Teorías que explican el comportamiento de la luz

Teoría Corpuscular (Isaac Newton)

Plantea que la luz esta compuesta por partículas que son emitidas por los cuerpos luminosos.

Observaciones:

a) La luz se propaga en linea recta
b) cuando se interpone un obstáculo, se produce la sombra
c) cuando los corpúsculos rebotan sobre una superficie se produce la reflexión.

Lo que no podía explicar:
a) ¿Por que los cuerpos no pierden masa al emitir corpúsculos?
b) ¿Por que algunos corpúsculos se reflejan y otros se refractan?

Teoría Ondulatoria (Christian Huygens)

Plantéa que la luz es una onda que necesita un medio material para propagarse, el que denominó éter.

Observaciones:

a) La masa de los cuerpos que emiten luz no disminuye
b) La propagación rectilinea y la reflexión se pueden explicar como una onda
c) La luz experimenta refracción, que es un fenómeno tipico de las ondas.

Fue Thomas Young (1773-1829) quien pudo observar la difracción e interferencia, fenómenos propios de las ondas y que la teoria no era capaz de explicar.

Lo que no podía explicar:

a) ¿Por que la luz se propaga en el vacío?

Teoría del comportamiento dual

No fue hasta el siglo XX cuando se aceptó que la luz tiene ambos comportamientos, luz y onda, dependiendo del fenómeno observado.

Las ondas se difractan notoriamente mientras más parecida a la longitud de onda es la abertura por donde pasa. Para ver difracción en la luz se debe hacer un orificio muy pequeño, lo que sugiere que su longitud de onda es muy pequeña (micron). Por esta razón no observamos la difracción de la luz cuando entra por la ventana. El sonido en cambio tiene longitudes de onda mucho mayores (cm a m), y por ello se difracta al entrar por la ventana, una puerta, o una ranura cualquiera.

Origen de la Luz

La luz se fabrica al interior de los átomos, en un proceso llamado "emisión cuántica", que consiste en el movimiento de transición de un electrón de un orbital fundamental o de menor energía a otro más externo o de mayor energía. Cuando un electron recibe energía calorica, salta a un nivel superior y cuando deja de recibir energía, el electrón emite una energía equivalente en forma de fotones, cuantos o paquetes de luz (mínima expresión de energía luminosa).

Los fotones no tienen masa y se mueven a una velocidad cercana a 300.000 Km/s.

No todos los fotones tienen igual cantidad de energía, sino que depende del salto cuantico que lo generó. Por ejemplo, un fotón emitido mediante un salto de un orbital 3 a un orbital 1 tiene mas energía que un foton emitido por un salto desde un orbital 2 a un orbital 1.

En 1905, Albert Einstein demostró que la energía del fotón era proporcional a la frecuencia de la onda asociada: E = hf , siendo h, la constante de Planck.

Fuentes luminosas

Fuente primaria: objeto que emite luz propia. Ej. Sol, linterna, pez abisal.

Fuente secundaria: objeto que refleja la luz. Ej. Luna, murallas, nubes, espejo.

Fuente natural: objeto luminoso con su origen en la naturaleza: Ej. Sol, Estrella, Fuego.

Fuente artificial: objeto luminoso con su origen en la invención humana. Ej. Linterna, foco.

Pulsaciones o batimiento

Las pulsaciones se producen cuando dos ondas armónicas de frecuencias similares se superponen. La resultante de esta superposición es una onda cuya amplitud varía, alcanzando valores máximos y mínimos de vibración, lo que se percibe como fluctuaciones alternadas de la intensidad del sonido.

Las pulsaciones se producen por el desfase contínuo de ambas ondas a medida que transcurre el tiempo.

Interferencia de sonidos

Interferencia: Cuando dos ondas de igual frecuencia y en igualdad de fase se superponen en un medio, se produce una alternancia de máximos y mínimos de amplitud de vibración.

En un concierto es muy dificil distinguir el sonido de cada instrumento por separado. Esto se debe a la interferencia que hace que escuchemos solo las ondas resultantes. Cuando se produce interferencia, la amplitud de vibración varía con la posición: hay zonas donde la amplitud de la vibración es máxima (zonas de interferencia constructiva) y otras zonas donde es mínima (zonas de interferencia destructiva). Cuando se produce interferencia, el sonido alcanza su máxima intensidad en las zonas de interferencia constructiva, mientras que en las zonas de interferencia destructiva simplemente hay silencio.

En la foto, dos ondas en fases distintas que chocan, se anulan y luego siguen su camino. Si las ondas fueran sonido, al anularse dos sonidos se produciría un silencio.

Timbre

El timbre es la característica de un sonido que nos permite diferenciar un sonido de las mismas características emitido por dos instrumentos distintos. Se suele entender el timbre como la textura de un sonido como se observa en la foto. Un LA de piano es claramente diferenciable de un LA de flauta.

El timbre de un sonido se produce porque dos sonidos con el mismo tono, la misma intensidad y la misma frecuencia tienen una composición armónica diferente, es decir, la composición armónica de un sonido corresponde a la onda resultante de la superposición de su frecuencia fundamental con la de los armónicos.

Algunos factores que influyen en el timbre de un sonido se relacionan con las características fisicas del cuerpo que los emite. Ej. proceso de construcción de un instrumento musical, material utilizado, tamaño, forma y diseño.

Modos de vibración

Se denomina modo de vibración de una cuerda a las diversas formas en que ella puede vibrar, generando ondas estacionarias. En cada modo de vibración, la cuerda adopta una forma específica y emite un sonido característico dado por la frecuencia con que vibra.

La frecuencia minima de vibración capaz de generar una onda estacionaria se llama frecuencia fundamental (f0) o (n=1). Cuando la cuerda vibra con dicha frecuencia se dice que se ha establecido su modo fundamental de vibración.

La frecuencia de los demás modos de vibración son multiplos enteros de la frecuencia fundamental y de denominan armónicos (n=2, 3, 4, 5...). La frecuencia de los armónicos se obtiene según:

fn = n* f0; siendo fn la frecuencia de vibración, n = 1,2,3...., f0 es la frecuencia fundamental.

En estas ondas estacionarias hay una relación entre longitud de la cuerda y la longitud de onda:

lambda = 2 * (L/n); siendo L la longitud de la cuerda.

Superposición de ondas

Superposición: Cuando dos ondas se propagan en el mismo medio, en la misma dirección o contraria, se superponen, es decir, las ondas individuales se suman produciendo una onda resultante. La elongación en cada punto corresponde a la suma algebraica de las amplitudes de cada una de las ondas por separado. Cuando se produce la superposición de als ondas, estas siguen avanzando después del encuentro conservando sus propiedades (Amplitud, frecuencia, longitud de onda, velocidad).
Al pulsar una cuerda fija en ambos extremos se produce una onda que avanza y se refleja en los extremos fijos, superponiendose ambas ondas.

Onda estacionaria
En una cuerda vibrante, la onda resultante de la superposición de la onda incidente y reflejada es una onda estacionaria. En una onda estacionaria, es posible distinguir ciertos puntos llamados Nodos y Antinodos. Los nodos son los puntos de la cuerda que permanecen en reposo sin vibrar, mientras que los antinodos son los puntos de la cuerda que vibran con la máxima amplitud.

La onda estacionaria formada en una cuerda vibrante tiene una cantidad de nodos y antinodos característica que varía dependiendo de la tensión y de la longitud de la cuerda. Mientras más grave es el sonido menor es la cantidad de nodos y de antinodos.

Vibración de una cuerda y notas musicales

El tono del sonido emitido por una cuerda vibrante depende de:
a) la longitud de la cuerda
b) de su tensión
c) la densidad lineal de masa

El sonido emitido es más agudo mientras menor es la longitud de la cuerda y mientras mayor es la tensión de la cuerda. Otro factor es la densidad lineal de masa, es decir a la cantidad de masa por unidad de longitud y en el sistema MKS se expresa como kg/m. Ejemplo: una cuerda de 2m de largo y de 500 g de masa tiene menor densidad lineal de masa que una cuerda de 50 cm de largo y 200 g de masa. En general, las cuerdas de menor densidad lineal de masa vibran con mayor frecuencia que las cuerdas de mayor densidad de masa, manteniendo la tensión constante.
Una aplicación de esto son las distintas notas musicales que corresponden a ondas de frecuencias distintas:
DO: 261,63 Hz; RE: 293,66 Hz; MI: 329,63 Hz; FA: 349,23 Hz; SOL: 392,0 Hz; LA:440,0 Hz
SI: 493,88 Hz; DO: 523,25 Hz.