LA MAGIA DE LA FISICA: Difraccin e Interferencia

LA MAGIA DE LA FISICA: Fenómenos Ondulatorios.
Recursos Experimentales didácticos y recreativos.
Dr. Nelson Falcón Universidad de Carabobo. Facultad Experimental de Ciencias y
Tecnología. Dpto. de Física. Email [email protected] .
Prof. Douglas Falcón Liceo Nacional “Mario Briceño Iragorry”. Bararida Bqto. Edo, Lara
[email protected]
Una onda es una perturbación que se propaga en el espacio, transportando energía sin el
desplazamiento de materia entre la fuente y el receptor. Las ondas materiales (todas menos las
electromagnéticas) requieren un medio elástico para propagarse.
El medio elástico se deforma y recupera
vibrando al paso de la onda. La perturbación
comunica una agitación a la primera partícula
del medio en que impacta (este es el foco de las
ondas) y en esa partícula se inicia la onda. La
perturbación
se
transmite
en
todas
las
direcciones por las que se extiende el medio con
una velocidad constante.
Una onda transporta energía pero no transporta materia: las partículas vibran alrededor de la
posición de equilibrio pero no viajan con la perturbación. Veamos algún ejemplo: La onda que
transmite un látigo lleva una energía que se descarga en su punta al golpear. Las partículas del
látigo vibran, pero no se desplazan con la onda. Un corcho en la superficie del agua vibra
verticalmente al paso de las olas
pero no se traslada horizontalmente, eso indica que las
partículas de agua vibran pero no se trasladan.
Onda transversal en una cuerda
Si las partículas del medio en el que se propaga la
perturbación vibran perpendiculares a la dirección
de propagación, las ondas se llaman transversales
como las olas en el agua, las ondulaciones que se
propagan por una cuerda, la luz…. Si vibran en la
misma dirección se llaman longitudinales, tales
como las compresiones y dilataciones que se
propagan por un muelle, o el sonido.
El sonido es una onda que se propaga en el aire por la compresión y rarefacción de las partículas
del aire, también se propaga en los sólidos y líquidos de forma análoga.
Si dos o mas ondas se presentan en un medio, y tienen la
misma frecuencia (mejor aun si la diferencia de fase
permanece constante) entonces se dice que las fuentes son
coherentes. La intensidad resultante de dos fuentes coherente
no es la suma de las intensidades de las ondas concurrentes,
y pueden producir el fenómeno de interferencia.
Los colores que nosotros observamos cuando la luz de sol cae en una
burbuja de jabón, un poco de aceite o en el pavimento húmedo, o un
colibrí rojizo son causados por la interferencia de las ondas de luz
reflejadas desde el frente hacia atrás de las superficies de las películas
transparentes finas. Esto se da porque dos haces de ondas que llegan al
mismo plano sumarán sus efectos si llegan en fase o contrarrestarán sus
efectos si llegan desfasados.
Su efecto combinado es obtenido sumando algebraicamente los desplazamientos en el punto hacia
las fuentes individualmente. Esto es conocido como el principio de superposición. Thomas Young
descubrió este principio de interferencia cerca de 1800. El espesor de la película es típicamente del
orden de la magnitud de la longitud de onda de la luz.
Las películas delgadas depositadas en los componentes ópticos tales como los lentes de las
cámaras pueden reducir la reflexión y mejorar la intensidad de la luz transmitida. Los cubrimientos
delgados en ventanas pueden mejorar la reflectividad para la radiación infrarroja mientras tiene
menos efecto en la radiación visible. De esta manera es posible reducir el efecto de calor de la luz
de sol en un edificio.
Experimento 1 Interferencia y Franjas de Young
Puede recrearse la interferencia de ondas con luz visible si nos procuramos de dos láminas
trasparentes sobre las cuales dibujamos contornos de cuadriláteros o círculos concéntricos
como indica la figura. Colocando ambos patrones superpuestos veremos las zonas de
superposición de las ondas como patrones no homogéneos que parecen deslazarse
conforme rotamos o movemos cualquiera de las láminas.
Análogamente, si se dibuja cualquier patrón simétrico, como una estrella, y se rotan los
patrones, obtendremos zonas donde se presentan las franjas de Young, características de la
superposición de ondas desfasadas, como las “olas” que vemos en un estanque al lanzar
varias piedrecillas en el.
La interferencia también se presenta en las ondas sonoras y en las comunicaciones
radioeléctricas. Es común observar que dos parlantes situados de forma tal que ambos actúen
como fuentes coherentes de sonido, producirán zonas a su alrededor donde la intensidad percibida
es diferente a la suma algebraica ambas intensidades, en cuyo caso se percibirá un “ruido” o
sonido sobreexpuesto, típico de un patrón de interferencia.
Asociado a la interferencia, aparece también el fenómeno de la difracción. El término
difracción viene del latín diffractus que significa quebrado. La etimología alude al fenómeno por el
que una onda puede contornear un obstáculo en su propagación, alejándose del comportamiento
de rayos rectilíneos. No existe ninguna diferencia física específica entre la interferencia y la
difracción. Podemos decir que cuando hay pocas fuentes que interfieren le llamamos interferencia,
pero si hay un gran número de ellas le llamamos difracción.
Experimento 2: Difracción de la Luz
La difracción se visualiza fácilmente observando las bandas claras y oscuras de sombras que se
forman al pasar la luz por una rendija angosta, tal como aparece cuando miramos a través de
nuestros dedos apenas separados entre sí y colocados delante del ojo. También si empleamos un
objeto de bordes muy finos, como una hojilla de afeitar, y la iluminamos con una linterna desde
arriba, veremos varios bordes o sombras de distintas intensidades, como bandas claras y oscuras.
Úsese un papel blanco a unos 10 cm de distancia de la hojilla para visualizar las franjas.
La Interferencia y el fenómeno de la Difracción, o la
desviación de la propagación rectilínea de los rayos luminosos
al pasar por el borde de un objeto, pudo ser explicado por la
teoría Ondulatoria propuesta por Christian Huygens (16291695), desarrollada después por Thomas Young (1773-1829)
y Agustín Fresnel (1788-1827); según la cual la luz es un tren
de ondas.
La difracción y la interferencia son fenómenos típicamente ondulatorios.
La difracción se puede observar cuando una onda
atraviesa una ranura cuyas dimensiones son comparables
a la longitud de la onda. La onda, al atravesar la ranura, se
abre y en lugar de seguir la dirección del rayo incidente se
forman gran número de rayos abriéndose en abanico.
El patrón de difracción de una ranura parece negar la
propagación rectilínea de la luz. Si pensamos en la luz
simplemente como si fueran rayos, sin importar su
naturaleza, las imágenes laterales parecerían provenir de
rayos desviados de la dirección de los rayos centrales; es
decir, de rayos que habrían torcido su rumbo al pasar los
filos de las hojas y penetrado en la sombra geométrica.
El fenómeno de la difracción de la luz, por lo tanto, contradice la hipótesis de los rayos rectos; es
decir, contradice la hipótesis de la propagación rectilínea de la luz. Parece que la luz, después de
todo, sí puede dar la vuelta a los objetos opacos.