El músico que descubrió la luz invisible.

En primer lugar, permitidme que en esta ocasión os recomiende acompañar el post con un poco de música. El compositor  no es otro que Sir William Herschel, más conocido por haber sido uno de los padres de la astronomía moderna, descubridor de Urano, dos de sus satélites Titania y Oberón y dos satélites de Saturno, Mimas y Encélado.

Originalmente, Herschel era músico, director y compositor pero en 1773, cuando tenía 35 años, compró un libro sobre astronomía  que le hizo volcarse por completo, desde ese momento y en adelante, a la ciencia del cielo.

Pero hoy no hablaremos de su obra astronómica, si no de un descubrimiento “casual”.

Como como ya expliqué cuando hablé del espectro visible, la luz puede descomponerse en sus colores (frecuencias), y su intensidad en función de su frecuencia, se llama espectro. Pero me referí al espectro visible, es decir, de la luz que nuestros ojos pueden ver. Sin embargo, hay gran cantidad, de hecho, la gran mayoría de la luz, que no podemos ver:

La parte de la luz que es visible para nosotros, es una pequeña, pequeñísima fracción de todo el espectro electromagnético.

Y si no podemos verla ¿cómo supimos que estaba ahí?

Pues el primero en detectarla de alguna forma y darse cuenta de que era luzy de que no era visible fue Herschel. El 11 de Febrero de 1800 se encontraba haciendo un experimento que consistía en hacer pasar la luz solar por un prisma, para así descomponerla por efecto de la dispersión en sus colores, y medir con termómetros la cantidad de energía que obtenía de cada color. Es decir, lo mismo que seguimos haciendo hoy con avanzadísimos espectrógrafos.

El caso es que tenía un termómetro de referencia, para saber la temperatura de su habitación y así comparar los termómetros que estaban a la luz. Y el termómetro se encontraba justo más allá del color rojo. Pero cuando fue a mirar ese termómetro de referencia ¡resulta que marcaba una temperatura mayor que el resto! es decir, se había calentado más que los demás y no había sido expuesto de forma directa a la luz que podemos ver.

Herschel repitió el experimento y los resultados le llevaron a pensar que existía un tipo de luz, que no podemos ver pero que cuya capacidad para calentar las cosas es mucho mayor. Descubrió así el Infrarrojo.

El infrarrojo es lo que nosotros notamos en la piel cuando estamos cerca de algo caliente, y que llamamos vulgarmente calor. Este tipo de luz, cuya longitud de onda es mayor que la de la luz visible, se produce en objetos calientes, pero que no están tan calientes como para comenzar a brillar.

Lo interesante del caso, es que fue la primera confirmación cuantificada, científica y confirmada de que existía algún tipo de luz invisible. Esto, para nosotros que vivimos en la época de las comunicaciones por ondas invisibles de radio, televisión, móvil y cien variantes más, no es muy “sorprendente”. Pero imaginaros el impacto que supuso para Herschel y su época: La luz, que es lo que nos permite ver, tenía un color que no podía verse. Paradójico cuanto menos.

Y por último, una última reflexión. Estamos rodeados de “sabios” e iluminados que hablan de energías invisibles e indetectables “científicamente”. Lo cual es absurdo, porque la ciencia lo único que hace es comprobar el funcionamiento de la naturalza, y si hay algún tipo de energía “invisible” (como aquí ocurría) podremos detectarla por sus efectos. Sólo se trata de confirmar que hay algo de una forma objetiva, reproducible y comprobable. Pero como en realidad no hay nada, y no se detecta nada, dicen sencillamente que la ciencia “no puede”. Pero ellos sí, claro.

Esta es la diferencia entre un genio como Herschel y los vulgares estafadores.

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Estrellas: El conocimiento de la Luz I

Si alguien se para a pensarlo, es un poco raro que sepamos cosas como la distancia a la que está una estrella, la masa que tiene, su tamaño o si es joven o vieja, de qué está hecha, de dónde viene y hacia dónde va… ¿Cómo podemos medir y conocer todas esas cosas? Después de todo no podemos tocarlas de modo alguno, ni mandar una sonda a mirarlas de cerca o a hacer experimentos. Por no poder, no podemos ni ver el desarrollo de su vida porque es demasiado lento, tanto que ni en toda la historia humana podríamos haber visto una pequeñísima parte de la vida de cualquier estrella. Sólo son puntitos brillantes que están MUY lejos: lo único que tenemos para entenderlo todo es su luz.

Lo que deseo conseguir con esta serie de post no es dar una lección de astrofísica en profundidad, si no que cualquiera, sepa física y matemáticas o no, pueda entender cómo funcionan algunas cosas allí arriba.

El espectro visible:

Empecemos por el principio. Lo que comúnmente llamamos luz es una onda electromagnética y aunque tal vez, esto sea algo difícil de imaginar, como cualquier onda tiene una “longitud de onda”, es decir, la distancia que mide un ciclo completo de la onda, de forma que a partir de ahí, vuelve a repetirse lo mismo una y otra vez:

La letra griega lamda es el símbolo usado en física para la "Longitud de Onda". Como puede verse es la distancia entre un máximo y otro, o entre un mínimo y otro. Fuente: Wikipedia

Lógicamente la longitud de onda se mide en distancia.

Cada longitud de onda corresponde a lo que nosotros identificamos como un color. Ahora bien, nosotros no somos capaces de ver la luz de cualquier longitud de onda, nuestros ojos están limitados a ver desde 380 a los casi 780 nanometros ( 1 nanometro es una milésima de millonesima de metro). A esta franja se la llama “espectro visible”:

Como veis, desde el violeta (380 nm) hasta el rojo (a 780 nm) se cubren todos los colores que podemos ver. Fuente: Servisystem Audio

Si a esta franja la llamamos espectro visible, cualquiera podría percatarse de que existe la insinuación de que hay un espectro no visible, algo así como “luz invisible”. Esto es cierto, pero hablaré de ello en un próximo artículo.

Luz blanca:
Salvo en casos muy particulares (un láser por ejemplo), raramente encontramos que la luz esté compuesta por una única longitud de onda. Así lo que nos llega del sol es una mezcla de todas esas longitudes de onda, que llamamos “luz blanca”, debido a que está compuesta por todos los colores. Así cuando esta luz blanca incide sobre un objeto, una parte se “absorbe” y otra se refleja, pero al perder parte de sus longitudes de onda (por ser absorbidas), el color con el que sale reflejada ya no es “blanco”, sino que tendrá un color. Este es el color que nosotros vemos. En este sentido un objeto blanco lo refleja más o menos todo, y un objeto negro no refleja casi nada.

Bueno, sí, esto es muy bonito. pero seguro que queréis una prueba. Y todos tenéis una: el arco iris.

En el arco iris, cuando la luz blanca del sol atraviesa las gotitas de agua sufre un efecto llamado dispersión y la luz se separa en sus diferentes colores. Este efecto consiste en que el agua (y otros materiales) tienen distinto índice de refracción para cada color y por eso, aunque entran todos juntos, salen en diferentes direcciones. Podéis encontrar una explicación más detallada de la refracción en mi post Refracción de Ondas ¿y qué?.

¿Qué pinta tiene un espectro?

Hasta ahora sólo he dicho que la luz nos llega con sus colores mezclados y que pueden separarse. Lo que no he mencionado es que no nos llega la misma cantidad de luz de cada color. En realidad, de cada color nos llega una cantidad diferente. Por cierto, a “cantidad de luz” en física se le llama intensidad. Y sobre esto hablaré más detalladamente en otro artículo.

Entonces, si están mezclados y en diferentes cantidades… ¿que intensidad tiene cada color? Si nosotros cogemos la luz del Sol, separamos sus colores, y medimos la intensidad de cada color y lo hacemos con muchísimo detalle, tendremos algo así:

Cada línea va a continuación de la siguiente, pero por comodidad las han cortado y pegado después unos debajo de otros. Tenéis que pensar que lo que sale sería una única línea muuuy larga. Fuente: El tamiz

Vamos, un revoltijo enorme, donde unas partes son más brillantes y otras más oscuras, incluso alguna parte es negra. Por eso se suele representar así:

En las abscisas (eje horizontal) están las longitudes de onda, vamos los colores; mientras que las ordenadas (eje vertical) muestran la intensidad: Cuanto más alto más luz que nos llega de ese tipo.

Ahora sí se entiende de forma intuitiva. La cuestión ahora es ¿porqué tiene esa forma?

Eso, para el próximo artículo.

Esta serie de artículos está dedicada a mi amiga Luz, por haberme animado a que retomara el blog pese al parón.

Breve curiosidad #16: La solución

Buenas a todos, espero que hayáis pasado un buen puente.

Tal como prometí hoy voy a daros la solución al reto que os propuse hace unos días. Pongo de nuevo el vídeo:

Y aquí pongo otro vídeo que contiene la solución del asunto:

Creo que después de este vídeo está bastante claro. Si os fijáis en los momentos del vídeo en los que la cámara muestra una explosión (una al comienzo y otra a partir de 1:04), falta la onda de choque de las explosiones. Lo que es muy curioso, porque si os fijáis, la explosión afecta a algunas personas y objetos cercanos, pero no a otros un poco más lejos. Es decir el directo quería mostrar el avance del efecto de la explosión. Sin embargo, cuando algo explota, se rompe la barrera de sonido y se provoca una onda de choque. Este frente de choque tiene un salto repentino de densidad, lo que provoca la refracción de la luz y lo hace perfectamente visible, como podéis comprobar en el vídeo solución.

Si el directo se hubiera fijado en este detalle, podría haber mostrado la situación de la onda de choque y como los objetos a los que no ha alcanzado aún no han recibido el impulso de la explosión. Hay que decir, que es curioso que cuando hay armas disparando (por ejemplo en 0:27 en adelante) las balas SÍ tienen su onda de choque (pues su velocidad es tal que rompen la barrera del sonido). Por eso, pienso que la onda de choque en la explosión fue un despiste “físico” llamativo.

Hubo quién fue observador y se dio cuenta que el post en el que os retaba le puse la etiqueta de “refracción“. Fue una pequeña pista por mi parte, pero bastante “oscura”.

Breve curiosidad #15: ¡Descubre el fallo!

Hoy os dejo un reto a todos los lectores. En el siguiente vídeo, flipante por cierto, hay un error físico muy considerable.

Obviamente no se trata de que  parar el tiempo y pasearse por la escena viole varias leyes físicas xD. El error esta en ciertos elementos a los que les falta algo que se debería ver en esa situación de tiempo detenido.

SI lo preferís, aquí se ve en mejor calidad: Philips Carousel

¿Alguna idea?

La solución a la vuelta del puente.

Pero ojo, como yo no me voy de puente seguiré posteando estos días ^^

Cuando la luz se tuerce.

Cuando hablábamos de la refracción, hablamos de lo que ocurría cuando había una serie de capas sucesivas con índice de refracción creciente: la luz iba cambiando aún más su trayectoria con cada capa que atravesaba.

Pongamos ahora que tenemos muchísimas de estas capas y en cada una se da una desviación muy pequeña. No es difícil ver que de esa forma, tendríamos que la luz sigue una trayectoria prácticamente curva. De hecho sería una curva formada por muchísimas pequeñas rectas. Algo así:

grafdef

El fondo indica el valor del índice de refracción. Cuanto más blanco, menos índice de refracción (aquí suponemos innumerables capas, muy pequeñas). La curva roja es la trayectoria que sigue la onda en esta situación, mientras que la recta negra muestra la trayectoria rectilínea que seguiría si no hubiera variación del índice de refracción.

Ahora bien, esto puede parecer una idea bonita pero demasiado ideal: parece un poco difícil encontrar en la naturaleza esta circunstancia. Pero lo cierto es que es mucho más frecuente de lo que se pueda pensar a primera vista.

La cuestión ahora es ¿cómo podemos tener muchísimas capas muy pequeñas y que cada una introduce sólo una pequeñísima variación?

Vayamos por partes como dijo Jack el Destripador:

En  primer lugar hay que comentar que en un fluido (un gas o un líquido) concreto, la velocidad de una onda en él depende de la densidad, de forma que cuanto más denso sea ese fluido, menor velocidad tendrá la onda y por tanto, el índice de refracción será mayor. Pero la densidad de un fluido depende de su temperatura. A mayor temperatura menor densidad.

Ahora imaginad un depósito de agua. La parte de abajo del depósito se enfría con un refrigerador, mientras que la parte de arriba se calienta con un calefactor. La cuestión es que el agua de arriba estará caliente y se temperatura disminuirá progresivamente, hasta que al llegar a la parte de abajo estará fría. Esto, se puede resumir como “la temperatura varía a lo largo de la altura” y en física, a esto lo llamamos gradiente de temperatura.

Por tanto, entre los extremos del depósito, hay muchísimas capas, extremadamente finas, cada una de ellas a una temperatura, que es ligeramente diferente al resto de capas cercanas. Así estas capas van siendo cada vez más calientes cuanto más arriba estamos en el depósito. Lógicamente si la temperatura va cambiando con cada capa sucesiva, también lo hará la densidad. Y si la densidad va cambiando con cada capa, significa que la velocidad de la onda cambia y por tanto que lo hace el índice de refracción. ¡Acabamos de generar un medio con índice de refracción variable!

En el gráfico de antes teníamos que la parte de arriba tenía menor índice de refracción, que en este ejemplo sería debido a que está más caliente (más temperatura = menos índice de refracción).

Bien, ahora lo realmente interesante. Si la luz tuerce su trayectoria… veríamos cosas realmente extrañas, pues al mirar en una dirección veríamos cosas que realmente no están ahí, sino, en otro lugar…

(póngase música de suspense  en esta pausa melodramática xD)

espejismo-desierto1

espejismo-carretera

fata-morgana1

espejismo-barco

Efectivamente acabamos de explicar los espejismos.

En la primera y segunda imagen se trata de un espejismo que ocurre cuando el suelo está muy caliente. Esto provoca que el aire cerca suyo esté muy caliente y según ascendemos esté menos caliente. Como el aire caliente es menos denso, tiene menor índice de refracción (recordad que las ondas en medios de índice de refracción variable siempre se tuercen hacia donde tienen mayor índice de refracción, en este caso, arriba). Por tanto la luz va a curvarse hacia arriba, de la siguiente manera:

graf2d

Como veis en el gráfico, aparezco yo** mirando en una dirección indicada por al flecha marrón. Pero a mis ojos no llega luz de ese lugar, sino luz que sigue la trayectoria roja. De esta manera, cuando miro a la carretera que hay delante mio, no veo la carretera sino que veo… el cielo. Por eso me da la sensación de que hay agua sobre la carretera y que está reflejando el cielo. Esto es precisamente lo que ocurre en los desiertos: cuando su superficie está muy caliente y uno mira a lo lejos le parece ver que hay agua…

También muy interesante es el efecto de la tercera y cuarta imagen. Este efecto se llama Fata Morgana* y se trata de un espejismo pero a la inversa, debida a una inversión térmica. ¿Qué narices significa eso?. Una inversión térmica significa que la superficie está mucho más fría que el aire. Entonces el aire cerca de la superficie está más frío que el que hay por encima (justo a la inversa de lo habitual).  ¿Qué ocurre en este caso si miramos al horizonte? miremos el siguiente gráfico:

grafhordef

En este caso, yo voy montado en un barco y me da por mirar un poco por encima del horizonte. La línea negra marca la dirección en la que estoy mirando. La fina línea verde vertical marca la distancia máxima que puedo ver desde el barco: mi horizonte. No puedo ver el mar más allá del horizonte, debido a la curvatura de la tierra. Pero este aquí, que como hay una inversión térmica la luz que sale de un lugar un poco más allá del horizonte se tuerce hacia abajo, de forma que llega hasta mi. Sorpresa: al mirar por encima del horizonte feo una extraña zona, que no es más que el mar que hay más allá.

En el caso del barco con su propio reflejo encima es el mismo efecto: miras por encima del barco, y en vez de ver el cielo, ves luz que sale desde el barco hacia arriba pero luego se tuerce hacia abajo.

Hay un último caso del que no tengo fotografías. Es también una inversión térmica, que provoca que se vean… OVNIs. Imaginad que es de noche y estáis mirando hacia una zona con elevaciones. Al otro lado de la elevación, hay una carretera por la que viaja un coche con las luces encendidas. Como hay una inversión térmica la luz que sale de los faros del coche y va hacia arriba, se tuerce, por encima de las elevaciones. Y llega a nosotros que vemos una extraña luz en movimiento por encima de las colinas, a una velocidad que nos parece absurda o imposible, porque esa luz la situamos muchísimo más lejos de lo que en realidad está. Mirad el gráfico:

ovni

Aparezco yo de nuevo mirando hacia el cielo y muy sorprendido (la línea negra es la dirección en la que estoy mirando)… y veo una extraña luz. Que no es otra cosa que la luz proveniente del coche al otro lado de la colina.

Pero claro, sin haber leído este post y sin saber lo que hay al otro lado de la colina, es mucho más fácil decir que esa luz en el cielo es una nave extraterrestre o algo por el estilo.

*Fata Morgana: El término, significa en italiano, Hada Morgana. Se refiere, efectivamente a la Morgana de las leyendas artúricas, que tenía poderes sobre la ilusión (se hizo pasar por Ginebra para seducir a Arturo, si no recuerdo mal).

**Se sabe que ese monigote soy yo, por tres razones: Está como un fideo, tiene la cabeza hueca (literalmente) y porque va de negro xDD

Por cierto, querría pediros a todos que me dierais opinión sobre el artículo, pues no sé si lo he hecho demasiado técnico o si he sabido explicarme adecuadamente. Quiero mejorar post a post y para ello necesito vuestras impresiones.

Nota: Este es un post con fotos chulas y curiosas, pero como soy malo antes suelto la explicación. Esto tal vez puede parecer un poco contraproducente para atraer a lectores (lo lógico debería ser lo contrario), pero lo cierto es que me gusta plantearlo de estar manera ya que cualquiera que comience a leerlo pensará: “vaya retaila de cosas inútiles”, pero si tiene la paciencia de llegar hasta lo interesante, la sensación que quedará será: “aunque a primera vista parecía inútil al final resultó ser realmente interesante y con unas posibilidades que no me había planteado. Moraleja: Aunque parezca sólo una rareza científica sin ninguna utilidad ¡Dale una oportunidad!

Fuentes:

Polarimage.fi (una web realmente genial con fotos y vídeos de todo tipo de efectos ópticos, vale la pena echadle un vistazo) A esta web pertenecen las imágenes de Fata Morgana.

Refracción de ondas ¿Y qué?

Las ondas tienen muchas propiedades realmente sorprendentes si nos detenemos a pensarlo. Una de ellas tiene que ver con los índices de refracción, algo que seguramente todo el mundo ha oído mencionar alguna vez, aunque fuera en la  ESO.

Hagamos un resumen rápido:

¿Qué significan los índices de refracción?

Los índices de refracción están relacionados con la velocidad a la que una onda se mueve en un medio. Ojo, no con su movimiento oscilatorio, sino con su movimiento de avance (“velocidad de propagación”).

En concreto la relación de los índices de índices de refracción de dos materiales es inversamente proporcional a la relación de índices de refracción entre ambos medios. Veámoslo en un ejemplo: si un material (1) tiene un índice de refracción con valor 1,5 y otro material (2) tiene un índice de refracción de 3.  Esto significa que la onda va el doble de rápido en el material (1) que en el material (2), pues su índice de refracción es la mitad.

¿Qué ocurre cuando la onda pasa de un material a otro, que tiene diferente índice de refracción?

Al pasar de un material a otro con diferentes índices de refracción, la velocidad de la onda varía instantáneamente. Pero si es un cambio instantáneo, la onda “se rompería”, excepto si la trayectoria cambiase. Esto se ve muy bien en la siguiente animación:

La línea roja es perpendicular a la superficie de la onda a lo largo de su longitud y por tanto marca la trayectoria de propagación. Como veis, la onda se deforma (variando su trayectoria) al entrar en otro medio para compensar el cambio de velocidad.

Pero aunque se deforma, daos cuenta que la onda no “se rompe”. Si os fijais en la superficie, la onda por encima y por debajo de ella no está rota: las líneas azules no se cortan al llegar a la superficie sino que ¡siguen siendo contínuas!

Entonces ¿las ondas se tuercen?

Efectivamente, una onda varía su trayectoria al pasar de un índice de refracción a otro. Planteemos ahora un caso un poco más complejo. Digamos que hay varias superficies consecutivas, cada una con mayor índice que al anterior. Ocurrirá algo así:

espejismo6

Con cada superficie consecutiva, el efecto se acumula y la onda torcerá aún más su trayectoria. Al final parece que la onda sigue una trayectoria “curva”. De hecho, se curva hacia donde su velocidad es menor.

¿Y qué?

Bueno, es una pregunta muy razonable. La razón por la que he explicado rápidamente esto, es porque los próximos días voy a dedicar varios post a interesantes ejemplos que hay en la naturaleza, y merece la pena refrescar estas ideas. Si queréis saber de que se trata, no dejéis de pasar por aquí los próximos días ^^

EDITO: Dejo aquí los post que he ido publicando sobre este tema:

Cuando la luz se tuerce

Canales de Sonido I

Canales de Sonido II

Fuentes:

Wikipedia

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/espejismo/espejismo.htm