Al terminar este tema podrás responder a las siguientes preguntas:
...Sobre su relación con la tintura y la pintura: ¿Cómo se han obtenido los distintos colores a lo largo de la historia?
... Sobre la psicología del color: ¿Qué significa cada color? ¿Existen diferencias entre las preferencias de color entre hombres y mujeres?
FUNDAMENTOS DE ÓPTICA
1. LA ÓPTICA.
La Óptica es la rama de la Física que estudia la luz y su comportamiento. Es decir, estudia qué es la luz y cómo esta interacciona con la materia. Distinguimos:
- La óptica geométrica: Toma la luz como un rayo para explicar fenómenos. Considera que cualquier objeto visible emite rayos luminosos rectos en cada punto de él y en todas las direcciones. Cuando estos rayos inciden sobre otros cuerpos pueden ser absorbidos, reflejados o desviados y, si penetran en el ojo, estimularán el sentido de la vista. Explica los fenómenos de reflexión (espejos) y refracción (lentes) a partir de las leyes de Snell y el funcionamiento de instrumentos ópticos (lupa, microscopio, telescopio, el ojo humano, ...). Se llama así porque estudia los cambios de direcciones de la luz a partir de la representación geométrica.
- La óptica física considera la luz como una onda para explicar los fenómenos que no son explicables tomando la luz como un rayo: la difracción y la polarización.
2. LA CONTROVERSIA SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ.
A lo largo de la historia debida a la explicación de los fenómenos observados desde la antigüedad convivieron dos teorías que intentaban explicar qué era la luz:
a) La teoría corpuscular. Sus mayores defensores fueron Isaac Newton (en su obra "Óptica" de 1704), Snell y Descartes. Considera la luz formada por minúsculas partículas (corpúsculos) que son lanzados a gran velocidad por los cuerpos emisores de luz. Estos corpúsculos son diferentes para cada color, se mueven con MRU y estimulan la visión de los cuerpos. Bajo este modelo se podían explicar fenómenos como la propagación rectilínea de la luz (sombras/penumbras y la formación de eclipses), la reflexión y la refracción. Sin embargo, no explica otro fenómenos como la interferencia y la difracción de la luz. Además, consideraban erróneamente que la la velocidad de propagación era mayor en el agua que en el aire.
b) La teoría ondulatoria. Su mayor defensor fue Huygens ("Tratado de la luz", 1690), además de Robert Hooke. Considera que la luz está formada por pequeñas ondas longitudinales semejantes a las sonoras y que utilizan como soporte un medio elástico (éter luminoso). La naturaleza ondulatoria de la luz fue probada por Thomas Young y su famoso experimento de la doble rendija con el que dio respuesta a las interferencias constructivas y destructivas. Por otro lado, Fresnel justificó presumiendo que la luz se comporta como onda la difracción y determinó que la luz estaba constituida por ondas transversales.
El posterior desarrollo del electromagnetismo (Hertz) y el conocimiento del efecto fotoeléctrico (Einstein) hacen aceptar una doble naturaleza de la luz. Cuando los objetos involucrados son de un tamaño mucho mayor que el orden de la longitud de onda de la luz (nanómetro) se considera el comportamiento corpuscular; mientras que para partículas pequeñísimas se acepta que toda materia lleva asociada una onda.
3. LAS ONDAS.
"Una onda mecánica es una perturbación de un medio material que se propaga a través de este, originando progresivas perturbaciones locales, transportando energía y cantidad de movimiento pero sin transporte de materia".
En una primera clasificación: Diferenciemos entre ondas longitudinales y transversales.
ONDAS LONGITUDINALES: se caracterizan porque las partículas del medio oscilan en la misma dirección en que se propaga la perturbación. Ej: el sonido.
ONDAS TRANSVERSALES: las partículas del medio oscilan perpendicularmente a las dirección de propagación de la perturbación. Ej: una ola.
ELEMENTOS DE UNA ONDA:
- La longitud de onda (λ) es la distancia que existe entre dos puntos consecutivos de la perturbación que oscilan en la misma fase, es decir que se encuentran en el mismo estado de vibración. Su unidad de medida en el S.I. es el metro (m).
- La amplitud (A) es la distancia de una cresta a donde la onda está en equilibrio. La amplitud es usada para medir la energía transferida por la onda. Cuando mayor es la amplitud, mayor es la energía transferida (la energía transportada por una onda es proporcional al cuadrado de su amplitud).
- El período (T) es el tiempo que tarda la onda en recorrer una distancia igual a su longitud de onda o lo que es igual al tiempo que tarda cada punto de la perturbación en realizar una oscilación completa. Su unidad de medida en el S.I. es el segundo (s).
- La frecuencia (f) es el número de longitudes de onda que avanza la onda en cada segundo o lo que es igual al número de oscilaciones completas que realiza cada punto de la perturbación en cada segundo. Su unidad de medida es el Hertz (Hz). El período y la frecuencia son inversos entre sí.
- La velocidad de propagación (Vp o c) es la distancia que recorre la perturbación en cada segundo. Como el tiempo que tarda la propagación en avanzar una longitud de onda λ es T, entonces:
6. El número de onda (k) es el número de longitudes de onda que hay en una distancia 2 Π.
k = 2 Π/ λ
7. Frecuencia angular (w)
w = 2 Π/ T = 2Π . f
ECUACIÓN DE ONDA
Necesitamos una ecuación que la describa, por tanto, que involucre tres variables (dos de posición y una de tiempo) y que permita determinar determinar una de ellas sabiendo las otras dos.
- La posición y de un punto de la onda depende de la posición x y del tiempo t.
- El punto de la onda que se encuentra en la posición x oscila con un período T.
- En un tiempo t la amplitud es períodica en x.
En general, la ecuación de una onda transversal unidimensional que se propaga a lo largo del eje x, cuyo extremo izquierdo oscila armónicamente en la dirección del eje y, y que en el instante t=0 este se mueve hacia arriba, es:
Donde ω = 2π f es la frecuencia angular y k = 2π/λ se denomina número de onda definido como el número de ondas que existen cada 2π metros de longitud. En esta fórmula se usa el signo menos (-) cuando la onda se propaga a la derecha y signo más (+) cuando la onda se propaga a la izquierda.
Tiene la forma de una función trigonométrica.
Tiene la forma de una función trigonométrica.
4. EL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO.
Maxwell supuso que la luz se comporta como una onda electromagnética. Unificó en una sola teoría la electricidad, el magnetismo y la óptica (síntesis electromagnética).
Las ondas electromagnéticas son ondas transversales compuestas de un campo eléctrico, E, y un campo magnético. B, ambos perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación.
Maxwell supuso que la luz se comporta como una onda electromagnética. Unificó en una sola teoría la electricidad, el magnetismo y la óptica (síntesis electromagnética).
Las ondas electromagnéticas son ondas transversales compuestas de un campo eléctrico, E, y un campo magnético. B, ambos perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación.
El espectro electromagnético es un conjunto ordenado de las distintas longitudes de ondas y frecuencias que pueden descomponerse de una radiación electromagnética.
5. TEORÍA FÍSICA DEL COLOR.
En Física, cuando se emplea la palabra color, se hace referencia a la longitud de onda de la radiación luminosa. Generalmente la radiación electromagnética se compone de distintas longitudes de ondas que impresionan nuestro sentido de la vista, así nuestro ojo aprecia tan solo el tinte o "color" resultante.
La visión del color:
Lo que habitualmente denominamos luz (visible) es radiación electromagnética cuya longitud de onda está comprendida entre 380 nm y 780 nm. Dichas radiaciones son registrados por minúsculas células receptoras (conos y bastones) ubicadas en la retina del ojo. La misión de ambas es captar la energía de las radiaciones que inciden en ellas y transformarlas en impulsos eléctricos. Con tales impulsos están formados los códigos que, a través del sistema nervioso, son enviados al cerebro, donde tiene lugar la sensación de color propiamente dicha. Como sensación experimentada por los seres humanos y determinado animales, la percepción del color es un proceso neurofisiológico muy complejo. Los métodos utilizados actualmente para la especificación del color se encuadran en la especialidad denominada colorimetría.
Colorimetría: es la ciencia del color. Establece un sistema numérico para describir el color. En toda radiación luminosa se distinguen la intensidad (cantidad de energía que llega a una sección por unidad de tiempo) y cromaticidad (incluye el tono/matiz -longitud de onda dominante- o pureza/saturación del color).
Decimos que un objeto tiene un color cuando refleja o transmite las radiaciones correspondientes a tal color. Por ejemplo, un cuerpo es verde por reflexión o transparencia cuando absorbe en casi su totalidad, todas las radiaciones menos las verdes (aproximadamente sobre 500 nm), las cuales refleja o se deja atravesar por ellas. Por otro lado, una supercie que absorbe toda la luz que le llega se verá de color negro. El color de los cuerpos no es una propiedad intrínseca de ellos, sino que va ligado a la naturaleza de la luz que reciben.
La luz blanca es una mezcla de radiaciones de longitudes de onda diferentes, que se extienden desde la luz roja, que tiene la longitud de onda más larga hasta la luz violeta, que tiene la longitud de onda más corta.
6. FENOMENOS DE LA LUZ.
Postulado: "La luz se propaga en línea recta en los medio homogéneos o isótropos (de iguales propiedades en todas las direcciones)"
Un rayo es la línea que uniendo dos puntos, marca la trayectoria seguida por la luz.
A) LA REFLEXIÓN DE LA LUZ
B) LA REFRACCIÓN DE LA LUZ.
La reflexión es el cambio de dirección de una onda, que al estar en contacto con la superficie de separación entre dos medios cambiantes, regresa al punto donde se originó. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.
Es el fundamento científico en el que se basan los espejos y los tejidos reflectantes.
Sobre tejidos reflectantes puedes consultar decir que:
- Se utilizan Cintas reflectantes para coser
- Cuando son usados con fines laborales deben de cumplir la normativa EN471B) LA REFRACCIÓN DE LA LUZ.
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.
Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado.
No confundir con los tejidos refractarios que resisten altas temperaturas y que tienen diversos usos industriales: 1 y 2
Vídeos sobre reflexión y refracción.
C) OTROS FENÓMENOS.
C1) La dispersión.
La dispersión de la luz es un fenómeno que se produce cuando un rayo de luz blanca atraviesa un medio transparente (por ejemplo un prisma) y se refracta, mostrando a la salida de éste los respectivos colores que la constituyen.
C2) La difracción.
La difracción es un fenómeno característico de las ondas que se basa en la desviación de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija. Ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz visible y las ondas de radio.
En la ilustración, la línea azul representa la difracción; la verde, la reflexión y la marrón, refracción. |
C3) La interferencia.
En física, la interferencia es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor o menor amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en cualquier tipo de ondas, como luz, radio, sonido, ondas en la superficie del agua, etc.
Puede producir aleatoriamente aumento, disminución o neutralización del movimiento.
PRINCIPIO DE HUYGENS
Explica perfectamente estos fenómenos vistos: la reflexión y refracción de la luz (también fácilmente explicables por la teoría corpuscular de Newton), así como los fenómenos de difracción e interferencia.
A finales del siglo XVII, momento en el que la teoría más aceptada sobre la luz era la teoría corpuscular de Newton, el físico, matemático y astrónomo holandés Christian Huygens (1629-1695) propuso su hipótesis de que la luz era un fenómeno ondulatorio, de naturaleza casi igual a la del sonido. Enunció el llamado principio de Huygens, basado en el concepto de frente de onda.
Un frente de onda puede definirse como el lugar geométrico en que determinados puntos del medio en el que se propaga una onda (aire, agua…) son alcanzados en un mismo instante por dicha onda. Es por ello que todos los puntos que forman un frente de onda tienen la misma fase, es decir, están en la misma situación instantánea en el ciclo periódico de la onda. En la siguiente imagen vemos una representación de varios frentes de onda.
El principio de Huygens permite predecir la posición futura de un frente de onda cuando se conoce su posición anterior. Establece que los frentes de onda están formados por frentes de onda más pequeños, es decir, que cada punto de un frente de ondas primario se comporta como un emisor de ondas secundarias. Estas ondas secundarias son esféricas, tienen la misma frecuencia y se propagan en todas las direcciones con la misma velocidad que la onda primaria en cada punto. La envolvente de todas esas ondas secundarias es el nuevo frente de onda formado.
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