En física , la refracción es la redirección de una onda a medida que 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 con más frecuencia, pero otras ondas, como las ondas sonoras y las ondas de agua, también experimentan refracción. La medida en que se refracta 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 dado de medios, 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 lo tanto, el ángulo de refracción también varía en consecuencia. Esto se llama dispersión y hace que los prismas y los arcoíris 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 ha descrito anteriormente, la velocidad de la luz es menor en un medio distinto del vacío. Esta desaceleración se aplica a cualquier medio, como el aire, el agua o el vidrio, y es responsable de fenómenos como la refracción. Cuando la luz sale del medio y vuelve 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 habituales de 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 causarían un efecto de "borrosidad" en la luz resultante, ya que ya no viajaría en una sola dirección. Pero este efecto no se observa en la naturaleza.
Una explicación correcta se basa en la naturaleza de la luz como una 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 alrededor de 2000 veces más masivos, su movimiento y, por lo tanto, su efecto, es mucho menor). Una carga eléctrica en movimiento emite ondas electromagnéticas propias. Las ondas electromagnéticas emitidas por los electrones oscilantes interactúan con las ondas electromagnéticas que forman la luz original, de manera similar a las ondas de 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 un observador a una velocidad más lenta. La luz se ha ralentizado efectivamente. Cuando la luz sale del material, esta interacción con los electrones ya no ocurre y, por lo tanto, la tasa de paquetes de ondas (y, por lo tanto, su velocidad) vuelve a la normalidad.
Consideremos una onda que va de un material a otro donde su velocidad es menor, 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, se ralentizará antes. Si un lado de la onda va más lento, toda la onda pivotará hacia ese lado. Por eso, una onda se alejará de la superficie o se dirigirá hacia la normal cuando se introduzca en un material más lento. En el caso opuesto, si una onda llega a un material donde la velocidad es mayor, un lado de la onda se acelerará y la onda pivotará alejándose 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 los frentes de onda o longitud de onda λ = v / f cambiará. Si la velocidad disminuye, 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 en la interfaz para mantener intactos los frentes de onda. 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 puede escribirse 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 límite en la interfaz requerirá entonces que el componente tangencial del vector de onda sea idéntico 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 el análisis anterior es la velocidad de fase de la onda. Esta suele ser cercana a la velocidad de grupo , que puede considerarse 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 perpendicularmente 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.
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La refracción también es responsable de los arcoíris y de la división de la luz blanca en un espectro de arcoíris cuando pasa a través de un prisma de vidrio . El vidrio y el agua tienen índices de refracción más altos 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 (y la longitud de onda), se produce un fenómeno conocido como dispersión , en el que los diferentes componentes de color de la luz blanca se refractan en diferentes ángulos, es decir, se doblan en diferentes cantidades en la interfaz, de modo que se separan. Los diferentes colores corresponden a diferentes frecuencias y diferentes longitudes de onda.
En el caso de la luz, el índice de refracción n de un material se utiliza con más frecuencia que la velocidad de fase de onda v en el material. Están directamente relacionados a través de la velocidad de la luz en el vacío c como En óptica , por lo tanto, la ley de refracción se escribe típicamente como
La refracción se produce 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. Si observamos un objeto recto, como un lápiz en la figura que se muestra aquí, que está colocado de forma inclinada, parcialmente dentro del agua, el objeto parece doblarse en la superficie del agua. Esto se debe a la curvatura de los rayos de luz a medida que se mueven desde el agua hacia el aire. Una vez que los rayos llegan al ojo, este los sigue 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 aparente del agua cuando se la observa 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 abajo para atraparlo. Por el contrario, un objeto que se encuentra sobre el agua tiene una altura aparente mayor cuando se lo observa desde abajo. La corrección opuesta debe realizarse con un pez arquero . [8]
Para ángulos de incidencia pequeños (medidos desde la normal, cuando sen θ es aproximadamente igual a 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 altos. 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 lo 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 de la Tierra 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 causar refracción de la luz. Esto se puede ver como una neblina de calor cuando se mezclan aire caliente y frío, por ejemplo, sobre un fuego, en el escape del 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 mueven el aire caliente y el frío. Este efecto también es visible a partir de las variaciones normales en 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 los espejismos y la fata morgana . Lo más habitual es que el aire calentado por una carretera caliente en un día soleado desvíe la luz que se aproxima en un ángulo poco pronunciado hacia el observador. Esto hace que la carretera parezca reflejarse, dando la ilusión de que está cubierta de agua.
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 vista adecuado puede utilizar un foróptero para determinar el error refractivo del ojo y las mejores lentes correctivas que se deben prescribir. Se presenta una serie de lentes de prueba en potencias ópticas graduadas o distancias 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 de agua se desplazan 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 una costa tienden a golpear la costa cerca de un ángulo perpendicular. A medida que las olas se desplazan desde aguas profundas hacia aguas menos profundas cerca de la costa, se refractan desde su dirección original de desplazamiento 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 de sonido a una región de una velocidad diferente. La cantidad de curvatura del rayo depende de la cantidad de diferencia entre las velocidades del sonido, es decir, la variación en la temperatura, la salinidad y la presión del agua. [12] También se encuentran efectos acústicos similares en la atmósfera de la Tierra . El fenómeno de la refracción del sonido en la atmósfera se conoce desde hace siglos. [13] A principios de la década de 1970, el análisis generalizado de este efecto se puso de moda a través del diseño de autopistas urbanas y barreras acústicas para abordar los efectos meteorológicos de la curvatura de los rayos de sonido en la atmósfera inferior. [14]
Resulta de las condiciones de contorno que deben cumplir la onda entrante y la transmitida en el límite entre los dos medios. Esencialmente, los componentes tangenciales de los vectores de onda deben ser idénticos, 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. Como la magnitud del vector de onda depende del índice de refracción del medio, dicha condición en general solo se puede cumplir con diferentes direcciones de propagación.
