Refracción

En física , la refracción es el cambio de dirección de una onda al pasar de un medio a otro. Este cambio puede deberse a una variación en la velocidad de la onda o a una variación en el medio. ^{[ 1 ]} La refracción de la luz es el fenómeno más comúnmente observado, pero otras ondas, como las ondas sonoras y las olas del agua, también experimentan refracción. La magnitud de la refracción de una onda está determinada por el cambio en su velocidad y la dirección inicial de propagación de la onda con respecto a la dirección del cambio de velocidad.

Los prismas y lentes ópticos utilizan la refracción para redirigir la luz, al igual que el ojo humano . El índice de refracción de los materiales varía con la longitud de onda de la luz ^{[ 2 ]} , y por lo tanto, el ángulo de refracción también varía en consecuencia. Esto se denomina dispersión y permite que ciertos prismas ^{[ 3 ]} y las gotas de lluvia en los arcoíris ^{[ 4 ]} dividan la luz blanca en sus colores espectrales constituyentes .

Para la luz, la refracción sigue la ley de Snell , que establece que, para un par de medios dados, la razón de los senos del ángulo de incidencia es igual a 1/2.${\displaystyle {\theta _{1}}}$y ángulo de refracción${\displaystyle {\theta _{2}}}$es igual a la relación de velocidades de fase${\textstyle {\frac {v_{1}}{v_{2}}}}$en los dos medios, o equivalentemente, a los índices de refracción${\estilo de texto {\frac {n_ {2}} {n_ {1}}}}$de los dos medios: ^{[ 5 ]}

$${\displaystyle {\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}}$$

La refracción implica dos partes relacionadas, ambas resultado de la naturaleza ondulatoria de la luz: una reducción de la velocidad en un medio óptico y un cambio de ángulo cuando un frente de onda cruza entre diferentes medios en un ángulo.

1. La luz disminuye su velocidad al viajar a través de un medio distinto del vacío (como el aire, el vidrio o el agua). Esto no se debe a la dispersión ni a la absorción, sino a que, como oscilación electromagnética , la luz misma provoca la oscilación de otras partículas cargadas eléctricamente , como los electrones . Estos electrones oscilantes emiten sus propias ondas electromagnéticas que interactúan con la luz original. La onda resultante tiene una velocidad menor. Cuando la luz regresa al vacío y no hay electrones cerca, este efecto de ralentización cesa y su velocidad vuelve a ser la de la luz .
2. Cuando la luz incide en un medio más lento en ángulo, un lado del frente de onda se ralentiza antes que el otro. Esta ralentización asimétrica provoca un cambio en el ángulo de su trayectoria. Una vez dentro del nuevo medio, cuyas propiedades son constantes, la luz vuelve a viajar en línea recta.

Dispersión de la luz

La refracción también es responsable de los arcoíris y de la descomposición de la luz blanca en un espectro de colores al pasar a través de un prisma de vidrio . El vidrio y el agua tienen índices de refracción más altos que el aire. Cuando un haz de luz blanca pasa del aire a un material con un índice de refracción que varía con la frecuencia (y la longitud de onda), se produce un fenómeno conocido como dispersión , en el que los distintos componentes de color de la luz blanca se refractan en ángulos diferentes, es decir, se desvían en distinta medida en la interfaz, separándose así. Los diferentes colores corresponden a distintas frecuencias y longitudes de onda.

La refracción ocurre cuando la luz atraviesa la superficie del agua, ya que el agua tiene un índice de refracción de 1,33 y el aire, de aproximadamente 1. Al observar un objeto recto, como un lápiz en la figura, colocado en ángulo y parcialmente sumergido en el agua, el objeto parece curvarse en la superficie. Esto se debe a la desviación de los rayos de luz al pasar del agua al aire. Una vez que los rayos llegan al ojo, este los recorre como líneas rectas (líneas de visión). Estas líneas de visión (representadas con líneas discontinuas) se cruzan en un punto más alto que el origen real de los rayos. Esto hace que el lápiz parezca más alto y el agua parezca menos profunda de lo que realmente es.

La profundidad aparente del agua vista desde arriba se conoce como profundidad aparente . Esto es importante para la pesca submarina desde la superficie, ya que hará que el pez objetivo parezca estar en un lugar diferente, y el pescador deberá apuntar más abajo para capturarlo. Por el contrario, un objeto que está sobre el agua tiene una altura aparente mayor cuando se ve desde debajo del agua. Un pez arquero debe realizar la corrección opuesta . ^{[ 9 ]}

Para ángulos de incidencia pequeños (medidos desde la normal, cuando sen θ es aproximadamente igual a tan θ ), la relación entre la profundidad aparente y la real es igual a la relación entre los índices de refracción del aire y del agua. Sin embargo, a medida que el ángulo de incidencia se aproxima a 90°, la profundidad aparente tiende a cero, aunque la reflexión aumenta, lo que limita la observación en ángulos de incidencia elevados. Por el contrario, la altura aparente tiende al infinito a medida que aumenta el ángulo de incidencia (desde abajo), pero incluso antes, al aproximarse al ángulo de reflexión interna total , si bien la imagen también se desvanece al acercarse a este límite.

El índice de refracción del aire depende de su densidad y, por lo tanto, varía con la temperatura y la presión atmosféricas . Dado que la presión es menor a mayor altitud, el índice de refracción también disminuye, lo que provoca que los rayos de luz se refracten hacia la superficie terrestre al recorrer largas distancias a través de la atmósfera. Esto altera ligeramente la posición aparente de las estrellas cuando están cerca del horizonte y permite que el sol sea visible antes de que se eleve geométricamente sobre el horizonte durante el amanecer.

Las variaciones de temperatura en el aire también pueden causar refracción de la luz. Esto puede verse como una neblina de calor cuando se mezclan aire caliente y frío, por ejemplo, sobre un fuego, en el escape de un motor o al abrir una ventana en un día frío. Esto hace que los objetos vistos a través del aire mezclado parezcan parpadear o moverse aleatoriamente a medida que el aire caliente y frío se desplaza. Este efecto también es visible en las variaciones normales de la temperatura del aire durante un día soleado cuando se utilizan teleobjetivos de gran aumento y a menudo limita la calidad de la imagen en estos casos. ^{[ 10 ]} De manera similar, la turbulencia atmosférica produce distorsiones que varían rápidamente en las imágenes de los telescopios astronómicos , lo que limita la resolución de los telescopios terrestres que no utilizan óptica adaptativa u otras técnicas para superar estas distorsiones atmosféricas .

Las variaciones de temperatura del aire cerca de la superficie pueden dar lugar a otros fenómenos ópticos, como espejismos y el efecto Fata Morgana . Lo más común es que el aire calentado por una carretera caliente en un día soleado desvíe la luz que incide en un ángulo poco pronunciado hacia el observador. Esto hace que la carretera parezca reflectante, creando la ilusión de que está cubierta de agua.

En medicina , particularmente en optometría , oftalmología y ortóptica , la refracción (también conocida como refractometría ) es una prueba clínica en la que un profesional de la salud visual puede usar un foróptero para determinar el error refractivo del ojo y las mejores lentes correctivas que se deben prescribir. Se presenta una serie de lentes de prueba con diferentes potencias ópticas o distancias focales para determinar cuál proporciona la visión más nítida y clara. ^{[ 11 ]} La cirugía refractiva es un procedimiento médico para tratar trastornos visuales comunes.

• Birrefringencia (doble refracción)
• Óptica geométrica
• Principio de Huygens-Fresnel
• Lista de índices de refracción
• Refracción negativa
• Reflexión
• Fotografía Schlieren
• Refracción sísmica
• Superrefracción

• Reflexiones y refracciones en el trazado de rayos : una explicación sencilla pero exhaustiva de las matemáticas que hay detrás de la refracción y la reflexión.
• Simulación de refracción de destello: incluye la fuente , explica la refracción y la ley de Snell.
• "Refracción"  . Encyclopædia Britannica . Vol. 23 (11.ª ed.). 1911. págs. 25–29 .