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Si en el estanque hay algún objeto flotando, observarás que al ser alcanzado por las ondas no se desplaza con ellas sino que se eleva y baja en la misma posición. Esto significa que no existe transporte de materia sino que lo que se transmite es la perturbación producida por la piedra.

En éste caso la perturbación es vertical y la propagación de la onda producida es horizontal, es decir ambas son perpendiculares.

Si la vibración es perpendicular a la dirección de propagación, tendremos una onda transversal

En otros casos, como en las ondas sonoras, la propagación de la onda se produce en la misma dirección que la perturbación. Decimos, entonces, que tenemos una onda longitudinal.

El sonido es un ejemplo de onda longitudinal. Cuando hacemos vibrar un objeto, éste transmite la vibración a las moléculas de los gases que componen el aire que se encuentran próximas a él. A su vez las moléculas que han sufrido la perturbación se la transmiten a sus moléculas vecinas, de forma que la onda se va alejando del foco sonoro.

Observa las siguientes imágenes, en las que representamos las zonas de compresión y de dilatación típicas de una onda sonora:

Las vibraciones producidas por el foco sonoro hacen que el aire se comprima en unos puntos y se dilate en otros. Estas compresiones y dilataciones se transmiten de unos puntos a otros alejándose del foco sonoro. Así es como se transmite el sonido. Tanto en el caso del sonido como en el de las ondas del estanque se necesita que haya un medio material que vibre. Las ondas que necesitan un medio material para propagarse se llaman ondas materiales.
Sin embargo existen otras ondas que no necesitan de un medio para propagarse y por lo tanto pueden viajar en el vacío.

Ideas Sobre la Luz

La luz y los fenómenos relacionados con ella han intrigado a la humanidad desde hace más de 2.000 años.
Ya sabes lo importante que es la luz para para el hombre, para la función clorofílica de las plantas, para el clima, etc. Esto significa que hay muchas aspectos diferentes que tenemos que contemplar al estudiar la luz.
Por ejemplo, desde el punto de vista de la energía, todos sabemos que los cuerpos de color oscuro se calientan más que los de colores claros cuando reciben luz. Esto se debe a que el color que percibimos de los cuerpos es precisamente la parte de la luz que no han absorbido, es decir si vemos un objeto de color verde significa que el cuerpo refleja el color verde y absorbe los demás. Mientras más energía luminosa absorba un cuerpo, más se calentará.

El hombre siempre se ha preguntado qué es la luz:
Los antiguos griegos ya habían observado algunos fenómenos asociados con la luz como la propagación rectilínea, la reflexión y la refracción.
Una idea para explicar la naturaleza de la luz proponía que se trataba de "algo emitido por el ojo" que chocaba contra los objetos y permitía verlos.
Más adelante se propuso que la luz debía proceder de los objetos que se veían y que al llegar al ojo producía el efecto de la visión.
Ninguna de las dos hipótesis explicaba por qué no se emiten rayos en la oscuridad, así que se planteó una nueva hipótesis que identificaba la luz como algo procedente del Sol y de los cuerpos incandescentes.

La cuestión de si la luz está compuesta por partículas o es un tipo de movimiento ondulatorio ha sido una de las más interesantes en la historia de la ciencia:

Newton: La teoría corpuscular

Huygens: La teoría ondulatoria

Al iniciarse el siglo XVIII, Newton propone que la luz está compuesta por partículas luminosas, de distinto tamaño según el color, que son emitidas por los cuerpos luminosos y que producen la visión al llegar a nuestros ojos.

Newton se apoyaba en los siguientes hechos:

La trayectoria seguida por los corpúsculos es rectilínea y por ello la luz se propaga en línea recta.
Cuando se interpone un obstáculo, los corpúsculos no pueden atravesarlo y así se produce la sombra.
La reflexión se debe al rebote de los corpúsculos sobre la superficie reflectora.

Sin embargo no se podía explicar:

Los cuerpos, al emitir corpúsculos, debían perder masa y esto no se había observado.
Ya se conocía el fenómeno de la refracción y no podía explicarse por qué algunos corpúsculos se reflejaban y otros se refractaban. Según Newton, la refracción se debía a un aumento de velocidad de los corpúsculos de luz.

Huygens, en la misma época, propone que la luz es una onda basándose en las observaciones siguientes:

La masa de los cuerpos que emiten luz no cambia.
La propagación rectilínea y la reflexión se pueden explicar ondulatoriamente
La refracción es un fenómeno típico de las ondas.

No obstante quedaban cosas sin explicar:

No se encontraba una explicación para la propagación de la luz en el vacío, ya que se pensaba que todas las ondas necesitaban un medio material para propagarse.
No se habían observado en la luz los fenómenos de interferencia y de difracción que ya se conocían para las ondas.

La teoría corpuscular de Newton fue aceptada durante todo el siglo XVIII, posiblemente por la gran fama y autoridad de éste. En el siglo XIX se observan en la luz los fenómenos de interferencia y difracción y se revitaliza la idea de la luz como onda. En el siglo XX aceptamos que la luz se comporta como onda y como partícula.

La Luz Como Onda

En el siglo XIX Fresnel y Young observaron los fenómenos de interferencia y difracción para la luz, que no se podían explicar con la hipótesis de Newton, y Foucault midió la velocidad de la luz en diferentes medios y observó que al pasar del aire al agua disminuía su velocidad, tal como había propuesto Huygens. Estos descubrimientos permitieron que se consolidaran lasideas de Huygens sobre la naturaleza ondulatoria de la luz, aunque todavía quedaban algunas cuestiones sin resolver relacionadas con la propia naturaleza de la luz y con su propagación en el vacío.

Uno de los problemas más complejos para explicar la naturaleza ondulatoria de la luz ha sido preguntarse cuál es el medio que vibra. Podemos oir el sonido en el aire o bajo el agua porque tanto el aire como el agua son los medios materiales que transportan las ondas. En el vacío no se propaga el sonido porque no hay ningún medio que pueda vibrar. Sin embargo la luz sí que puede viajar por el vacío y este hecho no ha resultado fácil de explicar. En un principio los físicos suponían que debía haber "algo" en el vacío que sirviera para transportar las ondas luminosas, pero nadie podía detectarlo.
En un principio se comenzó a teorizar sobre la existencia de un "éter" que ocupaba el vacío y no podía ser eliminado. Se suponía que el éter era el medio por el que viajaba la luz. Por un lado el éter debía ser un medio muy rígido para poder justificar la alta velocidad de propagación de la luz y por otro lado, si se trataba de un medio tan rígido, no se explicaba por qué los objetos se podían mover a través de él sin apenas resistencia. La idea del éter se mantuvo viva hasta que a principios del siglo XX Einstein justificó que determinados tipos de ondas, como la luz, podían desplazarse en el vacío.

La Luz Como Partícula

Aunque la teoría ondulatoria es generalmente correcta cuando describe la propagación de la luz, falla a la hora de explicar otras propiedades como la interacción de la luz con la materia.
Cuando, en 1887, Hertz confirmó experimentalmente la teoría de Maxwell, también observó un nuevo fenómeno, el efecto fotoeléctrico, que sólo puede explicarse con un modelo de partículas para la luz: El fotón: partícula de luz.

Einstein ha contribuido enormemente a nuestro conocimiento sobre la luz. No sólo demostró que la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 300.000 km/s) no puede ser superada, sino que introdujo la idea del cuanto de luz.
En esencia la idea de Einstein consiste en considerar que la luz está formada por partículas ya que los cuantos son pequeños "paquetes" indivisibles de energía, a los que llamó fotones. (Recuerda que Newton planteó la idea de la luz compuesta de partículas, a las que llamó corpúsculos).
Los fotones pueden tener diferente energía dependiendo de su frecuencia, así una radiación de frecuencia elevada está compuesta de fotones de alta energía. La relación entre la frecuencia y la energía es:

Esta idea de Einstein explica por qué algunas radiaciones como la ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma son perjudiciales para los seres vivos. Recuerda que todas estas radiaciones se encuentran en la zona de mayor frecuencia del espectro electromagnético, y por tanto tienen asociada una energía muy alta que puede producir alteraciones en nuestras células e incluso en nuestro ADN.

La idea de la luz compuesta por fotones también la utilizó Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico y recibió por ello el Premio Nobel en 1921. Así, planteó que los electrones sólo absorbían un cuanto de energía, es decir un fotón, de manera que si se aumenta la frecuencia de la luz incidente se consigue que se desprenda mayor número de electrones por unidad de tiempo, pero su energía no aumentará porque todos ellos han absorbido la misma cantidad: un fotón.

Espectros

Ya sabemos que cuando hacemos pasar la luz a través de un prisma óptico se produce el efecto llamado dispersión que consiste en la separación de las distintas longitudes de onda que forman el rayo incidente.
La luz blanca produce al descomponerla lo que llamamos un espectro continuo, que contiene el conjunto de colores que corresponde a la gama de longitudes de onda que la integran.

Sin embargo, los elementos químicos en estado gaseoso y sometidos a temperaturas elevadas producen espectros discontinuos en los que se aprecia un conjunto de líneas que corresponden a emisiones de sólo algunas longitudes de onda. El siguiente gráfico muestra el espectro de emisión del Na (sodio):

El conjunto de líneas espectrales que se obtiene para un elemento concreto es siempre el mismo, incluso si el elemento forma parte de un compuesto complejo, y cada elemento produce su propio espectro diferente al de cualquier otro elemento. Esto significa que cada elemento tiene su propia firma espectral.
Si hacemos pasar la luz blanca por una sustancia antes de atravesar el prisma sólo pasarán aquellas longitudes de onda que no hayan sido absorbidas por dicha sustancia y obtendremos el espectro de absorción de dicha sustancia. El gráfico siguiente muestra el espectro de absorción del sodio:

Observa que el sodio absorbe las mismas longitudes de onda que es capaz de emitir.
La regularidad encontrada en los espectros discontinuos supone un apoyo muy importante para comprender la estructura de los átomos. Las técnicas espectroscópicas se empezaron a utilizar en el siglo XIX y no tardaron en dar sus primeros frutos . Así, en 1.868 el astrónomo francés P.J.C. Janssen se trasladó a la India con el objeto de observar un eclipse de sol y utilizar el espectroscopio, desarrollado ocho años antes, para hacer un estudio de la cromosfera solar. Como resultado de sus observaciones anunció que había detectado una nueva línea espectroscópica, de tono amarillo, que no pertenecía a ninguno de los elementos conocidos hasta ese momento. En el mismo año, el químico Frankland y el astrónomo Lockyer dedujeron que la citada línea correspondía a un nuevo elemento al que llamaron Helio (del griego helios que significa Sol) por encontrarse en el espectro solar. Durante más de veinticinco años se pensó que el helio sólo existía en el Sol, hasta que, en 1.895 W. Ramsay lo descubriera en nuestro planeta.

Velocidad de la Luz

Hasta la época de Galileo (1564- 1642) se consideraba que la propagación de la luz era instantánea.
El propio Galileo realizó un experimento para determinar la velocidad de la luz que consistía en realizar señales con linternas desde dos colinas que se encontraban a 1 km de distancia. Su idea consistía en medir el tiempo que tarda la luz en recorrer dos veces la distancia entre los experimentadores situados en las colinas. Uno de ellos destapaba su linterna y cuando el otro veía la luz, destapaba la suya. El tiempo transcurrido desde que el experimentador A destapaba su linterna hasta que veía la luz procedente de B era el tiempo que tardaba la luz en recorrer ida y vuelta la distancia entre los dos experimentadores.
Aunque el método es correcto, la velocidad de la luz es muy alta y el tiempo a medir era incluso más pequeño que las fluctuaciones de la respuesta humana. Galileo no pudo obtener un valor razonable para la velocidad de la luz.
A partir de Galileo, se sucedieron muchos experimentos para determinar la velocidad de la luz.

En el siguiente cuadro puedes ver algunos de los resultados obtenidos para la velocidad de la luz.

Actualmente aceptamos el valor de 299.792,458 km/s para la velocidad de la luz en el vacío.

¡ Si pudiesemos viajar a ésta velocidad le daríamos algo más de siete vueltas a la Tierra en un segundo!

La luz no sólo se propaga en el vacío, sino que lo hace también en algunos medios materiales, desplazándose en cada medio con una velocidad diferente según las características de éste.

Casi todo el mundo sabe que ningún cuerpo puede alcanzar la velocidad de la luz. Esto es difícil de explicar con las leyes de la física clásica ya que comunicando la energía adecuada a un cuerpo podemos hacer que aumente su velocidad y no parece haber ninguna razón que nos impida acercarnos a la velocidad de la luz o incluso superarla.
Sin embargo, Einstein, en la teoría de la relatividad, plantea que la masa de los cuerpos puede considerarse una forma de energía. Si a una partícula que se desplaza a velocidades próximas a la de la luz le comunicamos energía, ésta se traduce en un aumento de masa de la partícula y no en un aumento de velocidad, por eso decimos que no es posible que un cuerpo alcance la velocidad de la luz. Según los cálculos de Einstein, si pudiéramos ver un cuerpo que se moviera a unos 260.000 km/s observaríamos que su masa se ha duplicado con respecto a la que tenía en reposo. Cuando la velocidad del cuerpo es baja (comparada con la de la luz), el aumento de masa que sufre si se le comunica energía es tan pequeño que no lo podemos medir. En este caso, tal como hacemos en la física clásica, podemos considerar que la masa de los cuerpos es constante.

Propagación Rectilínea de la Luz

Todos hemos observado que las sombras producidas por focos pequeños resultan nítidas y reproducen el contorno de los objetos. Cuando se trata de un foco extenso la sombra va acompañada de una zona de penumbra, que se explica por la propagación rectilínea de la luz:

Ningún foco puede ser perfectamente puntual, por lo tanto cualquier sombra irá acompañada de una zona de penumbra. Cuanto más extenso sea el foco luminoso en relación con el objeto, mayor será la zona de penumbra y menor la de sombra. Esto que decimos ocurre si la luz se propaga en un medio homogéneo ya que si cambia de medio, por ejemplo del aire al vidrio, se produce un cambio de dirección que se conoce como refracción.
La propagación rectilínea de la luz se explica muy bien con el modelo corpuscular: las partículas de luz emitidas por el foco se mueven en un medio homogéneo con movimiento rectilíneo y uniforme ya que no hay fuerzas resultantes actuando sobre ellas. La teoría ondulatoria también explica la propagación rectilínea de la luz ya que a medida que nos alejamos del foco luminoso, el frente de ondas se hace más plano:

Reflexión de la Luz

Cuando la luz incide sobre un cuerpo, éste la devuelve al medio en mayor o menor proporción según sus propias características. Este fenómeno se llama reflexión y gracias a él podemos ver las cosas.
No todos los cuerpos se comportan de la misma manera frente a la luz que les llega. Por ejemplo, en algunos cuerpos como los espejos o los metales pulidos podemos ver nuestra imagen pero no podemos "mirarnos" en una hoja de papel. Esto se debe a que existen dos tipos de reflexión: la reflexión especular y la reflexión difusa.

Refracción de la Luz

Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro se produce un cambio en su dirección debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes medios materiales. A este fenómeno se le llama refracción.

Si dividimos la velocidad de la luz en el vacío entre la que tiene en un medio transparente obtenemos un valor que llamamos índice de refracción de ese medio.

Si el índice de refracción del agua es n= 1,33, quiere decir que la luz es 1,33 veces más rápida en el vacío que en el agua. Por lo general cuando la luz llega a la superficie de separación entre los dos medios se producen simultáneamente la reflexión y la refracción.

El fenómeno de la reflexión total permite que podamos canalizar la luz a través de pequeños tubos de diferentes sustancias que se denominan fibras ópticas. Las fibras ópticas se utilizan en muchos campos de la ciencia y de la tecnología. Por ejemplo:

(*)En medicina permiten ver órganos internos sin intervenciones quirúrgicas complejas.

(*)En las telecomunicaciones están alcanzando unos altos niveles de utilización ya que por una fibra del grosor de un cabello pueden transmitirse información de audio y video equivalente a 25.000 voces hablando simultáneamente.

El fenómeno de la refracción se rige por la llamada ley de la refracción o ley de Snell:

Ya sabes que a la luz que procede del sol la llamamos luz blanca. En realidad la luz blanca es una mezcla de luces de diferentes colores. Cuando observamos el arco iris podemos ver los colores que componen la luz blanca.
Este fenómeno, conocido como dispersión, se produce cuando un rayo de luz compuesta se refracta en algún medio quedando separados sus colores constituyentes. En el caso del arco iris, la luz se dispersa al atravesar las gotas de agua.

Las lentes son medios transparentes limitados por dos superficies, siendo curva al menos una de ellas.

Las lentes convergentes son más gruesas por el centro que por el borde, y concentran (hacen converger) en un punto los rayos de luz que las atraviesan. A este punto se le llama foco (F) y la separación entre él y la lente se conoce como distancia focal (f).

Las lentes convergentes se utilizan en muchos instrumentos ópticos y también para la corrección de la hipermetropía. Las personas hipermétropes no ven bien de cerca y tienen que alejarse los objetos. Una posible causa de la hipermetropía es el achatamiento anteroposterior del ojo que supone que las imágenes se formarían con nitidez por detrás de la retina.

Si las lentes son más gruesas por los bordes que por el centro, hacen diverger (separan) los rayos de luz que pasan por ellas, por lo que se conocen como lentes divergentes.

La miopía puede deberse a una deformación del ojo consistente en un alargamiento anteroposterior que hace que las imágenes se formen con nitidez antes de alcanzar la retina. Los miopes no ven bien de lejos y tienden a acercarse demasiado a los objetos. Las lentes divergentes sirven para corregir este defecto.

Formación de imágenes: Si tomas una lente convergente y la mueves acercándola y alejándola de un folio blanco que sostienes con la otra mano, comprobarás que para una cierta distancia se forma una imagen invertida y más pequeña de los objetos que se encuentran alejados de la lente. Cuando es posible proyectar la imagen formada decimos que se trata de una imagen real, y si no la podemos proyectar la denominamos imagen virtual.

En cambio, si miras un objeto cercano a través de la lente, observarás que se forma una imagen derecha y de mayor tamaño que el objeto.

Intenta hacer lo mismo con una lente divergente y observarás que no es posible obtener una imagen proyectada sobre el papel y que al mirar a su través se ve una imagen derecha y de menor tamaño que los objetos.

Espejos

Espejos planos: Los espejos planos los utilizamos con mucha frecuencia. Si eres buen observador te habrás fijado en que la imagen producida por un espejo plano es virtual, ya que no la podemos proyectar sobre una pantalla, tiene el mismo tamaño que el objeto y se encuentra a la misma distancia del espejo que el objeto reflejado.

Habrás observado también que la parte derecha de la imagen corresponde a la parte izquierda del objeto y viceversa. Esto se llama inversión lateral.

En los espejos convexos siempre se forma una imagen virtual y derecha con respecto al objeto:

En los espejos cóncavos, si el objeto se encuentra a una distancia superior a la distancia focal se forma una imagen real e invertida que puede ser mayor o menor que el objeto :

Si el objeto se encuentra a una distancia inferior a la distancia focal, se forma una imagen virtual y derecha con respecto al objeto:

El Color

El color es muy importante para el hombre. Nos solemos sentir cómodos cuando estamos rodeados de colores que nos resultan agradables y nos irritamos con los que nos resultan desagradables. Usamos códigos de colores como en los semáforos y nos identificamos con los colores de nuestras banderas.

La percepción del color implica que nos lleguen ondas luminosas a los ojos , donde se convierten en impulsos nerviosos que se envían al cerebro para que sean interpretados y nos produzcan la sensación del color.
Existen personas que tienen dificultades para diferenciar algunos colores debido a defectos en la retina o a alguna disfunción de los procesos nerviosos del ojo. Este defecto se conoce como daltonismo en referencia al químico inglés John Dalton, que lo padecía y fue el primero en describirlo.
Otra enfermedad relacionada con la percepción del color es la acromatopsia, y las personas que la padecen ven en blanco y negro.
El color, por tanto, no sólo interesa a físicos y a químicos, sino que es estudiado también por fisiólogos, psicólogos, por los artistas, etc.

En términos físicos llamamos "luz" ( y, por lo tanto, color ) sólo a una pequeña parte de la gran cantidad de radiaciones electromagnéticas existentes. Ya sabemos que la luz visible está formada por vibraciones electromagnéticas con longitudes de onda que van aproximadamente de 350 a 750 nanómetros (milmillonésimas de metro). Lo que conocemos como luz blanca es la suma de todas estas ondas cuando sus intensidades son semejantes. Los seres humanos (y algunos animales) apreciamos una amplia gama de colores que, por lo general, se deben a la mezcla de luces de diferentes longitudes de onda. Se conoce como color puro al color de la luz con una única longitud de onda o una banda estrecha de ellas. A principios del siglo XIX Thomas Young y Hermann von Helmholtz, elaboraron una hipótesis sobre la visión del color que, con algunas modificaciones, hoy es generalmente aceptada. Algunas experiencias les llevaron a la conclusión de que cualquier color podía obtenerse mezclando en distintas proporciones tres colores puros del espectro solar con la condición de que dos de ellos estén situados en los extremos y el tercero en la parte intermedia de dicho espectro.

Colores Primarios

Eligiendo adecuadamente tres colores y mezclándolos en diferentes proporciones, podemos obtener casi toda la gama de colores existentes. Estos tres colores reciben el nombre de colores primarios. En la televisión se utilizan los colores rojo, verde y azul como colores primarios para producir la gama de colores que podemos ver en las pantallas. Estos tres colores se llaman colores primarios aditivos. Cuando mezclamos dos colores puros diferentes, se obtiene otro color, por ejemplo rojo mezclado con verde produce color amarillo.

Por ejemplo: el amarillo y el azul son complementarios pues su mezcla da blanco. También son complementarios la pareja cian -rojo y la pareja magenta-verde.

Los tres colores primarios, rojo, verde y azul, corresponden a radiaciones de longitud de onda diferente, pero el ojo no es un aparato de medida de la composición de la luz, Ya hemos visto que cuando percibimos una luz como amarilla es porque en su constitución predominan el rojo y el verde. Observa que se produce la sensación de color amarillo y sin embargo a nuestros ojos no ha llegado ninguna longitud de onda que corresponda a ese color, sino que interpretamos la mezcla de los colores como si se tratara de un solo color.

Seguro que habrás observado que mezclando colores con rotuladores o lápices, la mezcla de azul y amarillo siempre da verde y que mezclando azul, amarillo y rojo obtenemos color prácticamente negro. Esto no coincide con lo que acabamos de decir, pero tiene una explicación fácil: Casi todos los objetos deben su color a los pigmentos o pinturas, que absorben determinadas longitudes de onda de la luz blanca y reflejan el resto, de manera que lo que nos llega a nosotros es el conjunto de longitudes de onda que han sido reflejadas y son éstas las que producen la sensación de color, que se denomina color pigmento. Los colores pigmento que absorben la luz de los colores primarios aditivos se llaman colores primarios sustractivos.

Mezcla Aditiva de Colores

Al hablar de mezclas de colores hay que diferenciar entre mezcla aditiva y sustractiva. Si se mezclan luces se trata de una mezcla aditiva y el resultado de la combinación total es la luz blanca. Si se mezclan pigmentos, se trata de una mezcla sustractiva ya que con cada pigmento que se añade lo que hacemos es absorber más partes del espectro, es decir más colores primarios, y el resultado final será la ausencia de luz: el negro.

Mezcla Sustractiva de Colores

En el caso de los pigmentos usados en las pinturas, rotuladores, etc se utilizan como colores básicos para realizar las mezclas el amarillo, el magenta y el cian. El pigmento cian tiene ese color porque absorbe toda la radiación roja y refleja la verde y la azul. El pigmento amarillo absorbe todo el azul y refleja el rojo y el verde. Si mezclamos cian y amarillo el color resultante refleja el doble de verde que de rojo o azul y por lo tanto se ve verde. Si a esta mezcla le añadimos el magenta, que absorbe todo el verde, el resultado será el negro. Todos los procedimientos para imprimir colores sobre una superficie como papel, fotos, etc se basan en la mezcla sustractiva. La formación de colores en la televisión está basada en la mezcla aditiva ya que no emite luz reflejada sino producida directamente en la pantalla.

Las ondas : Tipos de ondas