Óptica geométrica (Parte VIII)

4개월 전


En primer lugar mi saludo respetuoso para toda la comunidad académica y científica de steemit, en especial a #stem-espanol, #steemstem, #curie, #cervantes y #entropia, con su importante y constante apoyo podemos llevar a cabo nuestro crecimiento en todos los aspectos en esta prestigiosa plataforma y, de igual forma nos permiten valorar el positivo esfuerzo de la ciencia ya que en muchas ocasiones nos olvidamos de su gran trabajo y dedicación, seguimos con el vínculo entre la óptica y la geometría, es decir, la óptica geométrica.


Rayos luminosos nos encontramos en todas parte y es porque nuestro sentido visual se activa por la acción de ellos y de esta manera poder visualizar nuestro entorno, la óptica geométrica y sus principios fundamentales relacionados al fenómeno de la luz nos ha permitido conocer el comportamiento de dicho fenómeno para poder aplicarlos en el diseño de cualquier dispositivo óptico, como lo hemos observado en cada uno de los instrumentos analizados en las anteriores publicaciones, en donde, nos hemos encontrado al microscopio simple o lupa, binoculares o prismáticos, sextantes, proyectores, telescopio y al importante microscopio compuesto.

Todo instrumento óptico con sus características particulares y con el fin de poder cumplir con una función en un área o actividad cotidiana determinada, lo importante es resaltar la utilización de sistemas ópticos individuales como los espejos, lentes y prismas los cuales al combinarlos generan un complejo y esencial mecanismo o instrumento óptico, siguiendo con la búsqueda de estos significativos aparatos en esta oportunidad nos encontramos al periscopio y a la cámara fotográfica, dichos instrumentos ópticos a través de la implementación del concepto de rayos luminosos y a los fenómenos de la reflexión y refracción han sido de gran utilidad en esenciales actividades del ser humano.

El periscopio nos proporciona la visión desde un lugar oculto, un sencillo periscopio lo podríamos construir contando con un tubo (de cualquier material), un codo y un par de espejos, estos dos sistemas ópticos individuales se ubican en cada extremo de dicho instrumento de forma paralela y con un ángulo de 45°, es decir, ambas caras de los espejos se comunicaran por medio de sus superficies pulidas, de esta manera los rayos luminosos que inciden en el espejo superior se reflejaran hasta llegar al espejo ubicado en la parte inferior, el cual lo podríamos denominar espejo ocular ya que este nos transmitirá dichos rayos luminosos hacia nuestros ojos.

Los periscopios evolucionaron en su diseño, tanto en su estructura física como en la implementación de sistemas ópticos (espejos, lentes y prisma) proporcionándonos un mayor alcance o enfoque en cuanto a la visualización de un determinado objeto, cuerpo o área que se desee observar, este instrumento ha sido implementado en diversas actividades sobre todo en aquellas relacionadas a la visualización de un espacio de difícil acceso, esto despertó gran interés en este dispositivo lo que permitió la consolidación de la evolución antes descrita mediante la utilización de un complejo sistema óptico.

Los famosos y espectaculares submarinos los cuales pueden navegar bien sea sobre las aguas o sumergidos en las mismas, utilizan esta destacada herramienta óptica (el periscopio) cuando el mismo se sumerge, es decir, un excelente instrumento óptico para una majestuosa nave marina, a pesar de esta importante utilización dicho instrumento también se implementa en innumerables y muy practicas actividades cotidianas como el hecho de poder observar un objeto desde atrás de una enorme multitud, esta simple pero significante característica ha cautivado a cualquier persona de este planeta.

Otro importante y reconocido instrumento óptico es la cámara fotográfica, al referirnos a este instrumento tenemos que recordar el principio de la cámara oscura la cual analizamos en una de las anteriores publicaciones, y las misma consistió en la utilización de una determinada caja con la apertura de un orificio en uno de sus lados y por cuya apertura pasaban los rayos luminosos que eran emitidos por cualquier cuerpo u objeto que se encontraba a nuestro alrededor, proyectándose los mismos en la cara de la pared que estaba atrás del orificio (o la pared que tenía al orificio de frente) y por donde penetraba el haz luminoso para generar la imagen de dicho cuerpo u objeto tal y como lo analizamos en su oportunidad.

Por lo tanto, podemos decir que las cámaras fotográficas más simples son aquellas que están conformadas por una caja oscura cerrada y con un orificio en uno de sus lados por donde permite el paso del haz luminoso que al proyectarse en una pared o pantalla receptora generara la imagen que queramos obtener, es decir, siguiendo el principio de la cámara oscura, las actuales cámaras fotográficas partiendo de tal principio ha agregado una serie de sistemas ópticos con la finalidad de mejorar la formación y captación de las imágenes.

Poder controlar el paso de los rayos luminosos ha permitido la evolución de las cámaras fotográficas, y para ello estos instrumentos constan de un componente denominado objetivo el cual lleva colocado una lente (lente objetivo), el objetivo es un anillo que se puede girar y de esta forma permite cambiar o variar la distancia entre su lente y el plano formado por la película y de esta manera podemos enfocar mejor el objeto o cuerpo que deseamos capturar, para poder controlar el diámetro o agujero por donde entra la luz se utiliza un diafragma y el mismo se abre o cierra cuando hacemos girar un determinado anillo que se encuentra en el objetivo.

Tanto el periscopio como la cámara fotográfica presentan distintas características y con ello diferentes estructuras ópticas y mecánicas, para cumplir con un fin determinado, por lo tanto, claramente podemos decir que ambos instrumentos cumplen esenciales propósitos en cualquiera de nuestras más cotidianas actividades, También es importante tener presente que nuestro propósito como hasta ahora hemos expresado es resaltar la labor de la óptica geométrica y sus principios relacionados con los rayos luminosos que inciden en sistemas ópticos como los espejos, lentes y prismas llevándose a cabo los fenómenos de la reflexión y refracción con la finalidad de proporcionar una imagen de la mayor calidad posible.


Muchos han sido los instrumentos ópticos utilizados por el hombre para un fin específico, y entres estos destacados dispositivos ópticos nos encontramos al maravilloso y practico periscopio el cual es un instrumento de observación en donde resalta su utilidad, debido a su forma estructural es utilizado para poder visualizar un determinado cuerpo u objeto estando nosotros ubicados en un lugar oculto, o simplemente para observar algún objeto cuando es de difícil acceso bien sea por estar restringido el paso hacia el mismo o por haber gran cantidad de personas visualizándolo.

Este práctico dispositivo óptico en su forma más simple lo podemos encontrar constituidos por un par de espejos planos los cuales están ubicados en los extremos de un tubo (cilíndrico, cuadrado o rectangular) de manera paralela (entre ellos) y formando un ángulo de 45° en relación a la recta que los conecta, de esta forma los rayos luminosos o haces de luz que inciden en el espejo superior se reflejaran para llegar hasta el espejo inferior del periscopio, en donde, nuevamente se reflejaran hasta llegar a nuestros instrumentos ópticos naturales (ojos), en donde se refractaran dichos rayos para llegar a la retina y generar la imagen del objeto que emite tales rayos luminosos, como podemos ver en la siguiente figura 1.


En la anterior figura 1, podemos ver como cada espejo se encuentra inclinado 45°, y en sus caras superiores (superficie pulida) se reflejan los haces de luz del objeto visualizado, es importante expresar que este tipo de instrumento es muy fácil de elaborarlo en nuestras casas, y de esta manera poder ver cómo actúan los rayos luminosos en ambos espejos situados en el interior de dicho instrumento, por lo tanto, a continuación presentaremos la elaboración de este instrumento desde su forma más simple, pero que nos permitirá analizar la acción de los rayos luminosos o haces de luz como podemos observar en las siguiente figura 2.






Con la elaboración de este periscopio casero pudimos demostrar que los instrumentos ópticos forman parte de nosotros, ya que ellos nos brindan una gran gama de utilidad y es por eso que los podemos ver en cualquier partes donde nos encontremos, ahora sabemos que el periscopio será un dispositivo que puede estar en nuestras casas debido a su fácil elaboración y que además también nos permite resaltar la labor de la óptica geométrica.

Este instrumento ha sido utilizado en diferentes áreas desde sus inicios, unas de sus aplicaciones la encontramos en el campo militar y todo lo que a este se refiere, pero uno de los más espectaculares usos de estos instrumentos es en los submarinos, ya que permite poder visualizar el exterior de la superficie acuática sin tener que emerger totalmente del agua, esta característica sin duda motivo a su mejoramiento o perfeccionamiento con el correr de los años, en donde se les incorporo más elementos o sistemas ópticos complejos tales como los binoculares (los cuales poseen lentes además de prismas), también los prismas pueden estar en el lugar de los espejos o tener una combinación de estos, es decir, un muy complejo instrumento óptico en la actualidad, como podemos observar en la figura 3.


En la anterior figura 3, se puede visualizar la acción de los fenómenos de la reflexión y refracción de aquellos rayos luminosos emitidos por el objeto que estamos observando, y por lo tanto resaltamos la esencial labor de la óptica geométrica en cada uno de estos fenómenos desarrollados durante el proceso de la generación o formación de una determinada imagen.


Este tipo de instrumento como ya hemos expresado se fundamenta en el principio de la cámara oscura (cámara obscura), entonces podemos decir que la cámara fotográfica es semejante a una cámara oscura ya que permite el paso a través de una pequeña abertura de los rayos luminosos emitidos por el objeto o espacio (plano) del cual queremos captar la imagen, y esto lo logra utilizando algunos mecanismos y un conjunto de elementos o componentes que logran concentrar la imagen transmitida por dichos rayos luminosos, esta imagen debido al paso de la luz emitida por el objeto se proyecta sobre el plano opuesto al orificio por donde entra el haz de luz, por lo que dicho plano opuesto los llamamos plano focal.

Por tanto, al plano focal lo identificamos conceptualmente como aquella superficie en donde se formara una determinada imagen nítida bien sea de un objeto, persona, fragmento o paisaje de nuestro entorno que deseamos captar o fotografiar, al utilizar una cámara fotográfica tradicional la superficie fotosensible (película) se encuentra expandida por el plano focal, en el caso de una cámara digital, dicha superficie fotosensible del sensor digital se adapta en el plano focal.

Desde sus inicios hasta nuestra actualidad las cámaras fotográficas han sufridos esenciales modificaciones, desde la colocación de sistemas ópticos como la lente fotográfica que también denominamos objetivo, por lo tanto, las antiguas cámaras oscuras (estenopeicas) pasaron a tener una lente fotográfica u objetivo, dentro de este último elemento encontramos un diafragma, cuyo papel fundamental consiste en la regulación de la cantidad de rayos luminosos los cuales pasan a través de la lente objetivo.

El objetivo no es más que un anillo o aro que al moverlo o girarlo nos permite tener un mejor enfoque del objeto emisor del haz luminoso, con el movimiento del anillo objetivo podemos variar o modificar la longitud o distancia que existe entre el plano originado por un soporte fotosensible (como la película o el sensor digital) y la lente objetivo, y de esta manera comenzamos a relacionarnos con los imprescindibles sistemas ópticos como las lentes.

Pero al trasladarnos a la cámara oscura de dicho dispositivo nos encontramos con un elemento denominado obturador, ya hemos descrito que el diafragma regula la cantidad de luz que entra por el objetivo, ahora el obturador es el encargado de controlar el tiempo en el cual dicha cantidad de luz incide en la película fotosensible o en el sensor digital al referirnos a las actuales cámaras fotográficas digitales, este elemento en forma de cortina (ubicado delante de la película o sensor digital) es muy importante ya que cuando nos encontremos en lugares de poca luz, la velocidad de este dispositivo (obturador) disminuye, es decir, dichas cortinas permanecerán más tiempo abiertas para que el soporte fotosensible pueda recibir la cantidad requerida de rayos luminosos.

Esenciales componentes de estos instrumentos ópticos como las cámaras fotográficas bien sea las tradicionales como las digitales, en donde podemos expresar de manera general que su distinción se relaciona básicamente en el soporte fotosensible sobre el cual se formara la imagen a través de la incidencia de los rayos luminosos en el interior de dicho instrumento, a continuación mostraremos estos componentes en la siguiente figura 4.


Cámaras fotográficas réflex

Este tipo de cámara fotográfica nos permite observar por el visor de dicho instrumento óptico la imagen tal y como será capturada en el soporte fotosensible, esta acción se relaciona con el hecho de que la misma posee detrás de su obturador un espejo plegable y colocado en forma inclinado con un ángulo preciso de 45°, por tanto los rayos luminosos que atraviesan el objetivo se reflejaran en dicho espejo siguiendo una dirección hacia arriba en donde los espera un pentaprisma el cual lleva a estos rayos hacia el visor, invirtiendo la imagen que se transporta en tales rayos para que la podemos observar exactamente como se encuentra al momento de fotografiarla.

Es importante destacar que en el transcurso del disparo y con el obturador abierto dicho espejo se plegará permitiendo el paso de los rayos luminosos hacia la placa fotosensible en donde se plasmara la imagen deseada como se observó en el gif animado al inicio de esta publicación, a continuación mostraremos el momento del enfoque de este tipo de dispositivo óptico en la siguiente figura 5.


Lente u objetivo fotográfico

Esta parte de la cámara se encuentra compuesto por varias lentes las cuales permiten concentrar algunos de los rayos luminosos emitidos por el cuerpo, objeto o plano a fotografiar, y enviarlos dentro de dicho instrumento sobre la superficie del plano opuesto o focal, existen dos parámetros fundamentales que diferencian las características de un objetivo y otro, las misma son la luminosidad y la distancia focal.

Luminosidad

Esta constituye o representa la cantidad de rayos luminosos o haz de luz que logra penetrar por medio de la lente frontal del objetivo y esto relacionado con la abertura máxima del diafragma, esta característica también es llamada abertura del diafragma (f), por ejemplo un objetivo f/2 es más luminoso que uno con apertura f/4 y este aún más luminoso que uno f/5,6 y así respectivamente.

Distancia focal


Es la distancia que existe entre el centro del grupo de lentes ópticos y el plano focal o soporte fotosensible el cual recibe los rayos luminosos que transportan la imagen, a continuación observaremos estas dos características y algunos diafragmas según su abertura y la relación de dichos diafragmas con la pupila de nuestros ojos en la siguiente figura 6.




La óptica geométrica nos permite seguir fascinándonos con sus esenciales aportes vinculados al principal fenómeno de la luz, relacionado al concepto de rayos luminosos, la reflexión y refracción y cualquier tipo de forma geométrica, tal y como los hemos observados en cada uno de los instrumentos ópticos analizados, en este caso le correspondió al periscopio y a la cámara fotográfica, ambos instrumentos con gran impacto en cualquiera de nuestras actividades, uno de observación (periscopio) y el otro de proyección (cámara fotográfica).

El periscopio es un excelente instrumento óptico que lo pudiera elaborar cualquier persona desde la versión más simple, si contamos con un tubo (no importa el material del mismo) y un par de lentes, las lentes las ubicados en los extremos del mencionado tubo de forma inclinada a 45°, y de esta forma observaríamos los principios básico de dicho instrumento.

Cualquiera de nosotros sin lugar a dudas se podría deleitar con la imponente presencia de un submarino, esta nave acuática entre tantos componentes que lo conforman posee un periscopio para poder visualizar la superficie del agua en donde se encuentra sin emerger totalmente, convirtiéndose dicho instrumentos en los ojos del buque o en la extensión del sentido visual de toda la tripulación a bordo.

Cuando observamos una imagen plasmada bien sea en una superficie o placa fotográfica o en un fotosensor digital, podemos decir que la misma representa un fragmento de un espacio-tiempo determinado, el cual lo hemos paralizado con la finalidad de conservar e inmortalizar un recuerdo de nuestra existencia o de alguna actividad relacionada con nosotros, a diferencia del periscopio el cual representa un instrumento óptico de observación, la cámara fotográfica claramente la podemos incluir en los instrumentos de proyección ya que los mismos originan imágenes reales sobre una pantalla o superficie receptora de los rayos luminosos que dan origen a una determinada imagen.

Todos nosotros en algún momento nos hemos tomado un fotografía desde algunos años atrás, para ese entonces poder capturar o tomar una imagen fotográfica utilizando una cámara no era tan simple como lo es hoy en día, la cámara fotográfica (o cualquier dispositivo que la contenga, como los teléfonos celulares) representa en nuestra actualidad el instrumento óptico más popular entre la humanidad, podríamos decir que gracias al paso dado de la fotografía química a la sensacional fotografía digital el uso de este dispositivo óptico se incrementó exponencialmente, lo cual algo que no era tan cotidiano algunos años atrás, hoy en día lo es, y ahora lo inusual es no tener un dispositivo con cámara digital para fotografiar.

Es importante tener siempre presente que cuando queramos captar o fotografiar un determinado objeto, cuerpo o plano estos deben estar iluminados bien sea por una fuente de generación de luz artificial o natural como la producida por nuestro esencial cuerpo astronómico, el Sol, ya que partes de estos rayos luminosos pasaran a través del objetivo y demás componentes para poder formar o generar la imagen deseada sobre el soporte fotosensible de dicho instrumento óptico.

Al permitir la entrada de luz en su interior la cámara fotográfica origina la imagen en la película o en su defecto en un sensor digital (placa fotosensible), la cámara fotográfica como el periscopio los podríamos considerar como una importante prolongación de nuestro sentido visual y es por eso su gran provecho entre nosotros.

Por lo tanto bien sea en su forma más simple o compleja estos instrumentos nos brindan una gran utilidad en nuestras vidas por lo que al igual que los instrumentos ya analizados como el microscopio simple o lupa, prismáticos, sextantes, proyectores, telescopios, microscopio compuesto, periscopio y cámara fotográfica, todos constituyen esenciales instrumentos ópticos que han dejado sus más profundas huellas entre nosotros.

Hasta otra oportunidad mis apreciados lectores de steemit, en especial a los miembros de la gran comunidad de #STEM-Espanol, los cuales reciben el apoyo de otras dos maravillosas comunidades como los son #steemstem y #curie, por lo cual recomiendo ampliamente formar parte de este maravilloso proyecto, ya que nos permite resalta la excelente labor de la academia y de todo el campo científico.

Nota: Todas las imágenes fueron elaboradas usando las aplicaciones Paint, Power Point y el gif animado fue elaborado con la aplicación de PhotoScape, las fotografías que sirvieron de soporte fueron tomadas utilizando el instrumento óptico (cámara fotográfica) de un teléfono móvil ZTE BLU Life Play 2, sin dejar a un lado la herramienta de la creatividad que nos permite dejar nuestras huellas de originalidad en cada uno de nuestros escritos.


[1] Charles H. Lehmann. Geometría Analítica. Décima tercera reimpresión. Editorial Limusa. México, D.F. 1989.
[2] Raymod A. Serway y John W. Jewett, Jr. Ed. Thomson. Física. Edición 1 y 3. [3] Giancoli, D.C. Física, principios y aplicaciones, Reverté S.A. España, 1985.
[4] Cornejo Rodríguez Alejandro, Urcid Serrano Gonzalo. Óptica geométrica. Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. 2 da edición, octubre 2005.
[5] Cabrera J. Manuel, Fernando J. López, Fernando A. López. Fundamentos de Óptica Electromagnética, Addison-Wesley Iberoamericana, 1993.
[6] Young Hugh D. Fundamentos de la Óptica y Física Moderna, McGraw-Hill, 1971.
[7] Santos Benito Julio. Manual de óptica geométrica. UNIVERSIDAD DE ALICANTE.
[8] Rodriguez Inma, Lacasta Ana Maria. Óptica geométrica. UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUNYA, septiembre de 1997.
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