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〽️ ¿Qué es una Onda? 〰️ Tipos/Características/Aplicaciones [Fácil y Rápido] | FÍSICA |

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Radiación visible: luz

La luz es el conjunto de radiaciones electromagnéticas capaces de excitar la retina humana y crear la sensación de visión. Como magnitud física es la energía radiante de longitudes de onda comprendidas entre los 380 nm y los 770 nm del espectro electromagnético.

La luz forma parte del espectro electromagnético, el cual comprende tipos de ondas de frecuencias tan dispares como los rayos cósmicos, los rayos gamma, los ultravioletas, los infrarrojos y las ondas de radio o televisión. Cada uno de estos tipos de onda electromagnética cubre un intervalo del espectro definido por una magnitud que puede ser la longitud de onda () o la frecuencia (f).
Recordemos que la relación entre ambas es: λ = c/f donde c es la velocidad de la luz en el vacío (c = 3·108 m/s).

Teorías sobre la naturaleza de la luz

La luz presenta una naturaleza compleja: dependiendo de cómo la observemos se manifestará como una onda o como una partícula. Estos dos estados no se excluyen, sino que son complementarios (dualidad onda-corpúsculo). Sin embargo veamos con más detalle las distintas teorías que conducen a esta conclusión.

Teoría ondulatoria

Esta teoría considera que la luz es una onda electromagnética, consistente en un campo eléctrico que varía en el tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa. Los campos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de Ampère) y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De esta forma, la onda se propaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricos regenerándose continuamente.

Estas ondas electromagnéticas son sinusoidales, con los campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación (k)

Para poder describir una onda electromagnética podemos utilizar los parámetros habituales de cualquier onda:

Amplitud (A): Es la distancia máxima respecto a la posición de equilibrio que alcanza la onda en su desplazamiento vibratorio perpendicular a la dirección de propagación.

Periodo (T): Es el tiempo necesario para el paso de dos máximos o mínimos sucesivos por un punto fijo en el espacio.

Frecuencia (f): Número de oscilaciones por unidad de tiempo. Es una cantidad inversa al periodo.

Longitud de onda (λ): Es la distancia entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas.

Velocidad de propagación (c): Es la distancia que recorre la onda en la unidad de tiempo.

La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionados por las siguientes ecuaciones:

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Radiación visible: luz La luz es el conjunto de radiaciones electromagnéticas capaces de excitar la retina humana y crear la sensación de visión. Como magnitud física es la energía radiante de longitudes de onda comprendidas entre los 380 nm y los 770 nm del espectro electromagnético.

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La óptica ondulatoria, también llamada óptica física, estudia el comportamiento de la luz en su manifestación como onda. La luz es una onda electromagnética, y ya había sido predicha por James Clerk Maxwell (1831-1879) en sus ecuaciones.

Por lo tanto, la luz experimenta los mismos fenómenos que cualquier otro tipo de onda. A nivel microscópico, la luz se produce gracias a que los átomos y las moléculas en la materia experimentan reestructuraciones internas de electrones. Y a través de estos procesos se emite luz, consistente en un campo eléctrico y otro magnético, ambos dependientes del tiempo, que se generan el uno al otro.

Tales campos, acoplados perpendicularmente, se mueven como una onda capaz de propagarse en el vacío transversalmente. Es decir, la onda oscila perpendicular a la dirección de propagación y la velocidad de la onda es una constante y en el vacío es de 300.000 km/s.

Sin embargo, cuando la luz interactúa con la materia, entonces se comporta como una partícula. Esta partícula se llama fotón y se manifiesta en fenómenos como la radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico, entre otros.

Es por ello que la óptica se divide en tres áreas:

Óptica ondulatoria, enfocada en los fenómenos ondulatorios de la luz.

Óptica cuántica, que estudia a la luz cuando se comporta como partícula al interactuar con la materia.

Óptica geométrica, orientada a la descripción de los aspectos geométricos de la trayectoria de la luz: la reflexión y la refracción.

¿Qué estudia la óptica ondulatoria?

La óptica ondulatoria es el área de la óptica que se centra en los fenómenos ondulatorios de la luz:

Aunque la reflexión y la refracción también son manifestaciones de la luz, de ellas se ocupa la óptica geométrica, tal como se explicó antes. Para ello hace uso del modelo de rayos, en el cual la luz se describe como una línea recta avanzando perpendicularmente al frente de ondas. Estos rayos son independientes unos de otros y completamente reversibles.

Pero en este modelo no se contempla que la luz experimente difracción, aunque está comprobado que sí puede, por lo tanto la óptica geométrica carece del alcance suficiente para explicar muchos aspectos del comportamiento de la luz.

Puesto que estos fenómenos se presentan únicamente en las ondas, significa que la luz posee todas las características de una onda, tanto espaciales como temporales. El primer científico en sugerir esto fue Christiaan Huygens (1629-1695), y por ello mantuvo una enconada disputa con Isaac Newton (1642-1727), quien siempre defendió la naturaleza corpuscular de la luz.

Características generales de una onda

Una onda es una perturbación repetitiva que en principio se puede modelar como una curva senoidal, ya sea una onda transversal o longitudinal. Sus características espaciales, es decir, que se refieren a la forma de la onda, son:

- Crestas y valles: son respectivamente las posiciones más altas y las más bajas.

- Nodos: son las intersecciones de la onda con la línea de referencia correspondiente a la posición de equilibrio.

- Longitud de onda: casi siempre se denota mediante la letra griega λ (lambda), y se mide como la distancia entre dos crestas o dos valles sucesivos. O también entre un punto y el punto siguiente que se encuentre a la misma altura y pertenezca al ciclo siguiente o al anterior. Cada color en el espectro de luz visible, tiene asociada una longitud de onda característica.

- Elongación: es la distancia vertical medida entre un punto perteneciente a la onda y la línea de referencia.

- Amplitud: corresponde a la máxima elongación.

En cuanto a las características temporales, como se ha dicho ya, la perturbación se mueve en el tiempo de forma periódica, por lo tanto, una onda luminosa tiene:

- Período, tiempo de duración de una fase.

- Frecuencia: número de ondas que se producen por unidad de tiempo. El período y la frecuencia son inversos el uno de la otra.

- Velocidad: es el cociente entre la longitud de onda λ y el período T:

Los campos electromagnéticos pueden combinarse en un punto, siguiendo el principio de superposición. Esto significa que si dos ondas luminosas de igual amplitud, frecuencia y diferencia de fase φ, se superponen en un punto del espacio, sus respectivos campos electromagnéticos se suman como vectores.

La interferencia ocurre porque la onda que resulta de la superposición puede tener una amplitud mayor a las ondas que interfieren, o por el contrario, una mucho menor. En el primer caso se dice que ocurre interferencia constructiva, y en el segundo se trata de interferencia destructiva.

El primero en demostrar la interferencia de las ondas de luz de dos fuentes fue el científico y políglota inglés Thomas Young (1773-1829) en 1801 en su famoso experimento de la doble rendija.

La difracción consiste en la desviación del comportamiento rectilíneo que sufre una onda cuando se encuentra con un obstáculo o una abertura en su camino, siempre que las dimensiones de estos sean semejantes a la longitud de onda.

La difracción de ondas sonoras es muy fácil de experimentar, pero como la longitud de onda de la luz visible es muy pequeña, del orden de unos cientos de nanómetros, es un poco más complejo determinarla.

La luz consiste en dos campos perpendiculares entre sí, uno eléctrico y otro magnético, ambos perpendiculares a la dirección de propagación. La luz no polarizada consiste en una superposición desordenada de ondas cuyo campo eléctrico tiene direcciones aleatorias, en cambio, en la luz polarizada, el campo eléctrico tiene una dirección preferencial.

Los interferómetros ópticos son dispositivos que se usan para medir distancias con una elevada precisión. Además también pueden medir longitudes de onda, índices de refracción, el diámetro de estrellas cercanas y detectar la presencia de exoplanetas.

El experimento de Michaelson-Morley se llevó a cabo con un interferómetro. En este experimento se comprobó que la velocidad de la luz es constante en el vacío.

La polarimetría es una técnica empleada en el análisis químico de las sustancias a través de la rotación de un haz de luz polarizada que atraviesa una sustancia ópticamente. Su uso es frecuente en la industria de los alimentos para determinar la concentración de azúcar en las bebidas como jugos y vinos.

En las comunicaciones, la luz se usa por su capacidad de transportar información, por ejemplo a través de la fibra óptica, los láseres y la holografía, por ejemplo.

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 7. Ondas y Física Cuántica. Editado por Douglas Figueroa (USB).

2. Giambattista, A. 2010. Physics. 2nd. Ed. McGraw Hill.

3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 th . Ed Prentice Hall.

4. Rex, A. 2011. Fundamentos de Física. Pearson.

5. Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14 th . Ed. Volume 1. Pearson.

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Óptica ondulatoria: qué estudia, propiedades, aplicaciones

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La óptica ondulatoria, también llamada óptica física, estudia el comportamiento de la luz en su manifestación como onda. La luz es una onda electromagnética, y ya había sido predicha por James Clerk Maxwell (1831-1879) en sus ecuaciones.

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Las lentes son objetos transparentes (normalmente de vidrio), limitados por dos superficies, de las que al menos una es curva.

Las lentes más comunes se basan en el distinto grado de refracción que experimentan los rayos de luz al incidir en puntos diferentes de la lente. Entre ellas están las utilizadas para corregir los problemas de visión en gafas, anteojos o lentillas. También se usan lentes, o combinaciones de lentes y espejos, en telescopios y microscopios. El primer telescopio astronómico fue construido por Galileo Galilei usando una lente convergente (lente positiva) como objetivo y otra divergente (lente negativa) como ocular. Existen también instrumentos capaces de hacer converger o divergir otros tipos de ondas electromagnéticas y a los que se les denomina también lentes. Por ejemplo, en los microscopios electrónicos las lentes son de carácter magnético.

En astrofísica es posible observar fenómenos de lentes gravitatorias cuando la luz procedente de objetos muy lejanos pasa cerca de objetos masivos, y se curva en su trayectoria.
La palabra lente proviene del latín "lens, lentis" que significa "lenteja" con lo que a las lentes ópticas se las denomina así por parecido de forma con la legumbre.
En el siglo XIII empezaron a fabricarse pequeños discos de vidrio que podían montarse sobre un marco. Fueron las primeras gafas de libros.

Existen dos tipos principales de lentes:

LENTES CONVERGENTES: Son aquellas cuyo espesor va disminuyendo del centro hacia los bordes. En este tipo de lentes, todo rayo que pase paralelamente al eje principal, al refractarse se junta en su foco. Las lentes convergentes forman imágenes reales de objetos. Existen tres clases de lentes convergentes:

Lentes bi-convexas.

Lentes plano-convexas.

Lentes cóncavo-convexas.

LENTES DIVERGENTES: Son aquellas cuyo espesor va disminuyendo de los bordes hacia el centro. En este tipo de lentes, todo rayo que pase paralelamente principal, al refractarse se separa como si procediera de un foco principal. Las lentes divergentes forman imágenes virtuales de los objetos. Existen tres clases de lentes divergentes:

Lentes bi-cóncavas

Lentes plano-cóncavas

Lentes convexo-cóncavas

USO DE LAS LENTES

Uno de los tantos usos que tiene las lentes es en los microscopios, a continuación se reseña brevemente el uso en los microscopios:
Un microscopio es un sistema de lentes que produce una imagen virtual aumentada de un pequeño objeto. El microscopio más simple es una lente convergente, la lupa. El objeto se coloca entre la lente y el foco, de modo que la imagen es virtual y está a una distancia que es la distancia mínima de visón nítida, alrededor de 25 cm.

El microscopio compuesto consiste en dos lentes convergentes de pequeña distancia focal, llamadas objetivo y ocular. La distancia focal del objetivo f, es mucho menos que la distancia focal f´ del ocular. El objeto AB se coloca a una distancia del objetivo ligeramente mayor que f. El objetivo forma una primera imagen a´b´ que hace de objeto para el ocular. La imagen a´b´ debe estar a una distancia del ocular ligeramente menor que f´. La imagen final ab es virtual, invertida y mucho mayor que el objeto. El objeto AB se coloca de tal manera que ab está a una distancia del ocular igual a la distancia mínima de visión nítida, alrededor de 25 cm. Esta condición se realiza mediante el enfoque que consiste en mover todo el microscopio respecto al objeto.(Se puede observar la imagen a través de una lente convexa).
VIDEO ILUSTRATIVO DEL TEMA TRATADO EN EL ARTICULO

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Las lentes son medios transparentes limitados por dos superficies, siendo curva al menos una de ellas. También se puede decir que las lentes son medios que dejan pasar la luz y en el proceso los rayos de luz se refractan de acuerdo a la ley de la refracción.

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Instrumentos ópticos y sus funcionalidades

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Un instrumento óptico es una herramienta que sirve para procesar ondas de luz con el fin de mejorar una imagen para su visualización. Estos utensilios también sirven para analizar la luz que es proyectada hacia ellos, y de esta manera, determinar sus propiedades.