La luz, visión del ojo humano

El color percibido de un objeto depende de cómo esta iluminado, el color es un resultado de la interacción de una onda luminosa con tal material.

De cada punto hay un poco de luz que nos llega al ojo.

Newton pensaba que la luz se compone de partículas. Huygens que la luz era una onda.

Hoy en día esta el modelo cuántico, que comparte características de onda y partículas, el modelo ondulatorio es el que mejor sirve para explicar.

Cuando el objeto es blanco es porque refleja todos los colores.

La retina del ojo, tiene un punto de última visión que se llama fóveo, que tiene unas células llamadas conos, que permiten distribuir los colores. Por al periferia están otros tipos de células que se llaman bastones, que no distinguen colores.

En visión fotópica, con mucha luz, el sistema de visión concentra en zona fóvea, en los conos, que son menos sensibles a la luz, necesitan más luz pero ven de forma mas detallada. La contraria se llama escotópica, es la visión con bajo nivel de luz, se centra la visión fuera de la fovéa y se ve con bastones, de manera que si hay poca luz se ve en blanco y negro, Los bastones son muy sensibles a la luz y dan poca resolución, se ve con menos definición.

Defectos de la vista.

 La Persbicea (vistacansada) es un defecto o imperfección de la vista que consiste en la disminución de la capacidad de enfoque del ojo. Como consecuencia existe dificultad para ver nítidamente los objetos cercanos.

El ojo para poder observar claramente los objetos próximos, necesita realizar una modificación en la forma del cristalino, mediante el trabajo de los llamados músculos ciliares. Con el paso de los años el cristalino disminuye su capacidad de adaptación (pierde flexibilidad) y de esta manera no puede enfocar con nitidez los objetos cercanos. Este defecto se corrige con lentes convexas para suplir la falta de acomodación.

La Hipermetropía consiste en que los rayos de luz que inciden en el  ojo procedentes del infinito, se enfocan en un punto situado detrás de la  retina, en lugar de en la misma retina como sería normal. La consecuencia es que la imagen es borrosa y puede existir por lo tanto una falta de agudeza visual, se ve mal de cerca. Es un defecto muy frecuente, aunque no es progresivo ni tiene repercusiones graves, se trata mediante el uso de lentes correctoras

La Miopía es un exceso de potencia de refracción de los medios transparentes del ojo con respecto a su longitud, por lo que los rayos luminosos procedentes de objetos situados a cierta distancia del ojo convergen hacia un punto anterior a la retina. Una persona con miopía tiene dificultades para enfocar bien los objetos lejanos, lo que puede conducir también a dolores de cabeza, incomodidad visual e irritación del ojo.

            El Astigmatismo es un estado ocular que generalmente proviene de un problema en la curvatura de la córnea, lo que impide el enfoque claro de los objetos cercanos. La córnea, que es una superficie esférica, sufre un achatamiento en sus polos, lo cual produce distintos radios de curvatura en el eje del ojo, por ende cuando la luz llega al ojo, específicamente en la córnea, la imagen que se obtiene es poco nítida y distorsionada.

La dualidad onda-partícula, no coincide con nuestra percepción, es un ente cuántico.

Para representar la luz se utiliza el rayo luminoso, de cada punto llega un pequeño haz de luz, un rayo, esto permite al sistema óptico que se nos forme una imagen en la retina y que el cerebro la retenga.

Los rayos de luz:

·        Reciben y no se emiten por los ojos

·        Viajan en línea recta

·        No necesitan un medio para propagarse

·        Se disipan al atravesar un medio

Existen medios en los que no hay propagación ¿partículas o ondas?

• Fuentes de luz: objetos a altas temperaturas, átomos excitados
• Fuentes puntual (a) es un concepto teórico, ejemplo: una bombilla vista desde lejos.
• Fuente extensa (B) (cada punto es un emisor). Ejemplo: fluorescente.
• Fuentes directas (reflectores, láser)

¿Por qué el cielo es azul? la difusión de  Rayleigh  que se produce cuando llegan los rayos de luz a la atmósfera. De cada punto donde hay moléculas, el fotón absorbe fotones, y los reenvía. En ingles se usa la palabra Scattering. Es un efecto cascada, los rayos que pegan en una molécula, se chocan con el otro. El rojo se difunde menos, y el azul más por eso al mirar el cielo se ve azul.

El secreto del color azul del cielo esta relacionado con la composición de la luz solar -integrada por los distintos colores del arco iris- y con la humedad de la atmósfera. (El Sol es quien se encarga de procurar al aire su humedad. Con su calor, hace que parte del agua de la superficie terrestre se evapore. En corriente invisible pero incesante, la humedad se dirige hacia el cielo desde los océanos, mares, lagos y ríos; desde el suelo, las plantas y los cuerpos de los animales y del hombre).

Para explicar el color azul del cielo, imaginemos que dejamos pasar un rayo de sol por un prisma de vidrio. La luz se abre en un abanico de colores (se dispersa) por refracción y como resultado de esta dispersión vemos una gama de colores: violeta, azul, verde, amarillo y rojo. El rayo violeta es el que se ha separado mas de la dirección del rayo blanco y ahí esta precisamente la explicación del color del cielo. La desviación es máxima para los rayos de longitud de onda corta (violeta y azul), y mínima para los de longitud de onda larga (amarillos y rojos), que casi no son desviados. Los rayos violetas y azules, una vez desviados, chocan con otras partículas de aire y nuevamente varían su trayectoria, y así sucesivamente: realizan, pues, una danza en zigzag en el seno del aire antes de alcanzar el suelo terrestre. Cuando, al fin, llegan a nuestros ojos, no parecen venir directamente del Sol, sino que nos llegan de todas las regiones del cielo, como en forma de fina lluvia. De ahí que el cielo nos parezca azul, mientras el Sol aparece de color amarillo, pues los rayos amarillos y rojos son poco desviados y van casi directamente en línea recta desde el Sol hasta nuestros ojos.

Si profundizamos un poco más, la explicación es más compleja. La luz es una onda electromagnética y las piezas fundamentales de la materia en su estado más frecuente en la Tierra, son los átomos. Si las partículas existentes en la atmósfera, tienen un tamaño igual o inferior al de la longitud de onda de la luz incidente (átomos aislados o pequeñas moléculas), la onda cede parte de su energía a la corteza atómica que comienza a oscilar, de manera que un primer efecto de la interacción de la luz con las partículas pequeñas del aire es que la radiación incidente se debilita al ceder parte de su energía, lo que le sucede a la luz del Sol cuando atraviesa la atmósfera. Evidentemente esta energía no se queda almacenada en el aire, pues cualquier átomo o partícula pequeña cuya corteza se agita, acaba radiando toda su energía en forma de onda electromagnética al entorno en cualquier dirección. El proceso completo de cesión y remisión de energía por partículas de tamaño atómico se denomina difusión de RAYLEIGH (en honor del físico inglés Lord Rayleigh que fue el primero en darle explicación) siendo la intensidad de la luz difundida inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. La difusión será mayor por tanto, para las ondas más cortas: Como consecuencia de ello, llegamos a la misma conclusión, la luz violeta es la más difundida y la menos, la roja. El resultado neto es que parte de la luz que nos llega desde el Sol en línea recta, al alcanzar la atmósfera se difunde en todas direcciones y llena todo el cielo.

El color del cielo, debería ser violeta por ser ésta la longitud de onda más corta, pero no lo es, por dos razones fundamentalmente: porque la luz solar contiene más luz azul que violeta y porque el ojo humano (que en definitiva es el que capta las imágenes -aunque el cerebro las interprete-), es más sensible a la luz azul que a la violeta.

El color azul del cielo se debe por tanto a la mayor difusión de las ondas cortas. El color del sol es amarillo-rojizo y no blanco, porque si a la luz blanca procedente del Sol -que es suma de todos los colores- se le quita el color azul, se obtiene una luz de color amarillo-roja

Si no hubiera partículas en la atmósfera, o no hubiera atmósfera, al no haber difusión, este aparecería negro, excepto el Sol, naturalmente, que seguiría viéndose blanco. Esto es lo que les ocurre a los astronautas en órbita en el exterior de la atmósfera.

La luna no tiene atmósfera, la tuvo en algún momento pero ahora no.

 La dispersión se suele relacionar con la cromática , hace referencia a la diferente difracción de la luz según la frecuencia.

¿Por qué la tierra tiene atmósfera? La velocidad de escape está relacionada, en tierra podemos poner un cohete con tal velocidad que supera la atracción gravitatoria….las moléculas del gas de la atmósfera tiene un nivel medio de energía cinética más bajo que la que tendrían el cohete de velocidad elevada, y por ello no se escapan. La luna como tiene menos masa, tiene menos acción gravitatoria, pero como la velocidad de las partículas era superior a la de escape, perdió su atmósfera. Otro factor importante seria la temperatura (energía cinética media de las partículas) si estuviera muy caliente seria que hemos subido la energía cinética media)

El sol no tiene atmósfera, pero sí capas gaseosas, no se está diluyendo sino radiando energía, pero su materia gaseosa está más o menos estable, con una campo gravitatorio menor no sería así.

En el cosmos, enana blanca, su hidrógeno lo ha convertido en helio, no tiene temperatura para fundir el helio, y queda un núcleo denso, que se llama enana blanca, sin atmosfera y sin capas gaseosas.

Algunas cosas son visibles porque son fuentes de luz. Otras reflejan la luz.

Reflexión en superficies rugosas: reflexión difusa.

Reflexión en superficies suaves: reflexión especular, no tiene porque ser igual que la del punto de al lado.

• Reflexión especular: si la superficie de un material es microscópicamente lisa y plana, como en el caso del vidrio flota, los haces de luz incidentes y reflejados crean el mismo ángulo con una normal a la superficie de reflexión produciendo una reflexión especular. 

• Reflexión difusa: si la superficie de un material es ‘rugosa’, y no microscópicamente lisa, se producirán reflexiones difusas. Cada rayo de luz que cae en una partícula de la superficie obedecerá la ley básica de la reflexión, pero como las partículas están orientadas de manera aleatoria, las reflexiones se distribuirán de manera aleatoria. Una superficie perfecta de reflexión difusa en la práctica reflejaría la luz igualmente en todas direcciones, logrando una terminación mate perfecta.

Las superficies de vidrio con dibujo o delicadamente grabadas producen significativas reflexiones difusas.   

Leyes: el ángulo de reflexión es igual al de incidencia

El rayo reflejado, la normal, y el incidente están en el mismo plano.

Refracción:

La frecuencia es la misma en los dos materiales.

En el vacío es cuando la onda electromagnética, adquiere mayor velocidad, en el medio menos denso, en cambio el sonido se transmite mejor en el mas denso.

La velocidad de la onda es diferente en los dos materiales

V=c/n

Cambia la longitud de onda, no la frecuencia (la cromaticidad de conserva)

Existe una relación entre el ángulo de incidencia y el de refracción

sin a₁ n₁= n₂ sin a₂  (ley de Snell)

Reflexión total: cuando pasa de un medio denso a uno menos denso

n_1: menos denso

n₂: más denso

La fibra óptica nos permite entubar la luz, a traves de un hilo fino de vidrio que tiene un núcleo o core, que lleva capas alrededor, la luz que va por fibras óptica es bastante monocromática (una sola frecuencia), de ancho de banda estrecho. Es luz infrarroja, el rango óptico cubre más allá de lo que ve el ojo.

La electricidad no nos lleva por fibra óptica.

Para el transporte de energía hoy por hoy no es suficiente con la óptica.

La atmósfera esta hecha con capas de diferente densidad y temperatura. Tienen diferente índice de refracción, la luz se refracta. Esto conlleva:

Distorsión de la forma de la luna o el sol el el horizonte

Posición aparente de las estrellas diferentes de la real

Si la luz va de capas de índice de refracción mayor a índice de refracción menor se produce la reflexión total: espejismos.

En las capas de la atmósfera, el índice de refracción varía. Al atardecer los rayos sufren una curvatura.

Rayos rojos se refractan más que los azules. Por eso se producen efectos aparentes al amanecer y al atardecer vemos sol donde realmente no esta.

Los espejismos es ver una aparente reflexión de la luz. En verano cuando hace calor parece que los objetos se mueven, eso es que el índice de refracción es variable. Lo mismo ocurre con los barcos, que a veces parece que están por encima del mar.

Guías de luz: son fibras ópticas usadas en comunicación, <medicina, ciencia, decoración, fotografía.

Curiosidades

Al atardecer o al amanecer la luz del sol debe hacer un largo recorrido a través de la atmosfera hasta llegar a nuestros ojos gran parte de la luz azul e incluso verde se refleja y se dispersa quedan los tonos naranjas y rojos. Pueden darse otras tonalidades sin en el aire hay moléculas de agua o de polvo.

La Reflexión

Cuando la superficie reflectante es muy lisa ocurre una reflexión de luz llamada especular o regular. Para este caso las leyes de la reflexión son las siguientes:

1. El rayo incidente, el rayo reflejado y la recta normal, deben estar en el mismo plano (mismo medio), con respecto a la superficie de reflexión en el punto de incidencia.
2. El ángulo formado entre el rayo incidente y la recta normal es igual al ángulo que existe entre el rayo reflejado y la recta normal.

θ_i = θ_r

¿Por qué la luz se refleja o refracta? Depende de la superficie la luz se refleja porque llega a la materia, pero que es exactamente esa materia. Se encuentra materia y depende de los núcleos y electrones, dependerá si se refleja. Esa onda hace que en la materia se produzcan oscilaciones de naturaleza electromagnética, empiezan a hacerse “eco” y emiten una onda. Si la materia es de determinadas características se produce la reflexión o refracción. La materia se ha puesto en unos estados de oscilación acompasados con la onda.

¿Porque se reflejan colores? En una onda visible lleva diferente longitudes de onda combinadas, el haz de luz lo desvía de forma diferente y  los separa.

Hay determinadas ondas que la materia no puede absorber por eso se produce el fenómeno de los colores.

¿Por qué vemos los objetos de determinados colores?

Los objetos absorben y reflejan la luz de forma distinta dependiendo de sus características físicas, como su forma o composición…. 

El color que percibimos de un objeto es el rayo de luz que rechaza. Nosotros captamos esos “rebotes” con diferentes longitudes de onda, por medio de los ojos gracias a su estructura. Si los rayos de luz atraviesan al objeto, este es invisible.

Las células sensoriales de la retina que reaccionan de forma distinta a la luz y los colores se les llaman bastones y conos respectivamente y son las encargadas de captar las cosas como las vemos.

Test de Ishihara. ¿hasta qué punto la percepción es humana es

 Igual en todos los individuos? Se investiga desde la óptica aunque tiene que ver con la psicofísica.

Dentro de la reflexión se distingue cuando la superficie es lisa pulida reflexión especular (espejo), la que no ves reflexión difusa (la pared).

Refracción debida a eco de la onda que ha llegado, resulta que en este medio la propagación es diferente que en el medio, la dirección de la onda se acerca más a la normal y se produce una disminución de la velocidad de la onda.

El cociente de velocidades es el índice de refracción.

En muchas ocasiones la onda refractada es absorbida rápidamente en la materia. La energía de la onda es absorbida, que calienta la materia de manera indetectable, produce más agitación de las moléculas.

¿La velocidad de la luz en el vacío es la misma siempre? va siempre a la misma velocidad. Nada más puede ir a la velocidad de la luz, porque haría falta energía infinita.

La luz no necesita medio natural. Mas despacio se propaga cuando más denso, al contrario de una onda magnética.

Puede haber una partícula en el agua que vaya a una velocidad de la luz en el agua. Si en un medio natural una partícula puede llevar una velocidad superior a la de la luz en determinado medio , pero nunca que la luz en el vacío, rayos cósmicos.

Ondas Electromagnéticas

¿Qué tipo de ondas electromagnéticas existen?

• Ondas de radio: como se puede emitirse  producen por un circuito eléctrico. Una antena de radio emite energía en la relación perpendicular (antena encima de la casa no tiene peligro solo para los vecinos).

• Microondas. Modificación de los niveles rotacionales y vibracionales. Se usan para muy diversos fines, longitud de onda menor que la de radio. En el ámbito de la  teledetección. Satélite microondas y detecta el reflejo por ejemplo para detectar minas metálicas.

El sonar utiliza ondas sonoras y detecta el equipo que emite el material interpuesto.

Magnetrón: se usa en los microondas.

El infrarrojo: estamos bañados, cualquier cuerpo a una determinada temperatura emite infrarrojos. ¿Qué le pasa a un cuerpo caliente para emitir infrarrojos? Hay agitación de partículas los electrones pasan de niveles excitados a no excitados. Equilibrio térmico con el entrono.

¿Si el ojo humano viera el infrarrojo? Veríamos todo. También producen calor,  por ejemplo la ventana del coche el vidrio absorbe la ultravioleta y pero el calor nos llega.

Los seres vivos han adaptado su visión a la zona óptima. Según la especie hay pequeñas variaciones.

El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0.

Se pone de manifiesto en numerosas situaciones cotidianas, por ejemplo, el mal funcionamiento de los teléfonos móviles en el interior de ascensores o edificios con estructura de rejilla de acero.

La luz visible es una banda muy estrecha, es una pequeña porción del espectro electromagnético.

Se lleva a estado mas excitados luego se relajan y emiten. Son radiaciones no ionizantes, no hacen daño al tejido.

·        Ultravioleta emite el sol, emite mucho infrarrojo.

• Rayos X: en un hospital hay muchos. En nuestro entorno, no hay casi nada. Tiene que ser la dosis de radiación mínima, comparada con antiguamente.

Se usa en investigación para descubrir la estructura de la materia.

• Rayos gamma: asociados por efecto en su núcleo atómico. Se emplean para fines médicos, siempre de manera controlada. En nuestro entorno hay pocos rayos gamma. Del cosmos llegan rayos gamma. Generamos fotones cuya energía es superior a la mc² de todas partículas, estamos antes lo fotones de mayor energía tiene una interacción mas profunda en el ámbito de lo nuclear.

La materia en sus distintos estados de agregación puede emitir o absorber protones de distinta energía. Estamos bañados de ondas electromagnéticas. Si nos centráramos en el campo de la óptica, que abarca

El campo eléctrico y magnético va variando con el tiempo cíclicamente.  

La luz comparte propiedades de onda y corpúsculo, no cabe una representación concreta, porque no lo podemos percibir directamente con nuestros sentidos.

Un conjunto de fotones lo podemos representar como una onda que tiene un principio y un fin.

No hay ninguna onda infinita, pero nosotros para hacer problemas usamos ese modelo, como si fuera infinita (condición matemática).Se hace la transposición didáctica a un modelo que no es una representación fiel de la realidad.

Velocidad de una galaxia

¿Cómo sabemos la velocidad de una galaxia frente a la de la tierra? Buscando un sistema de referencia. Hay una radiación cósmica que se puede usar como referencia.

Efecto Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo entre la fuente, el emisor y/o el medio.

La frecuencia es lo que mide cómo de agudo o grave es el sonido. A mayor frecuencia, más agudo, y a menor frecuencia, más grave.

El emisor emite siempre con las mismas frecuencias (y por tanto misma longitud de onda). En este caso, el camión está parado respecto al hombre. Entonces el sonido que le llega tiene la misma longitud de onda (y por tanto frecuencia) que el que emite el camión, por lo que no hay variación en el tono (frecuencia)

Si el camión se mueve:

Cuando el camión emite un sonido, no en la misma posición que el anterior, sino un poco más delante, por lo que hay  menor longitud de onda, y por tanto más frecuencia, lo que se traduce en que el  hombre recibe un tono más agudo. Cuando el camión se aleja, sucede justo lo contrario

La sustancia más elemental es el hidrógeno. Tiene un espectro de emisión, emite fotón. Aparecen niveles que identifica la sustancia. Con técnicas espectroscópica se pueden identificar, por ello sabemos que en el cosmos no hay H₂.

Cuando remueve el espectro se desplaza en frecuencia, en su conjunto.

El acercamiento al rojo, corrimiento hacia el rojo o desplazamiento hacia el rojo (en inglés: redshift), ocurre cuando la radiación electromagnética, normalmente la luz visible, que se emite o refleja desde un objeto es desplazada hacia el rojo al final del espectro electromagnético. De manera más general, el corrimiento al rojo es definido como un incremento en la longitud de onda de radiación electromagnética recibidas por un detector comparado con la longitud de onda emitida por la fuente. Este incremento en la longitud de onda se corresponde con un decrecimiento en la frecuencia de la radiación electromagnética. En cambio, el decrecimiento en la longitud de onda es llamado corrimiento al azul. Cualquier incremento en la longitud de onda se llama "corrimiento hacia el rojo", incluso si ocurre en radiación electromagnética de longitudes de onda no visibles, como los rayos gamma, rayos X y radiación ultravioleta. Esta denominación puede ser confusa ya que, a longitudes de onda mayores que el rojo (por ejemplo. infrarrojo, microondas y ondas de radio), los desplazamientos hacia el rojo se alejan de la longitud de onda del rojo.

Un corrimiento hacia el rojo puede ocurrir cuando una fuente de luz se aleja de un observador, correspondiéndose a un desplazamiento Doppler. Aunque la observación de tales desplazamientos hacia el rojo, o su complementario hacia el azul, tiene numerosas aplicaciones terrestres (por ejemplo, Radar Doppler y pistola radar), la espectroscopia astronómica utiliza los corrimientos al rojo Doppler para determinar el movimiento de objetos astronómicos distantes Este fenómeno fue predicho por primera vez y observado en el Siglo XIX cuando los científicos empezaron a considerar las implicancias dinámicas de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Otro mecanismo de corrimiento hacia el rojo es la expansión métrica del espacio, que explica la famosa observación de los corrimientos al rojo espectrales de galaxias distantes, quasars y nubes gaseosas intergalácticas se incrementan proporcionalmente con su distancia al observador. Este mecanismo es una característica clave del modelo del  Big Bang de la cosmología física

Un tercer tipo de corrimiento al rojo, el corrimiento al rojo gravitacional (también conocido como efecto Einstein), es un resultado de la dilatación del tiempo que ocurre cerca de objetos masivos, de acuerdo con la relatividad general.

¿A qué distancia está un astro?

Hubble relaciona distancias con velocidad. Cuanto mas lejos están los objetos de la Tierra, más rápido se desplazan.

Quasarks

Las galaxias tienen dos tipos de radiación,  ondas electromagnéticas, cuanto mas radiación hay es que la galaxia es más activa. Una parte de estas energías proviene de las estrellas de la galaxia pero otra parte peculiar de este tipo de galaxias:

Ea: de las estrellas

Eb: proviene del centro, agujero negro, emiten quasar. Los quasar son los objetos más lejanos que vemos. Estos son objetos muy antiguos. Vemos una etapa en la que se estaban formando las galaxias. 

La radiación de cuerpo negro a 3K, es una radiación de microondas residuo del bigban y comprobadísimo. La investigación está centrada en los primeros momentos del bigban. El LHC, acelaredor de partículas, intenta aclarar los momentos de antes del big ban.