La reflexión y la refracción de las ondas

En una entrada anterior explicábamos cómo se producen las ondas y habíamos concluido que son perturbaciones que se propagan a través de un medio con transporte de energía (aunque no de materia). Pero, ¿qué ocurre cuando una onda se encuentra en su camino con otro medio distinto? Nada impide que la onda también propague la perturbación de un medio a otro, y éste haga de nuevo lo mismo, es decir, siga transmitiendo la onda a su entorno más próximo. Sin embargo, la superficie de separación entre dos medios tiene unas características especiales, pues en esa zona límite las perturbaciones pueden tomar dos direcciones: una posibilidad es que la onda se propague en el nuevo medio y la otra es que la onda vuelva al medio de procedencia.

refraccion-reflexion

En realidad, cuando una onda llega a la superficie de separación de dos medios, tienen lugar simultáneamente los dos procesos, que se denominan:

  • Reflexión, cuando la onda se propaga a través de un medio y al llegar a la superficie de separación vuelve al medio de procedencia.
  • Refracción, cuando la onda que procede de un medio continúa propagándose en el segundo medio después de atravesar la superficie de separación entre ambos.

Aunque ambos fenómenos ocurren a la vez, en ocasiones uno predomina sobre otro. Por ejemplo, los espejos reflejan prácticamente toda la luz que incide sobre ellos, mientras que los cristales permiten que podamos ver a través de ellos gracias a los fenómenos de refracción.

Para estudiar estos dos fenómenos ondulatorios, solemos considerar la trayectoria seguida por un rayo que incide sobre la superficie de separación de los dos medios. Además, definimos una linea imaginaria perpendicular a la superficie en el punto de incidencia, que se denomina normal. El ángulo que forma el rayo incidente con la normal se denomina ángulo de incidencia. Cuando hay reflexión, el rayo reflejado vuelve al medio de procedencia formando un ángulo, llamado ángulo de reflexión, que debido a la simetría con que ocurre el proceso, tiene un valor igual al del rayo de incidencia.

reflexion

De lo anterior se deducen las dos leyes de la reflexión:

Primera ley de la reflexión: el rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano.

Segunda ley de la reflexión: el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Cuando un haz de luz choca contra una superficie plana y lisa todos los rayos reflejados son paralelos entre sí. A este tipo de reflexión se le llama reflexión especular. Si la superficie es irregular refleja los rayos de luz en varias direcciones, denominándose entonces reflexión difusareflexion-especular-difusa.jpg

Evidentemente, la velocidad en que se propagan los dos rayos es la misma, ya que el medio en el que lo hacen también lo es. Esto no ocurre así en la refracción, que se caracteriza precisamente por el cambio de velocidad que experimenta el rayo al pasar de un medio a otro. La variación de la velocidad de una onda, al pasar de un medio a otro, provoca también un cambio en la dirección de propagación.

Cuando un frente de ondas llega a la superficie de separación entre dos medios con cierta inclinación comienza a atravesarlo antes por un lado que por otro, por lo que el frente de ondas va modificando su velocidad al ir introduciéndose en el segundo medio, por lo que se desvía respecto a la dirección previa. Considerando, como en el caso de la reflexión, una línea imaginaria perpendicular a la superficie en el punto de incidencia, llamada normal, el rayo refractado forma con la normal un ángulo, que en este caso se denomina ángulo de refracción, que será mayor que el ángulo de incidencia cuando la velocidad en el segundo medio es mayor que en el primero, y menor si la velocidad en el segundo medio también lo es.

refraccion

En resumen, las leyes de la refracción son:

Primera ley de la refracción: el rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.

Segunda ley de la refracción: el ángulo de refracción es mayor al de incidencia si la velocidad de la onda es mayor en el segundo medio, mientras que el ángulo de refracción es menor al de incidencia si la velocidad en segundo medio también es menor.

La descripción matemática de la segunda ley de la refracción viene dada por la ley de Snell:

ley-snell

Cuando las ondas consideradas son electromagnéticas (luz), se define la ley de Snell a partir del índice de refracción de cada uno de los medios:

Ley-snell-indice-refraccion

Una consecuencia interesante de este fenómeno es que un objeto sumergido parece estar más cerca de la superficie de lo que en realidad está:

Refraccion2

El fenómeno de la refracción se produce por la diferencia que hay en las propiedades de los diferentes medios, y puede apreciarse incluso en un mismo medio cuyas propiedades no son homogéneas, como en el aire cuando la diferencia de densidades provocadas por un aumento de temperatura localizado crea las ilusiones ópticas que conocemos como espejismos:

espejismo.png

Actividad de consolidación

En este video se resuelve un ejercicio de aplicación de la ley de Snell:

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