Onades: Tipus, Propietats i Fenòmens Òptics

Per què el cel és blau?

La llum que arriba del sol no és blanca, sinó que està formada per diferents colors (vermell, taronja, groc, verd, blau i lila). Quan la llum solar arriba a l'atmosfera, topa amb els àtoms que hi ha en suspensió (aire, pols, etc.) i aquests absorbeixen l'energia lluminosa, que és immediatament tornada amb la mateixa freqüència però en direcció aleatòria. Això es coneix com a dispersió de la llum.

Cada color té una longitud d'ona, un cicle amb un principi i un final. La llum vermella del sol (de freqüència menor) té molta menys energia que la blava o la lila i, per tant, és incapaç de penetrar a l'atmosfera. Això fa que la dispersió de la llum a l'atmosfera només passi amb la llum blava, que és d'alta energia. La dispersió de la llum blava és 6 vegades superior a la de la llum vermella. Si a això afegim que la nostra visió és molt sensible als colors grocs i molt poc al lila, el resultat és que el nostre ull percep un blau cian, tot i que realment el que veiem és una barreja de colors: una mica de taronja, una mica de verd, molt de blau i molt poc de lila.

Onades Transversals i Longitudinals

En les ones transversals, el moviment de les partícules o la variació del camp electromagnètic és perpendicular a la direcció de propagació de les ones. Un exemple d'això és quan tirem una pedra a l'aigua i es creen ones al voltant.

En l'ona longitudinal, la direcció del moviment de les partícules a causa de les vibracions és paral·lela a la direcció de propagació de l'ona. Les ones longitudinals també reben el nom d'ones de pressió o ones de compressió.

Un moviment ondulatori és aquell en el qual no hi ha un transport de matèria, sinó només de quantitat de moviment i d'energia. Diem que la quantitat de moviment i l'energia d'un moviment ondulatori es transmeten mitjançant ones de propagació, i anomenem focus emissor d'ones el conjunt de partícules del medi material on s'origina la pertorbació.

Tipus d'Onades: Mecàniques i Electromagnètiques

Les ones mecàniques són les ones produïdes a la superfície d'un líquid, les produïdes en cordes sotmeses a una certa tensió, i el so. En tots aquests casos, es genera una oscil·lació de les partícules del medi per on es propaga l'ona.

Les ones electromagnètiques inclouen la llum, els raigs ultraviolats, els raigs X, els raigs gamma, etc. En tots aquests casos, es genera una oscil·lació de camps elèctrics i magnètics, i l'ona es pot propagar a través del buit.

Conceptes Clau en l'Estudi de les Onades

La velocitat de fase d'una ona és la velocitat amb què es transmet la pertorbació des del focus fins a un punt determinat del medi. El front d'ona és el conjunt de punts del medi als quals arriba la pertorbació en un instant de temps determinat. Anomenem raig qualsevol línia recta que sigui perpendicular a un front d'ona determinat.

• Raig paral·lel a l'eix òptic: passa per F.
• Raig focal: es reflecteix al mirall i passa per F.
• Raig radial: passa pel C.

L'amplitud (A) és la distància entre la posició màxima (o mínima) d'una partícula del medi i la seva posició d'equilibri. El període (T) és el temps que tarda una partícula del medi (en ones mecàniques) o el camp electromagnètic (en ones electromagnètiques) a completar una oscil·lació completa. La longitud d'ona és la distància entre dos punts consecutius que es troben en el mateix estat d'oscil·lació en un instant de temps determinat. Una ona mostra una doble periodicitat: en el temps, manifestada pel període T, i en l'espai, manifestada per la longitud d'ona.

Principi de Huygens

El principi de Huygens estableix que qualsevol punt d'un front d'ones és susceptible de convertir-se en un nou focus emissor d'ones idèntiques a les que el van originar, anomenades ones secundàries. L'ona que avança es pot considerar com la suma o el resultat de totes les noves ones secundàries que sorgeixen dels punts del medi ja travessats. Les ones resultants es converteixen en un front d'ones que avança en la mateixa direcció que el va generar, i cada front d'ones és així susceptible de ser origen d'un de nou.

Difracció, Reflexió i Refracció

La difracció és la distorsió d'una ona o un tren d'ones que troba en el seu recorregut un obstacle de dimensions comparables a les de la longitud d'ona del moviment ondulatori. Exemples de fenòmens de difracció s'observen en la cubeta d'ones amb obstacles amb petites obertures; en el cas del so, en interposar obstacles entre el focus i el receptor, el so és capaç de vorejar l'obstacle.

La reflexió és la capacitat de la llum de reflectir-se en les superfícies, com en un mirall. La refracció és la capacitat de la llum de canviar de direcció quan passa d'un medi a un altre de diferent densitat. L'exemple més clar és quan mires un peix dins d'una peixera pel vidre lateral i després el mires per la part superior; sembla com si el peix canviés de lloc.

Polaritzadors, Miralls i Lents

Un polaritzador és un material amb transmitància selectiva a una determinada direcció d'oscil·lació del camp elèctric d'una ona electromagnètica com la llum. Quan un feix de llum no polaritzada travessa aquest material, la llum sortint (transmesa) queda polaritzada.

Un mirall és un sistema òptic constituït per una superfície polida i llisa que és molt reflectora, és a dir, que reflecteix pràcticament tots els raigs de llum que hi incideixen i dóna imatges clares dels objectes.

Una lent és un sistema òptic format per dues superfícies refractants, és a dir, que refracten els raigs de llum que hi incideixen, amb un eix comú, una de les quals, almenys, és corba.

Miopia i Hipermetropia

En les persones que pateixen miopia, el cristal·lí té una convergència excessiva i focalitza la imatge d'objectes llunyans per davant de la retina, fent que la visió sigui borrosa. Per corregir aquest defecte, s'utilitza una lent divergent, de manera que, situada davant de l'ull, s'aconsegueix allunyar la imatge i formar-la sobre la retina.

En el cas de la hipermetropia, el cristal·lí té poca convergència, la imatge d'objectes propers es focalitza darrere de la retina, i la visió també resulta borrosa. En aquest cas, la correcció s'ha de fer amb una lent convergent, de manera que s'aconsegueix apropar la imatge i formar-la sobre la retina.

L'Ull Humà

L'ull és un sistema òptic de lents constituït per la còrnia i el cristal·lí, que focalitzen la imatge sobre la retina, la membrana interna de l'ull recoberta per cèl·lules nervioses sensibles a la llum. Aquestes cèl·lules són de dos tipus: els bastons, que poden captar fins i tot la llum tènue, i els cons, sensibles als colors. Juntes, recullen la imatge i la transformen en un senyal nerviós que es transmet pel nervi òptic fins al cervell, on és processada, permetent el sentit de la visió. La pupil·la actua com una obertura circular que, depenent de la intensitat de llum que hi arriba, i amb l'ajut dels petits músculs que constitueixen l'iris, varia el seu diàmetre i permet l'entrada de més o menys llum.

Interferències i Fibra Òptica

El fenomen de les interferències consisteix en la superposició additiva dels moviments ondulatoris de la mateixa natura en tot punt del medi de propagació de les ones. És a dir, tot punt de l'espai és pertorbat segons la suma de pertorbacions associades a cada una de les ones. Un exemple són les ones estacionàries en una corda.

En la fibra òptica s'aprofita el fenomen de la reflexió total. La fibra òptica, tot i que és transparent, té un índex de refracció més gran que l'aire. Quan un raig de llum penetra en la fibra i arriba a la superfície de separació de la fibra amb l'aire, ho sol fer amb un angle límit. Per tant, el raig no s'hi refracta i s'hi reflecteix totalment, és a dir, no pot sortir de la fibra.

Lleis de la Reflexió i de Snell

• Llei de la reflexió: els angles d'incidència i de reflexió són iguals. αi=αr.
• Llei de Snell: la relació entre el sinus de l'angle d'incidència i el sinus de l'angle de refracció coincideix amb la relació entre les velocitats de l'ona en els dos medis. sinαi/sinα'r= v1/v2=n.

Exemple de Refracció: Objecte en un Got d'Aigua

Quan introduïm un objecte allargat dins d'un got d'aigua, observem que l'objecte sembla deformar-se en la porció que queda submergida en l'aigua. Això es deu a la refracció de la llum, ja que els raigs de llum que provenen de l'interior del got pateixen aquest fenomen.

v=λf, λ=v/f