Fundamentos de la Óptica Geométrica: Propiedades, Fenómenos y Aplicaciones de la Luz

Naturaleza y Propagación de la Luz

¿Qué es la luz?

La luz es otra forma de energía conocida como energía radiante, que también se propaga mediante ondas.

Puede provenir de una fuente natural, como el Sol, o artificial, como las velas, focos y lámparas.

La luz viaja en línea recta y en todas direcciones a gran velocidad, alcanzando 300 000 km por segundo. Dependiendo del material al que llegue, la luz puede transmitirse, reflejarse o absorberse.

Características de las Ondas Electromagnéticas

La velocidad de la luz es tan elevada que hasta mediados del siglo XVII se suponía que esta velocidad era infinita.

Hoy se sabe que todas las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de 300 000 km/s.

La energía transportada por las ondas es proporcional a su frecuencia, de manera que cuanto mayor es la frecuencia de la onda, mayor es su energía.

El espectro electromagnético incluye:

• Radio (AM/TV/FM)
• Microondas
• Infrarrojos
• Luz Visible
• Ultravioleta
• Rayos X
• Rayos Gamma

Propiedades Fundamentales de la Luz

• Se propaga en línea recta.
• Se refleja cuando llega a una superficie reflejante.
• Cambia de dirección cuando pasa de un medio a otro diferente, es decir, se refracta.

Fenómenos Ópticos: Sombras y Eclipses

Sombras, Penumbras y Eclipses

La sombra se produce cuando un cuerpo opaco interfiere en un haz de luz y se forma una zona oscura.

La penumbra es una sombra que no es nítida, sino que hay una parte más oscura y otra más difusa.

Este fenómeno de sombra y penumbra es el que produce los eclipses.

En la zona del planeta donde se proyecta la sombra, el día oscurece hasta que parece de noche por unos instantes y se observa un eclipse parcial de Sol. Por el contrario, cuando nuestro planeta se interpone entre el Sol y la Luna, las zonas de sombra y de penumbra proyectadas por la Tierra sobre la Luna son más grandes que el diámetro lunar debido al mayor tamaño del planeta. Si en estas circunstancias se produce un eclipse de Sol, la sombra no se proyecta sobre la Tierra, pero sí la penumbra, y es ahí cuando se observa un eclipse anular.

Reflexión de la Luz

La luz se refleja

La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al chocar contra la superficie de los cuerpos.

Leyes Fundamentales de la Reflexión

1. El rayo incidente, el reflejado y la normal se encuentran en un mismo plano perpendicular a la superficie.
2. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Tipos de Reflexión

Reflexión Especular: Todos los rayos reflejados salen en la misma dirección.

Reflexión Difusa: Los rayos salen reflejados en todas las direcciones.

Refracción de la Luz

La luz se refracta

Cuando la luz pasa de un medio a otro (del aire al agua), su velocidad de propagación cambia y, como consecuencia de este cambio, sufre una desviación en su trayectoria.

La refracción de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos luminosos al pasar de un medio a otro en el que se propaga con distinta velocidad.

Leyes Fundamentales de la Refracción

1. El rayo refractado, el incidente y la normal se encuentran en un mismo plano.
2. El rayo se acerca a la normal cuando pasa de un medio en el que se propaga a mayor velocidad a otro de menor velocidad. (Índice de refracción ($n$): $n = c/v$).

Aplicaciones Ópticas: Lentes y Defectos Visuales

Las Lentes

• Convergentes (Biconvexas): Son más gruesas por el centro que por los extremos. Los rayos refractados por estas lentes convergen en un punto conocido como foco.
• Divergentes (Bicóncavas): Es lo contrario. Estas lentes no convergen en un punto, sino que se separan.

Defectos Visuales Comunes

Miopía: Se ven borrosos los objetos de lejos y bien los de cerca. Se corrige con lentes divergentes.

Hipermetropía: Se ven mal los objetos de cerca y bien los de lejos. Se corrige con lentes convergentes.

Astigmatismo: Este impide una visión nítida. Se corrige con una lente especial (tórica).