Vibración, resonancia, luz y óptica: reflexión y refracción en ondas y espejos

Vibración y resonancia

Vibración: todos los objetos, cavidades, instrumentos musicales, etc., tienen sus frecuencias propias de vibración (frecuencias naturales). A esas frecuencias se producen ondas estacionarias en su interior como resultado de las interferencias entre las ondas reflejadas internamente.

Frecuencia fundamental → frecuencia más grave; armónicos → frecuencias más agudas.

Resonancia: cuando un objeto recibe alguna perturbación con una frecuencia igual a alguna de sus frecuencias propias de vibración, se crean ondas estacionarias en su interior → resuena.

Luz, colores y sonido (conceptos básicos)

Luz: es una onda electromagnética. Cuanto más denso es el medio, más lentamente viaja la luz; cuando pasa por un medio más denso, su velocidad disminuye. El espectro electromagnético incluye la parte que llamamos luz visible.

Propagación: la luz se propaga en línea recta excepto si se producen reflexiones, refracciones, difracciones o efectos por grandes campos gravitatorios.

Energías: energías mayores en cuerpos más cálidos; energías menores en cuerpos más fríos.

Focos: cuerpos calientes que emiten luz visible: cuerpo incandescente. Los demás cuerpos, cuando reciben luz de algún foco, presentan tres comportamientos:

• Parte se refleja (la luz reflejada hace visibles los objetos).
• Parte se absorbe (el cuerpo se calienta y parte de la energía puede reemitirse).
• Parte se transmite (materiales transparentes permiten la refracción; translúcidos permiten paso parcial; opacos generan sombras).

Reflexión

Reflexión: fenómeno que ocurre en superficies de separación entre dos medios distintos.

Tipos de reflexión

• Reflexión directa: sobre superficies pulidas (espejos).
• Reflexión difusa: sobre superficies rugosas o formadas por partículas; la normal en cada punto apunta en distintas direcciones y los rayos reflejados se dispersan, por lo que no se forma una imagen nítida.

Leyes de la reflexión

a) La normal a la superficie, el rayo incidente y el rayo reflejado están en el mismo plano.
b) El ángulo de incidencia, medido respecto a la normal, es igual al ángulo de reflexión.

Imágenes en espejos planos

Imágenes virtuales: no son reales; se obtienen prolongando hacia atrás los rayos reflejados en el espejo. Las imágenes son derechas y del mismo tamaño que el objeto. El objeto y la imagen equidistan del espejo.

Espejos curvos

Espejos cóncavos (curvatura hacia el centro): pueden formar imágenes aumentadas o reducidas según la posición del objeto; en algunos casos la imagen puede verse más grande o más cercana.

Espejos convexos (curvatura hacia fuera): normalmente muestran imágenes virtuales, derechas y de menor tamaño.

Eje: recta perpendicular al espejo que pasa por el centro del espejo.

Centro (C): centro de curvatura del espejo.

Foco (F): punto medio entre el espejo y el centro de curvatura (para espejos esféricos, en aproximación geométrica).

Rayos principales

1. Rayo paralelo: todo rayo paralelo al eje se refleja pasando por el foco (o en la dirección del foco).
2. Rayo focal: todo rayo que viene en dirección al foco se refleja paralelo al eje.
3. Rayo central: todo rayo que va hacia el centro se refleja en sentido contrario, ya que incide perpendicularmente al espejo y vuelve sobre sí mismo.

Formación de imágenes con espejos curvos

Imágenes virtuales: cuando los rayos reflejados divergen y sus prolongaciones parecen provenir de un punto detrás del espejo.
Imágenes reales: cuando los rayos reflejados se cruzan en el espacio y forman una imagen que puede proyectarse en una pantalla.

Posiciones típicas del objeto y características de la imagen:

• Objeto delante del foco: imagen virtual, mayor y derecha (para espejos cóncavos cuando el objeto está entre el foco y el vértice).
• Objeto entre el foco y el centro: imagen real, mayor e invertida.
• Objeto detrás del centro: imagen real, menor e invertida.

Refracción

Refracción: cuando un rayo de luz cambia de medio, cambia su trayectoria/dirección porque varía su velocidad al entrar en un medio con diferentes propiedades; por eso se desvía. El rayo se acerca a la normal si entra en un medio más denso y se aleja de la normal si entra en un medio menos denso.

El índice de refracción es distinto para cada medio transparente. Se define como n = c / v, donde c es la velocidad de la luz en el vacío y v la velocidad de la luz en el medio.

Siempre que el ángulo de incidencia en el medio más denso sea mayor que el ángulo límite (ángulo crítico), la luz quedará atrapada en el primer medio: este fenómeno se denomina reflexión total interna (aplicación práctica: fibras ópticas).