En física , la refracción es la redirección de una onda cuando pasa de un medio a otro. La redirección puede ser causada por el cambio de velocidad de la onda o por un cambio en el medio. [1] La refracción de la luz es el fenómeno observado más comúnmente, pero otras ondas, como las ondas sonoras y las ondas de agua, también experimentan refracción. La magnitud de la refracción de una onda está determinada por el cambio en la velocidad de la onda y la dirección inicial de propagación de la onda en relación con la dirección del cambio de velocidad.
Para la luz, la refracción sigue la ley de Snell , que establece que, para un par de medios dado, la relación entre los senos del ángulo de incidencia y el ángulo de refracción es igual a la relación de las velocidades de fase en los dos medios, o equivalentemente, a los índices de refracción de los dos medios: [2]
Los prismas y lentes ópticos utilizan la refracción para redirigir la luz, al igual que el ojo humano . El índice de refracción de los materiales varía con la longitud de onda de la luz [3] y, por tanto, el ángulo de refracción también varía correspondientemente. Esto se llama dispersión y hace que los prismas y el arco iris dividan la luz blanca en sus colores espectrales constituyentes . [4]
Una explicación correcta de la refracción implica dos partes separadas, ambas resultado de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Como se describió anteriormente, la velocidad de la luz es más lenta en un medio distinto del vacío. Esta ralentización se aplica a cualquier medio como el aire, el agua o el vidrio, y es responsable de fenómenos como la refracción. Cuando la luz abandona el medio y regresa al vacío, e ignorando cualquier efecto de la gravedad , su velocidad vuelve a la velocidad habitual de la luz en el vacío, c .
Las explicaciones comunes para esta desaceleración, basadas en la idea de que la luz se dispersa o es absorbida y reemitida por los átomos, son ambas incorrectas. Explicaciones como estas provocarían un efecto "borroso" en la luz resultante, ya que ya no viajaría en una sola dirección. Pero este efecto no se ve en la naturaleza.
Una explicación correcta se basa en la naturaleza de la luz como onda electromagnética . [5] Debido a que la luz es una onda eléctrica/magnética oscilante, la luz que viaja en un medio hace que los electrones cargados eléctricamente del material también oscilen. (Los protones del material también oscilan, pero como son unas 2.000 veces más masivos, su movimiento y, por tanto, su efecto, es mucho menor). Una carga eléctrica en movimiento emite sus propias ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas emitidas por los electrones oscilantes interactúan con las ondas electromagnéticas que componen la luz original, similar a las ondas del agua en un estanque, un proceso conocido como interferencia constructiva . Cuando dos ondas interfieren de esta manera, la onda "combinada" resultante puede tener paquetes de ondas que pasan por delante del observador a un ritmo más lento. La luz efectivamente se ha ralentizado. Cuando la luz abandona el material, esta interacción con los electrones ya no ocurre y, por lo tanto, la velocidad del paquete de ondas (y por lo tanto su velocidad) vuelve a la normalidad.
Considere una onda que va de un material a otro donde su velocidad es más lenta como en la figura. Si alcanza la interfaz entre los materiales en un ángulo, un lado de la onda alcanzará primero el segundo material y, por lo tanto, disminuirá la velocidad antes. Si un lado de la ola va más lento, toda la ola girará hacia ese lado. Esta es la razón por la que una onda se alejará de la superficie o se acercará a la normal cuando se adentre en un material más lento. En el caso opuesto de una onda que alcanza un material donde la velocidad es mayor, un lado de la onda se acelerará y la onda se alejará de ese lado.
Otra forma de entender lo mismo es considerar el cambio de longitud de onda en la interfaz. Cuando la onda pasa de un material a otro donde la onda tiene una velocidad v diferente , la frecuencia f de la onda permanecerá igual, pero la distancia entre frentes de onda o longitud de onda λ = v / f cambiará. Si se disminuye la velocidad, como en la figura de la derecha, la longitud de onda también disminuirá. Con un ángulo entre los frentes de onda y la interfaz y un cambio en la distancia entre los frentes de onda, el ángulo debe cambiar sobre la interfaz para mantener los frentes de onda intactos. A partir de estas consideraciones se puede derivar la relación entre el ángulo de incidencia θ 1 , el ángulo de transmisión θ 2 y las velocidades de onda v 1 y v 2 en los dos materiales. Esta es la ley de refracción o ley de Snell y se puede escribir como [6]
El fenómeno de la refracción se puede derivar de una manera más fundamental a partir de la ecuación de onda bidimensional o tridimensional . La condición de frontera en la interfaz requerirá que la componente tangencial del vector de onda sea idéntica en los dos lados de la interfaz. [7] Dado que la magnitud del vector de onda depende de la velocidad de la onda, esto requiere un cambio en la dirección del vector de onda.
La velocidad de onda relevante en la discusión anterior es la velocidad de fase de la onda. Por lo general, esto está cerca de la velocidad de grupo , que puede verse como la velocidad más verdadera de una onda, pero cuando difieren, es importante utilizar la velocidad de fase en todos los cálculos relacionados con la refracción.
Una onda que viaja perpendicular a un límite, es decir, que tiene sus frentes de onda paralelos al límite, no cambiará de dirección incluso si cambia la velocidad de la onda.
La refracción también es responsable del arco iris y de la división de la luz blanca en un espectro de arco iris cuando pasa a través de un prisma de vidrio . El vidrio tiene un índice de refracción más alto que el aire. Cuando un haz de luz blanca pasa del aire a un material que tiene un índice de refracción que varía con la frecuencia, se produce un fenómeno conocido como dispersión , en el que componentes de diferentes colores de la luz blanca se refractan en diferentes ángulos, es decir, se curvan en diferentes ángulos. cantidades en la interfaz, de modo que se separen. Los diferentes colores corresponden a diferentes frecuencias.
Para la luz, el índice de refracción n de un material se utiliza con más frecuencia que la velocidad de la fase de onda v en el material. Están directamente relacionados a través de la velocidad de la luz en el vacío c como
Por lo tanto, en óptica , la ley de refracción normalmente se escribe como
La refracción ocurre cuando la luz atraviesa la superficie del agua, ya que el agua tiene un índice de refracción de 1,33 y el aire tiene un índice de refracción de aproximadamente 1. Mirando un objeto recto, como un lápiz en la figura aquí, que está colocado inclinado, parcialmente en el agua, el objeto parece doblarse en la superficie del agua. Esto se debe a la curvatura de los rayos de luz a medida que pasan del agua al aire. Una vez que los rayos llegan al ojo, éste los traza como líneas rectas (líneas de visión). Las líneas de visión (mostradas como líneas discontinuas) se cruzan en una posición más alta que donde se originaron los rayos reales. Esto hace que el lápiz parezca más alto y el agua parezca menos profunda de lo que realmente es.
La profundidad que parece tener el agua cuando se ve desde arriba se conoce como profundidad aparente . Esta es una consideración importante para la pesca submarina desde la superficie porque hará que el pez objetivo parezca estar en un lugar diferente y el pescador debe apuntar más bajo para capturarlo. Por el contrario, un objeto sobre el agua tiene una altura aparente mayor cuando se ve desde debajo del agua. La corrección contraria la debe realizar un pez arquero . [8]
Para ángulos de incidencia pequeños (medidos desde lo normal, cuando sen θ es aproximadamente igual que tan θ), la relación entre la profundidad aparente y la real es la relación entre los índices de refracción del aire y el del agua. Pero, a medida que el ángulo de incidencia se acerca a 90°, la profundidad aparente se acerca a cero, aunque la reflexión aumenta, lo que limita la observación en ángulos de incidencia elevados. Por el contrario, la altura aparente se acerca al infinito a medida que aumenta el ángulo de incidencia (desde abajo), pero incluso antes, a medida que se acerca al ángulo de reflexión interna total , aunque la imagen también se desvanece de la vista a medida que se acerca a este límite.
El índice de refracción del aire depende de la densidad del aire y, por tanto, varía con la temperatura y la presión del aire . Dado que la presión es menor a mayor altitud, el índice de refracción también es menor, lo que hace que los rayos de luz se refracten hacia la superficie terrestre cuando viajan largas distancias a través de la atmósfera. Esto cambia ligeramente las posiciones aparentes de las estrellas cuando están cerca del horizonte y hace que el sol sea visible antes de que se eleve geométricamente sobre el horizonte durante el amanecer.
Las variaciones de temperatura en el aire también pueden provocar la refracción de la luz. Esto puede verse como una neblina de calor cuando se mezcla aire frío y caliente, por ejemplo, sobre un fuego, en el escape de un motor o al abrir una ventana en un día frío. Esto hace que los objetos vistos a través del aire mezclado parezcan brillar o moverse aleatoriamente a medida que se mueve el aire frío y caliente. Este efecto también es visible en las variaciones normales de la temperatura del aire durante un día soleado cuando se utilizan teleobjetivos de gran aumento y, a menudo, limita la calidad de la imagen en estos casos.[9] De manera similar, la turbulencia atmosférica produce distorsiones que varían rápidamente en las imágenes de los telescopios astronómicos , lo que limita la resolución de los telescopios terrestres que no utilizan óptica adaptativa u otras técnicas para superar estas distorsiones atmosféricas .
Las variaciones de temperatura del aire cerca de la superficie pueden dar lugar a otros fenómenos ópticos, como espejismos y Fata Morgana . Lo más común es que el aire calentado por una carretera caliente en un día soleado desvíe la luz que se acerca en un ángulo poco profundo hacia el espectador. Esto hace que la carretera parezca reflectante, dando la ilusión de que el agua la cubre.
En medicina , particularmente en optometría , oftalmología y ortóptica , la refracción (también conocida como refractometría ) es una prueba clínica en la que el profesional de la visión adecuado puede utilizar un foróptero para determinar el error refractivo del ojo y las mejores lentes correctivas que se pueden prescribir. Se presenta una serie de lentes de prueba en potencias ópticas graduadas o longitudes focales para determinar cuál proporciona la visión más nítida y clara. [10] La cirugía refractiva es un procedimiento médico para tratar trastornos comunes de la visión.
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Las ondas del agua viajan más lentamente en aguas menos profundas. Esto se puede utilizar para demostrar la refracción en tanques de ondas y también explica por qué las olas en la costa tienden a golpear la costa cerca de un ángulo perpendicular. A medida que las olas viajan desde aguas profundas hacia aguas menos profundas cerca de la costa, se refractan desde su dirección de viaje original a un ángulo más normal a la costa. [11]
En acústica submarina , la refracción es la curvatura de un rayo de sonido que se produce cuando el rayo pasa a través de un gradiente de velocidad del sonido desde una región de una velocidad del sonido a una región de una velocidad diferente. La cantidad de curvatura de los rayos depende de la cantidad de diferencia entre las velocidades del sonido, es decir, la variación de temperatura, salinidad y presión del agua. [12] También se encuentran efectos acústicos similares en la atmósfera terrestre . El fenómeno de la refracción del sonido en la atmósfera se conoce desde hace siglos. [13] A principios de la década de 1970, se puso de moda el análisis generalizado de este efecto mediante el diseño de carreteras urbanas y barreras acústicas para abordar los efectos meteorológicos de la curvatura de los rayos sonoros en la atmósfera inferior. [14]
Resulta de las condiciones límite que deben cumplir la onda entrante y la transmitida en el límite entre ambos medios.
Básicamente, las componentes tangenciales de los vectores de onda deben ser idénticas, ya que de lo contrario la diferencia de fase entre las ondas en el límite dependería de la posición y los frentes de onda no podrían ser continuos.
Dado que la magnitud del vector de onda depende del índice de refracción del medio, dicha condición sólo puede cumplirse en general con direcciones de propagación diferentes.
