Refracción de Ondas: Definición y ejemplos

¿Qué es la refracción de ondas?

¿Cómo se comporta una onda cuando pasa de un material a otro? En esta lección, aprenderá más sobre qué es la refracción de ondas, cómo ocurre y sus diversos ejemplos.

La refracción de las ondas es la curvatura de las ondas al pasar de un medio a otro. Cuando una onda golpea una superficie de un medio diferente, una parte se refleja, mientras que otra se dobla y cambia de dirección a medida que viaja a través del medio.

La definición de refracción de ondas explica cómo una pajita o una cuchara parecen dobladas cuando están medio sumergidas en un vaso de agua. El mismo fenómeno ocurre cuando una persona va a una piscina que le llega hasta la cintura y parece tener las piernas más cortas, o cuando un pez parece aparecer a una profundidad menor que su ubicación real. Esto se debe a que el cerebro humano supone que los rayos de luz siguen un camino recto en lugar de uno curvo y, finalmente, forman una imagen distorsionada o curvada.

Dirección de flexión de las ondas refractadas

¿Cómo ocurre la refracción de las ondas? Considere el siguiente diagrama que muestra la refracción de las ondas de luz. Es fundamental señalar que la refracción se produce en diferentes tipos de ondas, no sólo en la luz, y el mismo principio se aplica a ellas.

Como se muestra en la figura, un rayo de luz pasa del aire al agua. Tenga en cuenta que el agua tiene un índice de refracción más alto que el aire, por lo que el rayo de luz es más lento en el agua que en el aire. La línea discontinua perpendicular a la interfaz aire-agua se llama normal. La luz que atraviesa el aire e incide en el límite aire-agua se llama rayo incidente, mientras que el rayo que se desvía después de atravesar la interfaz se llama rayo refractado. El ángulo que forma el rayo incidente con la normal se llama ángulo de incidencia, {eq}\theta_{1} {/eq}. A medida que la luz pasa de un material con un índice de refracción más pequeño a un material con un valor mayor, su velocidad disminuye y el rayo refractado se desvía hacia la línea normal. El ángulo entre el rayo refractado y la línea normal se llama ángulo de refracción, {eq}\theta_{2} {/eq}.

Si el rayo de luz pasa del agua al aire, su dirección también cambia. Su velocidad aumenta a medida que pasa de un material con mayor índice de refracción a otro con menor. En este caso, el rayo refractado se aleja de la normal, como se muestra en la figura.

¿Por qué ocurre la refracción de las ondas?

La velocidad de la luz varía debido a las diferentes densidades ópticas de los materiales. Cuanto mayor es la densidad óptica de un material, más lento se mueve el rayo de luz a través de él. Cuanto menor es la densidad óptica, más rápido se propaga la luz a través de ella. Uno de los indicadores de la densidad óptica de un material es su índice de refracción. El índice de refracción cuantifica la relación entre la velocidad de la luz en el vacío, c, y la velocidad de la luz en el material, v. Se expresa como {eq}n=\frac{c}{v} {/eq}. Dado que n es la relación entre dos cantidades, no tiene dimensiones. Los materiales con índices de refracción altos son el diamante (2,42) y el vidrio puro (1,46), mientras que los de índice de refracción bajo son el aire (1,00) y el helio líquido (1,03).

Cuando una onda pasa a través de un medio diferente, su velocidad cambia porque su longitud de onda también varía mientras su frecuencia permanece constante. La relación de estas variables viene dada por la expresión de la velocidad de onda {eq}v=\lambda f {/eq}, donde {eq}\lambda {/eq} es la longitud de onda y f es la frecuencia. Como la frecuencia depende de la fuente, permanece constante mientras la fuente también sea la misma. Sin embargo, su longitud de onda puede acortarse o alargarse según el medio.

Considere una onda de luz que pasa a través de diferentes medios en la misma dirección que la línea normal. Observe que los frentes de onda permanecen paralelos, pero la longitud de onda se acorta a medida que ingresa a un material con una densidad óptica más alta (medio B).

Ahora bien, ¿qué sucede cuando el rayo de luz incide en la superficie en ángulo? Observe que una porción de los frentes de onda todavía está en el medio A mientras que otra porción ya está pasando por el otro medio B. Los frentes de onda que todavía están en el medio A se mueven a la misma velocidad, mientras que los que están en el medio B tienen longitudes de onda más cortas y por lo tanto, muévete más lento. Su diferencia de velocidades hace que la onda cambie de dirección y se refracte, como se muestra en la figura.

En general, una onda se refracta cuando atraviesa diferentes materiales como diferentes densidades ópticas en el caso de la luz, o con diferentes propiedades elásticas en el caso de las ondas sísmicas.

Ejemplos de refracción de ondas

La refracción de las ondas explica muchos fenómenos que ocurren todos los días. Algunos de estos ejemplos incluyen ondas sísmicas, olas del océano y corrección de la visión con anteojos.

Ondas sísmicas

La refracción también ocurre en las ondas sísmicas cuando pasan de un material a otro con propiedades elásticas variables. A diferencia de las ondas de luz, donde la cantidad de curvatura de las ondas de luz depende de la densidad óptica del material, la velocidad de las ondas sísmicas generalmente aumenta con la profundidad, con algunas excepciones. El aumento de la velocidad no está controlado principalmente por la densidad del material sino por su rigidez e incompresibilidad.

La refracción de las ondas sísmicas sigue el mismo principio que la refracción de las ondas luminosas. Si las ondas sísmicas viajan lentamente sobre el segundo material, se refractarán hacia arriba. Sin embargo, si las ondas sísmicas viajan más rápido en el siguiente material, se refractarán hacia abajo continuamente hasta alcanzar un ángulo crítico que les permitirá viajar hacia la superficie, formando una trayectoria curva en el proceso.

Dado que la Tierra tiene diferentes límites con diferentes propiedades elásticas, se utilizaron ondas sísmicas de terremotos para estudiar el interior de la Tierra y sus límites específicos. En una escala más pequeña, las ondas sísmicas se utilizan para estudiar el tipo de roca y las características del subsuelo que, de otro modo, sería demasiado profundo para perforar o tomar muestras.

Las olas del mar

Las olas del océano también se refractan o cambian de dirección a medida que disminuyen su velocidad. ¿Cómo ocurre la refracción en el agua? En lugar de la densidad, la velocidad de las olas del océano depende de la profundidad del agua. A medida que se acerca a la parte menos profunda del océano, se ralentiza y su frente de onda cambia de dirección. La refracción puede aumentar o disminuir la altura de la ola, así como la velocidad y la fuerza de una ola rompiente.

La refracción es la razón por la que las ondas superficiales siempre son paralelas a la orilla. Inicialmente, las olas en la parte más profunda pueden acercarse a la costa en ángulo. Sin embargo, a medida que la ola se acerca a la costa y a aguas menos profundas, se refracta, cambia de dirección y refleja la línea costera.

La refracción también es un factor esencial en el comportamiento de los tsunamis. La forma del fondo marino y la diferente velocidad de las diferentes porciones de la ola a medida que se acerca a las partes menos profundas hacen que el frente marítimo también varíe. A mayores profundidades, los tsunamis pueden alcanzar una velocidad de más de 500 mph, similar a la de un avión a reacción o un automóvil supersónico. A medida que se acerca a las costas menos profundas, disminuye su velocidad a entre 20 y 30 mph, pero su altura y corriente aumentan, causando enormes daños a las comunidades costeras.

Refracción en anteojos

Los anteojos funcionan para corregir problemas de visión como la miopía y la hipermetropía. Un ojo con miopía no puede ver objetos distantes. Esto se debe a que en el ojo convergen los rayos de luz y la imagen se forma delante de la retina. Para corregir esto, se utiliza una lente divergente para disminuir la convergencia excesiva de los rayos de luz paralelos que ingresan al ojo, lo que le permite producir una imagen exactamente en la retina.

La hipermetropía es la incapacidad del ojo para ver objetos cercanos. Los ojos de una persona con hipermetropía no hacen converger los rayos de luz lo suficiente como para que se forme la imagen en la retina. Para corregir esto, se utiliza una lente convergente para crear una imagen más alejada del ojo que del objeto.

Resumen de la lección

La refracción de las ondas es la curvatura de las ondas al pasar de un material a otro. Se dobla debido al cambio en la velocidad de la onda cuando ingresa a un material diferente. Para las ondas de luz, la curvatura de la luz depende de las densidades ópticas o del índice de refracción del material. A medida que el rayo incidente pasa de un material con mayor densidad óptica a un material con menor densidad óptica, su velocidad aumenta y el rayo refractado o desviado se aleja de la normal. La línea normal es la línea imaginaria perpendicular al límite de dos materiales diferentes. La refracción es la razón por la que una cuchara medio sumergida en agua parece doblada. Un rayo de luz se curva a medida que pasa del agua al aire, haciendo que la cuchara parezca aparecer en un lugar diferente. Si, por el contrario, la luz pasa de un material ópticamente menos denso a uno más ópticamente denso, su velocidad disminuye y el rayo refractado se desvía hacia la normal.

La refracción de la luz se aplica para corregir problemas de visión. La miopía y la hipermetropía se abordan utilizando lentes divergentes y convergentes, respectivamente. Es fundamental señalar, sin embargo, que la refracción no es exclusiva de las ondas luminosas. También puede ocurrir en otro tipo de ondas como las sísmicas y las oceánicas. Las ondas sísmicas de los terremotos se refractan al pasar de un material a otro con diferentes propiedades elásticas. Las olas del océano también se refractan a medida que avanzan desde mayores profundidades hacia costas menos profundas.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador