Reflections
31 Mar, 2013
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PRESENTATION: An optical system is a set of surfaces that separate materials with distinct refractive indexes and that can be: reflective (mirrors) if they reflect most of the light reaching them; or refractive (diopters) if they refract most of the light reaching them. One of the simplest optical systems is a flat mirror that gives a direct virtual image of an object, which is the same size and the same distance in absolute values as the object itself.
- Rearview Mirror Dimming Function, William Layton, Phys. Teach. 49, 578 (2011)
- The mirror box, Gene Thompson and Don Mathieson, Phys. Teach. 39, 508 (2001)
INTRODUCTION: In Physics, Geometrical Optics is based on Snell’s (or Descartes’ according to some sources) phenomenological laws of reflection and refraction. Using these, you only have to do some trigonometry with the light rays to obtain the formulas that correspond to mirrors, diopters, and lenses (or combinations of these), and so obtain the laws that govern the optical instruments we are all familiar with.
OBJECTIVE: To demonstrate that you can see yourself from any direction in a three-cornered mirror.
MATERIALS: Three square mirrors (12x12cm2), glue, or sticky tape.
SETUP: The three, square, 12x12cm2 mirrors are stuck together using the glue or sticky tape in such a way that they are all at right-angles to each other.
EXPLANATION: A mirror is a polished surface that reflects light hitting it according to the laws of reflection. The simplest example is a flat mirror although there are also concave or convex mirrors. In a three-cornered mirror, the rays of light hit the mirrors from any direction and leave in the opposite direction to the one they hit it from. This is due to the angle existing between the mirrors. As a result of this, we can see ourselves in the mirror from any angle at which we can see the mirror itself.
CONCEPTS: Geometrical optics, Snell’s laws, reflection phenomenon.
MORE INFORMATION:
- WIKIPEDIA 1
- WIKIPEDIA 2
- YOUTUBE 1
- YOUTUBE 2
- WAKE FOREST UNIVERSITY
- UNIVERSITY OF IOWA
- TEXAS UNIVERSITY
- PHYSLET 1
- PHYSLET 2
TEXTS:
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
STUDENTS 2011-2012: José Ramón Vidal, Roberto Vilariño, Ana Vilas
LINK pdf STUDENTS (In Spanish):
22 responses to "Reflections"
En este enlace se puede ver como se utiliza el fenómeno de la reflexión para realizar figuras geométricas con un puntero láser y dos espejos, variando la distancia del puntero y los ángulos de los espejos.
El fenómeno de la reflexión presenta múltiples posibilidades experimentales con cierto grado de espectáculo que pueden mezclar perfectamente las ciencias con el ilusionismo, por lo tanto, transversalmente podrían incluso ayudar a desarrollar la competencia artística de los alumnos si canalizan bien los conceptos. Otros ejemplos de experimentos basados en este fenómeno los podemos leer en el sguiente enlace.
enlace
El fenómeno de reflexión, consiste en el cambio de dirección de una onda, que cuando entra en contacto con la superficie de separación entre dos medios cambiantes, vuelve al punto donde se ha originado. Ejemplos de esto son: la reflexión de la luz y el sonido.
La Reflexión especular, se produce cuando un rayo de luz incide sobre una superficie pulida (por ejemplo un espejo), cambiando su dirección sin cambiar el medio por donde se propaga.
En el fenómeno de reflexión difusa, los rayos no se reflejan en ninguna dirección, estos se difunden. Esto se puede producir por ejemplo en la madera. En este fenómeno de reflexión, el rayo de luz incide sobre una superficie no pulida.
En este vídeo se puede ver un ejemplo sobre el fenómeno de reflexión de la luz.
En navegación marítima los “corner reflectors” o reflectores de esquina, se colocan en los pilares de los puentes, boyas, barcos, especialmente en los de madera y, sobre todo, en los botes salvavidas, para garantizar que éstos aparezcan con fuerza en las pantallas de radar de barcos. Los reflectores de esquina se colocan en los mástiles del buque a una altura de al menos 4,6 metros sobre el nivel del mar. Como los radares marinos utiliza la banda X de microondas, con longitudes de onda de entre 2,5 y 3,75 cm, se suelen emplear reflectores pequeños, de menos de 30 cm de diámetro.
La reflexión de la luz ocurre cuando los rayos de luz que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio del que salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente. Es el cambio de dirección,que experimenta un rayo luminoso al incidir de manera oblicua sobre una superficie. La reflexión que tiene lugar en una superficie lisa y pulida se denomina reflexión especular, del latín espejo. Sin embargo, la reflexión en una superficie rugosa se denomina reflexión difusa. En este caso los rayos procedentes de un punto se reflejan en direcciones aleatorias y no convergen en ningún punto, no se genera imagen especular. Ver vídeo de reflexión especular de la luz con dos velas.
En este vídeo nos enseñan (aunque es muy fácil) construir espejo reflector de esquina, y varios ejemplos de su funcionamiento. Se ve lo que sucede cuando la luz de un láser incide, porqué siempre nos vemos reflejados en ellos los giremos como los giremos, y otros ejemplos que podemos encontrar en la naturaleza.
Las aplicaciones de los espejos en nuestra vida cotidiana son múltiples. Utilizamos espejos planos en la peluquería mientras nos cortan el pelo, cuando vamos a comprar unos zapatos para visualizar nuestra propia imagen, en los espejos retrovisores del automóvil para ayudar al conductor a visualizar la parte trasera del vehículo y en nuestro propio hogar para revisar nuestra apariencia antes de salir de casa. Los espejos convexos se utilizan mayormente en lugares grandes como instrumentos de seguridad para que el campo visual sea de mayor amplitud, por ejemplos las esquinas de los supermercados para el control de los clientes. Los espejos cóncavos que actúan como una especie de lupa, se utilizan para maquillaje o afeitado y también en los faros de los automóviles puesto que reflejan la luz procedente de los faros de modo que las luces cubren un área más amplia.
El siguiente articulo muestra un truco para conseguir ser invisible a través de un juego de espejos planos.
Cuando pensamos en un espejo siempre lo hacemos en los espejos convencionales que reflejan la luz, pero, ¿y los que pueden reflejar el sonido?
Son conocidos como espejos acústicos y fueron utilizados en Gran Bretaña durante la Segunda Guerra Mundial para detectar ciertas ondas sonoras procedentes de los aviones enemigos. En este vídeo se explica cómo se usaban y su funcionamiento.
Con la llegada del Apolo a la Luna, también lo hizo el Retroreflector Ranging Laser, utilizado para calcular la distancia de la Tierra a la Luna. En esencia, son una serie de reflectores conformados por cubos esquinados, de manera que refleja un rayo láser en la misma dirección de la que procede. La precisión con la que calculan la distancia de la Tierra a la Luna cada vez que estos rayos láser se dirigen e la misma, es de escasos 3 centímetros de margen de error. Además de proporcionarnos datos sobre la distancia Tierra-Luna, ha permitido conocer con mayor exactitud la órbita de la Luna y la distancia que ésta se aleja de nuestro planeta cada año (3,8 cm/anuales).
Un reflector es una superficie que refleja la luz o cualquier otro tipo de onda, por lo que un espejo es un reflector. En muchos animales los reflectores son importantes para la supervivencia y, en algunos casos, han sido imitados por ingenieros que desarrollan cristales fotónicos. Por ejemplo, las escamas de peces plateados al reflejar la luz del costado, dificultan la detección por parte de un depredador porque la luz reflejada es similar a la luz incidente en ausencia de la presa. El tapetum lucidum, capa de tejido situada en la parte posterior del ojo de muchos animales vertebrados, actúa como un espejo que refleja los rayos luminosos, incrementando así la luz disponible para los fotorreceptores y mejorando la visión en condiciones de escasa luminosidad, por ello los ojos de algunos animales brillan en la oscuridad.
En óptica geométrica un espejo es cualquier superficie lisa y pulida capaz de reflejar los rayos de luz que llegan a él. El espejo refleja la luz haciendo que los rayos varíen su trayectoria formando imágenes. En el caso de que tengamos varios espejos, en lugar de uno solo, se producen varias imágenes. Uno de los casos más frecuentes se da cuando entras al probador de cualquier tienda que cuenta con un par de espejos. Al colocar dos espejos enfrentados entre sí con algún objeto bien iluminado entre ellos, al mirar por el borde de un espejo veremos en el otro espejo la imagen del objeto y la imagen de la imagen, de la imagen…y así sucesivamente. Veremos una especie de «túnel» formado por las sucesivas imágenes infinitas que van alejándose (y oscureciéndose, porque en cada reflexión se pierde un poco de luz). En este enlace podemos ver como se hace un “espejo infinito”, es una configuración de dos espejos paralelos, creando una serie de reflejos cada vez más pequeños que parecen retroceder hasta el infinito . A menudo, el espejo frontal es un espejo unidireccional, pero esto no es necesario para producir el efecto. Una apariencia similar en las obras de arte se ha denominado efecto Droste. Os dejo un enlace de la obra de Yayoi Kusama, una artista japonesa que usa este efecto en sus obras de arte creando las ‘Infinity Rooms’, una instalación en la que los asistentes viven una experiencia inmersiva en la que los espejos y la figura propia del espectador hacen explotar los sentidos.
La óptica es algo que nos acompaña desde que nacemos, la mayoría de nosotros nos guiamos por la vista en nuestro día a día, desde ir de punto A a punto B sin accidentes, pasando por estimar distancias y hasta los colores. En este experimento vemos como «engañar» a la vista, utilizando espejos para crear el reflejo de un objeto y observarlo en su totalidad sin cambiar nuestra perspectiva. Este tipo de actividades permiten trabajar la reflexión de la luz en espejos planos y así estudiar los cálculos necesarios, como muestra el siguiente enlace. También recomiendo, en especial a los informáticos pero a todo el mundo, ver este vídeo rápido sobre espejos en videojuegos, donde se separa la física y la luces para poder simular el mundo real, pues la física detrás de la luz suele ser muy costosa para los ordenadores. La buena noticia es que la tecnología de Ray-Tracing está ganando fuerza y estos costes van disminuyendo.
Las aplicaciones de la reflexión de los espejos son múltiples y muy diferentes, en muy diversas disciplinas. Cuando veo este vídeo no puedo dejar de pensar en las mil y una aplicaciones que tienen en la conformación de espacios en la vida real, desde los laberintos de espejos, en los que uno se pierde en su propio reflejo como en una ventana infinita, o en sus aplicaciones arquitectónicas, en las que el reflejo se convierte en protagonista del espacio, aumentando su dimensión y transformándolo completamente. Un ejemplo de esto es el mercado de Encantes, en Barcelona, donde una gran cubierta espejada permite observar, de forma distorsionada lo que ocurre en el propio mercado desde un único punto.
Otro experimento muy interesante y conocido relacionado con la óptica es la reflexión. A veces, se asocia a fenómenos que poco tienen que ver, como la mal llamada “pirámide holográfica“.
Una interesante aplicación de los reflejos, que me ha parecido muy interesante, es la calibración de satélites, para lo que se utilizan unos reflectores que en su construcción por planos recuerdan a las estructuras que se ven en este vídeo. Se llaman reflectores pasivos. Lo podemos ver en este enlace, donde también podremos descargar el estudio al respecto.
Interesante práctica para introducir los conceptos de reflexión especular, que es la que sucede en un espejo plano, y reflexión difusa, que tiene lugar cuando los rayos que inciden sobre una superficie de forma paralela, se reflejan después en diferentes direcciones.
La explicación sobre cómo los rayos de luz inciden en los espejos y la razón por la cual se puede ver desde cualquier ángulo es adecuada. Algunos ejemplos prácticos en la vida diaria de la óptica geométrica y estas leyes de reflexión: a) Cámaras de Seguridad con Espejos Cóncavos: Algunas instalaciones de seguridad utilizan espejos cóncavos para tener una vista amplia y observar áreas que de otra manera serían difíciles de monitorear; b) Espejos de Maquillaje Trípticos: Los espejos trípticos en maquillajes permiten ver la cara desde diferentes ángulos, facilitando la aplicación de maquillaje; c) Espejos de Peluquería: Espejos de tres esquinas o con múltiples ángulos se utilizan en peluquerías para que los clientes puedan ver sus cabezas desde diferentes perspectivas; d) Vehículos con Espejos Múltiples: Algunos vehículos, especialmente vehículos grandes como camiones, utilizan espejos múltiples para tener una visión completa de su entorno y eliminar puntos ciegos; e) Exhibiciones de Tiendas: Algunas tiendas utilizan espejos tridimensionales para que los clientes puedan ver cómo les queda la ropa desde diferentes ángulos sin tener que probársela.
Estos ejemplos resaltan cómo la utilización de espejos en múltiples ángulos tiene aplicaciones prácticas en diversos contextos, proporcionando vistas amplias y facilitando la observación desde diferentes perspectivas.
En un objeto tan cotidiano como las gafas se produce un efecto indeseado: el reflejo. Por ello, se han ideado distintos sistemas para conseguir gafas con tratamiento antireflejante o antireflectante. ¿Pero cómo se consigue esto desde un punto de vista físico? Existen tres métodos:
1) Efecto de ojos de polilla:estructuración de las superficies con configuraciones que son pequeñas a la longitud de onda de la luz para disminuir la reflexión.
2) Supresión de la reflexión: aplicar sobre la superficie de la lente una capa de un material transparente cuyo índice de refracción tiene un valor intermedio entre el del aire y el del vidrio de la lente, y cuyo espesor es de 0,25 de la longitud de onda del componente de la luz cuya reflexión se quiere reducir. Así, la luz incidente de esta frecuencia pasa toda al vidrio, porque las dos reflexiones que sufre (una en la superficie aire-recubrimiento y otra en la superficie recubrimiento-vidrio) están en oposición de fase y se cancelan mutuamente.
3) Índice de refracción – Promedio: se aplica una capa delgada sobre el sustrato del vidrio. La capa debe tener un índice de refracción que idealmente no refleje ninguna luz.
O espello de tres esquinas sería un recurso moi útil nas aulas de física para explicar o fenómeno da reflexión. Non obstante, indagando sobre estes espellos, descubrín outra aplicación verdadeiramente interesante: a pedagoxía. O xogo dos espellos, como o denominan na pedagoxía de Reggio Emilia, constitúe unha parte fundamental do proceso de exploración dos cativos. Con estes espellos traballan as formas, a simetría, os ángulos, a multiplicación, a rotación, a reflexión, os patróns… Así, estes conceptos matemáticos complexos poden asentarse de forma vivencial facilitando unha base de aprendizaxe. En consecuencia, no momento de chegar ao coñecemento formal dos conceptos, adquiriranos de forma fluída (xa que de pequenos os pre-aprenderon coa experiencia e coas súas mans, facendo, tocando e observando).
El juego de perspectivas mediante reflexión con espejos planos mostrado en el primer video me ha recordado al mecanismo del periscopio. Se trata de un instrumento óptico que permite, por medio de espejos planos instalados en un tubo vertical, observar una zona innaccesible a la visión directa. Su uso inicial fue el de observar la superficie desde los submarinos, pero tiene muchas más aplicaciones, como la observación de las reacciones químicas en el interior de un reactor nuclear, la observación por parte de los militares del enemigo desde sus escondites o la inspección de los alrededores desde tanques y vehículos blindados. Aquí os dejo un manual del Museo de Física de la Universidad Nacional de la Plata para la construcción de un periscopio y una propuesta de proyecto de investigación basada en el periscopio para llevar a cabo en el aula. Finalmente, me gustaría mencionar que a través del periscopio se puede tratar el papel de la mujer en la ciencia, pues fue Sarah Mather, una gran inventora estadounidense, quien patentó el primer telescopio submarino, precursor del periscopio.
El primer vídeo que se comparte en el post me sugiere una técnica muy interesante para utilizar en el aula en clases de Dibujo Técnico dedicadas al Sistema Diédrico ya que desde una perspectiva puedes ver el despliegue de caras de una misma pieza.
Además, ese juego de reflexiones me traslada a la idea de un caleidoscopio. En el Viewing Machine de Olafur Eliasson se relacionan las leyes de Snell y los principios de reflexión al manipular la luz y los reflejos mediante espejos dispuestos en ángulos precisos. Esto crea patrones caleidoscópicos que transforman el paisaje real (se ha situado en distintas ciudades de Brasil) en geometrías abstractas. La instalación se basa en los principios de la reflexión, donde los ángulos de incidencia y reflexión son iguales, y utiliza estos fundamentos ópticos para generar una experiencia inmersiva y artística que conecta ciencia y percepción visual.