La luz se propaga en línea recta.

Agujeros: grandes medianos pequeños muy pequeños Einstein: la materia curva los rayos

Aunque hoy sabemos que la materia curva la luz, el concepto de rayo y su forma de propagarse dio lugar al nacimiento de la óptica.

La idea fundamental sobre la que se construye la óptica geométrica es la de que los rayos de luz viajan en línea recta y la demostración más evidente de que viaja en línea recta son las sombras.

En el camino que sigue la luz se pueden interponer obstáculos pero también agujeros (un lugar por donde puede colarse). Son los bordes de los agujeros y de los obstáculos los que dan lugar a curiosos fenómenos. ¿Te suena la palabra difracción?

 

Los obstáculos al paso de la luz originan sombras

Si interponemos un cuerpo opaco en el camino de la luz y a continuación una pantalla, sobre ella recogeremos su sombra.

Si el tamaño del foco es pequeño comparado con el del objeto  (y esto sólo depende de las posiciones relativas, de lo alejados que estén el uno del otro) se produce sólo sombra.

Si el tamaño del foco es grande comparado con el del objeto  (recuerda que esto sólo depende de las posiciones relativas, de lo alejados que estén uno del otro) se produce sombra y penumbra.

Si el foco de luz está muy alejado, desde el obstáculo el foco se ve como si fuera un punto de luz. Los rayos surgen radialmente de cada punto del foco.

En los casos anteriores no se menciona la distancia entre la pantalla y el objeto. ¿Cómo crees que influye esta distancia en el tipo de sombra? 

 

Un agujero en el obstáculo

Si en el camino de la luz interponemos un obstáculo con agujeros (huecos) obtenemos sobre una pantalla algo así como los "negativos" de las sombras (el término"negativo" es el mismo que se usa en fotografía de "negativo fotográfico"):

 

Los agujeros pueden ser grandes, medianos y pequeños y de distintas formas. Para tener una idea más precisa del tamaño que queremos indicar con estas palabras debemos referirlas a algo conocido:

grande como una moneda, mediano como el agujero hecho por un alfiler y muy pequeño del orden de la longitud de onda de la luz.  

El tamaño de los agujeros va influir en los fenómenos observados.


1.- Agujeros grandes

Te propongo esta actividad:

Haz en una cartulina agujeros de distintos formas (estrellas, rombos, círculos, cuadrados, formas irregulares...) y tamaños (desde el de una moneda, o un poco mayor, hasta el hecho por una aguja).

 

Coloca la cartulina en la que hiciste los agujeros frente a una fuente de luz y cerca de una pared blanca o de una pantalla.

Realiza estas experiencias con un proyector de diapositivas o con un flexo halógeno.

La cartulina provoca una gran sombra pero dentro de ella, los agujeros recortados dejan pasar la luz y dentro de la sombra producida por la cartulina se ven formas geométricas de luz.

-Coloca la cartulina paralela a la pared, gírala y observa que pasa. ¿Qué forma adoptan las figuras luminosas que producen los agujeros al girar la cartulina? Esas figuras luminosas son los "negativos" de los agujeros.

¿Puedes explicar sus formas y su tamaño suponiendo que la luz viaja en línea recta?.

- ¿Se conservan las formas de las figuras luminosas de los agujeros al alejar la cartulina de la pared? ¿En algún momento se vuelven totalmente difusas?


2.- Agujeros medianos

Coloca un agujero más pequeño que los anteriores frente al proyector o al flexo con una bombilla halógena y observa la forma que se ve en la pantalla. Ahora ya no ves un agujero. ¿Se produce una imagen alargada?

Coloca dos agujeros pequeños próximos y observa lo que pasa. 

 Algo le hace el agujero mediano a la luz para que esta ya no reproduzca la forma del agujero y para que en su lugar aparezca sobre la pantalla la imagen de la fuente de luz que la produce.

Lo que hace el agujero es tomar la imagen del foco de luz y proyectarla sobre la cartulina.

De cada punto del objeto salen infinitos rayos en todas las direcciones y muchod de ellos llegan al agujero.

Los agujeros medianos al limitar la entrada de rayos a través de ellos, hacen que se vean separados en la imagen los distintos puntos del objeto, cosa que no pueden hacer los agujeros grandes.

El agujero pequeño produce imágenes separadas de cada punto, pero un poco difusas: la imagen de A se da en toda la zona A' y la punta de flecha se ve en un una zona no puntual. Esto difumina un poco la imagen:

Un punto objeto da un punto imagen un poco más grueso y difuso.


Por lo tanto vemos que los agujeros medianos transmiten información de la fuente y no dan información de si mismos.

Partiendo de la imagen anterior piensa qué ocurre si el agujero va aumentando de tamaño. ¿Se superponen las zonas A' y B'? Piensa que ocurrirá si en lugar de esos dos puntos del objeto son muchos puntos del objeto los que emiten.

Recuerda: Los agujeros grandes producen una información borrosa de los puntos. Los puntos del objeto dan manchas de luz, producen imágenes de un punto solapadas sobre la de otros. Esta imagen te lo puede aclarar:

La imagen de la parte del extremo de la punta roja (A) se superpone con la imagen del extremo de color azul (B). La información queda desdibujada (la imagen no será clara) y se transmite sólo la forma del agujero, una mancha de luz con la forma del agujero. 

Los agujeros medianos empezaron a utilizarse para obtener las imágenes en la cámara oscura que fue la precursora de la máquina fotográfica. 

¿Actúan los agujeros medianos como "lentes" de aumento?.

Los agujeros medianos también se pueden utilizar para aumentar un objeto y verlo mejor. ¿Quieres hacer una prueba?. Haz un agujero con una punta de alfiler en una cartulina. Acerca al ojo un texto con letra pequeña hasta que no lo veas con claridad (a menos de 15 cm, más cerca de tu punto próximo). Sin separar el texto coloca entre él y tu ojo (más cerca de éste que del texto) la cartulina con el agujero verás como ahora puedes léelo. El agujero ha funcionado como una lupa.

¿Cómo es posible que ocurra esto? Pulsa aquí para ver una explicación

Otro ejemplo. Acércate al monitor hasta ver el texto borroso e intenta, sin moverte, mejorar tu visión cerrando casi totalmente los ojos. También la puedes mejorar mirando a través de un agujero pequeño colocado delante de tus ojos. Puedes hacer un agujero pequeño cerrando el puño sin apretar muy fuerte, verás que puedes mirar por el interior del puño cerrado.

Pulsa aquí para aprender más sobre este tema  y para saber como "miraba" el personaje de la novela de Javier María "Mientras ellas duermen".

En esta página podrás aprender mucho sobre la física de los agujeros y como hacer interesantísimas  prácticas caseras para observar fenómenos cotidianos en los que no habías pensado.


3.- Agujeros pequeños.

Mirando a través de agujeros muy pequeños aparecen los fenómenos de difracción pero su explicación no pertenece a la Óptica geométrica. Pulsa aquí para ver el efecto de la difracción

Con las experiencias de difracción se demuestra que la luz se tuerce al atravesar agujeros pequeños y no viaja en línea recta al atravesarlos.

Terminamos esta página negando lo que habíamos demostrado con las sombras al empezarla: que la luz viaja en línea recta.

 


4.- Agujeros muy, pero muy pequeños

Llamamos así a los agujeros más pequeños que la longitud de onda de la luz.

Según los libros de texto se supone que la luz no puede pasar a través de agujeros más pequeños que su longitud de onda. En los años cuarenta el prestigioso físico Hans Bethe demostró que la luz no puede pasar por agujeros más pequeños que su longitud de onda, que en el caso de la luz visible oscila entre 0,4 y 0,8 milésimas de milímetro aproximadamente.

Hasta hace poco se pensaba esto. Pero Thomas Ebbesen, John Pendry del Imperial College, University of London y los españoles Francisco José García Vidal y Juan Antonio Porto han demostrado que esto no es así ya que la luz es capaz de atravesar una placa metálica llena de agujeros más pequeños que su longitud de onda.

Esto podría llevar a poder fabricar microchips con mucha más capacidad que los actuales y a construir nuevas pantallas planas de menor consumo. Para más información visita esta página en español o esta página en inglés con buenos gráficos.

¡Ya sabes lo que son los plasmones! ¿Como influye la regularidad del entramado para que la luz pase por sitios que sólo son el 7% de su longitud de onda?

Empezamos esta página con la idea de que la luz se propaga en línea recta y con esta idea se desarrolló toda la Óptica geométrica. Despés de haber estudiado fenómenos más complicados vemos que la luz es algo más que un simple rayo y que su trayectoria se curva al propagarse a través de agujeros pequeños (difracción).

La regla de que la luz no pasa por agujeros menores que su longitud de onda tampoco se cumple en todos los casos.


Einstein

La masa curva un rayo de luz. El espacio está lleno de masa y por lo tanto la luz no viaja en línea recta.

La teoría de la relatividad afirma que la masa tiene una equivalencia en energía (E = mc2) y que según esto la masa de un cuerpo estelar curvaría un rayo de luz que pasara cerca de él. Esta afirmación se comprobó y quedó totalmente confirmada. Su estudio pertenece a la Física relativista

¡ La materia curva la trayectoria de la luz !


Pulsa aquí para ver los últimos extraños descubrimientos


Nota:

El comentario que viene a continuación es de Francisco Barradas Solas y lo hago propio. Él me dio la idea para hacer esta parte de la luz a través de los agujeros, en unas demostraciones en la Casa de las Ciencias de la Coruña en las jornadas de Física en Acción en octubre del año 2002:

" En estos tiempos que corren, es no sólo justo (como siempre), sino también educativo reconocer nuestra deuda con quienes han "inspirado" nuestro trabajo: incontables autores de libros y artículos y algunos compañeros anónimos. Destaca entre todos Bob Miller, el autor de "Light Walk" (A "light-hearted" introduction to light and images), un trabajo desarrollado en el Exploratorium de San Francisco, que me dio la idea de hacer una "Óptica con agujeros". Visita sus interesantes páginas.