Fundamentos físicos de la luz y el sonido.

Cultura Audiovisual.

1. La luz.

La luz es una forma de radiación electromagnética similar al calor radiante, las ondas de radio o los rayos X. La luz corresponde a oscilaciones extremadamente rápidas de un campo electromagnético, en un rango determinado de frecuencias que pueden ser detectadas por el ojo humano. Las diferentes sensaciones de color que percibimos corresponden a luz que vibra entre la longitud de onda más pequeña, en el violeta y la máxima en el rojo.

La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones

¿QUÉ ES LA LUZ? En la Antigüedad, ya los griegos observaron algunos fenómenos asociados con la

luz como la propagación rectilínea, la reflexión (a través de los espejos) y la refracción (por su observación de la transmisión lumínica en el agua)

Una idea para explicar la naturaleza de la luz proponía que se trataba de "algo emitido por el ojo" que chocaba contra los objetos y permitía verlos.

Más adelante se propuso que la luz debía proceder de los objetos que se veían y que al llegar al ojo producía el efecto de la visión.

Ninguna de las dos hipótesis explicaba por qué no se emiten rayos en la oscuridad, así que se planteó una nueva hipótesis que identificaba la luz como algo procedente del Sol y de los cuerpos incandescentes.

En el siglo XVIII, Newton planteó la teoría corpuscular de la luz. A través de ella, explicaba que la luz está compuesta por partículas luminosas, de distinto tamaño según el color, que son emitidas por los cuerpos luminosos y que producen la visión al llegar a nuestros ojos.

Huygens, en la misma época, propuso que la luz era una onda (teoría ondulatoria). La teoría corpuscular de Newton fue aceptada durante todo el siglo XVIII, posiblemente por

la gran fama y autoridad de éste.

Isaac Newton Christian Huygens

¿QUÉ ES LA LUZ? Fresnel y Young observaron los fenómenos de interferencia y difracción

para la luz que no se podían explicar con la hipótesis de Newton, y Foucault midió la velocidad de la luz en diferentes medios y observó que al pasar del aire al agua disminuía su velocidad, tal como había propuesto Huygens.

Estos descubrimientos permitieron que se consolidaran las ideas de Huygens sobre la naturaleza ondulatoria de la luz, aunque todavía quedaban algunas cuestiones sin resolver relacionadas con la propia naturaleza de la luz y con su propagación en el vacío.

Sin embargo la luz sí que puede viajar por el vacío y este hecho no ha resultado fácil de explicar. En un principio los físicos suponían que debía haber "algo" en el vacío, al que llamaro éter, y por el que creían que viajaba la luz.

La idea del éter se mantuvo viva hasta que a principios del siglo XX. Einstein justificó que determinados tipos de ondas, como la luz, podían desplazarse en el vacío.

Augustin Fresnel Thomas Young Albert Einstein

¿QUÉ ES LA LUZ? De acuerdo con la física clásica existen diferencias entre onda y partícula. Una

partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.

Actualmente se considera que la dualidad onda - partícula es un "concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa

Hoy consideramos que una onda electromagnética es única, aunque se compone de dos perturbaciones: un campo eléctrico vibrando perpendicularmente a un campo magnético.

En 1860, Maxwell publicó su teoría matemática sobre el electromagnetismo que predecía la existencia de ondas

electromagnéticas que se propagaban a la misma velocidad que la luz. Por ello argumentó que la luz y otras ondas que se conocían como las de radio consistían en un mismo fenómeno: eran ondas

electromagnéticas que se diferenciaban sólo en su frecuencia.

VELOCIDAD DE LA LUZ

La velocidad de la luz es de aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo.

Los distintos colores de luz tienen en común el ser radiaciones electromagnéticas que se desplazan con la misma velocidad.

Para calcular la velocidad de la luz ( c ) tan solo utilizamos la siguiente fórmula:

donde λ (lambda) es la longitud de onda (en metros) y v (nu) es la frecuencia de oscilación de la onda electromagnética, es decir, el número de ondas que se originan cada segundo.

ESPECTRO VISIBLE.

Es la zona del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz de percibir. A la radiación electromagnética en este rango de longitudes de onda se le llama luz visible o simplemente luz.

La conforman la serie de colores semejante a un arco iris -por este orden: violeta, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo- que se produce al dividir una luz compuesta como la luz blanca en sus colores constituyentes. Puede lograrse un efecto similar haciendo pasar luz solar a través de un prisma de vidrio.

ESPECTRO NO VISIBLE. Es la zona del espectro electromagnético que el ojo humano no es capaz de

percibir. Comprende la zona de longitudes de onda que hay por debajo del violeta y tambíen la zona que hay por encima del rojo.

LAS ONDAS LUMINOSAS Conviene recordar varios conceptos y definiciones relacionados con las ondas.

Uno de ellos es la longitud de onda (λ), que es la distancia entre dos crestas o dos valles consecutivos, como se muestra en la figura. La frecuencia (V), es el número de oscilaciones en un segundo. Estas dos cantidades no son independientes, sino que están relacionadas entre sí por la velocidad v, con la que se propaga la luz. Podemos darnos cuenta fácilmente de que mientras más grande sea la longitud de onda, menor es la frecuencia, y viceversa. La longitud de onda tiene diferentes valores según el color de la luz, como se ve en el cuadro anterior, que van desde aproximadamente 350 nm para el violeta hasta 650 nm para el rojo.

PROPIEDADES DE LA LUZ

La transmisión es la propiedad de algunos materiales y medios de dejar pasar la luz (medios transparentes: vidrio, agua, aire,...) la luz se transmite através de ellos sin una gran pérdida de intensidad, aunque modificando su velocidad de transmisión según el medio del que se trate (por ejemplo en el vacío la velocidad es de 300.000 Km/seg. Mientras que en el vidrio es de 200.000 Km/seg.

PROPIEDADES DE LA LUZ La reflexión es la propiedad por la cual un rayo luminoso es desviado de su

trayectoria inicial en otra dirección cuando en su camino se encuentra un objeto opaco. La luz se refleja sobre los objetos despidiendo luz en una o varias direcciones, según sea la naturaleza del objeto. Las superficies lisas, pulidas y brillantes sólo reflejan la luz en una sola dirección (reflexión especular), mientras que las superficies rugosas lo hacen en todas las direcciones (reflexión difusa), que en la practica cotidiana de ver, la mayoría de los objetos suelen tener superficies rugosas o difusas.

Reflexión especular.

Reflexión difusa.

PROPIEDADES DE LA LUZ La refracción es el efecto que se produce cuando un rayo

luminoso que se está transmitiendo através de un medio, encuentra en su trayectoria otro medio de transmisión distinto, en el momento en el que el rayo luminoso entra en contacto con otro medio sufre un desvío en su trayectoria, este efecto de la refracción se debe al cambio de velocidad que experimenta la luz cuando pasa de un medio a otro de distinta naturaleza.

PERCEPCION VISUAL.

La percepción visual es la acción de percibir la luz de los objetos mediante la vista (órganos visuales), el elemento desencadenante es la luz y el órgano procesador la vista, los órganos de la vista perciben sólo la parte visible del espectro electromagnético, el resto del espectro puede ser captado por otros instrumentos y técnicas. Los órganos de la vista efectúan una selección informativa y la procesan según un sistema de imágenes configurado en la retina en la retina que posteriormente son conducidas al cerebro por una conversión en corrientes aptas para ser trasladadas por el sistema nervioso. El ojo humano capta entonces sólo la luz visible.

La percepción de una imagen está en estrecha relación con la manera de cada individuo de captar la realidad y al mismo tiempo está vinculada con la historia personal, los intereses, el aprendizaje y la motivación. A través de la percepción se selecciona la información del mundo exterior pero aunque la representación de un objeto sea única no hay correspondencia total entre el mundo físico y el perceptivo.

También está determinada por factores físico como deficiencias en el sistema de visión.

SISTEMA VISUAL.

El sentido de la vista permite que el cerebro (primera parte del sistema visual) se encargue de formar la imagen óptica del estímulo visual en la retina (sistema óptico). Esta es la función que cumplen la córnea y el cristalino del ojo.

Las células de la retina forman el sistema sensorial del ojo. Las primeras en intervenir son los fotorreceptores, los cuales capturan la luz que incide sobre ellos. Sus dos tipos son los conos y los bastones. Otras células de la retina se encargan de transformar dicha luz en impulsos electroquímicos y en transportarlos hasta el nervio óptico. Desde allí, se proyectan a importantes regiones como el núcleo geniculado lateral y la corteza visual del cerebro.

En el cerebro comienza el proceso de reconstruir las distancias, colores, movimientos y formas de los objetos que nos rodean.

SISTEMA VISUAL.

CÉLULAS FOTOSENSIBLES. La retina se compone en su capa más profunda de células

fotosensibles de dos tipos: conos y bastones, repartidos de forma desigual por su superficie. Forman un verdadero mosaico compuesto por más de seis millones de conos, (que tiene cada uno de ellos conexión directa e individualizada con la parte posterior del cerebro), y unos ciento veinte millones de bastones en cada ojo, (que se conectan en grupos varios).

Tienen distintas funciones estas células especializadas. Los conos alcanzan mayor precisión y detalles, también son aptos para la más intensa iluminación, y, por un pigmento especial llamado rosina, permiten la visión cromática; por el contrario los bastones captan mejor el movimiento, son más sensibles al gris tonal y a la escasa iluminación. No están igualmente repartidos por la retina, abundando la concentración de conos en la zona central, donde hay un punto minúsculo, llamado fóvea, situado en el eje visual del ojo, que tiene la máxima concentración. Es en la fóvea donde quedan enfocadas las imágenes que desean verse con mayor nitidez y detalle.

En contraste con la eficacia de la fóvea, en el fondo del ojo se encuentra al nudo de salida o conexión de estas células con el nervio óptico, encargado de transmitir las sensaciones al cerebro: ese punto es insensible a la luz; se llama punto ciego

CÉLULAS FOTOSENSIBLES.

SINTESIS ADITIVA (COLORES LUZ)

- La síntesis aditiva resulta de la adición de componentes de la luz. Los componentes de la luz se agregan directamente a la emisión; éste es el caso de los monitores o los televisores a color. Cuando se agregan los tres componentes, rojo, verde, azul (RGB), se obtiene blanco. La ausencia de componentes produce negro. Los colores secundarios son cian, magenta y amarillo porque:

- verde combinado con azul produce cian - azul combinado con rojo produce magenta - verde combinado con rojo produce amarillo

SINTESIS SUSTRACTIVA (COLORES PIGMENTO)

La síntesis sustractiva es la denominada de colores pigmento y la utilizaremos en el proceso de reproducción del color.

Los colores primarios en la síntesis sustractiva son: CIAN, MAGENTA y AMARILLO.

La suma de dos primarios a partes iguales nos origina un color secundario que se convertirá en color primario en síntesis aditiva

Cian + Magenta = AzulCian + Amarillo = VerdeMagenta + Amarillo = Rojo

La suma de los tres primarios origina el NEGRO (al utilizar tintas de impresión el resultado es un marrón y es debido a la contamienación de las tintas):

Cian + Magenta + Amarillo = NEGRO

La síntesis sustractiva se le denomina así porque sustrae color, de tal manera que la suma de los tres primarios nos da el negro que es la ausencia de color. Aunque esta síntesis también denominada de colores reflejados para existir requiere de la luz blanca para poder absorber o reflejar colores.

EL COLOR. El color es una percepción visual que se genera en el cerebro

al interpretar las señales nerviosas que le envían los fotorreceptores de la retina del ojo y que a su vez interpretan y distinguen las distintas longitudes de onda que captan de la parte visible del espectro electromagnético.

Cuando vemos un objeto de un color es porque absorbe todas las logitudes de onda del espectro excepto las correspondientes al color que vemos.

EL SONIDO.

Desde un punto de vista físico, el sonido es una vibración que se propaga en un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) en forma de ondas.

Como las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal.

Cuando nos referimos al sonido audible por el oído humano, lo definimos como una sensación percibida en el órgano del oído, producida por la vibración que se propaga en un medio elástico en forma de ondas.

EL SONIDO.

Para que se produzca un sonido es necesaria la existencia de:

- Un emisor o cuerpo vibrante.- Un medio elástico transmisor de esas vibraciones.- Un receptor que capte dichas vibraciones.

Propagación del sonido: Un objeto cuando vibra, perturba la presión y la densidad del medio que le envuelve, transmitiendo dicha vibración al comprimirse y expandirse, para ello es necesario que sea un medio elástico, ya que un cuerpo rígido no permite que lasvibraciones se transmitan. Así pues, sin un medio elástico (aire, agua, cuerpo sólido), no habría sonido, ya que las ondas sonoras no se propagan en el vacío.

VELOCIDAD DEL SONIDO

La velocidad del sonido depende de las características del medio, así el sonido se propaga a diferentes velocidades según el medio que transmita la vibración. En general, la velocidad es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos es mayor que en los gases.

La velocidad del sonido en el aire a una temperatura de 20 ºC, es de 340 m/s, lo que equivale a unos 1224 Km/h.

ONDA SONORA Como el sonido se propaga en forma de ondas, tenemos que saber que

características tiene la onda sonora para ver como se comporta. 1.- Es una onda mecánica.

Las ondas mecánicas no pueden desplazarse en el vacío, necesitan hacerlo a través de un medio material (aire, agua, cuerpo sólido). Además dicho medio debe ser elástico y no rígido para permitir la transmisión del sonido. Ya hemos visto cómo se propaga la vibración a través de las partículas o moléculas que conforman el medio

2.- Es una onda longitudinal. En las ondas longitudinales el movimiento de las partículas se desplazan en la

misma dirección que la onda. Mientras que en las ondas transversales el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de la onda. En cualquiera de los dos casos, las partículas oscilan alrededor de un punto de reposo, bien horizontalmente o verticalmente. Lo que se transmite o propaga a través del medio es la energía o vibración, no la materia.

3.- Es una onda tridimensional. Son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se

conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones.

CARACTERÍSTICAS DEL SONIDO.

La altura o tono es la característica que nos permite diferenciar un sonido agudo de uno grave. La altura viene producida por el número de vibraciones por segundo (frecuencia), así a mayor número de vibraciones por segundo más agudo es el sonido, y a menor número de vibraciones más grave es el sonido. La sucesión de sonidos de diferentes alturas nos da la melodía.

La intensidad. Es la cualidad que nos permite distinguir entre sonidos fuertes o débiles. La podemos definir como la fuerza con la que se produce un sonido. Además de la amplitud en la percepción de la intensidad, influye la distancia a que se encuentra situado el foco sonoro del oyente y la capacidad auditiva de este.

La duración. Es la característica del sonido que nos permite diferenciar sonidos largos de sonidos cortos. La podemos definir como el tiempo de permanencia de un sonido. La sucesión de sonidos de distinta duración nos da el ritmo.

El timbre. Si el tono permite diferenciar unos sonidos de otros por su frecuencia, y la intensidad, los sonidos fuertes de los débiles, el timbre completa las posibilidades de variedades del arte musical desde el punto de vista acústico, porque es la cualidad que permite distinguir los sonidos producidos por los diferentes instrumentos. Esta cualidad físicamente se llama forma de onda.

EL OÍDO. Cuando un objeto (actuando como emisor de sonido) vibra, hace vibrar

también al aire que se encuentra alrededor de él. Esa vibración se transmite a la distancia y hace vibrar (por resonancia) una membrana que hay en el interior del oído: el tímpano.

- La vibración del tímpano provoca el movimiento de los tres huesecillos: martillo, yunque y estribo. Este último impacta sobre la cóclea o caracol, y en un pequeño órgano, que se encuentra aquí, se produce la codificación de esa vibración en información eléctrica.-Esta información se trasmite al cerebro por medio de las neuronas. -El cerebro decodifica esa información y la convierte en una sensación denominada sonido.