de desaladoras. La escasez de agua dulce en muchas zonas de nuestro planeta y la mayor industrialización y desarrollo de muchos países requiere mayores cantidades de agua. La desalación de aguas salobres y aguas del mar está siendo el procedimiento más empleado en aquellas regiones más necesitadas de agua dulce. La desalación consiste esencialmente en eliminar las sales disueltas en el agua con el fin de hacerla

La luz es nuestra amiga: las impresionantes aplicaciones en biomedicina Y tanto que podemos considerarla nuestra aliada, además de ofrecernos infinidad de aplicaciones en educación, comunicación o producción industrial, nos permite visualizar nuestro cuerpo con un increíble grado de detalle, pudiendo monitorizar las estructuras del mismo, por muy pequeñas que sean o por muy escondidas que estén, casi en tiempo real. ¿Cómo nos ayuda la luz a diagnosticar enfermedades? La radiografía es una de las técnicas diagnósticas más comunes y antiguas que se encuentran en la medicina. Estas

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Figura 6.7. Radiografía de una mano izquierda tomada en 1896. Fotografía: W. C. Röntgen, Wikimedia Commons.

imágenes se obtienen dejando pasar una luz de energía muy elevada, como los rayos X, a través de nuestro cuerpo. Ya que los rayos X vienen absorbidos de manera diferente según la densidad de los tejidos que atraviesan, cuando llegan al detector es posible recoger una imagen del interior de nuestro cuerpo, como se muestra en la figura 6.7. La tomografía computarizada, también conocida como escáner, es otra técnica médica que utiliza los rayos X para obtener imágenes de muy alta precisión del interior del cuerpo. De esta manera es posible ver si hay alguna anomalía interior que puede ser síntoma de alguna enfermedad y también ver lesiones debidas a accidentes, como una fractura ósea. Además, en las últimas décadas, la introducción de detectores digitales (como los CCD, descritos en el capítulo 2), con una sensibilidad mucho más elevada que la tradicional película fotográfica, han permitido mejorar la calidad de la imagen y, al mismo tiempo, reducir la exposición del paciente a los rayos X, que tiene efectos nocivos sobre las células.

Otras dos técnicas diagnósticas comunes basadas en la luz para obtener imágenes de nuestro cuerpo son la endoscopia y la tomografía de coherencia óptica: • La endoscopia típicamente utiliza una cámara con una lente y luz blanca que se introduce en el cuerpo con un cable (endoscopio) a través de un orificio natural (como la boca, el ano o los genitales) o a través de una incisión quirúrgica. Los órganos que a menudo se visualizan con esta técnica son el estómago, el intestino y la vesícula. En los últimos años se está también difundiendo la utilización de la llamada cápsula endoscópica, que lleva incorporada una diminuta cámara que los pacientes pueden tragar y que transmite imágenes a los médicos. • La tomografía de coherencia óptica (OCT) es una técnica de imagen que permite visualizar y cuantificar tridimensionalmente tejidos del cuerpo humano con resolución microscópica y de forma no invasiva.

El OCT tiene como elementos comunes luz monocromática infrarroja (esta luz puede ser de baja coherencia con un espectro compuesto por un rango de longitudes de onda o luz compuesta por varios láseres con distintas longitudes de onda), un interferómetro Michelson en configuración de fibra óptica, un escáner óptico y un detector. El rango de longitudes de onda de la fuente de luz es el que nos permite penetrar en el tejido axialmente, es decir, si tenemos en mente las coordenadas cartesianas y sus 201

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Figura 6.8. Imagen tridimensional de las dos lentes de nuestro ojo (córnea y cristalino) y del iris. Fotografía: Laboratorio de Óptica Visual y Biofotónica (Viobio Lab) del Instituto de Óptica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IO-CSIC).

distancias ortogonales a los tres planos principales, cada longitud de onda de la fuente de luz penetrará en una parte distinta del tejido y nos ofrecerá la información con la que se encuentra en el eje z. El escáner se encarga de hacer el barrido en los otros dos planos principales, los ejes x y z, cubriendo las 3 dimensiones del espacio. Y, por último, el interferómetro nos permitirá obtener información de la fase para cada longitud de onda y cada posición en el espacio, quedándonos en el detector con las ondas que dan lugar a una interferencia constructiva (véase capítulo 1). Esta técnica se utiliza en distintas especialidades médicas, como cardiología o

dermatología, pero es en el campo de la oftalmología donde tiene una mayor aplicación debido a los tejidos transparentes del ojo que facilitan el paso de la luz (figura 6.8). Otra técnica de uso común y no invasiva para monitorear la cantidad de oxígeno en la sangre utiliza un aparato que se llama oxímetro que se apoya en la punta del dedo del paciente. El oxímetro emplea dos LED (véase capítulo 2) de diferente longitud de onda que envían pulsos de luz capaces de atravesar la piel del paciente. La medida de la luz absorbida permite determinar el nivel de oxígeno en la sangre. Además de las técnicas descritas arriba, de uso común en los hospitales,

hay otras que todavía están bajo investigación como por ejemplo la biopsia óptica. A diferencia de las biopsias tradicionales, donde se secciona una muestra de tejido y se analiza si el tejido presenta algún signo de tumor, la biopsia óptica persigue analizar el tejido en el propio cuerpo por técnicas de imagen directa de la piel o accediendo por vía endoscópica, donde se están acoplando sistemas basados en OCT y otras técnicas ópticas que permitan obtener imágenes y estudiar las reacciones bioquímicas en el acto: láser (véase capítulo 2), emisión de fluorescencia (véase capítulo 5), espectroscopía y microscopía (véanse capítulos 2 y 3). A modo de ejemplo, algunos científicos han desarrollado un método para localizar células cancerosas inyectando un líquido marcador fluorescente en un tumor. El marcador se adhiere únicamente a las células cancerosas, las cuales emiten luz de color azul bajo la iluminación de una luz específica, haciéndolas visibles a los cirujanos. De esta manera se puede

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¿Sabías que… ? Rosalind Franklin y Raymond Gosling fueron los primeros científicos que consiguieron en 1952 obtener una imagen muy clara del ADN utilizando el fenómeno de la difracción de rayos X. En la fotografía que obtuvieron (denominada Fotografía 51) se consigue observar la característica forma de doble hélice del ADN. Esta imagen sirvió a otros dos científicos, Francis Crick y James Watson, para esclarecer la estructura del ADN y así poder publicar al año siguiente en la revista Nature el primer artículo científico que la describe. actuar con precisión para extirpar únicamente el tejido maligno, preservando el tejido sano. Se siguen desarrollando apasionantes investigaciones en el uso de la luz para obtener nuevas formas de imágenes médicas y biológicas. Por ejemplo, algunos investigadores están usando luz del infrarrojo cercano para detectar tumores y medir niveles de oxígeno en tejidos vivos. Estos nuevos métodos hacen que mejoren nuestras capacidades para ver las fronteras o márgenes del tumor y diagnosticarlo y tratarlo de forma más eficiente. Además, no pasará mucho tiempo hasta que podamos tener dispositivos médicos en nuestras casas que puedan informar en tiempo real a un centro de datos médicos. Ahora están apareciendo aplicaciones móviles y desarrollos asociados al internet de las cosas en salud que nos permitirán en un futuro tener una mejor asistencia médica.

¿Cómo nos ayuda la luz a tratar las enfermedades?

Figura 6.9. Fotografía del ADN obtenida por Franklin y Gosling en 1952. Fotografía: Rosalind Franklin y Raymond Gosling. Lucas, A. (2008): "A-DNA and B-DNA: Comparing Their

La luz no solo nos ayuda a detectar las enfermedades, sino que también viene a menudo en nuestra ayuda para curarlas. El tratamiento de enfermedades con luz, bien de origen natural o artificial, se denomina fototerapia. En medicina, láseres de infrarrojo se emplean extensivamente en intervenciones quirúrgicas que requieren una elevada precisión, como por ejemplo en la extirpación de nódulos en las cuerdas vocales preservando este delicado tejido. Además, los láseres también son empleados para cauterizar los cortes y detener el sangrado de tejidos ricos en vasos como las encías. El láser se emplea también habitualmente en dermatología para la eliminación de tatuajes o de marcas de nacimiento. Mediante el uso de fibras ópticas similares a las que se emplean en telecomunicaciones, la luz láser puede enviarse también a lugares dentro del

Historical X-ray Fiber Diffraction Images", Journal of Chemical Education, 85 (5), p. 737.

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Figura 6.10. Simulación del campo eléctrico en un aglomerado de nanopartículas de oro activadas por luz, empleado en tratamientos experimentales de cáncer. Fuente: Juan Luis García Pomar.

cuerpo. Por ejemplo, dejando pasar una fibra por la uretra se puede llevar la luz láser dentro del riñón sin requerir incisiones quirúrgicas. Allí la energía del láser se utiliza para fragmentar los cálculos renales. De forma parecida, pero con una pequeña incisión, se puede llevar la luz del láser dentro de los vasos sanguíneos para eliminar los trombos, es decir, unos coágulos de sangre responsables de los infartos. Las fibras ópticas se emplean también en la cirugía ortopédica para suministrar energía láser a puntos precisos de las articulaciones. En oftalmología, la luz láser penetra en el ojo y por ello se utiliza para numerosos tratamientos quirúrgicos. Estos se pueden clasificar en dos tipos: los que se dirigen a corregir los defectos de visión y los que sirven para tratar enfermedades que afectan a los ojos. En el primer caso, el tratamiento denominado LASIK (Laser Assisted in Situ Keratomileusis) es una técnica quirúrgica ampliamente utilizada para la corrección de defectos de visión tales como la miopía, la hipermetropía o el astigmatismo (véase capítulo 4). El LASIK emplea un potente láser en el ultravioleta para eliminar tejido de la córnea (véase capítulo 4) y así conseguir remodelarla y cambiar su forma de manera que la luz enfoque correctamente en la retina sin necesidad de emplear las gafas. Con respecto a la cirugía ocular para el tratamiento de enfermedades, esta a menudo emplea

pulsos láser en el infrarrojo cercano para soldar una retina desprendida, destruir vasos sanguíneos anormales en la retina de pacientes que padecen diabetes o cortar membranas internas que a menudo se vuelven opacas después de la cirugía de cataratas. La radioterapia, que consiste en irradiar el tejido tumoral con rayos X para destruirlo, es uno de los tratamientos más antiguo y común para cierto tipo de tumores. Se están estudiando otras terapias para el tratamiento del cáncer empleando la luz, que están en la fase de ensayo clínico. Por ejemplo, la luz ultravioleta puede ser irradiada a la sangre para mejorar sus capacidades en la lucha contra células cancerosas en pacientes afectados de leucemia. La terapia fotodinámica se basa en que las medicinas absorbidas por el tejido canceroso incluyen unos agentes que pueden ser activados por la luz cuando son expuestos a una cierta longitud de onda y así matar las células cancerosas. Otro método usa nanopartículas (figura 6.10), que son introducidas dentro del tumor y que cuando son irradiadas con la luz se calientan y consiguen matar las células cancerosas. Por último, la exposición a fuentes de luz no láser, incluyendo la luz solar, es indicada en tratamientos dermatológicos (acné y psoriasis), tratamiento del raquitismo y la osteomalacia (ablandamiento de los huesos por falta

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de vitamina D), tratamiento de la ictericia fisiológica del recién nacido y para aliviar los trastornos de humor y del ritmo circadiano (variación de hormonas y otras sustancias biológicas cada 24 horas).

Maravillas a nuestro alcance: la luz para el patrimonio cultural La luz en el arte y la investigación. ¿Cómo ayuda la luz en la arquitectura y el arte? Las tecnologías basadas en la luz juegan un rol principal en la conservación, preservación, reconstrucción y autentificación de pinturas, esculturas y monumentos. Los láseres pueden remover depósitos calcáreos, capas de óxidos y otros contaminantes de las piedras, bronces o pinturas sin dañar los materiales originales. Para analizar las diferentes capas que componen una pintura o un antiguo manuscrito se sacan imágenes de estos a diferentes longitudes de onda del espectro e. m. para obtener una así llamada imagen multiespectral (figura 6.11). En particular, cada longitud de onda penetra en una capa diferente de pintura. Por ejemplo, los rayos X (longitud de onda más corta) llegan a la capa más profunda de la pintura, hasta el soporte de la misma. La luz visible (VIS)

solo consigue penetrar la capa superficial de la pintura, mientras que las longitudes de onda infrarrojas (IR) consiguen atravesar las capas superficiales hasta llegar al dibujo sobre la tela. Además, para el análisis de edificios históricos y obras de arte se emplean cámaras térmicas (que detectan la longitud de onda infrarroja) en lugar de las cámaras tradicionales debido a que pueden detectar daños por agua o grietas por debajo de la superficie.

Figura 6.11. Ocho imágenes de la Virgen de Crivelli (1470) obtenidas con luz visible, ultravioleta, infrarroja y rayos X. Fotografía: Heritage Science Journal, 2014, 2: 8, Max Kemman Digital Libraries y Archivos de la Universidad de Luxemburgo.

¿Por qué el mar es azul y cuál es su importancia en la investigación de los materiales? Raman fue un importante científico del siglo XX que dedicó su vida al estudio de la interacción entre la luz y los materiales. En particular, su interés se despertó al observar el color azul del mar 205

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Figura 6.13. Prototipo del vehículo de exploración de la misión ExoMars en ILA 2006 (Berlín).

Intensidad

Fotografía: Thomas Hagemeyer, Wikimedia Commons.

Desplazamiento Raman (cm-1)

Figura 6.12. Espectro Raman del pigmento (eosina) empleado por Van Gogh en sus cuadros. Fuente: Francesca Gallazzi.

cuando viajaba de Inglaterra a la India. Según otro eminente científico, Lord Rayleigh, este color era debido a la reflexión del cielo en el agua. Pero este argumento no convenció a Raman, que comenzó a buscar su origen. Así empezó su investigación, que se llevó a cabo en la India durante muchos años con el objetivo de entender la interacción entre la luz y las moléculas de los líquidos. Durante sus experimentos, Raman observó un particular fenómeno: un pequeño porcentaje de luz cambiaba de color al ser dispersada. Este efecto se conoce hoy en día como el efecto Raman o dispersión Raman, y le valió el Premio Nobel de Física en 1930. No solamente los líquidos, sino también los sólidos y los gases presentan

¿Sabías que… ? La misión de la ESA (European Spacial Agency, en español Agencia Espacial Europea) ExoMars, liderada por el Centro de Astrobiología (CSIC/INTA), está prevista para el 2020 y tiene como objetivo buscar si alguna vez hubo vida en Marte. Para ello, el vehículo de exploración espacial que se enviará a Marte va a ser equipado con un espectrómetro Raman. Este va a ser empleado para analizar las muestras del subsuelo marciano en busca de las moléculas características de la vida bacteriana.

dispersión Raman. Por ello, el efecto Raman se emplea mucho en la investigación de los materiales, ya que permite determinar su composición química sin necesidad de romperlos para analizarlos. En los laboratorios de investigación se utiliza un láser (en el visible o infrarrojo cercano) para iluminar la muestra del material que se quiere analizar, un espectroscopio

(véase experimento 2.1) para separar las diferentes longitudes de onda dispersadas por el material y un detector (véase capítulo 2) para recoger la intensidad de luz dispersada. Así se obtiene el espectro Raman del material bajo análisis, que es único para cada sustancia y característico de las moléculas que la componen. La técnica de medición descrita se denomina espectroscopía Raman y es especialmente valiosa para analizar materiales frágiles y delicados como las obras de arte, debido a que es mínimamente invasiva. Por ejemplo, en la figura 6.12 se representa el espectro Raman del pigmento rosa empleado por Van Gogh. Además, el espectro Raman de un pigmento es como si fuese su “huella dactilar”. Así, en la restauración de obras de arte se puede buscar un pigmento desconocido comparando su espectro con el de otros pigmentos conocidos como haría un policía que busca en sus archivos las huellas dactilares de un sospechoso para identificarle.

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¿Sabías que… ? Desde 1960, año de nacimiento del láser, hasta hoy (2018) un 30% de los premios Nobel en Física han sido otorgados a descubrimientos en el campo de la óptica y la fotónica o que han sido posibles gracias a tecnologías basadas en ellas. Tampoco han faltado premios antes de esa fecha como, por ejemplo, el de Albert A. Michelson en 1907 “por sus instrumentos ópticos de precisión y por las investigaciones espectroscópicas y metrológicas llevadas a cabo con su ayuda” o de Chandrasekhara Venkata Raman en 1930 “por su trabajo acerca de la dispersión de la luz y por el descubrimiento del efecto que lleva su nombre”. Y tampoco han faltado premios en otras áreas del conocimiento, como el Premio Nobel en Química de 2014, otorgado a Eric Betzig, Stefan W. Hell y William E. Moerner “por el desarrollo de la microscopía de fluorescencia de alta resolución”. El elevado número de premios relacionados con la luz y las tecnologías basadas en la luz, como las que has ido aprendiendo a lo largo del libro, demuestran su importancia en el mundo a nuestro alrededor. Sin tener en cuenta descubrimientos más teóricos, que también han sido galardonados, piensa que el láser, la holografía, diferentes técnicas espectroscópicas y microscópicas y muchos descubrimientos realizados a través de ellas, la fibra óptica, los sensores CCD, el LED azul, entre otros, se han, merecidamente, llevado un Premio Nobel. El Premio Nobel en Física de 2018 ha recaído en Arthur Ashkin, Gérard Mourou y Donna Strickland “por sus revolucionarias invenciones en el campo de la física del láser”. Ashkin ha inventado las “pinzas ópticas”, con las que, utilizando la luz como herramienta, se puede aislar y manejar una sola molécula, hecho que tiene numerosísimas aplicaciones en sistemas biológicos, mientras que Mourou y Strickland fueron los primeros en crear un método para generar pulsos láser ultracortos de alta intensidad, lo que permite obtener láseres de elevada potencia y energía como, por ejemplo, los que se utilizan en miles de cirugías del ojo cada día. Figura 6.14. Arthur Ashkin, Gérard Mourou y Donna Strickland, ganadores del Premio Nobel en Física 2018. Ilustración: Niklas Elmehed. © Nobel Media AB 2018.

Bibliografía Agrawal, G. P. (2002): Fiber-Optic Communications System, Hoboken, John Wiley & Sons. Barbero, S.; Dorronsoro, C. y Gonzalo, J. (2015): La luz: ciencia y tecnología, Madrid, CSIC-Los Libros de la Catarata.

Fraile, F. J.; Martí, J. y Capmany, J. (1998): Fundamentos de comunicaciones ópticas, Madrid, Síntesis. National Research Council (1998): Harnessing Light Optical Science and Engineering for the 21st Century, Washington, The National Academies Press. VV AA (2015): Celebrating light. 50 ways light-based technologies enrich our world”, SPIE Press. 207

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

6.1

¿PODEMOS VER EL INVISIBLE? Espectro electromagnético, microondas, velocidad de la luz, frecuencia, longitud de onda

10 min (+)

Objetivo 1: Observar el efecto de ondas electromagnéticas invisibles para el ojo humano (microondas) y calcular la velocidad de la luz. MATERIALES • Un horno de microondas • Una tableta de chocolate de unos 20 cm de largo (u otro alimento que se derrita fácilmente)

• Un plato o contenedor apto para microondas • Regla • Palillo o cucharita (opcional) • Papel y lápiz (opcional)

Los hornos microondas son una de las aplicaciones de la tecnología óptica más comunes que utilizamos en nuestra vida diaria. Las moléculas de agua destacan por el poder de absorción de los fotones presentes en la energía microondas. Por lo tanto, el agua de los alimentos se calienta y, como consecuencia, todo el alimento. En este experimento puedes comprobar el funcionamiento del horno microondas gracias a las microondas e incluso calcular con él la velocidad de la luz.

Longitud de onda Cresta 1/2 Longitud de onda

Chocolate

Procedimiento 1. Quita el dispositivo giratorio del microondas. Es importante que el plato y la tableta de chocolate no se muevan. 2. Coloca la tableta de chocolate en el plato e introdúcelo en el microondas de modo que el lado más largo de la tableta esté paralelo a la puerta. En algunos microondas es necesario colocar el chocolate a una cierta altura para que el experimento salga bien (figura 6.1.2). Esto se debe a que las ondas microondas no llegan a todos los puntos del horno microondas. 3. Calienta a máxima potencia durante 20-40 segundos o hasta que veas que el chocolate se empieza a derretir en determinados puntos. Asegúrate de que el plato y el chocolate no giren durante el funcionamiento del microondas. 4. Retira el plato del microondas y mide con la regla la distancia entre el centro de los dos puntos derretidos. Si no ves bien dónde se ha derretido puedes pinchar un poco con un palillo, así notarás mejor las diferencias de consistencia (figura 6.1.3). En la primera imagen se muestra cómo debe quedar el chocolate después de irradiarlo en el microondas. Si te queda como en la segunda imagen, debes repetir el experimento, pero colocando la tableta de chocolate en una posición más baja dentro del microondas. 5. Multiplica por 2 esta distancia y obtendrás la longitud de onda (λ) de la radiación emitida por el microondas. 6. Ahora solo tienes que multiplicar la λ hallada por la frecuencia (f) de tu microondas (suele ser 2,45 GHz, pero compruébalo en el libro de instrucciones del microondas). El valor que obtienes es la velocidad de la luz. ¡Cuidado con las unidades de medida! Para evitar problemas, trabaja con las unidades fundamentales: la frecuencia en hertzios y la longitud de onda en metros. De esta manera obtendrás el valor de la velocidad en metros por segundo (m/s).

Cresta Punto derretido

Valle

Figura 6.1.1. Esquema del funcionamiento. Fuente: IOSA.

Figura 6.1.2. Microondas con el chocolate sobre el recipiente. Fotografía: IOSA.

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6.1

EXPERIMENTO ¿PODEMOS

VER EL INVISIBLE?

Figura 6.1.3. Chocolate fundido después de calentarlo en el microondas. Fotografía: IOSA.

Explicación Este tipo de hornos generan ondas electromagnéticas en el rango de las microondas que calientan los alimentos. Estas ondas provocan una vibración en el agua que puede ser más o menos energética siguiendo un patrón periódico. Si eliminamos el mecanismo que permite girar el alimento dentro del microondas, produciremos un calentamiento no uniforme en el alimento. Los puntos derretidos de chocolate se corresponden con los nodos de la onda, que están separados ½ longitud de onda. Sabiendo que la velocidad de la luz (c) se corresponde con la multiplicación de la frecuencia (v, conocida) y la longitud de onda (λ, medida), podemos calcular la velocidad de la luz: c = λ · v En un horno microondas, el magnetrón genera ondas electromagnéticas en el rango de las microondas, generalmente a una frecuencia de 2,45 GHz. Toda onda electromagnética transfiere parte de su energía al medio en el que se propaga. El agua es una molécula polar, es decir, posee una carga levemente negativa cerca de su átomo de oxígeno y una carga ligeramente positiva cerca de sus átomos de hidrógeno. Esto provoca que las moléculas de agua vibren con el campo e. m. y, por lo tanto, sufran una mayor transferencia de energía. Al eliminar la parte giratoria del microondas, esta transferencia no es constante a lo largo de todo el alimento, sino que sigue un patrón periódico. Los máximos, mínimos y nodos de ese patrón se repiten a una distancia que depende de la longitud de onda de la microonda y, de manera indirecta, de su frecuencia y de la velocidad de la luz por medio de la fórmula: c = λ · v

Trucos ¿No te gusta el chocolate? Puedes utilizar cualquier alimento que pueda derretirse fácilmente en el microondas: tiras de gominolas, nubes, lonchas de queso, clara de huevo (en ese caso tendrás que medir la distancia entre los puntos que se cocinan primero), etc. ¡Pruébalos todos y descubre con cuál obtienes una medida más precisa!

Veamos lo que has aprendido • ¿Qué parámetros de la radiación necesitamos conocer para medir la velocidad de la luz? • ¿Si pudiéramos medir esos valores en otra zona del espectro e. m., obtendríamos el mismo resultado?

Experimentos relacionados Experimento 2.5. Más allá del visible: la radiación IR. Experimento 1.4. ¿Es verdad que la luz es una onda?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

6.2

UN CHORRO DE LUZ: EXPERIMENTO DE TYNDALL-COLLADON Reflexión total, ley de Snell, transmisión de luz

30 min (+)

Objetivo 1: Observar cómo la luz puede viajar siguiendo la trayectoria de un chorro de agua. Objetivo 2: Entender, a través de la ley de Snell, cómo se produce el fenómeno de reflexión total interna presente en la transmisión de la luz a través de las fibras ópticas. MATERIALES • Botella de plástico transparente • Puntero láser

• Tijeras, cúter o similar • Cubo

En las comunicaciones ópticas, la luz viaja a través de las fibras ópticas gracias al proceso de reflexión total interna. El agua actúa de manera similar a las fibras y, si un haz de luz incide en un chorro de agua bajo un cierto ángulo, podemos observar cómo la luz queda confinada dentro del chorro viajando con su misma curvatura. Un ejemplo donde podemos observar este fenómeno es la fuente de Colladon, también conocido como experimento de Tyndall. Con este experimento podrás realizar tu propia fuente.

Procedimiento 1. Toma la botella de plástico transparente y realiza un pequeño agujero cerca de la parte inferior. 2. Sitúa el puntero láser en el punto opuesto al lado donde está el agujero. Asegúrate de que el haz de luz del láser sale por el orificio que hemos realizado en la botella. 3. Tapa el agujero con el dedo o con un trozo de cinta adhesiva. 4. Rellena la botella de agua, enciende el láser y destapa el orificio. Ya puedes observar una bonita fuente de luz (figura 6.2.2). 5. Asegúrate de que el agua cae sobre el cubo para aprovecharla.

Explicación La superficie agua-aire actúa como un espejo en el que la luz se refleja y, por tanto, sigue el trayecto del agua. En el punto donde cae el chorro de agua en el cubo se observa un punto de luz. Según la botella se va vaciando, el punto de luz se irá desplazando con el agua hasta que llega un momento en el que el chorro tiene una curvatura excesiva y la luz deja de estar confinada continuando su trayecto en línea recta. En una fibra óptica la luz viaja de manera similar. Como hemos visto anteriormente, según la ley de Snell, en la superficie agua-aire el ángulo de transmisión de la luz experimenta un cambio equivalente: n1sen (θ1) = n2 sen (θ2). Dado que n1 es mucho mayor que n2, el ángulo θ2 será mayor que θ1. La situación de confinamiento se produce siempre que θ2 sea mayor de 90º. En el caso del agua (n1 = 1,33) el ángulo crítico se produce aproximadamente a 49º, mientras que en el caso de la fibra óptica (n1 = 1,50) el ángulo crítico es algo más pequeño, 42º. Esto implica que la fibra soporta curvaturas mayores que el agua.

Figura 6.2.1. Fuente de Colladon.

Fuente: Jean-Daniel Colladon, reproducida en la revista La Nature (1884).

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6.2

EXPERIMENTO UN

CHORRO DE LUZ: EXPERIMENTO DE TYNDALL-COLLADON

Figura 6.2.2. Resultado del experimento. El puntero láser está situado a la derecha de la imagen, de manera que atraviesa el plástico de la botella, el agua que hay dentro y sale por el agujero que has hecho en la botella. Fotografía: Juan Aballe/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Trucos • Utiliza una botella grande y haz el orificio lo más abajo posible para obtener un mejor resultado, ya que cuanto menor curvatura tenga el chorro de agua, más luz será confinada. • Según la botella se va vaciando, el agua fluye con menor intensidad y poco a poco, el efecto de confinamiento es menor. Si quieres que dure más, conecta la botella a un grifo por medio de una manguera.

Veamos lo que has aprendido • ¿Cómo se transmite la información a través de una fibra óptica? • Cuando se dobla una fibra que transmite un haz visible podemos ver cómo el punto de máxima curvatura se ilumina, ¿a qué se debe este fenómeno?

Experimentos relacionados Experimento 1.1. ¿La luz viaja en línea recta? Experimento 6.3. Escuchando la luz: sistema de comunicaciones ópticas.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

ESCUCHANDO LA LUZ: SISTEMA DE COMUNICACIONES ÓPTICAS

6.3

Comunicaciones, modulación, transmisión de luz

30 min (+)

Objetivo 1: Comprender cómo la luz puede utilizarse para transmitir información. Objetivo 2: Aprender la función de todos los elementos que se utilizan en el circuito. MATERIALES • Led • Célula fotovoltaica • Cable jack-jack • Cable y pelacables o tijeras y alicates

• Batería de 9V • Resistencia de 470 Ω • Altavoz • Emisor de sonido (radio, smartphone o micrófono) • Amplificador de audio (opcional)

Al igual que un micrófono transforma nuestra voz (una vibración) en electricidad, podemos utilizar esa electricidad para modular la luz y transmitir esa información. En este experimento diseñaremos un sistema de comunicaciones ópticas en el que la información es transmitida por un LED (diodo emisor de luz). De manera similar, con un láser en el espacio libre, se comunican algunos satélites. Un ejemplo es el sistema EDRS de la ESA.

Procedimiento 1. Conecta el LED en paralelo a la batería y a la resistencia. Asegúrate de que la polaridad del LED es la adecuada (el pin largo es el polo positivo) (figura 6.3.1). 2. Utiliza el cable jack-jack para conectar en paralelo la radio. El conector jack tiene tres partes diferenciadas (dos si no fuese estéreo). La parte más cercana al cable es la toma de tierra, que debes conectar al negativo del LED. Las otras dos partes llevan el sonido, con lo que puedes conectar cualquiera al lado positivo. 3. Conecta la célula fotovoltaica al altavoz. 4. Es posible que escuches el sonido muy bajo. En ese caso, conecta un amplificador de audio entre la placa fotovoltaica y el altavoz para aumentar el volumen.

Figura 6.3.2. Materiales. Fotografía: IOSA.

Figura 6.3.1. El sistema europeo EDRS (European Data Relay System) desarrollado por la European Space Agency (ESA) y Airbus. Fuente: ESA.

Figura 6.3.3. Esquema del circuito. Fuente: IOSA.

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6.3

EXPERIMENTO ESCUCHANDO

LA LUZ: SISTEMA DE COMUNICACIONES ÓPTICAS

Figura 6.3.4. Montaje del circuito.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/ Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Explicación Todo sistema de comunicaciones contiene un emisor y un receptor. El emisor de nuestro sistema, el LED, genera un haz de luz que contiene la información de nuestra voz o la música que estemos reproduciendo. Por otro lado, el detector, la célula fotovoltaica, detecta esa información y la transforma de nuevo en electricidad, que será transformada en sonido por medio del altavoz. Si ponemos algún objeto entre el LED y la célula fotovoltaica, observaremos que la comunicación se interrumpe y, por tanto, la música deja de escucharse. También observaremos una transmisión de peor calidad si alejamos el LED de la célula fotovoltaica o si lo desplazamos de arriba abajo o de izquierda a derecha. El camino de la luz no sería directo y parte de la luz se perdería en la transmisión. Para construir el emisor de nuestro sistema de comunicación óptica hemos necesitado un LED, una batería, una resistencia y un micrófono, además de una radio o teléfono para generar el sonido que hemos enviado. La batería se emplea para alimentar el LED con la intensidad necesaria para que se active el diodo. Esta intensidad es regulada por la resistencia. Conectando en paralelo el generador del sonido conseguimos una pequeña intensidad variable que llega al LED. Decimos que tiene la amplitud modulada (AM): ILED = (1 +m) · cte, donde m contiene la información del sonido que queremos enviar. En el receptor, compuesto por una célula fotovoltaica y un altavoz, la luz que llega a la célula se transforma en electricidad y, dado que está modulada en amplitud, podemos recuperar el sonido original. En la transmisión, la luz generada en el LED se va atenuando por lo que, si aumentamos la distancia entre el LED y la célula, escucharemos más ruido.

Trucos • Podemos sustituir el diodo LED por un puntero láser. Debido a las características de los láseres, tendremos una calidad de sonido mucho mayor. • Si dispones de una fibra óptica puedes intentar acoplar la luz del LED o del láser y llevarla hasta la célula fotovoltaica. De esta forma, evitarás los obstáculos y conseguirás una mayor calidad del sonido en el altavoz.

Veamos lo que has aprendido • ¿Cómo codificamos la información en nuestro sistema? • ¿Podríamos utilizar nuestro sistema para transmitir señales de vídeo? • ¿Podemos utilizar un espejo o una lente para mejorar nuestro sistema de comunicación?

Experimentos relacionados Experimento 6.2. Un chorro de luz: experimento de Tyndall-Colladon.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

6.4

¿TIENE MI ACEITE DE OLIVA ANTIOXIDANTES? Fluorescencia, alimentación, tecnología óptica

30 min (+)

Objetivo 1: Comprender cómo la fluorescencia nos puede ayudar a hacer un control de la calidad alimentaria. Objetivo 2: Experimentar cómo la exposición a diferentes agentes puede deteriorar la calidad de un alimento.

MATERIALES • Aceite de oliva virgen extra • Aceite de girasol

El aceite de oliva es único frente a otros aceites, ya que es producto de una fruta y no de una semilla. Así, posee una constitución diferente, particularmente con respecto a su sabor, pero también por la gran presencia de antioxidantes y pigmentos naturales. Es el producto central de la cocina mediterránea y es tratado como un “aceite saludable”. En este experimento analizaremos la presencia de antioxidantes en nuestro aceite de oliva mediante la fluorescencia. Como se ha mencionado previamente, la fluorescencia se puede aplicar como una tecnología de control alimentario, ya que no supone un deterioro del producto alimenticio, al no existir contacto y posible degradación.

• Recipientes de cristal o cubetas • Puntero láser verde

Figura 6.4.1. Olivar.

Fotografía: Stocksnap, Pixabay.

Procedimiento 1. Coloca los aceites de oliva y de girasol en los recipientes por separado. Añade otro recipiente con agua. 2. Haz pasar el haz del láser verde a través de los diferentes aceites. 3. Observa cómo cambia la fluorescencia de un aceite a otro. 4. Como estudio adicional puedes comprobar cómo afecta al aceite de oliva virgen extra que lo dejes una semana al sol o que se haya calentado varias veces (siempre calienta el aceite con la supervisión de un adulto, ya que te puedes quemar).

Explicación Algunos aceites de oliva pueden contener clorofila. Estos aceites suelen ser más verdes que aquellos que no la contienen. Aunque la clorofila por sí misma no añade calidad al aceite, está presente en mayor medida en aceites que proceden de aceitunas más jóvenes, que suelen contener más antioxidantes y tienen un sabor más fresco. La fluorescencia puede ser utilizada para identificar la presencia de cierto tipo de sustancias. La clorofila, en este caso, absorbe la luz en la zona visible de altas energías. Un puntero láser de color verde proporciona la suficiente energía para excitar la clorofila y que en rojo. Al pasar a través del aceite de girasol, este no se pone rojo, ya que proviene de la semilla del girasol, que no contiene clorofila. El aceite virgen extra se obtiene de prensar las aceitunas en frío frente a otros aceites de menos calidad que se prensan en caliente. En estos últimos se rompen las moléculas de la clorofila, que con el tiempo oxidan las otras moléculas y degradan la calidad del aceite. Lo mismo ocurre cuando el aceite es expuesto a la luz, por lo que se debería conservar en botellas que no dejen pasar la luz.

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6.4

EXPERIMENTO ¿TIENE

MI ACEITE DE OLIVA ANTIOXIDANTES?

Figura 6.4.2. (de izquierda a derecha): agua, aceite de girasol y aceite de oliva con luz verde. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Figura 6.4.3. (de izquierda a derecha): Resultado del experimento con luz blanca: agua, aceite de girasol y aceite de oliva. Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

Trucos • Busca un sitio oscuro para observar mejor el efecto. • Cambia el orden de los recipientes de aceite. Si colocas el aceite de oliva delante del de girasol, observarás que el aceite de oliva absorbe más que el de girasol.

Veamos lo que has aprendido • Presumiblemente, ¿de qué color ha de ser un aceite de buena calidad? ¿Qué efecto observarás si lo iluminas con luz ultravioleta? • ¿Se debe reutilizar muchas veces el aceite que has utilizado para freír unos alimentos?

Experimentos relacionados Experimento 5.5. La clorofila, ¿verde?

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

6.5

COCINA SIN GASTAR ENERGÍA: CONSTRUYE UN HORNO SOLAR Energía solar, transmisión, reflexión, absorción

1 h (+)

Objetivo 1: Construir un horno solar para cocinar alimentos utilizando únicamente la energía solar. MATERIALES • Dos cajas cuadradas de cartón: una de 45 cm de lado y la otra de 50 cm de lado. Deben ser lo suficientemente grandes para que quepa el recipiente en el que quieras cocinar después

• Papel de periódico • Regla • Tijeras • Pegamento • Papel de aluminio • Cartulina negra • Cinta de embalaje • Hilo de nylon • Un vidrio plano o plástico transparente (plexiglás) de forma cuadrada (45 cm de lado) y alrededor de 3 mm de espesor

Para cocinar alimentos se requiere de energía eléctrica o combustibles como gas natural o leña, que en algunos países o lugares remotos a menudo no están disponibles. Una alternativa para cocinar con una energía barata y renovable es la energía solar que, además, puedes utilizar en prácticamente cualquier lugar. Además de la energía solar, necesitas un horno solar para potenciar el poder calorífico del sol. La difusión de los hornos solares para cocinar alimentos tuvo lugar en las zonas rurales de la India durante los años cincuenta del siglo pasado. También Naciones Unidas ha impulsado el empleo de los hornos solares en los campos de refugiados, producto de los conflictos bélicos en diferentes lugares del planeta. A continuación, vamos a describir el proceso de construcción de un horno solar con materiales de bajo coste y asequibles.

Procedimiento 1. Recorta los extremos de las solapas de la caja grande para que queden con forma de trapecio y fórralas con el papel de aluminio, como se muestra en la figura 6.5.2. Intenta evitar pliegues o arrugas en el papel de aluminio para un mejor funcionamiento del horno solar.

Papel de aluminio

Cristal Luz

Caja 1 Caja 2

Figura 6.5.1. Esquema del experimento. Fuente: IOSA.

Periódicos

Cartulina negra

Figura 6.5.2. Montaje final del horno solar.

Fotografía: Eliezer Sánchez González/Cultura Científica (CSIC)/IOSA.

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6.5

EXPERIMENTO COCINA

SIN GASTAR ENERGÍA: CONSTRUYE UN HORNO SOLAR

2. Recorta las solapas de la caja pequeña. 3. Recubre el interior de la caja pequeña con cartulina negra. 4. Coloca la caja de cartón pequeña en el centro de la caja grande. Rellena con papel de periódico el espacio que ha quedado entre las dos cajas. 5. Une las solapas de la caja grande con el hilo de nylon de modo que cada una mantenga un ángulo de 45° con la caja. 6. Por último, construye la tapa del horno solar utilizando unos trozos de cartón para los bordes y pegando a estos el vidrio o plástico transparente. ¡El horno solar está listo!

Explicación El horno solar utiliza la luz del sol para calentar el aire que se encuentra en un espacio térmicamente aislado. La temperatura del aire en el horno aumenta al reducirse la posibilidad de pérdida de calor. Este mismo efecto pasa en el interior de un automóvil cuando se deja cerrado y al sol por un largo tiempo. La temperatura en el interior del horno puede superar los 100 °C. De toda la energía del sol que llega a la Tierra, la que tiene una longitud de onda en el infrarrojo es la que puede llegar a calentar los objetos. En particular, la radiación infrarroja puede ser absorbida, reflejada o transmitida según el tipo de material que atraviese. Por lo general, los vidrios y plásticos transparentes permiten en gran medida que casi toda la radiación solar que los atraviese pase sin ser absorbida. En cambio, el resto de los cuerpos absorben una parte de la radiación que les llega y reflejan la parte restante. Los objetos negros absorben toda la radiación solar y llegan a calentarse más que otros objetos. El horno solar que hemos realizado basa su principio en la acumulación del calor generado por los rayos del sol. Los rayos que atraviesan la tapa de vidrio o plástico son absorbidos por las paredes del horno, que son negras. Esto hace calentar el aire en el interior del horno y, al haber una tapa, el calor no puede salir. Este efecto se denomina efecto invernadero. Además, la presencia de las superficies exteriores reflectantes incrementa el área de captación de los rayos solares, reflejando muchos de ellos en el interior del horno.

Trucos • Con el horno solar se pueden preparar las mismas recetas que se hacen en un horno convencional, aunque en algunos casos se puede reducir el tiempo de cocción realizando algunas adaptaciones. Por ejemplo, es recomendable reducir la cantidad de agua de la receta y cortar los alimentos en trozos pequeños. • Puedes poner un termómetro de cocina dentro del horno solar para saber cuál es la temperatura que alcanza y así tener una idea más precisa sobre el tiempo necesario para la cocción de los alimentos.

Veamos lo que has aprendido ¿De qué color son los objetos que absorben más energía solar?

Experimentos relacionados Experimento 6.6. Obteniendo electricidad del sol: construye una célula fotovoltaica. Experimento 6.7. Desaliniza el agua sin gastar nada.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

6.6

OBTENIENDO ELECTRICIDAD DEL SOL: CONSTRUYE UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA Energía solar, electricidad

2 h (+)

Objetivo 1: Entender que la energía que nos llega del sol puede transformarse en electricidad. Objetivo 2: Comprender qué mecanismo ocurre en el interior de la célula. MATERIALES • Dos tiras de cobre o aluminio o hilo de cobre (sin recubrimiento) • Dos trozos de vidrio plano del mismo tamaño (portaobjetos de microscopio) •P  egamento • Cinta adhesiva • Un bol o plato hondo

Uno de los retos más importantes de nuestros días es conseguir fuentes de energía limpia, barata y abundante que nos permitan terminar con la dependencia que tenemos de los combustibles fósiles. La energía fotovoltaica es una excelente candidata. En este experimento desarrollaremos una célula fotovoltaica con elementos caseros. Vamos a crear una célula sensibilizada por colorante que nos permitirá producir electricidad a través de un fenómeno fotoelectroquímico. Esta tipología de célula solar es muy prometedora respecto a las clásicas basadas en silicio porque, aunque sean menos eficientes, tienen un menor coste de producción.

• Arándanos o moras • Una cuchara • Una taza o vaso • Un filtro para café o similar • Protector solar con factor de protección elevado (comprueba en los ingredientes que contenga dióxido de titanio, TiO2) • Una velita de té o mechero • Yodo para las heridas (farmacia) • Un multímetro

Figura 6.6.1. Paneles solares.

Fotografía: Blickpixel, Pixabay

Procedimiento 1. Pega las tiras de cobre o aluminio a lo largo de las piezas de vidrio. 2. Coloca cinta adhesiva en los bordes de uno de los vidrios (por el lado de la tira). 3. Cubre abundantemente la superficie con el protector solar. Espera 15 minutos para que el protector se seque. Retira la cinta adhesiva. 4. Pon los arándanos en un bol y exprímelos con una cuchara, de modo que se libere el zumo. Ahora utiliza el filtro para separar el zumo y guárdalo en el bol. Si no consigues mucho zumo no te preocupes, guarda el puré que has obtenido. 5. Coloca el vidrio en el zumo o el puré y déjalo 15 minutos a remojo. 6. Mientras tanto, prepara el otro vidrio. Enciende la vela y ¡con cuidado! Figura 6.6.2. Materiales. (puedes utilizar una pinza) ahúma la superficie del vidrio en la que has Fotografía: IOSA. pegado el cobre. Tienes que esperar hasta que se deposite suficiente hollín (la superficie estará negra). 7. Transcurrido el tiempo necesario, retira el vidrio del zumo y, si es necesario, sécalo con un bastoncillo de algodón. No es preciso retirarlo todo. Deposita unas gotas de yodo sobre la superficie. 8. Coloca el vidrio cubierto de hollín encima del otro. Fíjalos con pequeñas tiras de cinta adhesiva. Ten cuidado de que las tiras de cobre no se toquen. 9. Tu célula solar está lista: solo queda ponerla al sol y comprobar el voltaje con un multímetro. Evita que las tiras de cobre se toquen al medir el voltaje.

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6.6

EXPERIMENTO OBTENIENDO

ELECTRICIDAD DEL SOL: CONSTRUYE UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA

Luz solar

Vidrio Electrodo Óxido de Titanio Yoduro Carbono Figura 6.6.3. Diferentes pasos del procedimiento: pega las tiras de metal, cubre la primera con protector solar y luego déjala a remojo en el zumo, ahúma la otra con una vela o mechero, finalmente une las dos placas y mide el voltaje.

Vidrio

Electrodo

Figura 6.6.4. Esquema de los componentes de nuestra célula solar. Fuente: IOSA.

Fotografía: IOSA.

Explicación La célula que hemos construido transforma la energía lumínica en eléctrica a través de un proceso fotoelectroquímico. La luz solar interacciona con el colorante fotosensible contenido en el zumo de arándanos o moras, un pigmento llamado antocianina, abundante en estos frutos. La antocianina es absorbida por un material semiconductor (el dióxido de titanio, TiO2, del protector solar). La luz solar permite que los electrones del colorante absorban suficiente energía para moverse en la célula. Estos electrones pasan directamente al dióxido de titanio (semiconductor) y luego al cobre (cátodo, el electrodo negativo de la célula). El yodo funciona como electrolito (o sea, una sustancia con iones libres que conducen la electricidad) y el carbono del hollín como catalizador (es decir, aumenta la velocidad de la reacción química). Una vez que los electrones llegan al cátodo, se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), en este caso el catalizador (hollín). De allí, moviéndose por la solución electrolítica (el yodo), vuelven al colorante, cerrando el ciclo para que pueda volver a empezar: de esta manera obtenemos una corriente eléctrica.

Trucos • Si quieres obtener mayores voltajes puedes jugar con el tamaño de las células: a mayor superficie, mayor voltaje. También puedes conectar en serie o paralelo diferentes células. • Si bien nuestro sistema no produce una energía elevada, puedes intentar conectar un LED o un pequeño motor. Una célula del tamaño de un portaobjeto de microscopio debería producir una corriente alrededor de 0,5 voltios.

Veamos lo que has aprendido • Los electrones que generan la corriente eléctrica, ¿circulan de la placa oxidada al clip o viceversa? • Si utilizamos LED de colores para iluminar nuestro sistema, ¿qué color de LED genera una mayor corriente eléctrica?

Experimentos relacionados Experimento 6.5. Cocina sin gastar energía: construye un horno solar.

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OBJETIVOS

EXPERIMENTO

6.7

DESALINIZA EL AGUA SIN GASTAR NADA Energía solar, transmisión, absorción

5 min (+)

Objetivo 1: Construir un desalinizador solar.

MATERIALES • 1 litro de agua del mar (o agua salada) • 1 barreño de plástico • 1 vaso de vidrio (de altura inferior a la del barreño)

• Film de plástico de uso alimentario • Cinta adhesiva • Piedras

Todos sabemos que sin agua dulce no habría vida para muchos animales ni plantas en nuestro planeta, incluido el ser humano. Pero este recurso es muy limitado, ya que alrededor del 97% del agua presente en la Tierra es salada, y por ello no puede ser utilizada para la agricultura o la alimentación. Sin embargo, esta agua puede ser desalinizada mediante varias técnicas, lo que permite su utilización. En este experimento vamos a ver cómo es posible construir un desalinizador sin gastar dinero, utilizando la energía de sol y materiales disponibles en cualquier casa.

Procedimiento 1. Pon el vaso en el centro del barreño. 2. Deposita el agua del mar dentro del barreño de modo que rodee el vaso. Figura 6.7.1. Playa. 3. Tapa con el papel film el barreño teniendo cuidado de no Fotografía: Joe de Sousa, Flickr. dejar ningún agujero. 4. Coloca las piedras en el centro del papel film para que se hunda hacia el interior del barreño. Este hundimiento debe coincidir con el centro del vaso. 5. Deja el barreño al sol hasta que no quede agua en el barreño y el vaso esté lleno. 6. ¡Ya tienes agua potable! La puedes utilizar para regar plantas e incluso beber para comprobar que no tiene sal.

Energía

Vapor Figura 6.7.2. Esquema del experimento. Fuente: IOSA.

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6.7

EXPERIMENTO DESALINIZA

EL AGUA SIN GASTAR NADA

Figura 6.7.3. Montaje del experimento. Fotografía: IOSA.

Explicación En nuestro experimento hemos simulado el ciclo del agua para convertir agua salada en agua dulce. La energía del sol absorbida el agua salada hace que esta se transforme en vapor, que asciende y choca con el film de plástico. La presencia del plástico, además, hace que la temperatura en el interior del barreño sea mayor que la temperatura del exterior, ya que el calor no puede escapar. Esta diferencia de temperatura provoca la condensación del vapor de agua en forma de gotas en el plástico. Cuando las gotas tienen un tamaño suficientemente grande, la gravedad las va dirigiendo hacia el centro de la depresión que hemos creado con las piedras. Desde ahí caen dentro del vaso permitiendo obtener agua pura y libre de sal como el agua de la lluvia. El desalinizador solar que hemos realizado se basa en el principio de la destilación del agua por efecto de la energía solar. Esta se transmite a través del aire como radiación de diferentes longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo. La longitud de onda infrarroja es la que calienta los objetos. Cuando llega a la superficie del agua a través del plástico transparente es absorbida por las moléculas de agua. Así, estas moléculas aumentan su energía hasta poder romper las fuerzas que las vinculan en el estado líquido y evaporarse. El vapor de agua producido sube hasta condensarse en la superficie del plástico. Este último, además de ser necesario para permitir la condensación del vapor de agua, también favorece el proceso de evaporación, porque conlleva a un aumento de la temperatura del agua ya que no deja salir el calor absorbido por el agua.

Trucos El método descrito para desalinizar el agua de mar puede ser empleado también para purificar el agua dulce de eventuales sustancias tóxicas o microbios y así hacerla potable. Puedes comprobarlo tiñendo el agua puesta en el barreño con una sustancia colorante y viendo que esta no está presente en el agua que se deposita en el vaso.

Veamos lo que has aprendido • ¿Por qué se produce la evaporación del agua si no se alcanzan los 100 ºC? • ¿Qué características debe tener el recipiente exterior para favorecer el experimento?

Experimentos relacionados Experimento 6.5. Cocina sin gastar energía: construye un horno solar.

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Veamos lo que has aprendido Capítulo 1 | ¿Qué es la luz? Experimento 1.1. ¿La luz viaja en línea recta? ¿Por qué se vuelven invisibles las perlas de hidrogel dentro del agua? Si miras una de las perlas de hidrogel hidratadas entre tus dedos, parece que funciona como una lupa. La razón es que, además de tener superficie curva, su índice de refracción es diferente al del aire, y gracias a eso desvía los rayos como si fuese una lente. Sin embargo, una vez que las has puesto dentro del vaso con agua, como la perla de hidrogel está hidratada con agua, la diferencia de índice de refracción es tan baja que no desvía los rayos que pasan a través de ella. Es como tener una lente de aire al aire, por mucha curvatura que tenga, no desviará los rayos ya que los índices de refracción coinciden. ¿Cómo se puede observar que el índice de refracción del alcohol etílico es menor que el del aceite de girasol? Una forma muy sencilla de verificar diferencias en el índice de refracción de líquidos diferentes es ponerlos en el mismo recipiente y luego introducir un lápiz o una pajita, por ejemplo. Al mirar por los costados, verás que la luz se refracta de forma diferente en cada líquido, haciendo que el lápiz parezca discontinuo. Si ves que la imagen del lápiz no cambia al atravesar los dos líquidos, entonces tienen el mismo índice de refracción; pero si notas una discontinuidad (como si el lápiz estuviera quebrado), 223

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entonces su índice de refracción es diferente. La imagen 1.1.3 ilustra tres líquidos con diferentes índices de refracción. El cambio más drástico de índice se puede observar entre el aire y el agua, ya que la pajita parece totalmente quebrada (figura 1.6). Experimento 1.2. Rompiendo la luz: el prisma de Newton ¿Por qué no vemos la descomposición en colores cuando miramos a través de la ventana, que está hecha de vidrio? Cuando miramos a través de una ventana, la superficie por donde llega un rayo de luz y por donde sale son paralelas. Esto hace que en efecto haya una ligera desviación de la posición del rayo refractado con respecto al incidente cuando el ángulo de incidencia sea diferente al normal a la superficie. En este caso, la diferencia de caminos es tan corta que, prácticamente, todas las longitudes de onda recorren la misma distancia y el mismo camino y al final no se descomponen formando un arcoíris. En el caso del prisma, ya que el camino que recorre la luz cerca del ápice es más corto, ocurre el efecto de la descomposición en las diferentes longitudes de onda. ¿Qué pasa con las longitudes de onda que nuestros ojos no pueden percibir, ocurre el mismo efecto con el ultravioleta y el infrarrojo? Si tienes una fuente de luz blanca que atraviesa un prisma, en efecto, aunque tus ojos no puedan percibirlo, más allá del rojo se encuentra la componente infrarroja que contiene la luz y, más allá del azul violáceo o violeta, se encuentra el ultravioleta, aunque ambos en baja cantidad. Para poder visualizarlo de forma más fácil, utiliza una luz blanca y el prisma que has construido en el experimento, y con una cámara que disponga del modo “visión nocturna” podrás observar un color adicional del espectro al lado del rojo que corresponde al infrarrojo cercano. ¡Pruébalo e impresiónate! Experimento 1.3. ¿Cómo funciona el protector solar? ¿Podríamos mirar directamente al sol si nos pusiéramos unas gafas con filtro UV? No. Aunque muchos de los recubrimientos que tenemos en nuestras gafas de sol nos permiten eliminar la mayoría de las componentes nocivas del UV que provienen de la luz del sol, la luz visible de este tiene suficiente intensidad para ocasionar daños irreversibles en nuestros ojos al enfocar en nuestras retinas. Es por esto por lo que, cuando hay un eclipse solar, debemos utilizar gafas protectoras que no solamente bloquean el UV, sino que se encargan de reducir radicalmente la intensidad de la luz del sol para poder mirarlo directamente. 224

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¿Es cierto que si me pongo protector solar mi piel no sintetiza la vitamina D, necesaria para mi cuerpo? No. Aunque te pongas protector solar de la más alta protección, un porcentaje muy pequeño de la radiación ultravioleta (en torno al 3% utilizando un protector solar de 50 SPF) logra llegar a nuestra piel. Si la exposición al sol no es prolongada, esta cantidad de radiación resulta inocua para nuestra piel y, además, con esa radiación es perfectamente posible sintetizar la vitamina D. Experimento 1.4. ¿Es verdad que la luz es una onda? ¿Por qué se observan franjas claras y oscuras al iluminar con un solo color? Si tenemos un sistema que con luz blanca normalmente produce interferencias que resultan en la formación de un patrón de colores, cuando iluminamos con un solo color, el patrón que se forma es de franjas claras y oscuras debido a que solamente está interfiriendo una longitud de onda. La diferencia de camino que recorre la luz de la primera reflexión con respecto a la segunda es suficiente para ocasionar un desfase que produce una interferencia destructiva, por esto vemos que la franja es oscura, mientras que donde vemos una franja clara, las dos ondas interfieren constructivamente. Este principio se utiliza con frecuencia por los fabricantes de lentes para comprobar la uniformidad en grandes áreas pulidas. ¿Por qué se observan diferentes colores en diferentes posiciones de la burbuja? Una burbuja de jabón es una estructura estable formada por la tensión superficial del jabón. Una vez formada, el espesor de la capa de jabón disminuye en la parte superior y esta se hace más gruesa en la inferior por efectos de la gravedad. Como ya hemos visto, entre la luz que se refleja en una capa y la que se transmite y vuelve a reflejarse en la cara posterior hay un desfase de 180º que provoca las interferencias que producen los colores que podemos ver. A medida que el jabón se dirige hacia abajo, el espesor de la capa disminuye lo suficiente para poder crear una de espesor diferente. Por eso, dependiendo de la posición desde la que la veamos, podemos ver diferentes colores. ¿Por qué observamos diferentes colores cuando hay una mancha de gasolina sobre el asfalto? En este caso, también tenemos un sistema de una capa delgada de gasolina sobre agua. Entre la luz incidente que se refleja y la que se transmite y se refleja de nuevo en la interfaz entre el agua y la gasolina hay un desfase de 180 grados. Esto conlleva una interferencia destructiva que deja pasar solamente una longitud de onda dependiente 225

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del espesor de la capa. Por esta razón también, en las partes centrales de la mancha (donde hay más gasolina y esta forma una capa más gruesa) no se producen interferencias visibles, pero, a medida que nos alejamos del centro y la capa se hace más delgada, vemos los colores. Experimento 1.5. ¿Cuál es el grosor de mi cabello? ¿Podemos observar patrones de interferencia utilizando otras fuentes de luz como la luz del sol o la luz de una bombilla? En realidad, los patrones de interferencia se observan fácilmente con fuentes de luz como la que emiten los láseres, conocida como luz coherente. En este tipo de luz, los fotones tienen en promedio la misma longitud de onda, el mismo estado de polarización y viajan en la misma dirección (en promedio), y gracias a eso pueden interferir a unas distancias bien definidas. En el caso de la luz de una bombilla o de la luz del sol, la forma en la que se emiten los fotones desde su fuente es aleatoria, y tienen muchas longitudes de onda, muchos estados de polarización y además viaja en múltiples direcciones. Esto hace que su longitud de coherencia sea muy corta, tanto como para no observar interferencias. Para poderlo lograr, es necesario utilizar un conjunto de al menos dos rendijas, ya que esto permitirá obtener cierta coherencia espacial que facilitará la producción de un patrón de interferencia. Experimento 1.6. ¿Crepúsculo? No, ¡corpúsculo! ¿Qué diferencias observas en el patrón generado cuando empleas luz natural (el sol) o láser? Cuando se utiliza luz natural, como la del sol o la de una bombilla de incandescencia, el patrón generado es el de dos manchas de luz, correspondientes a cada una de las rendijas. Para producir un patrón de interferencia es necesario crear una fuente de luz coherente. Para ello, utilizando una abertura podemos generar, a base de luz solar, un frente de ondas espacialmente coherente que luego haremos pasar por las dos rendijas. En este caso, el patrón que se forma es el mismo que al utilizar una fuente de luz láser atravesando las dos rendijas pero con un máximo central blanco y unos lóbulos laterales de colores. ¿Qué tamaño deben tener las rendijas para que las ondas generadas sean fuentes puntuales esféricas y se reduzcan los efectos de difracción por una única rendija? El tamaño de las rendijas debe ser algo más pequeño que la longitud de onda de la luz empleada para generar ondas puntuales esféricas. 226

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¿Qué ocurre si una de las dos rendijas se cubre? Si una de las dos rendijas se cubre, el patrón de interferencia no se produce, ya que es necesaria una segunda fuente puntual de ondas esféricas. Se genera un patrón formado por una banda brillante central, que puede ser mucho más ancha que la ranura, y una serie de franjas oscuras y brillantes cuya intensidad disminuye rápidamente, a modo de nódulos del pico central. Experimento 1.7. ¡Desfasando! Polarización y birrefringencia ¿Qué diferencia hay entre luz natural y luz polarizada? La luz natural es aquella que proviene de una fuente de luz que emite los fotones de forma aleatoria, tanto en dirección, como con diversas longitudes de onda y oscilando en distintos planos. Es por esto último por lo que se considera que la luz no está polarizada. En el caso de la luz proveniente de un láser, por ejemplo, esta sale oscilando mayoritariamente en un único plano, debido a la forma en la que se emite dentro del láser. ¿Por qué las gafas entre polarizadores muestran diferentes colores y no solo uno? En general, una forma de visualizar la tensión dentro de un material orgánico, como los plásticos, es ponerlo entre polarizadores cruzados. Las tensiones que se encuentran dentro del material producto de fuerzas, como, por ejemplo, la fuerza que hace el marco de nuestras gafas sobre las lentes, hacen que las moléculas de polímero modifiquen su posición entre sí, actuando como polarizadores locales y girando la dirección del plano de oscilación de la luz que atraviesa uno de los polarizadores. Como las tensiones son graduales, el plástico se comporta como polarizador de forma gradual, produciendo el efecto de múltiples colores. Experimento 1.8. ¡El fotón me da alaaasss! El efecto fotoeléctrico ¿Cómo se puede cargar negativamente un material? Antes que nada debes saber que la carga neta de los materiales en general es neutra. Cuando frotamos dos objetos que pueden cargarse, como por ejemplo un globo y nuestro pelo o un tubo de PVC y alguna prenda de algodón, lo más usual es que estos materiales (globo y tubo PVC) cedan algunos electrones terminando con una carga neta positiva y cargando consecuentemente el pelo o la prenda de algodón con carga negativa. 227

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¿Siempre que llega un fotón a un material libera un electrón? Solamente cuando los fotones de la luz incidente tienen una energía superior al umbral de ese material se podrá liberar un electrón. De lo contrario, incluso con intensidades de luz altas, no será posible producir el efecto fotoeléctrico. ¿Es más sencillo liberar un electrón con luz ultravioleta que con infrarroja? La probabilidad de liberar un electrón de un material aumenta con la energía de los fotones incidentes. Por tanto, con luz ultravioleta sería más sencillo. Sin embargo, también depende de la energía umbral característica de cada material. Si la energía umbral es adecuada para ultravioleta e infrarrojo, ambos fotones podrán liberar un electrón.

Capítulo 2 | Fuentes de luz y detectores Experimento 2.1. Estudiando la luz de las estrellas: construye tu espectroscopio ¿Consigues ver diferencias espectrales entre distintas fuentes de luz? ¿A qué se debe? Si has observado el espectro de una lámpara de incandescencia (o del sol) habrás notado que su espectro es continuo, mientras que en una lámpara halógena, por ejemplo, se notan unas líneas negras. Sus espectros de emisión son diferentes porque tienen una composición química diferente. Las líneas de absorción se pueden utilizar como huella dactilar del compuesto químico. ¿Por medio de qué elemento y fenómeno conseguimos ver el espectro en nuestro espectroscopio casero? Para poder descomponer la luz blanca en las diferentes componentes de color, debemos utilizar algún elemento dispersor, ya sea una red de difracción, un prisma o en el caso del arcoíris, pequeñas gotitas de agua. En nuestro caso, utilizamos un trozo de CD o DVD que dispone de una serie de pistas micrométricas donde se guarda la información. Como la separación entre esas pistas es muy cercana a la del espectro visible (entre 400 y 800 nm) el disco actúa como elemento dispersor permitiéndonos ver los diferentes colores.

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Experimento 2.2. Reinventando a Edison: construye una bombilla de incandescencia ¿Qué ventaja crees que puede aportar un filamento de tungsteno frente al que usó Edison o al que hemos usado nosotros? El utilizar un material con un punto de fusión más alto permite trabajar a temperaturas más altas sin que esto afecte a su durabilidad. Esto permite desplazar el espectro de emisión del filamento hacia frecuencias más elevadas, con lo que tenemos una luz con una mayor proporción de azul y menor de rojo e infrarrojo, ganando de esta manera tanto luminosidad como eficiencia. El tungsteno, con 3.422º C, es el elemento con el punto de fusión más alto conocido. ¿Es esta una manera eficiente de producir luz visible? Justifica tu respuesta. No. El mecanismo de producción de luz en una lámpara de incandescencia se basa en utilizar energía eléctrica para calentar su filamento hasta que este se vuelva incandescente. Ello implica que la mayor parte de la energía se transformará en energía térmica y solo una parte residual en luminosa, cuando lo deseable sería el proceso inverso. Si miras a través de un espectroscopio ¿cómo crees que sería el espectro que ves? ¿Cómo crees que sería el espectro que observarías? El espectroscopio es un dispositivo que permite visualizar las diferentes longitudes de onda (colores) que provienen de una fuente de luz ya sea por emisión o absorción. Las diferentes distribuciones de líneas de color nos indican los materiales a nivel elemental que están presentes en dicho emisor. En el caso de una bombilla de incandescencia, ya que viene de un material de alta densidad, el espectro que veríamos sería un espectro principalmente continuo. Experimento 2.3. Detectando luz con semiconductores ¿Por qué crees que especificamos el color de los LED que utilizamos como sensores? ¿Piensas que puede tener algún tipo de relevancia en su funcionamiento o sensibilidad como sensores? En caso afirmativo, ¿cuál crees que es y a qué crees que se debe? Solo la luz más energía que la que emite el propio LED es capaz de excitarlo. Por tanto, un LED IR o rojo funcionará mejor que uno amarillo o verde en este experimento. El peor resultado lo tendríamos con LED azules y blancos, que 229

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funcionan en realidad como un LED azul. La luz azul es muy energética, y por lo tanto no es fácil excitar el LED para que funcione el sensor. ¿Piensas que es imprescindible utilizar una microcontroladora como la que hemos utilizado para observar esta propiedad de los LED? ¿Por qué crees que la hemos utilizado? No es imprescindible, ya que el experimento se basa en una característica inherente al mecanismo de funcionamiento de los LED. Sin embargo, una microcontroladora nos permite muestrear de manera continua y simultánea varios de ellos a la vez, así como calcular un valor “de base” y ejecutar acciones cuando este se sobrepasa hacia arriba o hacia abajo (encender o apagar los LED indicadores). Experimento 2.4. Una luz extraordinaria: el láser ¿Cuáles son las principales características de la luz generada por un láser que lo distinguen de las otras fuentes de luz? A diferencia de las otras fuentes de luz, la luz láser es monocromática (tiene una sola longitud de onda), colimada (los rayos viajan en paralelo) y coherente (las ondas tienen la misma relación de fase). Gracias a estas propiedades, obtenemos una fuente de luz muy energética. Experimento 2.5. Más allá del visible: descubriendo la radiación infrarroja Intenta repetir el experimento en diferentes momentos del día o cambiando un poco la posición de los termómetros respecto al espectro. ¿Notas alguna diferencia? ¿Qué podemos concluir? Las temperaturas que registran los termómetros siempre serán más bajas en el color azul y más altas hacia el rojo e infrarrojo independiente de la hora del día a la que se haga el experimento. La gran diferencia en diferentes momentos durante el día es la temperatura máxima que alcanzarán los termómetros. Seguramente si lo has hecho la primera vez por la mañana o a última hora de la tarde, obtuviste temperaturas más bajas que al mediodía. Esto se debe a que al medio día la capa de la atmósfera que ha tenido que atravesar la luz del sol es menor que la que debe atravesar en la mañana o en la tarde, obteniendo así mayores temperaturas, sobre todo en el rojo y el infrarrojo. ¿Qué relación hay entre temperatura y color (o, mejor dicho, espectro electromagnético, ya que no conseguimos verlo por completo)? Cada color de la luz (o parte del espectro e. m.) tiene su propia longitud de onda (o frecuencia) y a cada frecuencia (ν) corresponde una determinada energía (E) según la 230

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ecuación de Planck E = h·ν, donde h es una constante (la constante de Planck). El color solo es un tipo de energía.

Capítulo 3 | Instrumentos ópticos Experimento 3.1. Intenta cogerme ¿Cómo crees que debe estar la imagen en la tablet o móvil para que tú la veas derecha? La parte del espejo que apoyamos sobre la tablet o móvil será la parte inferior de nuestro holograma y las imágenes deben estar orientadas en ese sentido. El reflejo es directo en cada una de las paredes y, por tanto, si cambia la orientación, se verá rotada. ¿Qué pasaría si solo hubiese una imagen en la tablet o móvil? No conseguiríamos el mismo efecto. En ese caso, la imagen se refleja solamente en la cara que se encuentra enfrentada con la imagen y, por tanto, solo veríamos el “holograma” desde un lado. Al girar el teléfono o la tablet no habría efecto tridimensional. Experimento 3.2. ¡No hay nada fuera de mi alcance! ¿Por qué es importante que los espejos formen internamente un ángulo de 45º con las caras de la caja? Los espejos se ubican en el tubo de forma paralela entre sí y en un ángulo de 45º con el eje del tubo. El espejo de la parte superior es el que refleja los objetos que están ubicados fuera del área de nuestra visión y queremos observar. Al incidir sobre la superficie del espejo a 45º, siguiendo la segunda ley de la reflexión de la luz, se refleja a 45º también, por lo que los rayos incidentes y los rayos reflejados forman entre sí un ángulo recto. Esto es los que permite que los rayos reflejados en el espejo superior acompañen el recorrido del tubo y se dirijan verticalmente hacia abajo, aunque proyectando la imagen invertida. Estos rayos reflejados inciden sobre el espejo ubicado en la parte inferior del periscopio, y se replica este mismo fenómeno: al incidir a 45º se reflejan también a 45º, y forman un ángulo de 90º. Al seguir la trayectoria hasta el observador, se vuelve a invertir la imagen, con lo que los rayos reflejados son percibidos por el ojo del observador de forma exacta a la imagen original. 231

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¿Por qué no es imprescindible en este experimento el uso de lentes? ¿Eres capaz de relacionarlo de alguna manera con tu vida diaria? No es necesario el uso de lentes, ya que no necesitamos focalizar los rayos de luz para formar una imagen en un plano concreto. Al estar usando espejos planos, estamos cambiando la dirección de todos los rayos de luz por igual, por lo que los rayos que vienen paralelos desde el infinito a la entrada del periscopio seguirán estándolo a la salida de este. Nuestro ojo, suponiendo que sea emétrope o esté correctamente corregido, será el que focalizará los rayos para que formen la imagen en el plano de la retina, igual que lo hace cuando miramos el mundo a nuestro alrededor o vemos nuestra imagen reflejada en el espejo del baño por las mañanas. ¿En este experimento hay formación de imagen? ¿Sí? ¿No? ¿Dónde? En este experimento NO se produce la formación de imagen en un plano concreto, ya que, al usar espejos planos, no cambiamos la relación existente entre los rayos reflejados. SÍ se podrá formar una imagen si añadimos elementos ópticos extra que así lo permitan, como el cristalino de nuestro ojo (que formará imagen sobre la retina) o el objetivo de una cámara (que formará imagen sobre el sensor), pero no únicamente con los espejos planos utilizados. La reflexión de la luz en un espejo es posible gracias a una propiedad de la luz que ya hemos aprendido anteriormente. Esta es también la que permite la formación de imagen en una cámara oscura (por medio de un agujero). ¿Sabes de qué estamos hablando? Específicamente de la propagación rectilínea de la luz. Experimento 3.3. Fabrica tus lentes y mira qué pasa ¿Qué ocurriría si la superficie de la lente no fuese completamente lisa? Si la superficie de la lente no fuese totalmente lisa, parte de la luz se difractaría en todas las direcciones y por eso no se propagaría paralela al eje óptico. Esto provocaría una pérdida de luminosidad en la imagen formada con respecto a la imagen que se formaría usando una lente perfectamente lisa. ¿Qué ocurre con la distancia focal si aprietas la lente y aumentas su curvatura? Al apretar la lente convergente, estás aumentando su curvatura. Esto hace que la distancia focal de la lente disminuya debido a que aumenta la capacidad de la lente para desviar los rayos de luz. 232

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¿Qué pasaría si utilizáramos agua con gas para fabricar la lupa de hielo? ¿Crees que mejoraría? No. El hielo, creado a partir de esta agua, no sería uniforme porque contendría burbujas de gas. La luz al pasar por un medio no uniforme sería difractada de manera diferente por el hielo y por el gas. Una lente con estas características daría lugar a imágenes distorsionadas. ¿Por qué crees que necesitamos una lente pequeña para poder ver los píxeles emisores de luz de la pantalla de nuestro móvil? Con lentes pequeñas es más sencillo obtener una gran curvatura y, con ello, conseguir una mayor magnificación que nos permite distinguir nítidamente objetos pequeños como los píxeles de la pantalla que tienen un tamaño de alrededor 90 micras. Experimento 3.4. Microlentes: más allá de una lupa ¿Por qué una lente esférica o semiesférica se comporta como una lente convergente? Esto se debe a que sus caras (o al menos una) son convexas, y a que el índice de refracción de la lente (de agua o de hidrogel) es mayor que el del aire. Por esto, la luz difractada en la superficie convexa de la lente converge en un punto de manera parecida a lo que pasa en una lente convergente. ¿Por qué se magnifican objetos que se encuentran muy cercanos al punto de apoyo de la microlente? Porque las microlentes al ser esferas muy pequeñas tienen una curvatura grande que da lugar a una distancia focal muy pequeña. Por lo tanto, al apoyarse sobre una superficie la microlente magnifica los objetos que se encuentran en ella. ¿Por qué se produce una magnificación tan grande cuando las esferas (o semiesferas) son cada vez más pequeñas? La magnificación depende de la curvatura de la superficie de la lente esférica; a menor tamaño, mayor curvatura y, por lo tanto, mayor magnificación. ¿Por qué con la bola de hidrogel hidratada vemos la imagen sin invertir cuando el objeto está cerca e invertida cuando el objeto está lejos? La inversión se produce cuando el objeto está situado más lejos del foco. Esto se debe a que el foco es el punto donde convergen y se cruzan todos los rayos. De este modo, si el objeto se encuentra antes del foco, los rayos no se cruzan y, por tanto, no habrá 233

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inversión de la imagen, simplemente una magnificación. En cambio, los rayos que se originan más allá del foco se cruzan en él y, por tanto, la imagen se invierte. Experimento 3.5. Nada por aquí, nada por allá: invisibilidad con espejos y lentes Los objetos ocultos, ¿son invisibles para un observador desde cualquier punto? El observador debe colocarse delante o detrás del sistema para que la parte oculta del objeto sea invisible. Si el observador se coloca en el lateral del sistema podrá ver perfectamente el objeto oculto. ¿Cómo veríamos un objeto situado en el área delimitada entre los espejos? Los objetos situados fuera del área de invisibilidad serán visibles para el observador. En el caso de la configuración con espejos, el objeto posicionado en el área delimitada entre los objetos aparecerá desplazado, aparentemente, dentro de la zona de invisibilidad. Experimento 3.6. De una caja de zapatos a una cámara de fotos ¿Por qué la imagen que se proyecta en la pantalla transparente está del revés? Esto se debe a que proyectamos la imagen detrás del foco. Si eliminamos la lente del sistema, ¿se formará la imagen del objeto en la pantalla? ¿Por qué? En este caso, si eliminamos la lente del sistema, no se formará el objeto en la pantalla. No obstante, si sustituimos la lente por una pequeña abertura tendremos una cámara estenopeica o cámara oscura donde la imagen sí que se proyectará sobre la pantalla. Experimento 3.7. ¡Conviértete en todo un astrónomo en casa! ¿Qué diferencia hay entre un telescopio refractor y uno reflector? Entre los telescopios refractores y reflectores la principal diferencia es el elemento óptico que utilizan: en el refractor son lentes y en los reflectores, espejos. ¿Cuál es la principal diferencia entre el telescopio de Galileo y el de Kepler? En el telescopio de Galileo el ocular es una lente divergente y el objetivo, una lente convergente. En cambio, en el telescopio de Kepler tanto el ocular como el objetivo son lentes convergentes. En el telescopio de Galileo la imagen es derecha. Sin embargo, en el telescopio de Kepler obtenemos una imagen invertida. 234

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¿Cuál son las ventajas y desventajas de cada tipo de telescopio (Galileo, Kepler y Newton)? El telescopio de Galileo es un telescopio muy luminoso, y la imagen final es derecha sin necesidad de un sistema inversor. Sin embargo, tiene un campo de visión muy reducido. El telescopio de Kepler sin embargo, al utilizar una lente convexa en el ocular, en lugar de la cóncava del modelo de Galileo, tiene la ventaja de permitir un campo de visión mucho más amplio y con mayor detalle, pero la imagen para el espectador se invierte. El telescopio newtoniano, al utilizar espejos, evita la aberración cromática de las lentes. La desventaja de los telescopios newtonianos frente a los que utilizan lentes (telescopios refractores) es el sombreado de la luz entrante. Esto es debido al hecho de que los telescopios refractores no tienen ningún elemento en el recorrido óptico que cause una obstrucción, y son capaces de proporcionar más luz y contraste a las imágenes con la misma apertura que los telescopios reflectores. Experimento 3.8. Microscopio: cómo ver lo diminuto ¿Cuál es la importancia de la iluminación en la calidad de imagen que podríamos obtener? Una mala iluminación puede provocar, por ejemplo, la modificación de los colores observados. Debe controlarse que la iluminación sea brillante, libre de destellos y dispersada uniformemente en el campo de observación. Además, si excede el campo de observación pueden producirse luces parásitas. ¿Podríamos utilizar un telescopio como si fuera un microscopio? No. El telescopio está diseñado para observar objetos lejanos, mientras que el microscopio se utiliza para observar cuerpos diminutos que se encuentran cerca de él. Con un telescopio será imposible enfocar a un objeto cercano. ¿Qué tamaño tiene un virus? Con nuestro microscopio, ¿podremos visualizar uno? Un virus mide cerca de 100 nm. Con un microscopio óptico clásico no podemos visualizarlo porque este tamaño es menor a la longitud de onda de la luz visible. ¿Cuál crees que es el objeto más pequeño que podríamos observar con un microscopio basado en luz? El poder de resolución de un microscopio óptico depende de la longitud de onda de la luz. Es espectro de la luz visible va desde los 400 nm a los 750 nm, por lo que nos es imposible observar objetos de un tamaño inferior a los 400 nm. 235

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¿Qué crees que haría falta para visualizar un átomo?, ¿sería posible con un sistema similar? Necesitaríamos utilizar alguna radiación de longitud de onda similar al tamaño de los átomos, como, por ejemplo, los rayos X. Sin embargo, los rayos X son rápidamente absorbidos por las lentes del sistema. Para ver átomos se utiliza un microscopio electrónico que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz. Experimento 3.9. Un minimundo en una gota Teniendo en cuenta que el índice de refracción del agua es n = 1,33, y sabiendo la distancia (d) de la gota a tu pantalla, ¿puedes calcular los aumentos de tu microscopio? El aumento de tu microscopio depende de la distancia (entre la gota y la pantalla) y de la distancia focal. En una lente esférica, la distancia focal viene determinada por el radio de curvatura R y el índice de refracción del agua (n = 1.33) a través de la siguiente fórmula: A = d/f = 2d(n-1)/nR Si finalmente suponemos que la distancia (d) de tu gota a la pantalla son 2 metros, y el radio (R) de tu gota para tu jeringa es R = 1 mm, tu aumento será A = 992,5.

Capítulo 4 | Percepción de la luz: el ojo humano Experimento 4.1. ¿Cómo funciona el ojo humano? ¿Y el de otros animales? ¿Cómo tiene que ser la imagen en la retina? No todos los sistemas visuales funcionan igual. En nuestro caso, los rayos luminosos procedentes de un objeto externo penetran en el ojo a través de la córnea, atraviesan la pupila y son enfocados por el cristalino sobre la retina, donde se forma una imagen invertida que posteriormente es interpretada por el cerebro en su posición original. Pero, por ejemplo, la retina de la araña saltadora es la que se encarga de enfocar, y lo hace gracias a la disposición de sus fotorreceptores en forma de escalera. De esta forma, una capa tiene una imagen nítida y el resto, imágenes desenfocadas. La parte de la retina que estamos observando, ¿cuál sería y por qué? La parte de la retina se corresponde con el extremo del tubo donde está el papel cebolla. Al ajustar la lupa, lo que sería nuestra córnea y cristalino, lo hacemos para 236

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que la imagen se forme exactamente sobre la retina, el papel cebolla. Y además, podemos comprobar que es nuestra retina porque ¡la imagen que se forma está invertida! Experimento 4.2. ¿Qué cosas ocurren en tu retina? En el experimento de la postimagen, ¿por qué cuando se hace el experimento con un solo ojo el efecto no se transfiere al otro? Los responsables de que veamos postimágenes son los bastones, fotorreceptores que se encuentran en nuestra retina. Al observar una luz intensa con un solo ojo, los bastones de ese ojo son los que se saturan, pero como el otro ojo no estaba observando el estímulo luminoso, sus bastones están normales, por lo que veremos las postimágenes solo con el ojo que tiene los bastones saturados. Cada ojo trabaja de forma independiente, y el que se encarga de juntar las imágenes a nivel visual es el cerebro. En el experimento, lo que está ocurriendo es a nivel de la retina, antes de que la información de ambos ojos se junte. Como solo se excitan los fotorreceptores de la retina de un ojo, solo aparece el efecto en un ojo. ¿Por qué no solemos darnos cuenta de la existencia del punto ciego? Hay una serie de razones por las que es así. La razón más obvia es que solemos usar los dos ojos en la visión cotidiana; así que cuando una imagen se proyecta sobre el punto ciego de uno de ellos, se proyecta también sobre los receptores del otro. A pesar de ser cierta, esto no explica que no percibamos el punto ciego cuando miramos con un solo ojo. Otra razón de que no lo apreciemos, incluso con visión monocular, es que el punto ciego está apartado del centro de nuestro campo visual. Tal vez la razón más importante de que no veamos el punto ciego es que el proceso cerebral rellena el lugar en el que la imagen desaparece. ¿A qué ángulo está aproximadamente el punto ciego del eje óptico? El punto ciego se sitúa a unos 15º del eje ocular desde el centro de la pupila, con la mirada al frente, hacia la derecha en el ojo derecho y hacia la izquierda en el ojo izquierdo. Experimento 4.3. Y tú, ¿de qué color lo ves? ¿Por qué el fondo sobre el que vemos el objeto afecta al color del que ves los cuadrados? Los fotorreceptores que se encargan de procesar la visión del color son los conos. Tenemos tres tipos diferentes de conos y cada uno de ellos procesa un color diferente 237

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(rojo, verde y azul). Dependiendo del color del fondo y del objeto, habrá diferentes conos implicados en analizar el color y en diferentes proporciones. Eso es lo que hace que un color de un objeto se vea modificado según el color del fondo donde se ponga. Experimento 4.4. ¿Por qué hay personas que llevan gafas? ¿Qué es un ojo emétrope? ¿Qué diferencia hay entre un ojo miope y un ojo hipermétrope? Un ojo emétrope es un ojo que enfoca la imagen en la retina correctamente. El ojo miope forma la imagen delante de la retina y el hipermétrope, detrás de la retina. Si la visión de una persona está corregida con gafas o lentes de contacto divergentes o negativas, ¿qué defecto refractivo tiene? Esa persona tiene miopía. El globo ocular es mayor de lo que debería ser lo que hace que tenga más potencia, y por lo tanto la imagen se forma delante de la retina. La miopía se corrige con lentes divergentes para compensar la potencia extra que tiene el ojo y enfocar la imagen sobre la retina. Experimento 4.5. ¿Vemos con los dos ojos? ¿Crees que podemos diferenciar profundidad con un solo ojo? Generalmente no. Cada ojo recibe información espacial diferente, dos imágenes de una escena similar pero desde diferentes perspectivas, y gracias a eso, el cerebro al fusionarlas nos genera una visión “3D” en la que somos capaces de distinguir profundidad. Esto no sería posible teniendo solo una imagen de un solo ojo. Sin embargo, algunas pistas monoculares, como el tamaño relativo de los objetos (cuando están más lejos, más pequeños y cuando están más cerca, más grandes) nos permite intentar distinguir alguna profundidad. El tener dos ojos nos ayuda a calcular las distancias y profundidad de una manera muy precisa. Sin embargo, existen unas pistas monoculares que pueden ayudar, como el hecho de que un objeto que está delante tapa a otro que está por detrás, o el tamaño relativo de un objeto respecto a otro que está más cerca y por tanto parece más grande. La propia experiencia de lo que ya se conoce también ayuda a poder intuir distancias.

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Experimento 4.6. ¿Cómo vemos el movimiento? En la segunda parte, ¿por qué la tira de imágenes se mete en un tambor y hay que mirar a través de las ventanas? Para poder ver solamente la zona de interés y no tener pistas externas de lo que realmente está pasando. Experimento 4.7. ¡No podrás creer lo que ves! ¿Por qué es necesario que el disco de Benham gire? En el disco de Benham tenemos solo dos colores, el blanco y el negro. Para ver el color blanco, los tres tipos diferentes de conos tienen que reaccionar por igual, pero el ir alternando el blanco con el negro hace que los conos no reaccionen por partes iguales y eso es lo que da lugar a las diferentes tonalidades. Es por eso que necesitamos girar el disco de Benham, para jugar con nuestros conos y crear así una ilusión óptica. Este hecho es el que provoca la alternancia entre el blanco y el negro y obliga a los conos a reaccionar, produciendo la ilusión óptica. Si quieres recomendar a alguien un tipo de estampado para estilizar su figura, ¿qué le recomendarías?, ¿rayas verticales u horizontales? El patrón horizontal. En las figuras humanas este efecto de la delgadez o anchura se observa sobre todo en las caderas, el patrón rayado verticalmente hace que las caderas parezcan más anchas, siendo el contorno de la silueta el mismo. Por lo que se puede desmentir que las rayas verticales tengan un efecto adelgazante.

Capítulo 5 | La luz en la naturaleza Experimento 5.1. Espejismos. ¿Es verdad todo lo que vemos? ¿Por qué crees que el cerebro interpreta que la luz viaja en línea recta? La luz suele llegar a nuestra retina en línea recta. El cerebro está habituado a interpretar la información que le llega de los rayos de luz rectilíneos. Se ha adaptado para ello. Por este motivo, al recibir información de rayos de luz que no son rectos, los interpreta como si lo fuesen, provocando que veamos el espejismo.

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Experimento 5.2. ¿Qué esconde el agua? ¿Por qué se da el fenómeno de la reflexión total interna a pocos centímetros de la superficie del agua? La reflexión total solo se produce cuando hay dos medios diferentes. En la región cercana a la superficie del agua, hay dos medios perfectamente diferenciados: el aire y el agua. Al adentrarse en la profundidad de la piscina, todo el medio es agua y no hay diferencia de medios y por lo tanto, tampoco reflexión total interna. Experimento 5.3. ¿De dónde salen esos colores? ¿Por qué la pompa se ve azul y verde cuando sus paredes son gruesas y amarilla y roja cuando son finas? Como hemos visto en la figura 5.3.4 (el diagrama de la pompa de jabón), parte de la luz incidente se refleja al llegar a la superficie de la pompa. La otra parte se refracta en el interior de la pared. Si la pared es gruesa, las interferencias hacen que se cancelen las longitudes de ondas más largas (rojo y amarillo), quedando la pompa de color azul y verde. Cuando la pared se va haciendo delgada, las interferencias hacen que las longitudes de onda más cortas (azul y verde) se anulen debido a las interferencias, dando lugar a pompas de color rojo y amarillo. Experimento 5.4. La luz que esconde la naturaleza ¿Por qué los gin-tonics brillan en la discoteca? Uno de los componentes del gin-tonic es la tónica. La quinina es una molécula fluorescente que dota a la tónica de ese característico sabor amargo. En las discotecas suele haber lámparas ultravioleta que hacen que la quinina se excite y “brille”. Lo puedes comprobar cuando vayas a la discoteca. ¿En qué se diferencia la fluorescencia de la fosforescencia? Ambas son un proceso de absorción y emisión de energía. La fluorescencia solo se produce mientras dura el estímulo (mientras se ilumine con luz UV el material), mientras que la emisión de energía en la fosforescencia tiene lugar a lo largo de un periodo de tiempo prolongado, aunque dejemos de iluminarlo.

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¿Por qué hay que doblar el palito luminoso para que emita luz? En el interior del palito hay un tubo de vidrio que contiene agua oxigenada. Al doblarlo, se rompe y esta entra en contacto con el oxalato que hay en el palito de plástico. Se mezclan ambas sustancias y comienza una reacción química que produce luz. ¿Cómo es posible que observemos figuras amarillas o rojas en nuestros billetes y pasaportes con luz ultravioleta? Ambos elementos, los billetes y los documentos de identidad (DNI, pasaportes, carnet de conducir), presentan marcas luminiscentes para evitar la falsificación de documentos. Estas marcas solo se pueden ver cuando son iluminadas con luz UV, ya que hace que se active la luminiscencia. Experimento 5.5. La clorofila, ¿verde? ¿Por qué la hoja tapada con papel de aluminio se pone marrón? El papel de aluminio impide que llegue luz a la hoja. En estas condiciones, no se sintetiza clorofila nueva y la existente se degrada, provocando que la hoja se vuelva marrón. ¿Para qué sirve teñir las hojas con yodo? El almidón es un producto de la fotosíntesis. En presencia de yodo, reacciona produciendo un compuesto azul. En este experimento hemos utilizado este hecho para comprobar que en ausencia de luz no se produce la fotosíntesis. ¿Por qué la clorofila cambia de color al iluminarla con luz ultravioleta? ¿Por qué no ocurre esto con la luz ultravioleta proveniente del sol? La clorofila es una molécula fluorescente que absorbe luz ultravioleta, de alta energía, y emite luz roja de menor energía. Esta diferencia de energías se debe a que en el proceso de emisión de la sustancia fluorescente se disipa energía en forma de energía vibracional. La fracción de luz ultravioleta del sol no es suficiente para que el fenómeno de la fluorescencia se aprecie a simple vista. Experimento 5.6. Atardecer artificial: dispersión de la luz en nuestra atmósfera ¿Por qué las nubes son de color blanco si deberían dispersar de forma similar la luz proveniente del sol? Las nubes, también esparcen la luz. Sin embargo, al contrario que las pequeñas moléculas de nitrógeno y oxígeno de nuestra atmósfera, que tienden a absorber la luz 241

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de menor longitud de onda, mientras que permiten que el resto de longitudes de onda lumínicas pasen a su través (cielo de color azul. Las gotas de agua (que son más grandes) dispersan todas las longitudes de onda por igual en todas las direcciones (un fenómeno explicado por la difusión de Mie). Cuando miramos a lo alto, hacia las nubes, vemos luz roja, azul, amarilla, naranja y verde llegando al mismo tiempo. No distinguimos cada uno de los colores individualmente puesto que todos llegan simultáneamente combinados desde un mismo punto formando luz blanca. ¿Funcionaría el experimento si en lugar de leche utilizáramos azúcar o sal, por ejemplo? No, ya que necesitamos un tamaño de partícula grande para que se de este tipo de dispersión. La leche está compuesta por ácidos grasos y proteínas, que facilitan que se produzca la dispersión de la luz. Los iones presentes en las disoluciones de azúcar o sal, no son lo suficientemente grandes como para que haya dispersión de la luz. Experimento 5.7. El cielo nocturno y… ¿dónde están las estrellas? ¿Qué ocurre con la iluminación debajo de la linterna al colocarle el tapón? La minipantalla, que en este caso es el tapón o el trozo de papel de aluminio que has colocado sobre la linterna, al ser opaca, bloquea mayoritariamente el paso de la luz, por lo que al estar atenuada la iluminación externa podemos ver las “estrellas” de nuestro planetario y se reduce la contaminación lumínica. ¿Podemos tener un eclipse lunar todos los meses? No. Aunque la luna da una vuelta a la Tierra todos los meses, la órbita de la luna no tiene la misma inclinación que la órbita de la Tierra alrededor del sol. Al existir esa diferencia de inclinaciones, la luna puede estar detrás de la Tierra y seguir recibiendo la luz del sol. ¿Por qué la luna puede tener un color rojizo o anaranjado cuando se produce un eclipse lunar? La atmósfera de la Tierra dispersa la luz azul y verde que le llega del espectro e. m. del sol. La luz roja pasa sin dispersarse. Durante el eclipse de luna, la luz que le llega a nuestro satélite es la roja de nuestra atmósfera. Por eso se ve roja la luna durante un eclipse.

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Experimento 5.8. La luz del sol como instrumento de medida Nombra dos ejemplos más donde se pueda encontrar luz colimada, ya sea natural o artificialmente creada. La mayoría de los láseres emiten de manera colimada. Podemos considerar casi colimada la luz proveniente de los faros de la playa o la que dan las lamparitas de fibra que encontramos en cualquier bazar. ¿La luz que utilizan los coches para iluminar la carretera podría considerarse colimada? ¿Por qué? No. La luz sería pseudocolimada en el caso de los faros de los coches. Si fuese colimada, no cubriría el área frente al coche, que es lo que genera la visión de profundidad tan necesaria en la conducción nocturna.

Capítulo 6 | Tecnologías basadas en la luz Experimento 6.1. ¿Podemos ver el invisible? Un método sencillo para ver microondas y medir la velocidad de la luz ¿Qué parámetros de la radiación necesitamos conocer para medir la velocidad de la luz? Necesitamos saber la longitud de onda y la frecuencia. A partir de estos parámetros podemos obtener la velocidad por medio de la ecuación: velocidad = longitud de onda * frecuencia. ¿Si pudiéramos medir esos valores en otra zona del espectro electromagnético obtendríamos el mismo resultado? Sí. La velocidad de la luz es una constante. Únicamente cambia si se transmite por un medio diferente, por ejemplo, la luz es más lenta en agua o vidrio que en aire. Experimento 6.2. Un chorro de luz: experimento de Tyndall-Colladon ¿Cómo se transmite la información a través de una fibra óptica? En una fibra óptica, debido a que su índice de refracción es mayor que el índice de refracción del aire, se produce el fenómeno de reflexión total interna. Por ello, la mayor parte de la luz que se encuentra dentro de la fibra permanece confinada en ella. Observaremos ciertas pérdidas debido a absorciones o fenómenos de dispersión. 243

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Cuando se dobla una fibra que transmite un haz visible podemos ver cómo el punto de máxima curvatura se ilumina, ¿a qué se debe este fenómeno? Como hemos visto con nuestro experimento, cuando la curvatura del agua (y por extensión de la fibra) es muy elevada no se produce el fenómeno de reflexión total interna y parte de la luz continúa su camino en línea recta. Experimento 6.3. Escuchando la luz: sistema de comunicaciones ópticas ¿Cómo codificamos la información en nuestro sistema? La información va codificada en la intensidad de nuestro haz de luz. Si estuviéramos transmitiendo 1 y 0 veríamos (si nuestro ojo fuera lo suficientemente rápido) que el láser funciona de manera intermitente. ¿Podríamos utilizar nuestro sistema para transmitir señales de vídeo? En teoría no hay nada en nuestro sistema que impida transmitir señales de vídeo, ya que lo único que hacemos es transformar un impulso eléctrico en luz y viceversa. ¿Podemos utilizar un espejo o una lente para mejorar nuestro sistema de comunicación? Sí. El uso de lentes, espejos o una fibra óptica mejorará nuestro sistema ya que podemos “dirigir” la luz del emisor directamente al receptor evitando posibles obstáculos. No obstante, esto aumenta la complejidad de nuestro sistema y lo encarece. Experimento 6.4. ¿Tiene mi aceite de oliva antioxidantes? Presumiblemente, ¿de qué color ha de ser un aceite de buena calidad? ¿Qué efecto observarás si lo iluminas con luz ultravioleta? Tendrá un color más verdoso que indica gran presencia de clorofila y, probablemente, su extracción en frío. Si lo iluminas con una fuente de luz UV (de alta energía) observaremos una luminiscencia roja, al igual que ocurre con el láser verde. ¿Se debe reutilizar muchas veces el aceite que has utilizado para freír unos alimentos? No. Cuando calientas el aceite este pierde sus propiedades. Si repetimos nuestro experimento con un aceite recalentado observaremos un color menos rojizo.

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Experimento 6.5. Cocina sin gastar energía: construye un horno solar ¿De qué color son los objetos que absorben más energía solar? Dado que la luz negra es la ausencia de color, los objetos de color negro no reflejan prácticamente ningún rayo de luz y, por tanto, son los que absorben mayor energía solar. Por ese motivo, hemos pintado las paredes del horno de negro para que sea más eficiente la absorción de energía solar. Experimento 6.6. Obteniendo electricidad del sol: construye una célula fotovoltaica Los electrones que generan la corriente eléctrica, ¿circulan de la placa oxidada al clip o viceversa? Los electrones circulan desde la placa oxidada (pérdida de electrones hacia el clip) a través del agua salada. Si utilizamos LED de colores para iluminar nuestro sistema, ¿qué color de LED nos genera una mayor corriente eléctrica? La luz azul o verde posee una energía mayor que la luz roja; por ese motivo, si iluminamos nuestro sistema con un LED de estos colores observaremos una mayor cantidad de corriente eléctrica. Experimento 6.7. Desaliniza el agua sin gastar nada ¿Por qué se produce la evaporación del agua si no se alcanzan los 100º C? A 100º C todas las moléculas de agua tienen la energía necesaria para convertirse en vapor, pero a menor temperatura, las partículas que se encuentran en la superficie podrían tener la energía necesaria para evaporarse. No obstante, a mayor temperatura y menor presión, el agua se evapora con mayor facilidad. ¿Qué características debe tener el recipiente exterior para favorecer el experimento? Lo ideal es que el recipiente exterior sea de color oscuro y de grandes dimensiones para absorber una mayor cantidad de energía solar y así facilitar la evaporación del agua.

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Glosario Aberraciones: diferencia de camino óptico entre el frente de onda real y el ideal. Esto conlleva una degradación de la imagen que se forma. Agujero estenopeico: disco opaco con un pequeño agujero en el centro de 1 mm de diámetro, por el que solo pasa un pequeño haz de luz de rayos que sigue el eje del sistema óptico. Amplitud (onda): máximo valor de la posición de la onda, medido desde su punto de equilibrio (o punto de amplitud nulo). Análisis infrarrojo: técnica de análisis que utiliza luz infrarroja (0,8-1,0 µm) para identificar un compuesto e investigar la composición de una muestra, basada en la rotación y vibración de grupos de partículas a determinadas longitudes de ondas infrarrojas. Ángulo crítico (ángulo límite): ángulo de incidencia mínimo para que ocurra reflexión total y no haya refracción (ángulo de refracción 90º) cuando un rayo se propaga de un medio a otro con mayor índice de refracción. Ángulo de incidencia: ángulo formado entre la dirección por la que se propaga el rayo de luz y la recta imaginaria perpendicular a la superficie sobre la que incide dicho rayo. La recta imaginaria perpendicular se define como la dirección “normal” de dicha superficie. Ángulo de reflexión: ángulo medido desde la normal una vez que el rayo incide sobre el material. Ángulo de refracción: ángulo medido desde la normal una vez que el rayo ha atravesado un material. 247

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Apertura: dado un sistema óptico, el elemento que limita la cantidad de luz que atraviesa el sistema se denomina diafragma de apertura. En las cámaras, se refiere a la medida de la cantidad de luz que pasa por el objetivo y llega al sensor, y depende de la relación entre la focal del objetivo (f ) y la apertura del diafragma (D). BeiDou: proyecto desarrollado por el Gobierno de China para obtener un sistema de navegación por satélite con un funcionamiento similar al GPS. Biopsia óptica: una biopsia óptica es un procedimiento no invasivo de diagnóstico en el que se realiza un análisis del tejido con un sistema óptico mediante técnicas láser, infrarrojo, fluorescencia, espectroscopías o microscopías, entre otras. Campo magnético: descripción del espacio donde hay corrientes magnéticas, que ejercen una fuerza debido a cargas en movimiento a lo largo de objetos que interaccionan. Campo eléctrico: descripción del espacio en el que hay interacción entre cuerpos de naturaleza eléctrica. Celdas solares: dispositivos que convierten la energía solar en energía eléctrica por medio del efecto fotovoltaico. Una célula solar individual es capaz de producir poca energía. Por este motivo, se agrupan en paneles solares. Centro de curvatura: punto equidistante de todos los puntos de una curva. La distancia de ese punto a cada punto de la curva es el radio. Cóncavo: superficie de forma curva con el centro más hundido que los bordes, en contraposición de convexo. Converger: fenómeno según el cual los rayos que atraviesan un elemento óptico tienden a unirse en un punto. Derivado de este término es la palabra lente convergente, por ejemplo, una lupa, que concentra los rayos en un solo punto. Convexo: superficie de forma curva con los bordes más hundidos que el centro, en contraposición de cóncavo. Córnea: lente externa del ojo que aporta su mayor poder dióptrico: 40 de las 60 D totales. La ordenación de las células que conforman la córnea y la ausencia de vasos permiten que esta sea transparente. Cristalino: lente biconvexa e interna del ojo humano que aporta el 33% de la potencia total del ojo. La principal cualidad del cristalino es que es capaz de cambiar su forma, aumentando su potencia y permitiendo enfocar distancias cercanas. Cuerpo negro: cuerpo físico ideal que absorbe toda la radiación que incide sobre él, independientemente de su frecuencia o ángulo de incidencia. Dioptría: unidad de medida de la potencia refractiva de las lentes. Una dioptría equivale a una distancia focal de un metro y corresponde al inverso de su distancia focal. 248

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Dioptrio (plano/curvo): sistema óptico formado por una sola superficie que separa dos medios de distinto índice de refracción. Disco óptico: punto de la retina que se encuentra en la mitad nasal. En él se reúnen todas las fibras nerviosas de la retina para abandonar el ojo como nervio óptico. También es conocido como punto ciego. Dispersión cromática: la dispersión cromática es la variación del índice de refracción de un medio óptico con la longitud de onda. Distancia focal: la distancia focal o longitud focal de una lente es la distancia entre el centro óptico de la lente y el foco (o punto focal), mientras que en un espejo es la distancia entre el vértice del espejo y el foco del mismo. Distribución espectral: medida de potencia por unidad de superficie y por unidad de longitud de onda de un iluminante. En inglés, Spectral Power Distribution. Diverger: fenómeno según el cual los rayos que atraviesan un elemento óptico tienden a separarse entre sí. Derivado de este término es la palabra lente divergente, que separa los rayos como si procedieran de un punto virtual. Efecto Raman: pequeña porción de la luz que al ser dispersada presenta frecuencias diferentes a la radiación incidente. Las diferentes frecuencias se recogen en un espectro Raman. Eje óptico: línea recta imaginaria que pasa por el centro de un elemento óptico y sirve como referencia para los parámetros físicos involucrados. Elemento óptico: cada uno de los medios, homogéneos e isótropos, formados por un solo componente donde la luz se comporta de una manera específica. Incluye lentes, espejos o prismas, entre otros. Endoscopia: exploración visual de los conductos o cavidades internas del cuerpo humano mediante un endoscopio. Energía fotovoltaica: electricidad obtenida a partir de energía solar. Se produce en paneles fotovoltaicos, formados por semiconductores en los que se genera la diferencia de potencial necesaria para generar la energía eléctrica. Energía solar: energía obtenida a partir de la radiación del sol y utilizada para usos térmicos mediante colectores (energía solar térmica) o para generar electricidad con paneles solares (energía fotovoltaica). Epitelio pigmentario: células pigmentadas situadas entre la retina y la coroides. Entre sus funciones destacan: el transporte de nutrientes, la absorción de luz y protección contra la fotooxidación. Esclera: pared del globo ocular compuesta por fibras colágenas y elásticas que mantienen la forma del globo ocular. La esclera está formada por una porción 249

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anterior que se llama úvea, con el iris y el cuerpo ciliar, y una porción posterior llamada coroides. Espacio imagen: espacio geométrico donde pueden existir imágenes tanto reales como virtuales, situado detrás del elemento óptico correspondiente si es real y delante si es imaginario. Espacio objeto: espacio geométrico donde pueden existir objetos tanto reales como virtuales. Si el objeto es real se sitúa delante del elemento óptico, mientras que si es virtual lo hace detrás del mismo. Espectro continuo: espectro de luz que contiene todas las longitudes de onda visibles. Es el característico de la luz producida mediante un fenómeno de incandescencia. Espectro de emisión: espectro de frecuencias de radiación electromagnética emitidas debido a la transición por parte de un átomo o molécula de un estado de alta energía a uno menor. Espectro discreto: espectro de luz que contiene solo algunas de las longitudes de onda de la luz visible. Es el característico de la luz producida mediante fenómenos de luminiscencia. Espectro electromagnético: distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. El espectro se divide en franjas que corresponden a diferentes tipos de ondas (ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos X, rayos gamma). Espectro visible: dentro del espectro electromagnético, rango de longitudes de onda contenidas entre los ~400 y los ~700 nm. Dentro de esta franja se encuentran las ondas electromagnéticas que podemos percibir con nuestros ojos. Espectroscopía: estudio de la interacción entre materia y radiación electromagnética, con emisión o absorción de energía radiante. Espejo plano: elemento óptico que permite fundamentalmente desviar los rayos luminosos en una dirección preferente. Consta, en general, de un sustrato de vidrio recubierto con una capa metálica, que permite la reflexión de la luz. Estado excitado: estado de un átomo o molécula al absorber energía. La pueden volver a perder por colisiones o mediante emisión de fotones. Estado fundamental: estado de un átomo o molécula en el que se encuentra con su cantidad de energía natural. Estereopsis: es la capacidad del cerebro de formar una única imagen tridimensional a partir de las dos imágenes formadas en la retina de cada ojo. La estereopsis permite la percepción de la profundidad. 250

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Fase (onda): en una onda periódica, posición en un tiempo determinado dentro de un ciclo de oscilación, generalmente medida en unidades de ángulo, ya sean grados o radianes. La diferencia de fase entre dos ondas periódicas que oscilan con la misma frecuencia es la diferencia de tiempo entre los dos máximos o mínimos. Fibra óptica: medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos y telecomunicaciones, consistente en un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra, denominado núcleo, caracterizado por un índice de refracción mayor que el del material adyacente, denominado cubierta. Fluorescencia: tipo particular de luminiscencia que caracteriza a las sustancias que son capaces de absorber energía en forma de radiaciones electromagnéticas y luego emitir parte de esa energía en forma de radiación electromagnética de longitud de onda diferente. La emisión de fluorescencia puede considerarse instantánea. Foco o punto focal: todo sistema óptico, formador de imágenes, tiene 2 puntos focales: foco imagen y foco objeto. El punto del eje óptico donde se cortan los rayos que provienen del infinito y que son paralelos al eje óptico se denomina foco imagen. De forma análoga, el punto del eje óptico que tiene por imagen el infinito se denomina foco objeto. Fotolitografía: proceso empleado en la fabricación de dispositivos semiconductores o circuitos integrados. El proceso consiste en transferir un patrón desde una fotomáscara (denominada retícula) a la superficie de una oblea. Uno de los materiales más empleados como oblea es el silicio en forma cristalina. Fotónica: ciencia física que estudia la generación, manipulación y detección de fotones. La mayoría de las aplicaciones fotónicas se centran en el visible (400-700 nm) y en el infrarrojo cercano (1300-1600 nm). El nacimiento de la fotónica comenzó con la invención del láser en 1960. Fotorreceptores: células sensibles a la luz que se encuentran en la retina de los vertebrados. Existen dos tipos de fotorreceptores: los bastones, que se encargan de la percepción del claroscuro, y los conos, que son los responsables de la percepción de los colores. Existen tres tipos de conos en función del color que perciben: rojo, verde o azul. Fototerapia: técnica de tratamiento que emplea una fuente de luz de origen natural o artificial para el tratamiento de enfermedades. Fóvea: zona de la retina de mayor agudeza visual, con una alta concentración de conos y que no contiene bastones. 251

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Frecuencia: en una onda periódica, es el número de crestas (o valles o cualquier otro punto en la onda) que pasa un punto determinado en un intervalo de tiempo unitario. Frente de onda: lugar geométrico en que los puntos del medio son alcanzados en un mismo instante por una determinada onda. La distancia entre frentes de onda adyacentes que tienen la misma fase es la longitud de onda. Galileo (ESA): programa europeo de radionavegación y posicionamiento por satélite, desarrollado por la Unión Europea (UE) conjuntamente con la Agencia Espacial Europea (ESA). Se estima que estará listo a partir del 2020. GLONASS: acrónimo en ruso de Sistema de Navegación Satelital Global, sistema de navegación por satélite desarrollado por la Unión Soviética; hoy administrado por la Federación Rusa. El sistema está operativo desde 1996. GPS: acrónimo en inglés de Sistema de Posicionamiento Global, sistema que permite determinar en toda la Tierra la posición de un objeto. El sistema fue desarrollado, instalado y empleado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos y está operativo desde 1995. Holografía: técnica de registro y reconstrucción de imágenes estereoscópicas de un objeto sin utilizar sistemas ópticos, basada en las propiedades coherentes de luz emitida por un láser. Homogéneo e isótropo: propiedad de los medios (líquidos, sólidos o gaseosos) cuyo índice de refracción es igual en cualquier parte de dicho medio (homogéneo), y en los que además el valor del índice de refracción es independiente de la polarización de la luz incidente (isótropo). Humor acuoso: sustancia transparente que se encuentra en la cámara anterior del ojo, entre la córnea y el cristalino, y sirve para aportar nutrientes y oxígeno a estas estructuras, que no tienen vasos sanguíneos. Humor vítreo: sustancia clara, gelatinosa y acuosa que se encuentra en la parte posterior del ojo, entre el cristalino y la retina, y sirve para mantener la forma del globo ocular. Imagen (real / virtual): el punto donde se juntan los rayos, una vez atraviesan un sistema óptico. Si los rayos pasan físicamente por un punto se denomina imagen real. La imagen es virtual si llegan o salen las prolongaciones de los rayos divergentes. Imagen hiperespectral: imagen multiespectral en la que se unen imágenes obtenidas en centenares de longitudes de onda contiguas del espectro electromagnético. Imagen multiespectral: imagen no convencional que incluye series de imágenes (típicamente de 3 a 15) obtenidas con específicas longitudes de onda que van más allá del espectro visible (por ejemplo, ultravioleta, infrarrojo y rayos X). 252

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Incandescencia: emisión de luz por calor. Todo cuerpo expuesto a un calor suficiente emite radiación electromagnética en el espectro visible a partir de una cierta temperatura. Índice de refracción (n): número superior o igual a 1 que indica en qué medida la velocidad de la luz dentro de ese material (v) se reduce en comparación con la velocidad de la luz en el vacío (c). Interferencia constructiva y destructiva: combinación (superposición) de ondas en la misma región del espacio que da lugar a otra onda resultante. Puedes ser constructiva (ambas ondas tienen la misma fase) o destructiva (las ondas están en contrafase). Iridiscencia: fenómeno óptico por el que los materiales iridiscentes presentan diferente coloración en función del ángulo de observación. Iris: diafragma del ojo humano que regula el tamaño de la pupila. Se encuentra por delante del cristalino. El iris contiene pigmentos que son los responsables de la coloración típica del ojo. Irradiancia: magnitud radiométrica que describe la potencia incidente por unidad de superficie. Lágrima: secreción de la glándula lagrimal. Dicho líquido permite limpiar y lubricar el ojo, favoreciendo un funcionamiento saludable del globo ocular. Lámina plano-paralela: combinación de dos dioptrios planos paralelos entre sí, separando el medio que queda entre los dos dioptrios del medio exterior. LASIK: acrónimo en inglés de Laser Assisted in Situ Keratomileusis, cirugía refractiva para la corrección de la miopía, hipermetropía y astigmatismo con un láser de baja potencia. Se modifica de manera permanente la forma de la córnea, cambiando su potencia refractiva. Longitud de onda: distancia mínima entre dos puntos cualesquiera en ondas adyacentes. Se representa con el símbolo griego lambda: λ. Luminiscencia: emisión de luz por una radiación de cuerpo frío, que no resulta en la emisión de calor. Puede estar producida por reacciones químicas, energía eléctrica, movimientos subatómicos o estrés en un cristal, resultantes en última instancia de fenómenos de emisión espontánea. Esto diferencia la luminiscencia de la incandescencia, en la cual la luz es emitida como consecuencia de un calentamiento. Luz artificial: cualquier tipo de luz no natural producida por dispositivos capaces de generar luz. La luz artificial es principalmente generada por medio del flujo de una corriente eléctrica. 253

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Luz natural o naturalmente polarizada: luz sin una dirección de polarización priorizada, es decir, con componentes del campo eléctrico vibrando en todas las direcciones del plano de polarización. Usualmente, las fuentes de luz que utilizamos (como la luz del sol, de una vela o una bombilla) son naturales o no polarizadas. Luz ultravioleta: radiación electromagnética cuya longitud de onda está comprendida aproximadamente entre los 15 nm y 400 nm. Dicha luz es invisible al ojo humano al estar fuera del espectro visible. Máser: acrónimo en inglés de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, amplificador de microondas por la emisión estimulada de radiación. El máser es un amplificador similar al láser, pero que opera en la región de microondas (longitud de onda de 1 mm a 1 m) del espectro electromagnético. Materiales semiconductores: elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación incidente, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Menisco: lente formada por una superficie cóncava y otra convexa. Metamaterial: material diseñado en laboratorio para tener unas propiedades que no se encuentran en la naturaleza. En particular, las propiedades de los metamateriales no derivan del mismo material que lo componen, sino de las estructuras geométricas (de dimensiones menores que la longitud de onda) que se han grabado en ellos. Metrología: se trata del estudio de los sistemas de pesos y medidas garantizando la exactitud y la fiabilidad de las medidas. Modelo de átomo: representación estructural de un átomo que trata de explicar su comportamiento y propiedades. Monocromático: luz compuesta por una única longitud de onda. Nasal: hemisferio de la retina más cercano a la nariz. Nervio óptico: conjunto de fibras nerviosas de la retina. El nervio óptico abandona el globo ocular hasta el quiasma óptico, punto donde las fibras ópticas se cruzan, reorganizándose en función del hemisferio del campo visual del cual llevan información. Normal a la superficie: línea imaginaria que se suele utilizar como referencia, y que forma un ángulo de 90° con una superficie. Objetivo: en un sistema óptico, es el elemento que concentra la luz procedente del objeto observado y la enfoca para producir una imagen. Los objetivos pueden ser uno o combinación de varios elementos ópticos. Son utilizados en microscopios, 254

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telescopios, cámaras fotográficas, proyectores de diapositivas y muchos otros instrumentos ópticos. Objeto: el punto emisor de donde salen los rayos, que atravesarán el ojo, una lente, etc., dependiendo del sistema óptico. Ocular: en un sistema focal, lente que se sitúa más cerca del ojo del observador. Una vez que el objetivo ha producido la imagen y esta se ha formado en el plano focal, la imagen se proyecta de nuevo hacia el infinito a través del ocular para ser enfocada por nuestros ojos. Onda: en física, propagación de una perturbación (de presión, densidad, campo electromagnético, etc.), que implica un transporte de energía sin transporte de materia. Onda electromagnética: onda transversal que transporta energía eléctrica y magnética sin necesidad de un medio material en el que propagarse. Su velocidad de propagación en el vacío es la llamada velocidad de la luz, aproximadamente 300.000 km/s. Onda longitudinal: onda en la que la dirección de vibración y la de propagación son iguales. Onda mecánica: onda que necesita un medio (sólido, líquido o gaseoso) para su propagación. Las partículas de ese medio oscilan ante la presencia de la onda, pero no viajan con la onda, en otras palabras, no existe transporte de materia. Onda transversal: onda en la que la vibración (perturbación) es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Opsinas: proteínas que se encuentran en los fotorreceptores y que intervienen directamente en la percepción del color, estimulando el sistema nervioso. Órbita ocular: cavidad ósea en la que se encuentran el globo ocular, el nervio óptico y los músculos oculares. La órbita contiene sustancia adiposa para proteger las estructuras. Oscilación mecánica: cuando un objeto describe un movimiento periódico, el movimiento natural de cualquier objeto que se halla cerca de una posición de equilibrio se conoce como oscilación mecánica. Un ejemplo de movimiento armónico es el movimiento de una masa que pende de un muelle o un péndulo. Párpados: porción del ojo que recubre el globo ocular para aportar protección. Patrón de difracción: distribución de intensidad generada por frentes de onda que interfieren entre sí. El patrón es detectable en ondas de luz por la presencia de bandas oscuras y claras muy próximas (patrón de difracción) en el borde de una sombra. 255

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Periodo: intervalo de tiempo requerido para que dos puntos idénticos de ondas adyacentes pasen por un punto. Plano de polarización: plano imaginario perpendicular a la dirección de propagación de una onda electromagnética. En dicho plano se contienen todas las posibles direcciones en las que puede vibrar el campo electromagnético. Poder de resolución: capacidad de mostrar como separados dos puntos imagen muy cercanos. Polarizador lineal: elemento óptico que solo transmite la luz con una determinada dirección de polarización. Potencia o flujo radiante: en radiometría, energía radiante emitida, reflejada, transmitida o recibida por unidad de tiempo, medida en W o J/s. Potencia refractiva: capacidad de cambiar la vergencia de los rayos incidentes. Prisma: elemento óptico resultante de la combinación de dos dioptrios planos formando un ángulo entre sí, de forma que separan el medio entre los dioptrios de un medio externo. Suele ser triangular. Profundidad de campo: en óptica, y en fotografía en particular, la zona del campo comprendida entre el punto más cercano al más lejano que sea aceptable en cuanto a nitidez, una vez formada la imagen en el mismo plano de enfoque. Profundidad de foco: rango de distancias en el cual podemos mover el plano de imagen sin perder nitidez. Es decir, es el margen de error en el enfoque del que podemos disponer sin que se note desenfocado el sujeto. Pupila: en un sistema óptico, apertura que limita la cantidad de luz que llega al detector. En algunos casos el tamaño de la pupila se puede regular, por ejemplo, mediante un diafragma (en las cámaras fotográficas) o mediante el iris (en el caso del ojo). Radiación de cuerpo negro: luz emitida por un cuerpo que previamente ha absorbido toda la radiación incidente sobre él. El espectro de emisión del cuerpo negro depende de la temperatura a la que se encuentre (Max Planck, 1900) y es independientemente del tipo de radiación luminosa que haya absorbido. Radiancia: los cuerpos calientes emiten radiación térmica en todo el espectro electromagnético, sobre todo en la zona del infrarrojo. Si se mide la radiancia de un cuerpo para todo el espectro de frecuencias, se obtiene la radiancia espectral del cuerpo. Radio de curvatura: cualquier línea trazada desde un punto de la superficie de un objeto al centro de curvatura. Punto equidistante de todos los puntos de la superficie esférica. 256

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Radiometría: estudio de la medida de radiación electromagnética en todas sus frecuencias, incluyendo luz visible. Esto la diferencia de la fotometría, que solo se encarga de la parte visible del espectro electromagnético. Radioterapia: técnica médica que se basa en la aplicación terapéutica de radiaciones ionizantes, como, por ejemplo, rayos X, sobre el organismo. Rayos X: radiación electromagnética cuya longitud de onda está entre 10 y 0,01 nm. Es invisible al ojo humano y se utiliza mucho en la caracterización de materiales sólidos, debido a que su longitud de onda es equivalente a la separación entre los átomos los forman. Reflexión interna total: fenómeno que se produce cuando el ángulo de incidencia es mayor que un ángulo crítico: el rayo no puede atravesar la superficie entre ambos medios y se refleja completamente. Es la base de funcionamiento de las fibras ópticas. Refracción: la refracción es el cambio de dirección y velocidad que experimenta una onda al pasar de un medio a otro con distinto índice de refracción. Reloj óptico: tipo de reloj atómico que utiliza luz que emplea una frecuencia alrededor de 1015 Hz —aproximadamente 100.000 veces mayor que la de las microondas utilizadas en el reloj atómico tradicional— y por ello es mucho más estable y exacto. Retina: porción posterior del ojo donde se encuentran los fotorreceptores, células sensibles a la luz visible. Destaca el punto ciego, lugar donde se reúnen todos los axones para formar el nervio óptico. Salina litoral: zona costera en la que se aísla agua del mar en embalses muy poco profundos para que, por evaporación, se alcance la saturación y comience a precipitar la sal. Seno y Coseno: en trigonometría, el seno de un ángulo α de un triángulo rectángulo se define como la razón entre el cateto opuesto a dicho ángulo y la hipotenusa. El coseno de un ángulo α de un triángulo rectángulo es la razón entre el cateto adyacente a dicho ángulo y la hipotenusa. Sensor de fibra óptica: dispositivo para medir magnitudes físicas (temperatura, presión, humedad, campos eléctricos o magnéticos, entre otros) por medio de cambios en el índice de refracción o la longitud de onda dentro de la fibra óptica. Sistemas ópticos: conjunto de superficies que separan medios con índices de refracción diferentes, combinando uno o más elementos ópticos. Tomografía computarizada: técnica de imagen médica que utiliza radiación X para obtener cortes o secciones de objetos anatómicos con fines diagnósticos. 257

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Tomografía de coherencia óptica (TCO): técnica de imagen no invasiva e interferométrica que ofrece una penetración de pocos milímetros con resolución axial y lateral de escala micrométrica. Vacío: en física, ausencia total de materia o en una densidad de materia extremadamente baja. Vergencia (negativa y positiva): inverso de la distancia focal medida en metros. La vergencia es negativa si los rayos divergen y positiva si convergen. Zona paraxial: también llamada óptica de primer grado. Situación en la que los rayos forman un ángulo de incidencia lo suficientemente pequeño (menor o igual a 10º) como para aproximar el seno o la tangente por el ángulo: sin(x) ≈ x, tan(x) ≈ x. Además, se cumple que los rayos que salen de un punto objeto focalizan en el mismo punto imagen.

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Sobre los autores

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ara el desarrollo de este proyecto se han unido una amplia selección de autores especialistas en las diferentes ramas de la óptica y la fotónica. Todos ellos han formado parte en algún momento de sus carreras científicas de IOSA (asociación de jóvenes investigadores del IO-CSIC dedicada a divulgar la óptica), y son unos apasionados de la divulgación, la óptica y la fotónica.

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Maria Viñas Peña (coord.) Investigadora posdoctoral en el Grupo de Óptica Visual y Biofotónica del CSIC, donde realizó su doctorado en Ciencias Físicas (UCM). Investiga el sistema visual humano utilizando tecnologías ópticas y fotónicas. Apasionada de la divulgación científica como herramienta imprescindible para crear nuevas motivaciones científicas y fortalecer el vínculo entre ciencia y sociedad.

Xoana Barcala Gosende Investigadora predoctoral en el grupo de Óptica Visual y Biofotónica del CSIC y en 2Eyes Vision S. L., spin-off del CSIC. Su investigación se centra en validaciones clínicas de un simulador visual binocular de visión simultánea (SimVis).

Camilo Florian Baron Investigador posdoctoral en el Grupo de Procesado por Láser del IO-CSIC. Recibió su doctorado en Nanociencias por la Universidad de Barcelona. Parte de su tiempo lo dedica a la divulgación ayudando a incrementar el conocimiento de conceptos básicos en la base de las diferentes ramas de la ciencia.

Sara Aissati Aissati Investigadora predoctoral en IO-CSIC, donde realiza su tesis doctoral en el Laboratorio de Óptica Visual y Biofotónica. Su trabajo de tesis se centra en nuevas soluciones para la presbicia, mediante la evaluación de diferentes correcciones multifocales con simuladores visuales.

Clara Benedí García Desde el año 2016 está realizando su tesis doctoral en el Instituto de Óptica del CSIC, concretamente en el grupo de Óptica Visual y Biofotónica. Está especialmente interesada en el uso de los simuladores ópticos para explorar los entresijos del proceso visual.

Francesca Gallazzi Investigadora predoctoral en el IOCSIC, donde colabora con el grupo de Dinámica No-lineal y Fibras Ópticas. Su trabajo se centra en el uso de fenómenos no-lineales, como el efecto Raman, para aplicaciones en telecomunicaciones y en el desarrollo de láseres de fibra óptica.

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Mario García Lechuga Realizó su tesis doctoral en el IO-CSIC en procesado de materiales con pulsos láser de femtosegundos. Sus intereses se centran en el estudio de la transformación de los materiales tras la irradiación. En la actualidad continúa su investigación en el Laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques en Marsella. 

Rocío Gutiérrez Contreras Licenciada en Química (UCM), actualmente trabaja en el IO-CSIC desarrollando nuevas lentes intraoculares para la presbicia, basadas en fotoquímica. Es posible verla sobre los escenarios con TeatrIEM, el grupo de teatro científico del Instituto de Estructura de la Materia del CSIC.

Javier Nuño del Campo Doctor Ingeniero (2014) por la Universidad de Alcalá (UAH). Realizó su trabajo de tesis en el grupo de óptica no lineal y fibras ópticas del IO-CSIC. Actualmente es investigador posdoctoral en el departamento de Electrónica de la UAH. Sus principales temas de interés son el control de polarización mediante efectos no lineales, las aplicaciones de láseres ultralargos, los láseres aleatorios Raman y la amplificación distribuida en sensores distribuidos de fibra.

Juan Luis García Pomar Experto en Física de los Materiales. Obtuvo su tesis doctoral sobre metamateriales y cristales fotónicos en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC). Posteriormente, realizó diferentes estancias posdoctorales. En la actualidad trabaja en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (CSIC).

Juan Luis Méndez González Investigador predoctoral UCM en el IO-CSIC en colaboración con Universitäts Klinikum Bonn (UKB). Miembro de IOSA desde el año 2016 para divulgación de las ciencias y tecnologías ópticas.

Roberta Morea En 2015 obtiene el título de Doctor en Física de Materiales (UAM) por su trabajo sobre materiales aptos para la generación de luz, desarrollado en el IO-CSIC. Durante su permanencia en el IO, participa en diferentes actividades de divulgación científica con IOSA. Actualmente trabaja en la empresa SM Optics en Milán.

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Pablo Pérez Merino Doctor en Ciencias de la Visión por la Universidad de Valladolid. Realizó su tesis doctoral en el IO-CSIC y en la actualidad trabaja como investigador en el Instituto de Investigación Sanitaria de la Fundación Jiménez Díaz, donde está adaptando en la Unidad de Oftalmología su investigación en nuevas tecnologías ópticas.

Daniel Puerto García Doctor por la Universidad Miguel Hernández. Realizó su tesis doctoral en el Grupo de Procesado por Láser del IO-CSIC en procesado de materiales por medio de láser de femtosegundos. Posteriormente, realizó diferentes estancias postdoctorales. En la actualidad es profesor de FP y fundador de la spin-off de la Universidad Miguel Hernández, Ilice Photonics.

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COLECCIÓNDIVULGACIÓN

Descubriendo la luz Experimentos divertidos de óptica

COLECCIÓNDIVULGACIÓN

Descubriendo la luz

Experimentos divertidos de óptica MARÍA VIÑAS PEÑA coordinadora

MARÍA VIÑAS PEÑA

COORDINADORA

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Descubriendo la luz

La luz pone en conexión múltiples esferas del conocimiento del ser humano (física, química, biología, astronomía, ingeniería, arte…); y, además, los fenómenos ópticos y las tecnologías relacionadas con ellos están muy presentes en nuestra vida cotidiana. ¿Qué es la luz? ¿Qué hay detrás de sus diferentes manifestaciones? ¿Qué es un instrumento óptico? ¿En qué se parece el ojo a un instrumento óptico? ¿Cómo explicamos la visión humana? ¿En qué se basan las tecnologías ópticas que utilizamos cada día? ¿Dónde está la óptica en la naturaleza? Este libro, escrito por un equipo de jóvenes científicos, pretende dar respuesta a estas y otras preguntas y acercar al lector al emocionante mundo de la óptica y la fotónica. Su propuesta divulgativa, dirigida al público general, pero con especial énfasis en los estudiantes de todos los niveles de Educación Secundaria, presenta una amplia variedad de experimentos relacionados con los distintos fenómenos e instrumentos ópticos, en donde se exponen con claridad los pasos a seguir. Todos ellos vienen precedidos de la explicación de los conceptos necesarios para su realización e interpretación, y acompañados de numerosas ilustraciones y curiosidades.

ISBN: 978-84-00-10397-2

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