La luz y el sonido

Para que exista sonido, debe haber una vibración. Cuando un objeto vibra (como una cuerda de guitarra o nuestras cuerdas vocales), empuja las moléculas de aire circundantes, creando zonas de compresión (alta presión) y rarefacción (baja presión).

• Transmisión de energía: El sonido transporta energía, no materia. Las partículas oscilan, pero no viajan con la onda.
• Medio material: Al ser una onda mecánica, el sonido necesita obligatoriamente un medio material (sólido, líquido o gas) para propagarse. En el vacío, el sonido no se propaga.

La velocidad a la que viaja el sonido depende de la elasticidad y la densidad del medio. Como regla general, el sonido viaja más rápido en los sólidos y más lento en los gases.

Factores influyentes:

1. Estado de agregación: Las partículas están más juntas en los sólidos, facilitando la transmisión de la vibración.
2. Temperatura: En los gases, a mayor temperatura, mayor es la velocidad del sonido (en el aire aumenta unos $0,6 m/s$ por cada grado Celsius).

Diferenciamos unos sonidos de otros gracias a tres características:

• Intensidad: Relacionada con la amplitud de la onda. Se mide en decibelios (dB). Distingue sonidos fuertes de débiles.
• Tono: Relacionado con la frecuencia ($f$). Se mide en Hercios (Hz).
  • Alta frecuencia = Sonido agudo.
  • Baja frecuencia = Sonido grave.
• Timbre: Depende de la forma de la onda. Es lo que nos permite distinguir la misma nota musical tocada por un piano o un violín.

Cuando una onda sonora choca contra un obstáculo, rebota. Este fenómeno se llama reflexión.

• Eco: Se produce cuando el sonido reflejado llega a nuestro oído con un retraso de al menos 0,1 segundos respecto al sonido directo. Para que esto ocurra en el aire, el obstáculo debe estar a una distancia mínima de 17 metros.
• Reverberación: Si la distancia es menor a 17 metros, el sonido reflejado se mezcla con el original, alargándolo de forma confusa.
• Sonar: Tecnología basada en la reflexión de ultrasonidos para medir profundidades marinas o detectar objetos sumergidos.

El oído transforma las vibraciones del aire en impulsos eléctricos que el cerebro interpreta.

• Espectro audible: El ser humano medio solo puede oír frecuencias comprendidas entre los 20 Hz y los 20.000 Hz (20 kHz).
• Contaminación acústica: El ruido excesivo daña las células ciliadas del oído. La OMS sitúa el umbral de dolor en torno a los 120 dB, pero exposiciones prolongadas a más de 85 dB ya son perjudiciales.

• Infrasonidos: Frecuencias por debajo de 20 Hz (producidas por terremotos o elefantes).
• Ultrasonidos: Frecuencias por encima de 20.000 Hz.
  • Ecolocalización: Los murciélagos y delfines los usan para "ver" mediante el eco.
  • Ecografías: Uso médico para obtener imágenes del interior del cuerpo sin radiación ionizante.

Actualmente aceptamos la dualidad onda-partícula: la luz se comporta como una onda en su propagación y como un chorro de partículas (fotones) al interactuar con la materia.

• Propagación en el vacío: La luz no necesita un medio material.
• Velocidad máxima: En el vacío, la luz viaja a una velocidad constante $c \approx 300.000.000 m/s$ ($3 \cdot 10^8 m/s$).

La luz visible es solo una pequeña parte de todas las radiaciones posibles.

1. Radiaciones de baja energía: Ondas de radio, microondas, infrarrojos (calor).
2. Luz visible: Del rojo (menor frecuencia) al violeta (mayor frecuencia).
3. Radiaciones de alta energía: Ultravioleta (UV), Rayos X, Rayos Gamma. A mayor frecuencia, mayor es la energía que transporta la radiación.

Según cómo dejan pasar la luz, los objetos se clasifican en:

• Transparentes: Permiten el paso de la luz y dejan ver imágenes nítidas (vidrio).
• Translúcidos: Dejan pasar la luz pero la dispersan; no se ve nítido (papel cebolla).
• Opacos: No dejan pasar la luz. Generan sombras (zonas sin luz) y penumbras (zonas parcialmente iluminadas).

Cuando la luz incide sobre una superficie pulimentada, se refleja siguiendo dos reglas:

1. El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.
2. El ángulo de incidencia ($\hat{i}$) es igual al ángulo de reflexión ($\hat{r}$).

• Reflexión especular: En superficies lisas (espejos). Los rayos salen paralelos.
• Reflexión difusa: En superficies rugosas. Los rayos salen en todas direcciones, permitiéndonos ver los objetos desde cualquier ángulo.

Las imágenes en espejos planos son:

• Virtuales: Se forman por la prolongación de los rayos detrás del espejo.
• Derechas: Tienen la misma orientación vertical.
• Simétricas: Se encuentran a la misma distancia del espejo que el objeto.
• Presentan inversión lateral (la derecha parece la izquierda).

• Cóncavos (Convergentes): La superficie reflectante es la parte interior de la esfera. Pueden aumentar objetos o concentrar rayos en un punto llamado foco.
• Convexos (Divergentes): La superficie es la parte exterior. Siempre forman imágenes virtuales, derechas y más pequeñas, pero ofrecen un mayor campo visual (usados en parkings o retrovisores).

Es el cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio transparente a otro de distinta densidad, debido a que la luz cambia de velocidad. El Índice de refracción ($n$) se define como: $n = \frac{c}{v}$ Donde $c$ es la velocidad en el vacío y $v$ en el medio.

• Ángulo límite: Cuando la luz pasa de un medio más denso a uno menos denso, si el ángulo de incidencia es muy grande, la luz no sale del medio y se refleja totalmente (reflexión total), principio en el que se basa la fibra óptica.

Son objetos transparentes limitados por superficies curvas que refractan la luz.

• Convergentes: Más gruesas por el centro. Juntan los rayos en el foco. Se usan para lupas y corregir la hipermetropía.
• Divergentes: Más delgadas por el centro. Separan los rayos. Se usan para corregir la miopía.

La luz blanca es una mezcla de todos los colores. Al pasar por un prisma, cada color (frecuencia) se refracta con un ángulo diferente. El rojo es el que menos se desvía y el violeta el que más. Este es el origen del arcoíris.

El ojo funciona como una cámara fotográfica:

• Cristalino: Lente convergente que realiza la acomodación (cambia su forma para enfocar objetos lejanos o próximos).
• Retina: Pantalla sensible donde se forma la imagen (invertida).
• Nervio óptico: Envía la señal al cerebro.

1. Miopía: El ojo es demasiado largo o el cristalino converge demasiado. Se ve mal de lejos. Se corrige con lentes divergentes.
2. Hipermetropía: El ojo es corto. Se ve mal de cerca. Se corrige con lentes convergentes.
3. Astigmatismo: Curvatura irregular de la córnea. Visión deformada.
4. Presbicia (vista cansada): Pérdida de elasticidad del cristalino por la edad.

• Microscopio: Combina lentes para ampliar objetos minúsculos.
• Telescopio: Recoge luz de objetos lejanos para verlos más grandes y brillantes.
• Cámara fotográfica: Utiliza un objetivo (lente) y un sensor para registrar la luz de forma permanente.