ALGUNOS PORQUÉS DE LA CIENCIA
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ALGUNOS PORQUÉS DE LA CIENCIA En esta páginas iremos incluyendo algunos porqués de la ciencia. Sin prisas, pero sin pausas, en otras páginas pensamos incluir una biografía de los principales científicos. No recibimos casi correos vuestros y los echamos de menos, no los pensamos utilizar para enviaros correos no solicitados, sólo para conocer vuestras sugerencias. Se puede acceder directamente a los diferentes temas con los menús laterales (entrando por Inicio) y o bien pulsando los botones avanzar retroceder de la barra superior. Hay 9 apartados más además de los relacionados con la Luz, como son: Color, Rozamiento,...,con las partículas, y otros que iremos añadiendo en lo sucesivo. y Ahora hemos parado en los PORQUÉS y estamos preparando las ilustraciones para hacer menos dura su lectura. FENÓMENOS CURIOSOS RELACIONADOS CON LA LUZ Índice El cielo es azul En el ocaso rojo Las nubes: blancas, grises o negras ¿Qué es el arco iris? La noche negra Las alas de los insectos iridiscentes ¿Y qué es la luz? ¿Qué son las células solares? La arena mojada es más oscura ¿Qué ven los peces? ¿A qué se deben los espejismos? Las lentes polaroid Un agujero iluminado Laser y luz eléctrica Palo horizontal y palo vertical Las columnas griegas ¿Por qué la ¿Qué pasa con las superficie del agua fibras ópticas? es un espejo? ¿A qué distancia vemos una bombilla? Bibliografía ¿El cielo es azul? La luz que nos llega del Sol es blanca, pero sin embargo el cielo lo vemos azul. El fenómeno físico por el cual el color del cielo aparece azul es debido a la difusión de la luz en las partículas de la atmósfera. Cuando la luz choca con una partícula, la luz se esparce en todas direcciones (este fenómeno se comprueba cuando un rayo de luz atraviesa un ambiente con humo), y es semejante a lo que ocurre cuando la luz atraviesa un prisma (son muchos pequeños prismas). En el caso del cielo, las partículas difusoras son las moléculas de aire, nitrógeno, oxígeno, vapor de agua. En ellas la difusión es mucho menos eficaz por la parte del rojo que por la del azul-violeta (la intensidad de la luz azul es cuatro veces superior que la luz roja, debido a su menor longitud de onda y, por lo tanto, a su mayor frecuencia y energía), y como consecuencia toda la bóveda del cielo nos parece azul, excepto la parte ocupada por el Sol. 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. Esto mismo ocurre cuando hay niebla, en los valles con gran vegetación, o en paisajes nevados, que presentan una marcada tonalidad azulada. ¿Por qué el Sol, a veces, al alba o en el ocaso, nos parece rojo? El efecto es debido también a la difusión. Al tener la luz que atravesar un largo trayecto a través de la atmósfera por encontrarse el Sol en el horizonte, se produce un gran número de procesos de difusión en las moléculas de nitrógeno, oxígeno y otros gases, disminuyendo las componentes azul-violeta de la luz directa del Sol, predominando por lo tanto las componentes de la luz amarilla-roja que nos llegan a nosotros. Si nos fijamos en la zona central del cielo sobre nuestra vertical, lo veremos de un azul más profundo que el resto del cielo, debido a las componentes azul-violeta de la luz del Sol. Un experimento para comprobando se obtiene mirando el Sol a través de un vaso de agua, o mejor una pecera, en la que se ha echado unas gotas de leche. Al difundirse la luz en las partículas de grasa de la leche, que se encuentran en suspensión en el agua, en la luz que nos llega predominan las componentes amarillo-rojizas. ¿Por qué las nubes son blancas, grises e incluso casi negras? Cuando las partículas difusoras de la luz son bastante más grandes que la longitud de onda de la luz (gotitas de agua), la difusión mantiene la coloración (blanca) y lo que se produce es una reflexión, de tal manera que si la nube no es muy densa llega mucha luz a su base, pareciéndonos blanca; si es más densa, llega menos luz a su base, pareciéndonos gris y si es muy densa (de tormenta) la base de las nubes reciben muy poca luz, pareciéndonos casi negra. ¿Qué es el Arco iris? El arco iris se explica por fenómenos de refracción, dispersión y reflexión de la luz en el interior de cada gota de agua suspendida en la atmósfera (Teodorico de Freiberg, hace más de seis siglos lo comprobó utilizando una redoma de vidrio llena de agua y Descartes, tres siglos después lo esquematizó como se indica) ¿Por qué la noche es negra? ¿Por qué si existen tantas estrellas y galaxias en el universo (billones de billones de fuentes luminosas), que sumadas nos indican que debería haber una iluminación incluso superior a la luz del Sol, sin embargo vemos el cielo negro en la noche? Parece ser que, por el efecto Doppler, la emisión luminosa de las estrellas, sobre todo de las estrellas más lejanas que son las que más influyen por ser más numerosas, al estar en fuga vertiginosa hacia las zonas más externas del universo, hacen que la luz que nos llega corresponda al infrarrojo, que es invisible para nuestros ojos. ¿Por qué las alas de los insectos son iridiscentes? Las alas de ciertos insectos, y sobre todo de las mariposas, tienen una gran variedad de colores, según la inclinación desde donde se les mire. Las alas de estos están constituidas por una fina membrana transparente, donde se produce un fenómeno de interferencia similar al que se observa en las manchas de gasolina sobre agua o en las paredes de una burbuja de jabón. Según el espesor de la membrana de las alas se refuerza un color del espectro en detrimento de otros, produciéndonos esos colores tan agradables. ¿Y qué es la luz? La luz es una onda electromagnética, del mismo tipo que las ondas de la radio, pero de mayor frecuencia (sobre 5 x 1014 vibraciones/segundo (hercios Hz), que se propaga también en el vacío. La ondas electromagnéticas se genera por las oscilaciones de la carga eléctrica – iones y electrones- producidas en las transformaciones físicas y químicas de la materia. La luz tiene simultáneamente naturaleza ondulatoria y corpuscular, de tal modo que la energía óptica se manifiesta sólo en pequeñas cantidades finitas o cuantos de luz (fotones). Al llegar a la retina, induce reacciones fotoquímicas, que generan impulsos o señales nerviosas que se dirigen al cerebro, produciéndonos la sensación de colores. ¿Cómo funciona una célula fotovoltaica? Las células fotovoltaicas o células solares son dispositivos basados en el diodo semiconductor, en el que la energía luminosa libera electrones. El rendimiento de las células solares más comunes (de silicio mono o policristalino) está en torno al 15 %. ¿Por qué la arena mojada se ve más oscura que la seca? La arena está formada por sílice y otros minerales. Por su aspereza, la luz solar se difunde apareciendo blancuzca. Cuando se moja su superficie es menos irregular al nivelar el agua las asperezas, por lo que la difusión disminuye, y con ella la luminosidad, llegándonos mejor el carácter cromático propio del mineral (gris ocre, rojo, negro, etc.) Otro ejemplo es la observación de un mosaico antiguo o mármol, que toman una coloración más intensa. ¿Por qué un pez que mira hacia la superficie ve la luz en un círculo y fuera de él los objetos de su alrededor? Si se está bajo el agua y se mira sobre la propia cabeza, el espacio exterior se ve dentro de un cono estrecho, delimitado por el ángulo límite (aproximadamente 49º). Para inclinaciones mayores a 49º se produce la reflexión interna total, observándose los objetos que están dentro del agua. ¿Qué es la fibra óptica? La luz, y otras radiaciones electromagnéticas, se pueden transmitir a través de un hilo de vidrio, cuarzo o plástico transparente, debido la reflexión interna total de la que hemos hablado en la pregunta anterior. La luz, al incidir casi rasante sobre la pared interna del hilo, se refleja enteramente y así se propaga de un extremo a otro del hilo sin pérdida apreciable. De aquí su utilidad en medicina y cirugía, en telecomunicaciones, etc. ¿Por que la superficie del agua, a veces, se ve como un espejo? Aunque aquí estamos hablando de aire-agua y no vidrio-aire, la reflexión total se produce cuando el ángulo de incidencia es muy grande (se empieza a notar mucho para ángulos superiores a 60º y es prácticamente total para incidencia rasante, cerca de 90º). En este límite, el agua es un espejo y su color es imperceptible. ¿A qué se deben los espejismos? En el desierto vemos un oasis al que no llegamos, en la carretera un charco que se desvanece cuando nos acercamos, un castillo en medio del óceano. Y no sólo eso, podemos fotografiarlo. Todos ellos son espejismos. El aire es el causante de todos los espejismos. Las moléculas de aire desvían la luz y lo hacen dependiendo de su densidad (que depende de su temperatura). Así, en el primer caso, en el del charco, el calor que desprende el asfalto calentado por el Sol calienta el aire que está sobre la carretera y la luz solar pasa desde una capa de aire más frío y más denso hasta la más caliente y menos densa situada sobre la carretera, produciéndose una desviación que hace ver el cielo donde debería haber asfalto, reluciendo y pareciendo agua. Al acercarse la imágen se aleja y no la alcanzamos. En el caso del óceano cuando vemos un castillo o una montaña, el aire cercano al agua esta menos caliente que en la parte superior y el rebote es contrario y vemos objetos que se encuentran más allá del horizonte. ¿Por qué las lentes polaroid eliminan los reflejos de la luz cuando el suelo está mojado? Al incidir la luz en el suelo mojado y reflejarse, sufre parcialmente un efecto de polarización, con el campo eléctrico oscilante paralelo a la superficie. Si ahora situamos una lente polarizada perpendicularmente a ese plano, se produce una reducción de la intensidad de la luz que llega a ojo, eliminando en parte los reflejos de la superficie mojada. ¿Por qué si se ilumina un pequeño agujero de un cartón negro, éste aparece débilmente iluminado en su parte posterior? El fenómeno se debe a la difracción de la luz. Cuando una onda plana atraviesa el agujero, a partir del mismo se produce una onda esférica que se propaga en todas las direcciones, incluso tangente a la cartulina como la cartulina suele ser rugosa, la luz se difunde y aparece unos círculos iluminados que se van extinguiendo según aumenta el radio. En una noche oscura, cuando el aire está muy limpio, ¿a qué distancia podemos ver la luz de una bombilla? Los fotorreceptores de la visión nocturna son capaces de detectar una intensidad luminosa correspondiente a unos pocos fotones por segundo, es decir que, en buenas condiciones, podríamos llegar a ver una bombilla situada a 1.000 kilómetros de distancia. El cálculo está hecho para 30 fotones/segundo y para el color amarillo, pero de todas formas la distancia a la que podríamos ver una luz en una noche oscura y con el aire limpio es en cualquier caso considerable. ¿Por que un láser produce un haz de intensidad luminosa muy superior a la de una lámpara eléctrica? Los fotones emitidos por un láser son totalmente coherentes, mientras que los emitidos por otras fuentes de luz no lo son (poseen distintas frecuencias). Esto hace que mientras en un láser la contribución de todos los fotones es aditiva (por tener la misma frecuencia), en el caso de la luz de una lámpara eléctrica la contribución al campo electromagnético se combina al azar, pudiendo sumarse o restarse, resultando una intensidad muchísimo más débil (la intensidad luminosa crece con el cuadrado del campo electromagnético). ¿Por qué un palo tendido nos parecen más largo que cuando está vertical al suelo? Por que nuestra vista está más habituada a objetos horizontales que a verticales. Nuestra vista no es como la de las aves, que utilizan más la visión vertical. ¿Por qué en los templos griegos las columnas se estrechan gradualmente? Los constructores griegos, construían las columnas estrechándolas gradualmente para que parecieran más largas. Por lo que se ve la razón de la pregunta anterior ya era conocida por los griegos.
