Óptica geométrica (Parte XI)

En primer lugar mi saludo respetuoso para toda la comunidad académica y científica de steemit, en especial a #stem-espanol, #steemstem, #curie, #cervantes y #entropia, seguimos con el vínculo entre la óptica y la geometría, es decir, la óptica geométrica.

Seguimos con el análisis de la óptica geométrica y sus rayos luminosos, los mismos que nos han permitido generar innumerables imágenes en nuestra retina, muchos han sido los instrumentos estudiados en esta serie temática y cada uno de ellos han utilizados cada rayo que conforman un haz de luz para transportar imágenes a una determinada pantalla o superficie fotosensible, brindando además dichos dispositivos una mayor calidad a la hora de la formación de las imágenes.

Es importante tener siempre presente que la óptica geométrica a través de sus rayos luminosos puede generar el desarrollo de otros fenómenos como el de la reflexión y refracción, esenciales al momento de la generación de las imágenes, dichos fenómenos los hemos venido estudiando y consolidando debido a que forman parte del análisis global del fenómeno de la luz, y los instrumentos ópticos logran ampliar el impacto de estos fenómenos (reflexión y refracción) mediante la utilización de sistemas ópticos particulares como espejos, lentes, prismas o cualquier otro sistema óptico que posea tales cualidades.

Continuamos con la utilización de los principios elementales de la óptica geométrica, es decir, sus rayos luminosos, la reflexión y refracción en el esencial y vital fenómeno de la luz, sin embargo, tocaremos también algunos puntos relacionados a la óptica física ya que en esta oportunidad nos centraremos en el análisis del instrumento óptico (ya que posee una superficie pulimentada en su interior) denominado espectroscopio, y dicho instrumento es capaz de descomponer un haz de luz visible en sus diferentes colores componentes o longitudes de ondas, por lo tanto, nos muestra el espectro de dicho haces luminoso.

En artículos anteriores de esta serie temática abarcamos de manera general la descomposición de la luz blanca a través de un prisma óptico, en esta oportunidad lo haremos mediante la implementación de una red de difracción de reflexión ya que construiremos un practico espectroscopio casero con dicha red antes mencionada, todo esto con la finalidad de seguir demostrando la grandiosa tarea de la óptica geométrica y sus rayos luminosos en el entendimiento de cualquier tipo de imágenes, como lo representan en esta oportunidad las longitudes de ondas (espectro) de un determinado haz de luz.

De los espectroscopios podemos decir, que son dispositivos diseñados para el análisis del fenómeno de la luz, y a través de dicho análisis podemos obtener importantes informaciones (propiedades) de innumerables partículas, cuerpos u objetos que se encuentran en nuestro universo, esto le ha permitido ser de gran utilidad en diversas áreas como la física, astrofísica, química, entre otras, por lo tanto, a través de este instrumento analizaremos de forma artificial la disgregación de la luz blanca visible en sus distintos colores, fenómeno que es observado en un proceso natural como el arco iris.

Debido a que utilizaremos una red de difracción en nuestro espectroscopio, es necesario expresar que el fenómeno de la difracción es característico de las ondas (analizado por la óptica física), y este se origina debido a que estas ondas durante su recorrido o propagación se encuentran con un determinado obstáculo en su camino lo que hace que los rayos luminosos dejen de seguir una línea recta, por ejemplo, cuando ciertos rayos luminosos pasan o atraviesan por un pequeño orificio los mismo comienzan a dispersarse.

Una red de difracción posee una estructura repetitiva, y con esta es posible lograr una determinada perturbación de forma periódica en un frente de ondas luminoso para este caso de estudio, ya que esto ocurre para cualquier tipo de ondas como las ondas sonoras, cuando los rayos luminosos inciden en una red de difracción, este logra separar los colores componentes de este haz de luz o lo que es lo mismo sus longitudes de ondas constituyentes.

En muchas ocasiones nos olvidamos de las bondades producidas por la luz en nuestro entorno, y el propósito de cada uno de estos artículos es resaltar tales características y sobre todo que el impacto de la luz llega hasta en las más cotidianas de nuestras actividades, ya que a través de ella podemos visualizar nuestro entorno tal y como es, inclusive aquellas imágenes como las ilusiones ópticas que logran engañar a nuestros instrumentos ópticos naturales (ojos).

El hombre durante toda su historia ha tratado de entender el mundo que lo rodea, esto lo ha realizado a través de diversas áreas de la ciencia, cada una de ellas con tareas específicas debido a la enorme complejidad de nuestro hermoso universo, por ejemplo, podemos decir que un biólogo recoge diversas especies de plantas para un determinado análisis, al igual que un geólogo lo hace con los diversos minerales formados en nuestra corteza terrestre, pero en el caso de un astrónomo podríamos expresar que el mismo se basa en la captación de los distintos rayos luminosos que emiten los innumerables cuerpos celestes desde lo más alto de nuestro universo.

Gracias a la implementación del espectroscopio la astronomía ha logrado estudiar los rayos luminosos de los cuerpos celestes de nuestro sistema solar o nuestra galaxia (Vía láctea), en donde, observa un espectro de colores colmado de mucha información, pero esta acción astronómica la podemos trasladar hacia nuestros hogares, en donde encontraremos cualquier ejemplo relacionado a la acción de un espectroscopio, y diversos rayos luminosos tantos artificiales como naturales que podemos hacer incidir en el mismos para visualizar distintos espectros de nuestro entorno.

Cada elemento químico de nuestra naturaleza posee su propia huella de luminosidad, esto permite que la luz que refleja cualquier partícula, cuerpo u objeto dependa de su composición química, por lo tanto, esto nos ha permitido poder conocer los elementos que componen a nuestros astros o cuerpos celestes, pero a través de la elaboración de un espectroscopio casero podemos analizar los espectros de diferentes fuentes luminosas, bien sean artificiales o naturales como la luz de nuestro astro rey el Sol.

Es necesario antes de proceder a la elaboración del espectroscopio casero, describir de manera general algunos conceptos importantes relacionados a la acción de dicho instrumento, por lo que tenemos lo siguiente:

Espectro

Un espectroscopio descompone la luz visible mostrándonos los diferentes colores que la componen, es decir, las diferentes longitudes de ondas que representan cada color, por lo tanto, estas longitudes de ondas representan el espectro visible de un haz luminoso, entonces, el espectro visible es aquella región del espectro electromagnético que nuestro sentido visual es capaz de percibir.

Difracción

Este tipo de fenómeno es típico entre las diferentes ondas, como las que representan a la luz (ondas electromagnéticas) y tal fenómeno se genera cuando cualquier tipo de ondas durante su propagación se topa en su camino con un determinado obstáculo, de la óptica geométrica sabemos que un haz luminoso se propaga en línea recta, sin embargo, cuando tales rayos luminosos atraviesan un orificio muy reducido los mismos dejan de propagarse en línea recta como podemos observar en la siguiente figura 1.

Redes de difracción

Es importante tener en cuenta que cualquier red de difracción representa un determinado conjunto de elementos repetitivos con iguales distancias de separación, y dichos elementos ocasionaran alteraciones repetidas en cualquier frente de onda luminosa, lo interesante es que esta red de difracción logra dividir un haz luminoso en sus colores o longitudes de ondas componentes, podemos encontrar dos tipo de redes de difracción las cuales son:

Red por reflexión

Este tipo de redes las podemos elaborar o fabricar, marcando o grabando líneas paralelas separadas uniformemente en una determinada superficie pulida, por lo que los rayos luminosos se reflejaran o rebotaran en los espacios salientes entre dichas líneas grabadas, este tipo de red es el que utilizaremos en nuestro espectroscopio casero, representado por un objeto muy conocido por nosotros como es el disco compacto o CD.

Red por transmisión

En este tipo de red de difracción, las líneas las marcamos o grabamos en superficies de vidrios, esto hace que los rayos luminosos que inciden en dicha superficie se refracten o doblen entre las líneas o rayas marcadas (espacio transparentes).

Luego de describir de forma general las anteriores definiciones mostraremos el paso a paso de la elaboración de nuestro espectroscopio casero para luego observar la descomposición de distintos rayos luminosos procedentes de diferentes fuentes de iluminación artificial y también aquellos que obtenemos del Sol, resaltando que en esta oportunidad descompondremos un haz luminosos a través de una red de difracción con reflexión, a través de la implementación de un disco compacto CD, a continuación las siguientes imágenes o figuras sobre la elaboración de dicho instrumento óptico.

En las anteriores figuras mostramos la elaboración casera de un importante instrumento óptico, el cual es capaz de descomponer un haz luminoso proveniente de cualquier fuente de luz, como lo podemos observar en las siguientes figuras o imágenes captadas por este instrumento, a continuación mostraremos el espectro o longitudes de ondas captada por nuestro instrumento casero cuando los rayos luminosos emitidos por una fuente de luz artificial como la de una bombilla LED de luz blanca, impacta en sus red de difracción con reflexión, como visualizaremos en la siguiente figura 2.

Ahora observaremos el espectro de una fuente de luz artificial como la de una bombilla incandescente como podemos visualizar en la siguiente figura 2.1.

A continuación nuestro espectroscopio lo apuntamos ahora hacia los rayos luminosos emitidos por el sol, y podemos apreciar la imagen que mostramos en la siguiente figura 2.2.

Ahora visualizaremos que podemos observar cuando el cielo se encuentra nublado, por lo tanto, los rayos luminosos procedentes de nuestro astro central, el Sol, no son emitidos uniformemente como podemos ver en la siguiente figura 2.3.

En esta imagen o espectro de luz solar notamos la poca uniformidad de los rayos de luz solar, los cuales se cuelas entre la nubosidad hasta llegar a nuestro instrumento óptico, esto lo podemos notar en la formación discontinua de sus colores componentes.

Pero qué observaremos si apuntamos con nuestro espectroscopio hacia una fuente de luz artificial de composición monocromática como la que presentaremos a continuación en la siguiente figura 2.4.

De forma general hemos expresado que cada emisión de rayos luminosos de luz blanca generara un determinado espectro o conjunto de longitudes de ondas, pero cuando los rayos luminosos provienen de una fuente cuya composición es monocromática se mostrara una solo longitud de onda como observamos en la figura 2.4.

El espectro visible de una determinada fuente de luz dependerá de cómo estén constituidas tales fuentes luminosas, por ejemplo las artificiales existen de varios tipos y las mismas poseen distinta conformaciones de elementos químicos y estos tienen particulares comportamiento de luminosidad, en cuanto a los rayos del Sol, observamos dos ejemplos en donde pudimos notar que sus rayos luminosos solares en su recorrido o propagación hacia nuestros ojos se encontraran con una serie de condiciones o dificultades como las climáticas por nombrar una de tantas, y las misma inciden en la captación del espectro o longitudes de ondas de la luz natural.

Toda imagen procedente de nuestro medio natural al observarlas viajaran hacia nuestros ojos, pero dependerá de los rayos luminosos que las mismas emiten para poder penetrar nuestros lentes naturales y así proyectarse en nuestra retina, esto convierte a la óptica geométrica en una ciencia fundamental para la descripción de nuestro universo por parte del hombre, a pesar que podemos expresar que esta parte de la óptica es denominada como la óptica sin ondas, debido a que la misma se fundamenta en los principios que constantemente hemos descritos, es decir, concepto fundamental de rayos luminosos, construcción geométrica, propagación rectilínea de la luz y los fenómenos de la reflexión y refracción, son principios esenciales para la óptica con ondas, es decir, la óptica física.

Es por eso la importancia de podernos central en tales características antes descritas con respecto a la óptica geométrica, ya que las mismas nos permiten complementarnos con toda la rama científica de la óptica, y por lo tanto, poder analizar cualquier formación de imagen de nuestro entorno, incluyendo claro esta esas imágenes de colores que origina el espectro o las longitudes de ondas de los diferentes haces de luz a través de la descomposición de la misma, y esto de forma natural lo observamos en la formación de arco iris.

La implementación de instrumentos como el espectroscopio nos ha permitido ampliar la utilización de los diferentes rayos luminosos que provienen de cualquier parte de nuestro universo, esto nos ha generado esenciales conocimiento en cuanto a la composición química de los distintos astros o cuerpos celestes que desde lo más alto nos observan, desde el punto de vista de la óptica física sabemos que los rayos luminosos que constantemente entran a nuestros ojos proviene de la combinación de numerosas longitudes de ondas.

Esta característica es utilizada por los astrónomos utilizando una técnica que se conoce como espectroscopia para poder separar la luz llamada estelar en sus distintas longitudes de ondas, esto le ha permitido obtener infinidades de conocimientos acercas de las estrellas y cualquier astro, ya que dichos cuerpos celestes no brillan de la misma manera, de esta forma han notado que cada elemento químico ofrece su propia huella de luminosidad en dichos astros.

El objetivo tanto de esta publicación como de las anteriores es la de poder disfrutar de la formación de cualquier tipo de imágenes que llegan a nuestros sistemas ópticos como lo pudimos hacer en cada una de las figuras e imágenes mostradas en este artículo, es que de esta manera podemos percibir todo aquello que nos rodea a través de la implementación de todo tipo de rayo luminosos que constituyen a los haces de luz que emana nuestro universo, también resaltar la tarea de la óptica geométrica desde el punto de vista de la ciencia Física-Matemática, siendo la herramienta esencial para la consolidación de la espectacular ciencia óptica.

Hemos comprobado que las imágenes siempre serán partes de nuestras vidas, siempre y cuando nuestros ojos o sentido visual funcionen dentro de ciertas características normales, ya que esta parte de la ciencia también ha logrado fortalecer la visión del ojo humano, y seguimos expresando que con los rayos luminosos percibimos nuestro entorno tanto de manera objetiva y sin olvidarnos también de forma ilusoria, pero así es nuestro majestuoso universo.

Hasta otra entrega mis apreciados lectores de steemit, en especial a los miembros de la gran comunidad de #STEM-Espanol, los cuales reciben el apoyo de otras dos maravillosas comunidades como los son #steemstem y #curie, por lo cual recomiendo ampliamente formar parte de este ejemplar proyecto, ya que nos permiten resaltar la excelente tarea de la academia y de todo el campo científico.

Nota: Todas las imágenes fueron elaboradas usando las aplicaciones Paint, Power Point y el gif animado fue elaborado con la aplicación de PhotoScape, las imágenes fotostáticas fueron captadas por el instrumento óptico (cámara fotográfica) del teléfono celular ZTE BLU Life Play 2.

[1] Charles H. Lehmann. Geometría Analítica. Décima tercera reimpresión. Editorial Limusa. México, D.F. 1989.

[2] Jennings, G.A. Geometría moderna con aplicaciones. Springer, New York, 1994.

[3] Raymod A. Serway y John W. Jewett, Jr. Ed. Thomson. Física. Edición 1 y 3. [4] Giancoli, D.C. Física, principios y aplicaciones, Reverté S.A. España, 1985.

[5] Cornejo Rodríguez Alejandro, Urcid Serrano Gonzalo. Óptica geométrica. Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. 2 da edición, octubre 2005.

[6] Cabrera J. Manuel, Fernando J. López, Fernando A. López. Fundamentos de Óptica Electromagnética, Addison-Wesley Iberoamericana, 1993.

[7] Young Hugh D. Fundamentos de la Óptica y Física Moderna, McGraw-Hill, 1971.

[8] Santos Benito Julio. Manual de óptica geométrica. UNIVERSIDAD DE ALICANTE.

[9] VARETTI, E. L., VARETTI, A. S. y MALLO, L. Año 2009. Construyendo un espectroscopio.

[10] Bará Temes Javier. Ondas electromagnéticas en comunicación. 1era edición. Ediciones UPC 2001.