CÁMARA OSCURA

Johannes Kepler

Fue Johannes Kepler (1571-1630) el primero en acuñar el término Cámara Oscura. La cámara oscura original era una habitación cuya única fuente de luz era un minúsculo orificio en una de las paredes. La luz que penetraba en ella por aquel orifício y proyectaba una imagen del exterior en la pared opuesta. Aunque la imagen así formada resultaba invertida y borrosa, los artistas utilizaron esta técnica para esbozar escenas proyectadas por la cámara. Con el transcurso de los siglos la cámara oscura evolucionó y se convirtió en una pequeña caja manejable y al orificio se le instaló una lente óptica para conseguir una imagen más clara y definida.

Posiblemente nunca se sabrá con precisión quién y cuándo descubrió la cámara oscura pero su presencia a lo largo de la historia de la humanidad es constante.

Fue en la antigua Grecia donde surgió la preocupación por encontrar una explicación del fenómeno lumínico. Esto condujo a los filósofos a observar los efectos de la luz en todas sus manifestaciones. Aristóteles sostuvo que los elementos que constituían la luz se trasladaban de los objetos al ojo del observador con un movimiento ondulatorio. Para comprobar su teoría, construyó la primera cámara oscura de la que se tiene noticia en la Historia, describiéndola de la siguiente manera: "Se hace pasar la luz a través de un pequeño agujero hecho en un cuarto cerrado por todos sus lados. En la pared opuesta al agujero, se formará la imagen de lo que se encuentre enfrente".

Leonardo Da Vinci

En la segunda mitad del siglo XV, se volvió a tener noticia de la cámara oscura a través de Leonardo da Vinci (1452-1519), quien redescubrió su funcionamiento y le adjudicó una utilidad práctica por lo que se le ha otorgado el crédito de su descubrimiento. El italiano Leonardo da Vinci y el alemán Alberto Durero (1471-1528) emplearon la cámara oscura para dibujar objetos que en ella se reflejaban. A partir de ese momento se utilizó como herramienta auxiliar del dibujo y la pintura, extendiéndose rápidamente en Europa.

En el siglo XVI un físico napolitano, Giovanni Battista Della Porta (1535-1615), antepuso al orificio una lente biconvexa (lupa) y con ella obtuvo mayor nitidez y luminosidad en la imagen. A partir de este avance varios científicos se dedicaron a perfeccionarla.

Pero, ¿cómo "funciona" la cámara oscura?... Para explicarlo, partamos de la imagen inferior:

La luz que llega a un objeto, en este caso un árbol, se refleja y algunos de los haces de luz logran entrar a la cámara a través del pequeño orificio y llegar hasta el fondo que es la pantalla sobre la que se forma la imagen. La imagen se forma invertida debido a que la luz viaja en línea recta (también se invierten izquierda y derecha por la misma razón). Al observar la figura queda claro entonces la razón de la inversión de la imagen, y por tanto, también nos sirve para comprobar experimentalmente que la luz viaja en línea recta.

El agujero de la cámara debe de ser lo más pequeño posible para permitir la entrada pequeñito de unos pocos haces de luz, cuanto más grande sea el orificio más difusa será la imagen formada.

El ojo humano funciona como una cámara oscura también, probablemente hemos oído que las imágenes que vemos se forman invertidas en la retina. En el caso del ojo además del pequeño orificio, que es la pupila, existen otros elementos orgánicos como el cristalino y la córnea, cuya función es enfocar cualquier objeto, este cerca o lejos, en la retina.

Para construir nuestra cámara oscura vamos a utilizar los planos que se encuentran en el siguiente enlace:

PLANO CÁMARA OSCURA (Plano 1)
PLANO CÁMARA OSCURA (Plano 2)

Esta es la cámara oscura construida siguiendo el plano anterior. Se le ha añadido una tela oscura para realizar una observación mejor.

Por último, este es el vídeo de las imágenes conseguidas con esta cámara oscura. En directo las imágenes son muchísimos mejores. Además, el día de la grabación estaba parcialmente nublado (la mejor opción es como mucha luz solar colocada detrás de la cámara). Volveremos a repetir el vídeo con mejores opciones de luz.

Repetición de la grabación con mejores opciones de luz.

Probando nuestras cámaras oscuras.

Informe realizado por Adrián, Bogdan, José Antonio y Marina sobre la cámara oscura.

Cámara oscura: características y construcción

¿RADIOMETRO SOLAR o MOLINILLO TÉRMICO?

Aunque, como ya veremos, su nombre lleva a engaño porque ni mide ni es solar, éste es un aparato con grandes posibilidades para entender algunos aspectos de la Física.

También conocido como Molinillo de Luz o Radiómetro de Crookes, este dispositivo fue desarrollado en 1873 por el químico de origen inglés sir William Crookes (1832 - 1919) a partir de observaciones realizadas (y que no tenían nada que ver) en sus investigaciones sobre un nuevo elemento químico que acababa de descubrir en 1861: el Talio (Tl). Este dispositivo, que a primera vista parece una bombilla de incandescencia, está constituido por un bulbo en cuyo interior se ha realizado un vacío parcial. Las cuatro aspas están construidas de igual forma: con una cara plateada y otra oscura. Todo el conjunto se encuentra suspendido sobre una aguja.

Williams Crookes

La explicación de su funcionamiento no fue tan sencilla como parece a primera vista, e incluso, el propio Crookes ofreció una explicación errónea del mismo: La luz golpea las aspas del molinillo con sus fotones. La luz que golpea las caras negras es absorbida mientras que la de las blancas es rebotada (un cuerpo negro se calienta antes al sol que uno blanco) y esto hace que el balance total de golpes de las partículas de luz sea mayor en las caras blancas que en las negras, habiendo una fuerza total que haga girar el molinillo. Error. Si esto fuese verdad, giraría en sentido contrario al que realmente lo hace. Muchos científicos trabajaron en la explicación de este fenómeno: Martin Knudsen, James C. Maxwell, Albert Einstein u Osborne  Reynolds. En la actualidad, aunque no hay unanimidad, parece que la explicación más aceptada en una combinación de las idea de A. Einstein y O. Reynolds.

La explicación más aceptada la propuso O. Reynolds, en 1879, al hablar de  la Transpiración Térmica, que es el flujo de gas a través de una superficie porosa causado por una diferencia de temperatura en ambos lados del aspa.

Osborne Reynolds

La primera objeción se obvia: Las aspas del radiómetro no tienen poros. Debemos fijarnos en los bordes de las aspas. Miremos las aspas desde arriba. La parte inferior de nuestra línea corresponde al lado negro (más caliente) y la superior al lado blanco (más frío). Las moléculas que chocan en los bordes desde el lado caliente son, en promedio, más que las del lado frío, y por tanto, el resultado final es que en los bordes tenemos una fuerza hacia el lado blanco, que hace girar el dispositivo. Este efecto es conocido como Deslizamiento o Arrastre Térmico porque arrastra las moléculas a lo largo de una superficie donde hay un gradiente térmico (variación gradual de temperatura).

Una explicación parcial ya planteada con anterioridad fue puesta en valor nuevamente por A. Einstein. Las moléculas del gas que chocan en el lado caliente del aspa aumentarán un poco la velocidad del aspa. Si una molécula da este empuje extra eficaz, implica que una mínima presión es ejercida sobre el aspa. El desequilibrio de este efecto entre el lado caliente y el frío genera una presión neta equivalente a un empuje en el lado negro, resultando un giro con el lado negro atrás, tal y como vemos funcionar al aparato. El problema fue que el movimiento de las moléculas más rápidas produce más fuerza, pero también frena a las otras moléculas que van a chocar en el aspa. Por lo tanto, la fuerza total en el aspa debería ser exactamente la misma ya que una mayor temperatura disminuye la densidad (se dispersan más las moléculas y dejan más espacio libre) resultando la misma fuerza en ambos lados. Años después de que esta explicación fuese descartada, A. Einstein mostró que debido a la diferencia de temperatura en los bordes las dos presiones no se cancelan totalmente. La fuerza predicha por A. Einstein sería suficiente como para mover las aspas, pero no tan rápido como lo observamos en la  realidad.

Actualmente,  la explicación más aceptada es una suma de la presión de O. Reynolds y la de A. Eisntein.

Podemos concluir que es la diferencia de temperatura la responsable del movimiento de nuestro aparato. Para demostrarlo, en el vídeo se muestran dos experimentos:

1. Poner el molinillo bajo la acción de un secador de pelo.

2. Poner el molinillo bajo la acción de una placas de congelación. En este caso, y es el único, nuestro aparato gira en sentido contrario (la cara oscura por delante) debido a que esta cara se enfría antes.

En conclusión, lo que nos venden como un Radiómetro no es más que un Molinillo Térmico. No gira, como se indica en la misma caja del aparato, por la fuerza de la luz solar. La presión que ejerce la luz del sol es muy, muy pequeña, de modo que la presión que hace realmente sobre las aspas del molinillo es tan pequeña que no es capaz de vencer la fuerza de rozamiento que hace la puta de la aguja sobre la cápsula de vidrio. Los radiómetros de verdad, que miden la presión de radiación de la luz, son muy diferentes: cuelga de un hilo largo tal que no genera rozamiento y es prácticamente libre de girar. Además, está en una cámara de alto vacío, donde se ha extraído todo vestigio de materia gaseosa posible. Entonces, y sólo entonces, el radiómetro gira en el sentido que predice la presión de radiación, el que predice la teoría electromagnética de J. C. Maxwell, la que predijo W. Crookes.

LUZ, SONIDO Y BEETHOVEN (RESPUESTA)

Hace una semanas mostrábamos la combinación entre luz y sonido con la ayuda de Beethoven. Si quieres recordarlo, aquí tienes el enlace:

Luz, Sonido y Beethoven

La Luz y el Sonido son magnitudes físicas que comparten el hecho de ser ondas. Sin embargo, sus diferencias son mayúsculas. Su velocidad de propagación es muy diferente ( unos 1235 km/h para el Sonido en el aire y unos 1080000000 km/h para la Luz en el vacío). Además, el Sonido necesita un medio material para propagarse frente a la luz que es capaz de propagarse en el vacío. Recuerda este dato la próxima vez que escuches la explosión de una nave espacial en una película del espacio...

Ángela, Daniel, Raúl y Silvia se encargan de explicarnos este curioso experimento amplificador casero construido con una lata de champiñones:

GLOBO SOLAR 2 (Historia de un exitoso fracaso)

Hace unaS semanas mostramos el funcionamiento de los globos solares y sus posibles aplicaciones. La entrada era la siguiente:

GLOBO SOLAR

Manuel, Yanet, Jesús y Adrián se encargan de explicar por qué ocurre. Además, mostramos nuestro existoso fracaso a la hora de intentar hacerlo volar nuevamente

¿SE ENCIENDE LA BOMBILLA? (RESPUESTA)

Hace unas semanas mostramos un vídeo sobre una bombilla que parecía iluminarse al incidir sobre ella un láser. Esta era la entrada:

¿SE ENCIENDE LA BOMBILLA?

Ahora, Raimundo, Manuel, Daniel y Jesús explican qué es lo que ocurre en este experimento con la luz. Por cierto, láser significa Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación.

¿UN COLOR O VARIOS COLORES? RESPUESTA

Hace un par de semanas, mostramos lo que ocurría con una curiosa esfera que inicialmente parecía de un color, y luego, eran varios. Para recordarlo, pincha en el siguiente enlace:

¿UN COLOR O VARIOS COLORES?

Ahora nos llega la explicación dada por Raimundo, Diana, Adrián, Manuel y Jesús.

GLOBO SOLAR

Fíjate en el siguiente vídeo:

Ahora, toca responder a las siguientes cuestiones:

1. ¿Por qué asciende el globo?

2. ¿Por qué su color es negro?

3. ¿Podría ser de otro color el globo?

4. Si el globo tiene forma cilíndrica de dimensiones 1 x 3 metros, ¿cuál será el volumen aproximado de nuestro globo?
5. Sin la utilización del secador, ¿ascendería el globo?
6. En invierno, con el suelo lleno de nieve, también sería capaz de ascender ¿por qué es posible?

Ahora la pregunta es, ¿para qué pueden ser utilizados estos globos solares?... A parte de un instrumento didáctico para enseñar los efectos de la energía solar, un inventor australiano, Ian Edmonds, propone un sistema para lograr energía mediante generadores accionados por globos calentados con la luz solar. Este inventor cuenta además con otra treintena de patentes que tratan de aprovechar las energías renovables de formas muy curiosas. Aunque sean más o menos plausibles, las ideas originales y atrevidas son el fundamento de la innovación y el desarrollo tecnológico. Si quieres conocer algo más sobre su idea de globos solares y generadores, pincha en el siguiente enlace:

Aplicaciones de los globos solares

Por cierto, no todo es éxito en la Ciencia: UN EXITOSO FRACASO

APLICACIONES DE LA REFLEXIÓN: CALEIDOSCOPIO

¿Pero ésto para qué sirve?... En lo más profundo del ser humano, junto con esa curiosidad por saber y comprender el Universo que le rodea, está la necesidad de buscar una dimensión práctica a todos sus descubrimientos científicos. No basta con dar respuesta a la pregunta ¿Por qué? se hace necesario responder también al Y ahora, ¿para qué?... Fruto de esa necesidad es todo lo que nos rodea (para lo bueno y lo malo). Si ya es increíble que el ser humano sea capaz de dar respuesta a los fenómenos que pueblan nuestro Universo, más sorprendente es su capacidad para ver sus posibles aplicaciones más allá del propio fenómeno estudiado. Siempre una lucrativa patente puede ser muy motivadora...

La Reflexión no iba ser la excepción a esa necesidad de búsqueda y aplicación, y como por desgracia no podemos construir nuestro propio Telescopio Espacial Hubble con un espejo primario de 2.4 m y echar un vistazo a la inmensidad en la que vivimos, vamos a mostrar cómo construir un caleidoscopio de una forma sencilla.

En este caso, es José Manuel Ortega el que se encarga de explicarnos el fundamento físico y la construcción de este curioso artilugio.

LUZ, SONIDO Y LUDWIG VAN BEETHOVEN

Observar de una forma sencilla las ondas producidas por el sonido no es fácil. En este vídeo, con ayuda de un láser conseguimos poner de manifiesto su presencia. Fíjate en las ondas secundarias que aparecen longitudinalmente en la imagen del vídeo. Por cierto, si alguien tiene el oído fino, escuchará llorar a una niña hacia el final... parece que a Norah no le gusta Beethoven...

Para intentar explicar lo visto, hay que responder a las siguientes cuestiones:

          1. ¿En qué se parecen y en qué se diferencian la luz y el sonido?

          2. ¿Cómo se construye el amplificador casero?

          3. ¿Por qué se mueve el láser de esa forma?

          4. ¿Existirá diferencia en el patrón de imágenes según el tipo de música utilizada?

          5. Por cierto, ¿cuál era la nacionalidad de Ludwig van Beethoven?...

Aquí tienes las respuestas: LUZ, SONIDO Y LUDWIG VAN BEETHOVEN

¿SE ENCIENDE LA BOMBILLA?

El siguiente vídeo muestra el efecto que produce un láser sobre una bombilla

Para intentar explicar este fenómeno, hay que dar respuesta a una seria de cuestiones:

          1. ¿Qué es un láser?

          2. ¿Qué diferencia existe entre los dos punteros láser mostrados en el vídeo? Referido a frecuencia y longitud de onda de los mismos.

          3. ¿Qué significa el acrónimo láser? En inglés y español.

          4. ¿Son los mismos fenómenos físicos cuando la luz está encendida por el interruptor que cuando se ilumina por acción del láser?

          5. Explica qué ocurre con la bombilla cuando es iluminada por el láser.

          6. ¿Existe el fenómeno de la refracción en el experimento realizado?

En el siguiente enlace puedes encontrar la respuesta a todas estas cuestiones:

¿Se enciende la bombilla? Respuesta

¿UN COLOR O VARIOS COLORES?

Fíjate en el siguiente vídeo e intenta decir si es un color o varios los que forman la pelota...

A partir de este vídeo, inicia la investigación del proceso dando respuesta a estas cuestiones:

          1. ¿De qué color es inicialmente la esfera en reposo?

          2. ¿Qué colores aparecen cuando la esfera está en movimiento?

          3. ¿Influyen en la tonalidad de la esfera la velocidad de revolución?

          4. ¿Por qué ocurre ese fenómeno?

          5. Podríamos pensar que es un disco de Newton pero a la inversa...

                    5.1. ¿Qué es un disco de Newton?

                    5.2. ¿En qué fenómeno se basa?

                    5.3. ¿Es correcta la afirmación de un disco invertido de Newton?

Si quieres conocer la respuesta a estas preguntas, pincha en el siguiente enlace:

¿Un color o varios colores? Respuesta

LENTES Y SUS EFECTOS 1

Una lente delgada es normalmente un trozo de vidrio o plástico, pulido de forma que sus dos superficies sean proporciones de esferas o planos. Las lentes se utilizan habitualmente en instrumentos ópticos como cámaras, telescopios y microscopios, para formar imágenes por refracción.

En general, las lentes se agrupan en dos grandes grupos:
          Lentes Convergentes: Más gruesas en el centro que en los extremos.
          Lentes Divergentes: Más gruesas en los extremos que en el centro.

Al observar el diagrama de rayos que atraviesan las lentes, entendemos de una forma clara el nombre genérico de cada una de ellas. Toda lente tiene una distancia focal y dos focos, correspondientes a los rayos paralelos que se propagan desde la izquierda o desde la derecha. El Foco es el punto donde convergen todos los rayos y la Distancia Focal es la distancia a la imagen que corresponde a un objeto situado en el infinito (distancia entre el foco y el centro de la lente).

Como vamos a trabajar con lentes convergentes, vamos a centrarnos en ellas.

Los diagramas de rayos son muy útiles para estudiar la formación de imágenes. Para una lente convergente tenemos:

Rayo 1: Paralelo al eje principal. Tras la refracción, pasa por el foco.

Rayo 2: Pasa por el centro de la lente y continua camino sin desviarse.

Rayo 3: Pasa por el foco que está detrás de la lente y sale paralelo al eje principal.

En estos diagramas de rayos, la intersección de dos rayos cualesquiera basta para situar la imagen. El tercero se utiliza para comprobar el resultado.

Veamos el trabajo que han hecho Daniel, Ángela, Silvia y Raúl:

Ahora mi pregunta es: Si el ojo posee una lente convergente, ¿quiere decir esto que la imagen se forma en la retina está invertida?... Pero cuando yo toco las cosas, estas no están al revés de como la veo... ¿quiere decir esto que mi cerebro hace una adaptación de la información recibida?... Curioso, curioso.

Por cierto, si quieres iniciarte en el conocimiento de la química implicada en la visión, aquí tienes este enlace:

QUÍMICA DE LA VISIÓN

LA LUZ Y SUS PROPIEDADES 3

La luz que impresiona nuestra retina es simplemente una pequeña fracción de la energía emitida por un cuerpo luminoso. Cuando a lo largo del espectro de la luz solar nos desplazamos vamos pasando de una forma continua de la luz visible a las radiaciones ultravioleta e infrarroja y así, sucesivamente. Parece que todas estas radiaciones son diversas manifestaciones de una idéntica forma de energía emitida por los cuerpos que es capaz de propagarse a través de un medio cualquiera. A dicha forma de energía la denominamos Energía Radiante o Radiación. 

Aunque por razones históricas y pedagógicas su estudio se engloba dentro de la Óptica, su naturaleza electromagnética nos indica que sería el Electromagnetismo el campo más preciso para su estudio. Esto pone de manifiesto que cuanto más profundo es el estudio de un fenómeno físico, más difícil es su clasificación y más clara es la interna relación entre las distintas partes de la Física.

Pasemos a ver la explicación de la naturaleza de la luz y sus propiedades por el grupo formado por Adrían, Diana, José Manuel y Jorge.

LENTES

En el siguiente vídeo podemos ver algunas de las propiedades curiosas que presentan las lentes. En este caso utilizamos un recipiente de metacrilato lleno de agua.

Las preguntas a dar respuestas en la investigación son:

1. ¿Qué es una lente?
2. ¿Cuáles son las características básicas de un lente?
3. La lente del vídeo, ¿es convergente o divergente?
4. ¿Qué características tiene la imagen formada por esta lente?
5. ¿Es necesaria el agua en este experimento?

Aquí están las respuestas de los diferentes grupos de trabajo:

DANIEL - ÁNGELA - SILVIA - RAÚL

LA LUZ Y SUS PROPIEDADES 2

Thomas Young

James Clerk Maxwell

La luz, ¿onda o partícula?... Esa es una de las grandes preguntas ante este fenómeno físico. Su naturaleza ondulatoria fue demostrada por primera vez por el científico inglés Thomas Young al observar el diagrama de interferencia de dos fuentes luminosas coherentes en su famoso experimento de la doble rendija. Podemos considerar que el modelo ondulatorio culmina en 1860 con las predicciones del físico escocés James Clerk Maxwell sobre las ondas electromagnéticas. 

Pero en 1905, el físico alemán (nacionalizado suizo y estadounidense) Albert Einstein, retoma y demuestra la naturaleza corpuscular de la luz con su explicación del efecto fotoeléctrico. Un corpúsculo luminoso o fotón posee una energía relacionada con la frecuencia y la longitud de onda. La explicación de este efecto le supondría el premio Nobel de Física en 1921.

Albert Einstein

¿Y ahora qué?... La propagación de la luz viene gobernada por sus propiedades ondulatorias, mientras que el intercambio de energía entre luz y materia viene determinado por sus propiedades corpusculares. Esta dualidad onda-corpúsculo es una propiedad general de la naturaleza.

Siguiendo con la introducción al concepto de luz y de sus propiedades generales, ahora hacen su presentación Ángela, Daniel, Raúl y Silvia.

LA LUZ Y SUS PROPIEDADES 1

Aunque la luz es una experiencia cotidiana para las personas, sin embargo, el estudio de su comportamiento es complejo. Como ya sabemos, la luz es una onda electromagnética, y sin embargo, muestra propiedades propias de las partículas en algunos experimentos. La pregunta que alguien podría plantearse ante este comportamiento sería ¿Es la luz una onda o una partícula?... Un estudio más profundo de la luz muestra que esta pregunta es inapropiada. En algunos experimentos, medimos sus propiedades ondulatorias; en otros experimentos, medimos sus propiedades corpusculares. Esta curiosa propiedad de la luz puede resultar extraña pero todo queda aclarado al introducirnos en el campo de la Física Cuántica.

Nosotros vamos a centrarnos en el estudio de tres propiedades ondulatorias de la luz: Reflexión, Refracción y Dispersión.

Los primeros en dar su explicación son el grupo formado por Yanet, Raimundo, Manuel y Jesús.

PRESENTACIÓN

Durante su Asamblea General del 20 de diciembre de 2013, la ONU decidió considerar el año 2015 como el Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías Basadas en la Luz.

Partiendo de la pregunta ¿Qué es la Luz? el alumnado de Métodos de la Ciencia de 4º ESO irá desgranando las características, propiedades y aplicaciones de la misma. Este será el equipo de investigación: