Fundamentos de Física: Fenómenos Ondulatorios, Óptica y Recursos Hídricos

Luz y Sonido

Una onda es la propagación por un determinado medio de una perturbación producida en un punto cualquiera del mismo (foco); en este proceso no hay propagación de materia, pero sí de energía. Las ondas pueden clasificarse de la siguiente manera:

• Ondas mecánicas: (como las olas o el sonido) ocurren cuando la perturbación se produce en un medio material cuyas partículas comienzan a vibrar. La energía de la vibración es la que se propaga de unas a otras de forma ordenada, debido a la elasticidad proporcionada por las fuerzas que las unen. Estas pueden ser longitudinales si la dirección de vibración de las partículas es paralela a la de propagación de la onda.
• Ondas electromagnéticas: si la perturbación es de naturaleza electromagnética, mediante fluctuaciones de campos eléctricos y magnéticos (como la luz o los rayos X). Aparte de transmitirse por medios materiales, también lo pueden hacer por el vacío. Son ondas transversales, lo que significa que la dirección de vibración de las partículas es perpendicular a la de propagación de la onda.

El Sonido

Su origen está en la vibración de los cuerpos y se transmite en el seno de algún medio material. Es una onda mecánica y longitudinal, producida por una variación de presión en una zona del medio que se transmite a los puntos adyacentes. Se caracteriza por:

• Intensidad sonora (volumen): se mide en decibelios y es la energía que se propaga por el medio.
• Tono: depende de la frecuencia (sonidos graves o agudos).
• Timbre: permite diferenciar dos sonidos de la misma intensidad y tono producidos por diferentes fuentes.

La velocidad de propagación del sonido en el aire es de aproximadamente 340 m/s.

La Luz

Cuando la luz se propaga, se comporta como una onda electromagnética, pero cuando interacciona con la materia se manifiesta su naturaleza corpuscular, lo que nos permite explicarla como un haz de partículas llamadas fotones. Por ello, se habla de la dualidad onda-corpúsculo. En el vacío, la luz se propaga a la máxima velocidad existente: c = 3*10⁸ m/s. Toda onda transporta energía, y podemos usarlas para transmitir información cambiando el valor de sus magnitudes y estableciendo un código de comunicación.

Reflexión y Refracción

Reflexión

La reflexión es uno de los fenómenos característicos de los movimientos ondulatorios. Se manifiesta también en fenómenos que conllevan un desplazamiento de la materia. En el sonido, se produce cuando una onda sonora que se propaga por el aire alcanza otro medio por el que no se puede propagar (como una pared) y la onda se refleja en ella. Lo mismo le ocurre a la luz, en este caso con ondas electromagnéticas.

Existen dos conceptos geométricos fundamentales:

• Normal: Línea perpendicular a la superficie en el punto en que le alcanza la onda.
• Rayo: Línea que indica la dirección y sentido de propagación de una onda luminosa.

Al rayo que llega a la pared se le denomina rayo incidente y al que se refleja en ella, rayo reflejado. La reflexión se rige por dos leyes:

1. 1ª Ley: El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.
2. 2ª Ley: El ángulo de incidencia y el de reflexión son iguales.

Al sonido le ocurre lo mismo, solo que no hablamos de rayos sino de ondas. La luz puede experimentar:

• Reflexión especular: Cuando la luz se refleja sobre una superficie lisa y pulida (como un espejo) y puede formar imágenes.
• Reflexión difusa o difusión: La superficie reflectora presenta irregularidades y los rayos de luz salen reflejados en todas direcciones.

Refracción

La refracción es el cambio de dirección que experimenta un rayo de luz al pasar de un medio de propagación a otro. Se produce siempre que una onda pasa de un medio a otro, cambiando su dirección de propagación y velocidad, pero no su frecuencia. Tanto la luz como el sonido, cuando interaccionan con la materia, parte de la energía que transportan es devuelta al medio de procedencia (reflexión) y parte atraviesa (refracción) o es absorbida por esa materia.

Interacción de la Luz con la Materia

El Color

Las longitudes de onda que componen el espectro visible van desde los 400 nm hasta los 800 nm. Cada luz monocromática la percibimos con un color determinado (por ejemplo, 450 nm es azul y 550 nm es verde); estos se llaman colores espectrales puros. El resto de los colores que percibimos están compuestos por múltiples longitudes de onda que reflejan los cuerpos opacos, o por la transmisión de la luz a través de ellos, como en los cuerpos translúcidos.

De los fotorreceptores que hay en la retina (conos y bastones), los responsables de la visión del color son los conos, que funcionan solo a altos niveles de iluminación. El color es una percepción visual que se caracteriza por tres atributos psicológicos:

• La claridad: por la cual percibimos los colores con más o menos luminosidad. Está relacionada con la intensidad de luz y el brillo.
• El tono: por el cual distinguimos los colores.
• La saturación: relacionada con la cantidad de blanco que tiene un determinado color. Los colores espectrales puros son los tonos de máxima saturación.

El blanco y el negro, cuando nos referimos a luces, no son estrictamente colores. El blanco está compuesto por todos los colores del espectro visible y el negro es la ausencia de luz. El color viene determinado por la naturaleza del objeto y por la iluminación aplicada.

Absorción y Dispersión de la Luz

Vemos las plantas de color verde porque reflejan, mayormente, cromaticidades verdes, absorbiendo gran parte del resto de las frecuencias de la luz con la que son iluminadas. Cuando los cuerpos son iluminados con luz blanca, podrán ser blancos o negros según reflejen o absorban todas las longitudes de onda del espectro visible. Los cuerpos transparentes, que dejan pasar la luz, también pueden dar sensaciones visuales de color; serán transparentes si dejan pasar todas las longitudes de onda o negros si las absorben.

La dispersión de la luz ocurre cuando la luz se refracta al pasar de un medio a otro y el rayo refractado se desvía. Esta desviación no es la misma para todas las frecuencias: las ondas de frecuencia más alta (violetas) se desvían más que las de frecuencias bajas (amarillos). Isaac Newton estudió este fenómeno al atravesar la luz blanca por un prisma, comprobando que estaba compuesta por todos los colores del espectro. Ideó un disco giratorio con los siete colores de referencia y, al girar, los colores desaparecían, viéndose solo el blanco.

Eco y Reverberación

Nuestro oído puede diferenciar dos sonidos siempre que le lleguen separados por, al menos, 0,1 segundos (tiempo de persistencia acústica de nuestro oído). Al escuchar nuestra voz de vuelta al cabo de un tiempo por reflexión en una pared, hablamos del eco. Como el sonido viaja a unos 340 m/s en el aire, en 0,1 s recorre 34 metros. Para distancias menores de 17 metros, percibiremos el sonido reflejado en menos de una décima de segundo y no habrá eco; a lo sumo se oirá algo prolongado, lo que se denomina reverberación del sonido. Muchas veces esto hace que una sala presente una mala acústica u otorga al sonido un matiz agradable y buscado.

Composición y Disponibilidad del Agua Dulce

La salinidad es el contenido de sales minerales disueltas en una cantidad de agua. De estas sales, el cloruro de sodio (NaCl) constituye el 80%. El restante corresponde a sulfatos, carbonatos y otros cloruros, como el de potasio. La salinidad se suele expresar en porcentaje (%) o g/l. La salinidad de gran parte de los océanos y mares oscila entre el 3% y el 5%.

El porcentaje de agua dulce sobre el total es de apenas un 2,53%. De este total:

• El 1,8% está en forma de hielo en casquetes y glaciares.
• Una fracción importante de aguas subterráneas no se puede extraer por la profundidad o no se debe extraer por el tiempo necesario para su recarga.

Si restamos el agua de los suelos, la atmosférica y la de los seres vivos, queda solo un 0,007% disponible para el ser humano.