Reflexion de la luz

Cuando una onda alcanza la frontera entre dos medios, una parte de su energía es transmitida, dando lugar a otra onda de características similares a la onda incidente; esta recibe el nombre de onda transmitida. La otra parte de la energía se emplea en generar una onda que se propaga en el mismo medio; esta onda es conocida como onda reflejada y cambia su dirección pero conserva la misma velocidad.

Cuando el medio es opaco y la luz incidesobre la superficie de un material de estas características, produce vibraciones en los electrones  de los átomos o moléculas del material, ocasionando que este se caliente y que los electrones expiden la luz. Cuando esta onda esta reflejada incide sobre nuestros ojos hace posible ver dicha superficie.

Los metales son un caso particular de Los cuerpos opacos. En la superficie de los metales hay electrones libres que vibran cuando la luz incide y reemiten prácticamente toda la luz hacia afuera del material, lo cual produce su brillo.

Para describir de forma geométrica la reflexión de la luz, se define una serie de elementos refiriendonos a los rayos de la luz:

• El rayo incidente es el rayo que llega o incide en la frontera de los medios.
• El rayo reflejado es el rayo que se devuelve por el mismo medio, una vez llega a la frontera.
• La normal N, es la recta perpendicular a la linea que divide los dos medios, es decir la superficie del segundo medio.
• Ángulo de incidencia, i, es el ángulo que fora el rayo reflejado con la normal.
• ángulo reflejado, r, es el ángulo que forma el rayo reflejado con la normal.

La reflexión se denomina especular cuando un haz de luz se refleja en una superficie perfectamente pulida, de manera que todos los rayos llegan a ella con el mismo ángulo de incidencia y, por tanto, se reflejan paralelos unos a otros.

Sin embargo la mayoría de superficies son rugosas y están  constituidas por pequeñas superficies con distintas orientaciones, lo cual origina que al incidir los rayos de luz paralelos se reflejen es distintas direcciones, a este tipo de reflexión se le denomina difusa.

• Rayo de luz

Un rayo de luz se puede considerar como la línea imaginaria trazada en la dirección de propagación de la onda y perpendicular al frente de onda.

Un rayo de luz es una idealización, a partir de la cual se pretende describir el comportamiento de la luz. Al estudio de la luz por medio de rayos se denomina óptica geométrica. L a óptica  geométrica es utilizada para la construcción de lentes que corrigen defectos del ojo como la miopía, la hipermetropía, el astigmatismo, etc.

El diseño y manejo de los rayos de luz, fue una idealización estudiada por Newton en el siglo XVII, debidoa que se hacía practicamente indispensable un sistema para dar una explicación al fenomeno de la dispersion de la luz blanca según  la ley de Snell.

La trayectoria que describe la luz al propagarse viene determinada en funcion del principio de fermat, denominado principiode tiempo minimo: "Cuando un rayo de luz viaja entre dos puntos, su trayectoria real será aquellaque requiera del mínimo tiempo ".

La luz en un medio homogéneo e isótropo, presenta una velocidad de propagación constante necesariamente, para desplazarse en el menor tiempo posible. debe recorrer la menor distancia posible, es decir, debe moverse describiendo una trayectoria rectilínea.

Un experimento sencillo para demostrar la propagación de la luz en línea recta, siempre que el medio de propagación sea homogéneo, se representa así:

Se observa que se hace pasar nla luz a través los agujeros de varias pantallas opacas hasta que llegue al ojo del observador.y para ello se requiere que todos los agujeros y el ojo se encuentren en línea recta.

Al iluminar un objeto opaco de tamaño relativamente grande, aparecen dos zonas diferenciadas:

El interior del circulo oscuro se denomina sombra, mientras que la franja que lo rodea penumbra. La penumbra va aumentando en intensidad luminosa a medida que se aleja del centro. La semejanza de los triángulos de la fuente, el obstaculo y la pantalla manifiestan la propagación rectilínea de la luz.

Si la luz se desplaza  entre dos puntos que se encuentran ubicados en dos medios diferentes, el tiempo mínimo no supone que la distancia vaya también a ser la mínima, que sería una recta, sino que va a sufrir un cambio de dirección.

• Ley de reflexión

En el principio del tiempo mínimo de Fermat. Se considera un rayo de luz que viaja de A  a  B.

Donde A está en el mismo medio que B, Cruzando por un punto de un espejo.  Si la luz viaja de A hasta B en el mínimo tiempo debe describir una trayectoria en lines recta. Pero, si la luz viaja de A hasta B cruzando por un punto del espejo.

¿cual será la trayectoria en la que gasta menos tiempo?

Una trayectoria podría ser la mostrada por los vectores de lineas continuas en la parte a de la siguiente figura.

Se Observa que la menor distancia de A hasta el espejo es la perpendicular y de allí parte hasta B.

Se determina el punto exacto para que sea la mínima longitud de la trayectoria. Este punto es consecuencia del trazo del punto simétrico B' con respecto a la línea que divide los dos medios, tal como se muestra en la parte b de la  figura. Entonces, la distancia mínima entre  A y B' es la linea recta que los une y que pasa porel punto C del espejo. En la grafica, se puede observar que la distancia de C a B es igual a la distancia entre C y B', así los triángulos CBD y CB'D son congruentes y portanto, el angulo tal,y el angulo tal tambien lo son.

• Imágenes por reflexión

Una de las aplicaciones más comunes de la óptica geométrica es la formación de imágenes por superficies reflectoras. Los espejos planos son de uso cotidiano y decorativo, pero también existen espejos cuyas superficiess son esféricas, los cuales forman imagenes de características diferentes a las formadas por los espejos planos. Para entender las diferencias en la formacion de imagenes, consideramos las leyes de la reflexión de la luz.

• Espejos Planos

Toda superficie lisa y plana que refleje la luz especularmente, es decir, que refleje en una sola dirección un has de rayos paralelos de denomina espejo plano.

El Siguiente diagrama muestra que la duración mínima de un espejo plano necesarios para que alguien vea su imagen completa es igual a la mitad de su altura. Teniendo encuenta que la parte superior del espejo debe ser colocada a nivel del ojo.

El diagrama anterior también hace hincapie en el hecho de que el tamaño de la imagen es igual al tamaño del objeto, es decir, la ampliación de un espejo plano es igual a uno. 

• Espejos esféricos

 Los espejos esféricos son casquetes de superficies esféricas regularmente reflectoras. De acuerdo con la cara del casquete por donde incida la luz, el espejo puede ser Cóncavo o convexo. En un esoejo cóncavo la superficie reflectora es la parte interiorde la superficie esférica. en uno convexo, la luz incide por la parte externa de la superfiecie esférica. 

Tanto los espejos cóncavos como en los convexos, se distinguen los siguientes elementos, que señalan en fig. anterior:

1. Radio de curvatura, R, que es el radio de la esfera de la cual pertenece el casquete.
2. centro de curvatura, C, Punto centra de la esfera.
3. El vértice, V, es el centro topográfico del casquete esférico.
4. El eje óptico es la línea recta que pasa por el centro de curvatura y el vértice.
5. El foco, F, del espejo es el punto medio del entre el centro de curvatura y el vértice. A la distancia entre el foco y el vértice del espejo se le conoce como la distancia focal (f).

• Construcción de imágenes en espejos cóncavos

La superficie interna de la cuchara es un espejo cóncavo. Cada rayo que incide sobre si superficie cumple con la ley de reflexión. Es como si un número muy grande de espejos pequeños planos se montaran sobre la superficie esférica, en donde, cada espejo plano es perpendicular al radio de la circunferencia a la que pertenece.

Para determinar las imlagenes de objetos en los espejos cóncavos. resulta práctico trazar los rayos notables que provienen del extremo superior del objeto.

El objeto se localiza entre el infinito y el cntro de curvatura C. Se observa como los tres rayos notables reflejados se intersectan en un mismo punto. En este punto, se localiza la imagen del extremo del objeto. La distancia entre el punto y el eje óptico equivale al tamaño o altura de la imagen, como por ejemplo, la imagense localiza en el mismo lado del objeto con respecto al espejo, se dice entonces que la imagen es real y para observarla se debe recoger en una pantalla, ubicada en ese mismo punto.