Refracción

refracción pescado

La refracción es la "curvatura" de la luz (o de cualquier onda electromagnética) cuando pasa por un medio diferente.

Cuando las ondas electromagnéticas entran en un medio diferente, la rapidez cambia. La frecuencia permanece igual, por lo que la longitud de onda debe cambiar.

Esto hace que las ondas cambien de dirección (excepto cuando se mueven directamente hacia adelante):

refracciones

Mira cómo cambia la distancia entre los pulsos (la longitud de onda), pero la frecuencia de los pulsos permanece igual.

 

normal

normal

Nota: la dirección "directamente hacia adelante" se llama Normal.

Está en ángulo recto con la superficie.

 

Moviéndose a un medio más denso

El ángulo va hacia la normal al entrar en un medio más denso.

Imagínate marchando en formación:

soldados marchando

Y luego pasar de un terreno llano a una colina

refracción marchando en un cierto ángulo
El ritmo se ralentiza en un lado primero,
y para mantenerse en las filas, la dirección debe cambiar un poco.


refracción marchando
Pero la dirección sigue siendo la misma al marchar directamente cuesta arriba.

Ir a un medio menos denso

El ángulo se aleja de lo normal al entrar en un medio menos denso.

Aquí vemos la entrada y salida de un medio más denso:

Hacia la normal al entrar en un medio más denso.
refracción vidrio
Alejándose de la normal al ir a un medio menos denso.

¡Y como vuelve al mismo medio, retoma el mismo ángulo!

Y aquí está en la vida real, un rayo de luz que se refracta en un bloque de plástico.

refracción bloque de plástico
El plástico es más denso, por lo que la luz cambia hacia la normal al entrar
y se aleja de la normal al salir.
Cortesía del usuario de Wikipedia ajizai


Y las diferentes formas crean efectos interesantes:

refracción en bola de vidrio
Los rayos se amontonan alrededor del borde
refracción en el ojo

Nuestros ojos usan la refracción para enfocar la luz entrante en la parte posterior de nuestro ojo:

luz a través del ojo
La luz se refracta a medida que atraviesa nuestros globos oculares.
Eso enfoca los rayos de luz en la parte posterior de nuestro ojo,
donde los nervios detectan los fotones.
Sí, la imagen está al revés, ¡pero nuestro cerebro se las arregla!

Índice de refracción

La relación entre la rapidez en el vacío y la rapidez en el medio se denomina índice de refracción:

n = c v

dónde

¡Un índice de refracción mayor indica una rapidez más baja!

Ejemplo: el índice de refracción del agua es 1.333

Entonces, la luz viaja 1.333 veces más lento en el agua que en el vacío

Algunos valores del índice de refracción:

Medio Velocidad en
millones m/s
Índice de refracción
n
Vacío 299.8 1
Aire 299.7 1.0003
Hielo 228 1.31
Agua 225 1.333
Etanol 220 1.36
Vidrio 205 1.46
Aceite de oliva 204 1.47
Diamante 123 2.42

diamante

El alto índice de refracción del diamante hace que la luz rebote en el interior de formas interesantes.

Cuando los expertos lo cortan en la forma correcta, brillará.

Ángulo crítico

A partir de un cierto ángulo (el ángulo crítico), ¡el rayo comienza a apuntar hacia adentro!

El resultado es que la luz, en lugar de refractarse, se refleja.

Se llama Reflexión Interna Total:

refracción   refracción ángulo crítico   reflexión
Refracción   Ángulo crítico    Reflexión interna
total

Ejemplo: agua a aire

Cuando miramos desde el agua hacia el aire, vemos el mundo sobre el agua como un cono de aproximadamente 96°. (Generalmente vemos los 180° de horizonte a horizonte)

Fuera de ese cono de 96° hay un reflejo (mucho más oscuro) del agua de abajo:

buzo en el agua
Buzo de la Marina de 2da clase Ryan Arnold visto desde abajo

Ten en cuenta también que la superficie del agua no es plana, por lo que causa un efecto ondulado local.

Juega con esta idea:

Prueba el índice de refracción 1 = 1 , el índice de refracción 2 = 1.33 , "Abajo" y "Ojo" para crear ese efecto de mirar hacia arriba desde el agua.

La ley de Snell

¿Cómo calculamos los ángulos? Usamos la Ley de Snell:

n1 sin(θ1) = n2 sin(θ2)

Funciona hasta el ángulo crítico, después de eso es simple reflexión:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)   n1sin(θcrit) = n2   θ1 = θ1
    porque sin(90°)=1   cuando θ1 > θcrit
refracción   refracción ángulo crítico   reflexión
Refracción   Ángulo crítico    Reflexión interna
total

Ejemplo: ¿Cuál es el ángulo crítico entre el aire y el agua?

El índice de refracción del aire es 1.003 y el del agua es 1.333

El ángulo crítico ocurre cuando θ2 es 90°
Empieza con:n1 sin(θ1) = n2 sin(θ2)
sin(90°) = 1, entonces:n1 sin(θ1) = n2
Divide ambos lados por n1:sin(θ1) = n2 n1
Seno inverso:θ1 = sin-1( n2 n1 )
Pon los valores:θ1 = sin-1( 1.003 1.333 )
Calcula:θ1 = 48.8°

So θcrit = 48.8°

Es posible que prefieras esta forma de la Ley de Snell, que se obtiene dividiendo ambos lados por sin(θ1) y n2:

n1 n2 = sin(θ2) sin(θ1)

(Sin embargo, ten cuidado: los subíndices de n van "1 sobre 2", pero los subíndices de sin () van "2 sobre 1").

 

¡Refuerza tu aprendizaje resolviendo los siguientes retos sobre este tema! (Nota: están en inglés).