Fundamentos de Termodinámica, Ondas y Óptica: Conceptos Esenciales de Física

Termodinámica: Fundamentos y Leyes

Calor y Trabajo: Modos de Intercambio de Energía

El calor y el trabajo son los principales modos en que la energía es intercambiada entre un sistema y su medio ambiente.

Calor (Q)

Es la energía que fluye de un objeto a otro como resultado del movimiento aleatorio de las moléculas de los objetos.
Es energía en tránsito, siempre fluye de una zona de mayor nivel energético (mayor temperatura) a una zona de menor nivel energético (menor temperatura), elevando la temperatura de la segunda y reduciendo la de la primera. Para que el flujo sea inverso (de menor a mayor temperatura), se necesita la aplicación de trabajo.
Se mide en Joules (J).

Trabajo (W)

Es la energía que se transfiere desde un objeto a otro como resultado del cambio de volumen.
Todos los sistemas, incluidos los animales, pueden realizar trabajo y perder calor (por ejemplo, trabajo de presión-volumen, P·V).

Calorimetría y Ley Fundamental

La calorimetría es la ciencia que mide la cantidad de energía intercambiada en procesos de calor. Un calorímetro es el instrumento utilizado para medir dicha energía.

Ley Fundamental de la Calorimetría: En un sistema aislado compuesto por «n» cuerpos a diferentes temperaturas, la evolución espontánea conduce a un estado de equilibrio en el que todos los cuerpos alcanzan la misma temperatura. La suma algebraica de los calores intercambiados por todos los cuerpos en el sistema es cero.

Equivalente Mecánico del Calor

El equivalente mecánico del calor establece que el movimiento y el calor son mutuamente intercambiables. Una cantidad determinada de trabajo puede generar la misma cantidad de calor, siempre que el trabajo realizado se convierta totalmente en energía calorífica. Este principio fue descubierto por Joule, quien demostró que la energía mecánica puede transformarse en energía interna, elevando la temperatura de un sistema. Es un factor de conversión entre energía mecánica y calor (aproximadamente 4186 J = 1 kcal).

Calor vs. Temperatura

El calor (J) se asimila a la energía total del movimiento molecular en una sustancia. Depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo.
La temperatura (K) es una medida de la energía molecular media. No depende del tamaño, ni del número o del tipo de partículas.

Primera Ley de la Termodinámica: Conservación de la Energía

La Primera Ley de la Termodinámica, también conocida como Ley de Conservación de la Energía, establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transfiere o transforma. Matemáticamente, se expresa como:

ΔU = Q + W

ΔU: Aumento de la energía interna del sistema.
Q: Cantidad de energía transferida como calor hacia el sistema.
W: Cantidad de energía transferida como trabajo sobre el sistema.

Si el trabajo es realizado por el sistema (expansión), W es negativo. Si el trabajo es realizado sobre el sistema (compresión), W es positivo. Una formulación alternativa para la variación de energía (ΔE) cuando se introduce calor Q y se realiza trabajo W por el sistema (W negativo en este contexto) es:

ΔE = Q – W (donde W es el trabajo realizado por el sistema).

Un proceso exergónico implica que Q es negativo (liberación de calor).

Calor Específico

El calor específico (Ce) de una sustancia es su capacidad calorífica dividida por su masa. Es una propiedad característica de cada sustancia y puede considerarse constante a una temperatura constante. Se expresa comúnmente en J/kg·°C o kcal/kg·°C.

La kilocaloría (kcal) es la unidad de calor que eleva un grado Celsius la temperatura de un kilogramo de agua.
El calor específico del agua a 15°C es de 1 kcal/(kg·°C), lo que lo convierte en un valor de referencia fundamental en calorimetría.

Tipos de Sistemas Termodinámicos

Sistema: Una parte específica del universo separada del resto por límites reales o imaginarios.
Sistema Abierto: Intercambia materia y energía con el entorno.
Sistema Cerrado: Transfiere energía pero no materia.
Sistema Aislado: No permite la transferencia ni de materia ni de energía.

Leyes de la Termodinámica y Transferencia de Calor

Ley Cero de la Termodinámica: Equilibrio Térmico

El Principio de Equilibrio Térmico, o Ley Cero de la Termodinámica, establece que si un objeto térmico A está en equilibrio con B, y el objeto B está en equilibrio con C, entonces A y C también estarán en equilibrio entre sí. Este principio es fundamental para la definición de temperatura.

Segunda Ley de la Termodinámica: Dirección del Flujo de Calor y Entropía

La Segunda Ley de la Termodinámica aborda la dirección natural del flujo de calor y el concepto de entropía. Afirma que el calor fluye espontáneamente desde un objeto con mayor temperatura a uno con menor temperatura. Para transferir calor de forma inversa (de menor a mayor temperatura), se debe emplear trabajo.

Esta ley también prescribe aquellos procesos que no pueden ocurrir de forma espontánea. Existen varios enunciados:

Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible construir un dispositivo que pueda, sin ningún otro efecto, levantar un objeto extrayendo energía térmica de otro. Esto implica que los objetos no pueden saltar espontáneamente en el aire extrayendo solo energía térmica y convirtiéndola en potencial sin ningún otro efecto.
Enunciado de Clausius: Es imposible construir un dispositivo que pueda, sin ningún otro efecto, transferir calor de un objeto frío a uno caliente. Es decir, el calor no fluye de forma espontánea del objeto frío al caliente sin que suceda otra cosa o se realice otro efecto.

Entropía (S)

La entropía es una variable termodinámica que mide el desorden o la aleatoriedad de un estado termodinámico. Cada estado tiene una entropía definida; la entropía de un estado es mayor que la de otro cuando el desorden del primer estado es mayor que el del segundo.

La variación de entropía (ΔS) nos permite establecer el sentido posible de una transformación adiabática:

ΔS = 0: Proceso reversible y en equilibrio.
ΔS > 0: Proceso espontáneo/irreversible (ej. un proceso exotérmico).
ΔS < 0: Proceso imposible (ej. un proceso endotérmico espontáneo en un sistema aislado).

La Segunda Ley de la Termodinámica también afirma que la entropía de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por lo tanto, cuando un sistema alcanza un desorden máximo, ya no puede experimentar más cambios y ha alcanzado el equilibrio.

Tercera Ley de la Termodinámica: Cero Absoluto

El Principio del Cero Absoluto, o Tercera Ley de la Termodinámica, afirma la existencia de una escala de temperatura absoluta con un cero absoluto (la menor temperatura teóricamente posible), que corresponde a -273.15 grados Celsius o 0 Kelvin.

Esta ley establece que el cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él. En el cero absoluto, el sistema tiene la mínima energía posible (cinética + potencial).

Entalpía (H)

La entalpía es otra variable termodinámica que define el flujo de energía térmica en los procesos químicos efectuados a presión constante, cuando el único trabajo es de presión-volumen. Es decir, representa la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno. Se define como:

H = U + P·V

U: Energía interna.
P: Presión.
V: Volumen.

Energía Libre de Gibbs (G)

La energía libre de Gibbs es otra variable termodinámica que solo depende del estado del sistema. Sirve para calcular el máximo trabajo reversible que puede realizarse mediante un sistema termodinámico a temperatura y presión constantes (proceso isotérmico e isobárico). Se define como:

G = H – T·S

O, en términos de variación para un proceso a T y P constantes:

ΔG = ΔH – T·ΔS

Mecanismos de Transferencia de Calor

El calor puede transferirse de un lugar a otro por tres mecanismos principales:

Conducción (Sólidos): Transmisión de energía a través de un medio material por sucesivos choques de las moléculas próximas. Las moléculas rápidas en la región de mayor temperatura chocan con las más lentas en la región de menor temperatura, transmitiendo energía cinética, y así sucesivamente.
Convección (Fluidos): Transmisión de energía en un líquido o gas desde una región con alta temperatura a una con menor temperatura. El fluido de mayor temperatura tiene mayor energía interna, de modo que la energía es transferida a la región de baja temperatura junto con el fluido en movimiento.
Radiación (Vacío): Es la energía electromagnética que se propaga a través del espacio vacío a la velocidad de la luz. Ejemplos incluyen la luz visible, radiación infrarroja, radiación UV, etc. Todos los objetos a temperatura ambiente emiten radiación infrarroja.

Evaporación

La evaporación es la transformación de moléculas desde la fase líquida a la fase gaseosa. Solo se evaporan las moléculas con mayor energía o aquellas con la suficiente energía cinética para vencer la fuerza de cohesión del líquido. La pérdida de moléculas de alta energía hace que baje la energía cinética media de las moléculas que permanecen en el líquido y, por ende, la temperatura del líquido remanente desciende.

Termorregulación Humana

El ser humano es homeotermo, lo que significa que mantiene una temperatura corporal constante (aproximadamente 37°C). El cuerpo humano posee una variedad de mecanismos para lograrlo, buscando igualar la velocidad de pérdida de calor a la velocidad metabólica.

El hipotálamo capta y controla la temperatura mediante sensores en la sangre.
La transmisión de calor desde el cuerpo humano al ambiente ocurre en dos etapas:
1. Conducción del calor desde el interior a la superficie de la piel.
2. Transmisión desde la piel al medio ambiente.
La velocidad de estas etapas debe ser igual a la velocidad metabólica.
El humano controla la transmisión del calor a través de la variación del radio de las arteriolas debajo de la piel.

Velocidad Metabólica

La velocidad metabólica es la velocidad de generación de energía interna, la cual debe ser igual a la pérdida de calor para mantener la homeotermia.

Alteraciones de la Temperatura Corporal

Pirexia: Aumento temporal de la temperatura corporal promedio, conocido como estado febril.
Hipotermia: Caída importante y posiblemente peligrosa de la temperatura corporal. La causa más común es la exposición prolongada al frío.

Aislamiento y Regulación Térmica Externa

Dado que el ser humano no tiene pelo (es lampiño) en su piel, carece de una capa de aislamiento térmico natural significativa contra el frío y el calor. Por ello, el ser humano se ve obligado a cubrirse con ropa para proporcionar aislamiento.

Las glándulas sudoríparas secretan sudor ante el aumento de la temperatura corporal para disminuirla. A veces, en climas fríos, una persona muy abrigada que realiza una actividad de gran esfuerzo puede sudar. El agua del sudor reemplaza el aislamiento del aire entre la piel y la ropa, lo que puede llevar a una excesiva pérdida de calor, ya que el agua conduce la temperatura mucho mejor que el aire.

Procesos Termodinámicos y Máquinas Térmicas

Tipos de Procesos Termodinámicos

Proceso Adiabático: No hay intercambio de calor (Q=0) con el entorno, generalmente porque el sistema está rodeado por un material aislante.
Proceso Isotérmico: La temperatura se mantiene constante (ΔT=0). Se puede realizar colocando un objeto en un recipiente en contacto con un baño de agua a una temperatura deseada (ej. fusión del hielo a 0°C).
Proceso Isocórico: El volumen se mantiene constante (ΔV=0). En este proceso, no se realiza trabajo de presión-volumen sobre el sistema.
Proceso Isobárico: La presión se mantiene constante (ΔP=0), generalmente por la aplicación de una presión externa constante. Un ejemplo cotidiano es hervir agua en un recipiente abierto: al suministrar energía calorífica, el agua sube de temperatura y se convierte en vapor, aumentando su volumen, pero la presión se mantiene constante (presión atmosférica).

Rendimiento de Máquinas Térmicas (e)

El rendimiento (e) de una máquina térmica se define como el cociente entre el trabajo (W) realizado y el calor absorbido (Q₁):

e = W / Q₁ = (Q₁ – Q₂) / Q₁ = 1 – (Q₂ / Q₁)

Q₁: Calor absorbido de la fuente caliente.
Q₂: Calor cedido al sumidero frío.

Ciclo y Máquina de Carnot

El Ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal y reversible que opera entre dos temperaturas, T₁ (fuente caliente) y T₂ (sumidero frío). Consta de cuatro procesos:

Expansión Isotérmica (A a B): El sistema absorbe calor Q₁ a temperatura T₁.
Expansión Adiabática (B a C): La temperatura del sistema disminuye.
Compresión Isotérmica (C a D): El sistema cede calor -Q₂ a temperatura T₂.
Compresión Adiabática (D a A): La temperatura del sistema aumenta, regresando al estado inicial.

La Máquina de Carnot es una máquina térmica ideal que sigue el ciclo de Carnot. Utiliza calor para realizar trabajo y posee las siguientes características:

Es la máquina de mayor rendimiento posible que funciona entre dos temperaturas dadas (T₁ y T₂).
Su rendimiento es independiente de la sustancia activa (gas ideal, real o líquido).
El rendimiento de una máquina de Carnot, cuando funciona entre las temperaturas absolutas T₁ y T₂, es: e = (T₁ – T₂) / T₁.

Ondas y Fenómenos Ondulatorios

Concepto de Onda

Una onda es una perturbación que se propaga a través de un medio (o el vacío en el caso de las ondas electromagnéticas) a una velocidad constante característica de dicho medio. En el ejemplo de una cuerda, la perturbación es el desplazamiento de los puntos de la cuerda desde su posición de equilibrio.

Elementos de una Onda

Cresta: El punto de máxima elongación o desplazamiento positivo de la onda.
Valle: El punto de máxima elongación o desplazamiento negativo de la onda.
Amplitud (A): Es el desplazamiento máximo de una onda desde su posición de equilibrio hasta una cresta o un valle. Es igual para los desplazamientos positivos y negativos.
Periodo (T): Es el tiempo necesario para que un punto del medio complete un ciclo completo de vibración. Se mide en segundos (s). La relación con la velocidad (v) y la longitud de onda (λ) es: T = λ / v. También es la inversa de la frecuencia: T = 1 / f.
Frecuencia (f): Es el número de veces que se repite una vibración por unidad de tiempo. Se define como la inversa del periodo: f = 1 / T. Se mide en Hertz (Hz). La frecuencia es crucial para el sonido (determina el tono) y la luz (determina el color).
Longitud de Onda (λ): Es la distancia entre dos picos positivos vecinos (o cualquier punto idéntico en ciclos consecutivos). Se mide en metros (m). La relación con la velocidad (v) y la frecuencia (f) es: v = λ · f. Cuando una onda cambia de medio, su velocidad y longitud de onda cambian, pero su frecuencia permanece constante. Por ejemplo, al pasar a un medio más denso, la velocidad y la longitud de onda disminuyen.

Tipos de Ondas

Ondas Mecánicas: Necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas oscilan alrededor de un punto fijo, pero no hay transporte de materia a través del medio. Ejemplos: ondas elásticas, sonoras y de gravedad.
Ondas Electromagnéticas: Se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo hacerlo en el vacío. Son producidas por oscilaciones de un campo eléctrico en relación con un campo magnético asociado. Ejemplos: luz, ondas de radio, microondas.
Ondas Gravitacionales: Son perturbaciones que alteran la geometría del espacio-tiempo, predichas por la Relatividad General.
Ondas Viajeras: Ondas que se propagan continuamente a través de un medio, transportando energía.
Ondas Estacionarias: Se forman por la superposición de dos ondas sinusoidales de la misma longitud de onda y amplitud que se desplazan en direcciones opuestas. Parecen «estacionarias» con puntos fijos (nodos) y puntos de máxima amplitud (antinodos).
Ondas Unidimensionales: Se propagan a lo largo de una sola dirección. Sus frentes de onda son planos y paralelos.
Ondas Bidimensionales (Superficiales): Se propagan en dos direcciones, como las ondas en la superficie de un líquido cuando cae una piedra.
Ondas Tridimensionales: Se propagan en tres direcciones, y sus frentes de onda son esferas concéntricas que se expanden desde la fuente de perturbación. Ejemplos: ondas sonoras.
Onda Transversal: Aquella en la que los puntos del medio se mueven perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Ejemplos: ondas en una cuerda, ondas electromagnéticas.
Onda Longitudinal: Aquella en la que los puntos del medio se mueven en dirección paralela a la propagación de la onda. Ejemplos: ondas sonoras.
Ondas Periódicas: Muestran periodicidad respecto al tiempo, es decir, exhiben ciclos repetitivos.
Onda Sinusoidal/Armónica: Es la forma más simple de una onda periódica, donde las vibraciones positivas y negativas se alternan sucesivamente siguiendo una función seno o coseno.
Ondas No Periódicas: Ondas que no exhiben un patrón repetitivo regular en el tiempo.

Principios de Superposición y Teorema de Fourier

Principio de Superposición: Si en cualquier instante existen dos o más ondas simultáneamente en un punto, el desplazamiento total del punto es la suma vectorial de los desplazamientos que hubiera tenido el punto con cada onda por separado. Este principio permite expresar una onda compleja como la suma de varias ondas simples.
Teorema de Fourier: Cualquier onda, independientemente de su forma, puede expresarse de manera única como la superposición (suma) de ondas sinusoidales de longitudes de onda y amplitudes definidas. Este teorema es fundamental para describir ondas complejas o anarmónicas, que son la suma de componentes de Fourier (ondas sinusoidales).

Fenómenos Ondulatorios

Difracción: Consiste en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o atraviesan una rendija.
Efecto Doppler: Característico de las ondas sonoras (y electromagnéticas), es el cambio aparente de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo de la fuente respecto al observador.
Interferencia: Ocurre cuando dos o más ondas se combinan en un mismo punto del espacio.
- Constructiva: Suma de crestas (o valles), resultando en una amplitud mayor.
- Destructiva: Una cresta se superpone con un valle, resultando en una amplitud menor o nula.
Reflexión: Es el cambio de dirección de una onda que ocurre en la superficie entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial.
Refracción: Ocurre cuando una onda cambia de dirección al entrar en un nuevo medio y, consecuentemente, cambia su velocidad.
Onda de Choque: Ocurre cuando varias ondas que viajan en un medio se superponen formando un cono, por ejemplo, el fenómeno de desplazamiento de un avión a velocidad supersónica.

Luz y Óptica

Naturaleza de la Luz

La naturaleza ondulatoria explica que la luz es semejante a una onda porque obedece al principio de superposición. Sin embargo, la teoría corpuscular, propuesta por Newton, sostenía que la luz estaba compuesta por partículas o corpúsculos sin masa. Newton intentó refutar la teoría ondulatoria argumentando que la luz no podía doblar las esquinas (difracción), lo cual hoy sabemos que sí hace.

Actualmente, se acepta la dualidad onda-partícula de la luz, propuesta por Louis de Broglie, que establece que la luz se comporta tanto como una partícula (fotón) como una onda. La luz se propaga como una onda, pero su energía es transportada por fotones.

Índice de Refracción (n)

El índice de refracción (n) de un medio es una medida de cuánto se reduce la velocidad de la luz al atravesarlo. Se expresa como la razón entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en una sustancia determinada (v):

n = c / v

Como la velocidad de la luz en una sustancia transparente siempre es menor que «c», el índice de refracción de toda sustancia es mayor que 1. En el aire, la velocidad de la luz disminuye ligeramente, pero en sustancias más densas, la disminución es más significativa.

Luz Coherente e Incoherente

Un haz de luz coherente está constituido por ondas que tienen todas una misma longitud de onda y una fase alineada. Un ejemplo es el láser, cuya luz tiene una sola longitud de onda continua.
La luz incoherente, como la solar o la de las bombillas eléctricas, está formada por miles de millones de ondas cortas independientes con fases aleatorias.

Láser

Un láser produce luz coherente con una morfología de una sola onda larga y continua. Se crea utilizando la emisión estimulada para amplificar la luz incidente. La luz láser es:

Monocromática: Porque las energías de la luz deben ser las mismas (una sola longitud de onda).
Coherente: Porque las fases de las ondas están alineadas.
Altamente Directiva: Porque la dirección de propagación está muy alineada.

Refracción de la Luz y Ley de Snell-Descartes

La refracción de la luz es el cambio de dirección que se produce cuando la luz pasa de un medio a otro con diferente índice de refracción. Este cambio se debe a la distinta velocidad con la que se propaga la luz en cada medio. La refracción solo ocurre si la onda incide oblicuamente en la superficie de separación y si el medio 2 tiene un índice de refracción distinto al medio 1.

La Ley de Snell-Descartes es una fórmula utilizada para calcular el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de separación entre dos medios de propagación con índice de refracción distinto:

n₁ · sen(θ₁) = n₂ · sen(θ₂)

n₁ y n₂: Índices de refracción de los medios 1 y 2, respectivamente.
θ₁: Ángulo de incidencia.
θ₂: Ángulo de refracción.

Reflexión Total Interna

La reflexión total interna es un fenómeno que sucede cuando la luz incide desde un medio más denso a uno menos denso (ej. vidrio-aire) con un ángulo de incidencia mayor que el ángulo crítico, de tal forma que toda la luz es reflejada y devuelta al medio inicial. Este principio es fundamental en la fibra óptica, utilizada, por ejemplo, para examinar el interior del estómago de un paciente, ya que la luz enviada desde el exterior es reflejada internamente y muestra anomalías.

Color y Percepción Visual

El color es un atributo psicológico de la luz, una sensación que se interpreta en el cerebro mediante la recepción de frecuencias electromagnéticas en la retina. Se le atribuyen tres características principales: matiz, brillo y saturación.

Conos y Bastones

La retina del ojo humano contiene dos tipos de fotorreceptores:

Los bastones son sensibles a la intensidad de la luz y nos otorgan visión nocturna (visión en blanco y negro).
Los conos perciben la luz de color, ya que tienen pigmentos que absorben la luz de diferentes longitudes de onda. Existen tres tipos de conos: sensibles al rojo, al verde y al azul.

Leyes de Grassmann

Las Leyes de Grassmann describen cómo el ojo humano percibe el color:

El ojo humano normal solo percibe tres atributos de la luz:
- El brillo es la intensidad del color o la luz.
- La saturación es la fuerza o pureza del color.
- El matiz es el atributo del color que lo distingue de otros (ej. azul del rojo).
Cualquier color que se puede obtener mezclando dos colores específicos se encuentra en la línea recta que une estos colores en un diagrama de cromaticidad. Cualquier color puede obtenerse a partir de mezclas apropiadas de los colores primarios. Dicho color puede especificarse por las intensidades (x, y, z) de los colores primarios que lo integran, denominadas valores del triestímulo. El diagrama de cromaticidad es una representación de la cromaticidad de cada color, especificado como un punto en este diagrama, a menudo un triángulo con los colores primarios en sus vértices.
Los mismos colores tienen los mismos efectos en las mezclas, aunque sus composiciones espectrales sean diferentes (metamerismo).

Luz Polarizada

La luz polarizada es aquella que vibra en un solo plano. Cuando la luz no polarizada pasa por una lámina polaroid (polarizador), solo se transmiten las componentes de las amplitudes paralelas al eje de la lámina. El resultado es un haz de luz polarizada cuya amplitud es paralela al eje del polarizador. Este fenómeno de polarización solo se da con ondas transversales, pero no con longitudinales, ya que implica una asimetría respecto del eje en la dirección de propagación.

Lentes y Óptica Instrumental

Lentes

Una lente es un sistema óptico cerrado, generalmente formado por dos dioptrios (al menos uno esférico y delgado), hecho de un material transparente (como vidrio) con un espesor variable. Los dos medios externos que limitan la lente deben tener el mismo índice de refracción.

Lentes Convergentes (Convexas o Plano-Convexas): Son más gruesas en la zona media. Hacen converger en un punto los rayos de luz que las atraviesan. El ángulo de desviación del rayo de luz aumenta con la distancia al centro de la lente. Los rayos paralelos incidentes son desviados siempre al mismo punto (foco).
Lentes Divergentes (Cóncavas o Plano-Cóncavas): Son más delgadas en la zona media. Hacen divergir los rayos de luz que pasan por ellas (distancia focal negativa).
Menisco: Puede ser convergente o divergente dependiendo de la curvatura relativa de sus superficies.

Foco y Plano Focal

El foco (o punto focal) es una zona de la lente donde todos los rayos incidentes que son paralelos al eje óptico son desviados y convergen o parecen divergir. El plano focal es el plano perpendicular al eje óptico que contiene el foco.

Imagen Óptica

Una imagen es la representación visual que se forma cuando los rayos de luz provenientes de un objeto son desviados por una lente o espejo y se concentran en un punto. Cuando se observa un objeto a distancia, la luz que llega a la lente desde un solo punto del objeto se concentra en un solo punto en el foco, formando la imagen del objeto.

Potencia de una Lente y Dioptría

La potencia (P) de una lente es la inversa de su distancia focal (f), expresada en metros. Una lente tendrá mayor potencia si tiene menor distancia focal.

P = 1 / f (en el Sistema Internacional, la unidad es 1/m)

La dioptría (D) es la unidad de potencia óptica, equivalente al valor recíproco de la longitud focal expresada en metros (1 D = 1 m⁻¹). El signo positivo (+) corresponde a las lentes convergentes, y el negativo (-) a las divergentes.

Distancias en Óptica

Distancia al objeto (s): Es la distancia entre el objeto y la lente.
Distancia a la imagen (s’): Es la distancia entre la lente y la imagen real.

Instrumentos Ópticos

Lupa (Microscopio Simple): Instrumento óptico que consiste en una lente convergente. Su objetivo es obtener una visión ampliada de un objeto pequeño, aumentando el ángulo de incidencia para que la imagen sobre la retina sea mayor, lo que se logra disminuyendo la distancia del objeto.
Telescopio Refractor: Utiliza dos lentes. La primera, el objetivo, hace converger los rayos del objeto distante en un punto más cercano (en su distancia focal). Una segunda lente, el ocular, produce la imagen final. Sirve para formar imágenes aumentadas de objetos lejanos, aunque la imagen para el observador se invierte.
Cámara Fotográfica: Actúa de manera similar al ojo humano. La lente de una cámara forma una imagen de un objeto distante en una placa sensible a la luz (sensor o película), colocada en la parte posterior de la cámara. Las cámaras operan con una distancia de objeto grande y una distancia de imagen pequeña.
Ojo Humano: La córnea y el cristalino actúan como lentes para enfocar la luz. La luz atraviesa los medios transparentes y la lente del ojo, formando una imagen invertida sobre la retina. Es el cerebro el que «vuelve a invertir» esta imagen para nuestra percepción.

Tipos de Lentes por Forma

Una lente cilíndrica tiene un perfil cilíndrico en una o ambas de sus caras, con ejes específicos.
Una lente esférica está formada por una sección de una esfera con un radio de curvatura específico. Si este radio es positivo, es una lente esférica convexa; si es negativo, es una lente cóncava.

Aberraciones Ópticas

Las aberraciones son desviaciones del comportamiento ideal de una lente, resultando en imperfecciones de la imagen (fuera de foco, deformada). Pueden deberse a errores de fabricación o de diseño de la lente.

Aberración Cromática: Fallo de la lente para enfocar luz de diferentes colores en el mismo punto. Se debe a la variación del índice de refracción respecto a la longitud de onda de cada color de luz (dispersión de la luz).
Aberraciones Monocromáticas: Se producen por las propias leyes de la reflexión y la refracción, no por defectos de construcción.
- Aberración Esférica: Fallo de una lente para enfocar en un punto los rayos procedentes de un punto situado sobre el eje óptico. Puede reducirse, pero no eliminarse por completo.
- Coma: Fallo de una lente para enfocar en un punto los rayos procedentes de un punto próximo al eje óptico.
- Astigmatismo (Óptico): Fallo de una lente para enfocar en un punto los rayos procedentes de un punto alejado del eje óptico.
- Curvatura de Campo: Fallo de la lente para presentar una superficie de imagen plana.
- Distorsión: Variación del aumento de la imagen con la distancia al eje óptico, lo que deforma la imagen.

Errores de Refracción del Ojo y Sonido

Errores de Refracción Ocular

Son anomalías en la capacidad del ojo para enfocar la luz correctamente sobre la retina, lo que resulta en visión borrosa.

Astigmatismo: Anomalía o defecto del ojo que consiste en una curvatura irregular de la córnea o del cristalino, lo que provoca que las imágenes se vean algo deformadas y el contorno de las cosas poco claro. Se corrige comúnmente con lentes cilíndricas.
Hipermetropía: Se produce cuando el ojo no puede enfocar adecuadamente los rayos luminosos divergentes de objetos cercanos, formando la imagen detrás de la retina. La persona ve mal de cerca y necesita alejar los objetos. Se corrige con lentes convergentes.
Miopía: El ojo puede enfocar bien los objetos de cerca, pero no los objetos de lejos, ya que la imagen se forma delante de la retina. Se corrige con lentes divergentes (lentes negativas).
Presbicia (Vista Cansada): Disminución de la elasticidad del cristalino con la edad, lo que afecta la capacidad de enfocar objetos de cerca. La persona ve bien de lejos porque el cristalino está relajado, pero el punto próximo se aleja. Se corrige con lentes convergentes.

Ondas Esféricas y Planas

Una onda esférica se propaga en tres dimensiones desde una fuente puntual. En una onda esférica transversal, cada punto de una capa esférica determinada oscila paralelamente a la capa. En una longitudinal, los puntos de una capa oscilan radialmente hacia dentro y hacia afuera, alrededor de sus posiciones de equilibrio. Si el desplazamiento de una onda varía como el seno a lo largo de cada línea radial, es una onda esférica sinusoidal.
Una onda plana es aquella en la que todos los puntos en un plano perpendicular a la dirección de propagación tienen el mismo desplazamiento en el mismo tiempo. Se propagan en una sola dirección a lo largo del plano. Es similar a una onda sinusoidal unidimensional.

El Sonido como Onda Mecánica

El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico (aire, agua, sólidos) por variaciones de presión. En estas ondas no hay traslado de material, solo de energía. El sonido posee las siguientes propiedades:

Intensidad (Volumen): Es la energía que atraviesa un área en unidad de tiempo. Es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde la fuente. Se mide en una escala logarítmica de nivel de intensidad denominada escala decibélica, debido al amplio intervalo de intensidad sonora al que el oído humano es sensible.
Altura (Tono): Es proporcional a la frecuencia; a mayor frecuencia, mayor altura (más agudo).
Timbre: Permite diferenciar dos sonidos de igual altura e intensidad producidos por dos instrumentos distintos. En general, los sonidos tienen una frecuencia fundamental, a la que se suman ondas de frecuencia múltiplo o submúltiplo de la primera, llamadas armónicos. La presencia y la intensidad relativa de estos armónicos definen el timbre.
Duración: El tiempo que persiste un sonido.

Audición y Fonación

La impedancia timpánica es una prueba objetiva que permite medir la respuesta del oído medio al estímulo sonoro para evaluar cómo se comporta la onda sonora a lo largo de este.
La resonancia es un fenómeno en el que gran parte de la energía mecánica se transforma en una onda estacionaria de gran amplitud dentro de una cavidad o sistema, cuando la frecuencia de la excitación coincide con una de las frecuencias naturales del sistema.
Un sonido audible es la primera fase del habla, producida por las cuerdas vocales como una onda periódica con un espectro de armónicos de amplitud casi igual. El control ejercido sobre este sonido produce un fonema.
Un fonema es la unidad sonora más pequeña que tiene un papel funcional en un idioma. Los fonemas se emiten durante la espiración, donde el aire es expulsado por los órganos respiratorios y el flujo exhalado es controlado por las cuerdas vocales (ligamentos ubicados en la laringe). Al espirar aire, aumenta la presión debajo de las cuerdas vocales, haciéndolas vibrar.
La frecuencia de la serie periódica de vibraciones es menor en los hombres que en las mujeres, debido a que las cuerdas vocales masculinas tienen mayor masa y diferente tensión.
La presbiacusia es la disminución de la capacidad de audición que se da como consecuencia del envejecimiento, aproximadamente a partir de los 35 años. No es una enfermedad, sino un proceso natural.