Reflexión y refracción de ondas y curiosidades

Una onda, Al propagarse por un medio, lo hace con una cierta velocidad característica que se denomina velocidad de propagación, y que no cambia mientras la onda se mueva en el mismo medio, ya sea aire, agua, etc. En su camino la onda puede atravesar distintos medios, por ejemplo, puede pasar del aire al agua, o del aire al vidrio, o viceversa.

¿Qué sucede cuando la onda llega a un medio distinto? Al alcanzar este nuevo medio, hay dos tipos de fenómenos que se pueden producir, ya que la onda es en parte reflejada, y en parte transmitida. Estos fenómenos son la reflexión y la refracción. La energía que trae la onda incidente se reparte entre la energía de la onda reflejada y la porción que lleva la onda transmitida. La onda transmitida se denomina refractada, y se mueve con una velocidad diferente a la anterior. Este cambio de velocidad hace, que cuando el frente de ondas incidente no es paralelo a la superficie (imaginaria) de separación entre los dos medios, la onda refractada se desvíe de su dirección original.

Tanto en la reflexión como en la refracción, las ondas incidente, reflejada y refractada satisfacen ciertas condiciones (en la superficie de separación entre los dos medios) conocidas como leyes de Snell.

Podemos representa la dirección de propagación de las ondas luminosas por medio de rayos, como en las figuras. Así si el rayo incidente forma cierto ángulo con una dirección perpendicular a la superficie de separación entre los dos medios (indicada por la linea de trazos en la figura), en el ejemplo aire y agua, el rayo incidente y el rayo reflejado forman el mismo ángulo con la linea de trazos (la velocidad de propagación es la misma). En cambio, el rayo refractado se desvía con respecto a la dirección original, formando un ángulo diferente con la linea de trazos, ya que la velocidad de propagación cambia. Este cambio de dirección se relaciona con el llamado índice de refracción, que depende de cada medio. Cuanto mayor es el indice de refracción, el rayo refractado se acerca más a la linea de trazos, es decir, aumentando su desviación con respecto a la dirección del rayo incidente. Esta desviación no ocurre si el rayo incide siguiendo la dirección de la linea de trazos, y en este caso, la dirección es la misma para los tres rayos, el incidente, el reflejado (cambia el sentido) y el refractado.

Si seguimos el camino del rayo en sentido inverso, es decir, desde el agua hacia el aire, vemos que los rayos refractados se apartan de la linea normal a la superficie de separación entre el agua y el aire. Esto sucede debido a que el indice de refracción del aire es menor que el del agua (la velocidad de propagación en el aire es mayor que en el agua). Debido a esto sucede un curioso fenómeno, denominado reflexión total interna (ver figura 2). Si seguimos el camino de los rayos, que emergen de un objeto situado en el fondo de la pecera, para ángulos cada vez mayores, vemos que existe un ángulo a partir del cual el rayo no escapa del agua y se refleja completamente. Este ángulo se denomina ángulo límite, ya que para ángulos mayores el objeto no se ve, ya que ningún rayo escapa desde el objeto hacia el aire.

Otro curioso fenómeno se denomina elevación aparente. Cuando observamos un objeto como el pequeño disco de la figura 3, sumergido en el agua, en este ejemplo, no lo vemos en su posición real, sino elevado, ya que la imagen se forma con la prolongación hacia atrás de los rayos refractados que alcanzan nuestra vista.