Principio de Huygens: Reflexión y Refracción de Ondas

Cuando se coloca una pantalla con una ranura en el camino de un haz de luz, un sonido o las ondas que se producen al tirar una piedra al agua, en la propia ranura se produce una nueva onda que lleva la luz, el sonido o las ondas al otro lado de la pantalla y a ambos lados de la ranura. Este fenómeno se llama difracción y no se puede explicar suponiendo que las perturbaciones se propagan de forma similar a las partículas. En 1678, el físico danés Christiaan Huygens expuso su teoría, el principio de Huygens: las ondas avanzan de tal forma que cada punto de un frente de onda se convierte en un foco emisor de una onda de las mismas características. La envolvente de las ondas que resultan de los distintos puntos de un frente de onda. Esto sucede tanto en la propagación de las ondas planas como de las esféricas y permite explicar el fenómeno de la difracción.

Reflexión

Se produce cuando una onda choca con una superficie que separa dos medios distintos y retrocede avanzando por el mismo medio original. Cada punto del frente de onda que llega a la superficie de separación da lugar a una nueva onda que inicia el camino reflejado. Los rayos llegan a la superficie de separación en momentos sucesivos, de manera que cuando se forma la nueva onda con la envolvente de las ondas resultantes que están en fase, se origina el frente de onda reflejado.

Leyes de la Reflexión

• El rayo incidente, el reflejado y la normal están en el mismo plano.
• El ángulo que forma el rayo incidente con la normal es igual al que forma el rayo reflejado con ella.

Cuando el rayo 1 llega al punto A, el rayo 3 está en el punto B. El rayo 3 llega a la superficie de separación, punto B', en el momento en el que el rayo 1 reflejado llega al punto A'. En consecuencia, el tiempo que tarda en recorrer el rayo 1 reflejado la distancia AA'. Relacionamos esta distancia con la velocidad de propagación de los rayos incidentes y reflejado, que es la misma porque los dos se mueven por el mismo medio.

V_incidente = BB'/t; V_reflejado = AA'/t → BB' = AA'

sen î = BB'/AB' ; sen ^r = AA'/AB' = BB'/AB' → sen î = sen ^r → î = ^r

Refracción

Se produce cuando la onda llega a la superficie que separa dos medios distintos y avanza por el segundo medio. En cada uno de ellos la onda se moverá con velocidad distinta, por lo que cambiará la dirección en la que se propaga. El fenómeno de la refracción es explicado por el principio de Huygens. Cada punto del frente de onda que llega a la superficie de separación da lugar a una nueva onda que inicia el camino refractado.

Leyes de la Refracción

• El rayo incidente, el refractado y la normal están en el mismo plano.
• Cuando el rayo incidente se propaga a mayor velocidad que el refractado, el ángulo de incidencia es mayor que el de refracción.

V_incidente = BB'/t → V_incidente * t = BB'

V_refractado = AA'/t → V_refractado * t = AA'

sen î/V_incidente = sen ^r/V_refractado

Reflexión más Refracción

Cuando una onda llega a la superficie de separación entre dos medios y se puede propagar en el segundo, se pueden producir a la vez reflexión y refracción. En este caso, la energía del rayo incidente se reparte entre los rayos reflejados y refractados.