Óptica geométrica (Parte IX)

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, seguimos con el vínculo entre la óptica y la geometría, es decir, la óptica geométrica.


Todos y cada uno de los instrumentos ópticos son elaborados, diseñados o fabricados para un propósito, es decir, un fin determinado, tal y como lo demostramos en las anteriores publicaciones, enfocándonos esencialmente en el comportamientos de sus elementos o componentes ópticos (espejos, lentes y prismas) así como también en los principios o leyes aportadas por la óptica geométrica en cuando al fenómeno de la luz y sus rayos luminosos los cuales transportan un imagen para luego proyectarla si es posible (imagen real) en una pantalla o superficie receptora de dichos rayos, en donde, encontramos de forma natural a nuestra retina, o de forma artificial una superficie fotosensible.

Hemos plasmado importantes conocimientos relacionados a extraordinarios instrumentos ópticos como, la lupa o microscopio simple, binocular o prismático, sextante, proyector, telescopio, microscopio compuesto, periscopio y cámara fotográfica, y en esta oportunidad nos estaremos relacionando con dispositivos ópticos tales como el caleidoscopio, mascara o gafas de buceo y la videocámaras, y como en los otros artículos nos enfocaremos de forma general en sus sistemas ópticos particulares ya conocidos como los espejos, lentes o prismas, pero su accionar siempre dependerá de la disposición de los mismos en cada una de las distintas estructuras en cada instrumento óptico.

Podemos claramente expresar que un caleidoscopio es un instrumento óptico debido a que posee en su interior superficies pulidas o reflectoras como es el caso de nuestros conocidos espejos, dicho instrumento puede estar conformado por varios espejos, pero generalmente tiene entre dos o tres de estos sistemas reflectantes planos de forma rectangulares, los cuales los unimos formando de esta manera un prisma (en el caso de tres espejos).

Es importante resaltar que al acoplar dichos espejos sus superficies reflectantes deben apuntar hacia dentro de dicho prisma, luego esta estructura de espejos la introducimos en el interior de un tubo cilíndrico, en donde por uno de sus extremos le colocamos una tapa con la abertura de un orificio por donde vamos a poder observar las imágenes o figuras producidas por los rayos luminosos al reflectarse los mismos en cada uno de los espejos, en la otra punta del tubo se colocan algunos objetos de colores, y de esta manera podremos visualizar maravillosas y distintas formas proporcionales o simétricas.

La ciencia óptica geométrica ofrece sus extraordinarios conocimientos en distintas áreas o actividades del ser humano, permitiéndonos ir a esplendidos lugares como cuando nos sumergimos en las profundidades de cualquier cantidad de volumen de agua, para esta actividad es necesario poder contar con una máscara o gafas de buceo ya que la misma nos permitirá poder ver de manera apropiada al sumergirnos en un determinado medio acuático, es decir, le brinda a nuestro instrumento óptico natural (ojos) las cualidades antes descritas.

Cualquiera de nosotros podríamos decir que hemos experimentado la sensación de sumergirnos dentro de un estanque de agua (tanque, piscina) y haber notado que poder observar estando dentro de este medio acuático es bastante difícil, y si trasladamos esta acción a una mayor profundidad la dificultad de visualización de nuestros ojos aumentara significativamente debido a que nuestro sistema óptico natural no se encuentra estructurado para poder ver de manera clara o nítida cuando está dentro de cierta cantidad o volumen de agua, por ello lo importante de las gafas o mascaras de buceos, con esto podemos resaltar que cada instrumento óptico cuenta con sus particulares y esenciales aplicaciones.

En nuestra actualidad muchas de nuestras actividades o importantes momentos los hemos inmortalizado a través de la implementación del instrumento óptico conocido como cámara fotográfica, por lo tanto este dispositivo nos permite poder capturar una determinada imagen como lo pudimos expresar en la anterior publicación, sin embargo, nos encontramos a otro tipo de instrumento óptico que nos permite más allá de la captura de la imagen de un objeto o plano de nuestro entorno, nos permite grabar un espacio-tiempo de nuestras acciones con movimientos y sonidos, por lo que esta extraordinaria y resaltante característica ha convertido a este instrumento óptico en uno de los más utilizados por la humanidad moderna.

Este instrumento en su sección óptica presenta a un complejo sistema de lentes, en donde, una se encuentra de manera estática o fija cuya distancia focal es constante, y dicha distancia está relacionada con la longitud que existe entre el extremo del objetivo y la película o superficie fotosensible, en el caso de los objetivo zoom podemos expresar que su distancia focal es cambiante ya que la misma varía de acuerdo a la máxima y mínima de la referida distancia focal.


El nombre de este instrumento óptico proviene de la mezcla de tres palabras griegas, kaslos, Eidos y scopeo, la primera significa bello, la segunda forma y la tercera observar, de esta manera desciframos que caleidoscopio representa el nombre de un instrumento óptico utilizado para visualizar formas preciosas o bellas, por lo tanto, un instrumento de observación, al referirnos a su estructura general nos encontramos que el mismo está compuesto por un tubo cilíndrico en cuyo interior colocamos a sus componentes o sistemas ópticos particulares que para este caso son espejos planos (o cualquier otra superficie pulida reflectante) de formas rectangulares.

Los elementos ópticos de dicho instrumento pudieran ser varios pero por lo general los encontramos conformados por dos o tres, en el caso de contar con dos elementos reflectores los mismos formaran una V al unir un extremo de uno con el otro, pero si tienen tres reflectores formaran un triángulo el cual pudiéramos decir que representa la forma de un prisma, a uno de los extremos del tubo lo denominaremos base del instrumento debido a que será el lado opuesto del orificio (rendija hecha en la tapa del extremo opuesto a la base) por donde observaremos las partículas o materiales de colores agregados (como plásticos o vidrios) los cuales sus rayos luminosos se reflejaran en los espejos.

Las caras reflectoras de los componentes ópticos se coloca una frente a las otras caras, es decir, todas hacia el interior del constituido triángulo, en donde la base de dicho instrumento debe poseer orificios por donde entre los haces de luz, para precisar la función de este instrumento nos centraremos en la base del mismo ya que en este espacio del tubo están los espejos los cuales se reflejaran uno al otro, es decir, los rayos luminosos rebotaran de la cara reflectora de un espejo hacia las otras caras, esto hace que se origine una visión infinita de un respectivo espejo dentro de los otros espejos.

Otra característica a considerar seria la longitud o distancia en grados que puedan tener estos elementos reflectores entre ellos, ya que esto permite una variedad o diferentes reproducciones o rebotes de los rayos luminosos que transportan la imagen al impactar en tales elementos ópticos, por lo tanto, según sea el grado o el ángulo existente entre los espejos o superficies reflectoras se generaran cierta cantidad de formación de imágenes, por ejemplo, cuanto estos elementos reflectores se encuentran formando un ángulo de 45° las imágenes duplicadas generadas por los rebotes de los rayos luminosos serán 8 y para el caso de 60° los rayos luminosos generaran 6 imágenes duplicadas.

Este instrumento óptico genera hermosas figuras o imágenes debido al rebote de los rayos luminosos en los espejos o cualquier otro elemento reflectante, por lo tanto las imágenes visualizadas son complejas, aunque la estructura del mismo nos parezca sencilla, como podemos observar en la siguiente figura 1.


Muchos tipos de caleidoscopios se han elaborados a través de nuestra historia tanto los de tipo industriales como los artesanales implementando para su fabricación diferentes materiales entre los cuales se destacan la plata y la madera, dicho instrumento a inspirado en la elaboración de otros tales como grafiscopio, o mejorado como el caleidoscopio tomoscópico el cual cuenta con una lente de gran apertura que permite figuras tridimensionales y con volúmenes, entre otras características de este caleidoscopio mejorado.


La utilización de este importante instrumento óptico se ha expandido hacia toda nuestra sociedad y sus más elementales actividades cotidianas, podemos decir sin lugar a dudas que este instrumento óptico generador de vídeos se ha convertido en el principal formato de difusión a nivel planetario, podríamos relacionar tal acción con el desarrollo de otras importantes áreas como el Internet, y a la gran generación de teléfonos móviles (celulares) con dispositivos ópticos para grabar y editar vídeos, por lo tanto un instrumento óptico muy popular, sin embargo, gracias a su gran utilidad esta poderosa herramienta óptica a cruzado la barrera de la simple popularidad o moda.

La videocámara o cámara de vídeo es un instrumento óptico complejo formado por elementos o componentes tales como un receptáculo sellado o hermético cuya principal función es permitir solo la entrada de los rayos luminoso que atraviesan el objetivo y evitar aquellos rayos luminosos exteriores que puedan impactar en la película, un sistema mecánico, un visor para poder visualizar un determinado plano a través del lente y un objetivo el cual como ya hemos expresado en las anteriores publicaciones está conformado por varias lentes y constituye el componente óptico más importante de este instrumento.

Es importante resaltar la parte óptica de este instrumento ya que como hemos expresado ha sido nuestro principal propósito en cada una de las anteriores publicaciones debido al aporte de la óptica geométrica a través de los rayos luminosos que inciden en cada uno de los diferentes sistemas ópticos que componen a un determinado instrumento como lo es la videocámara en este caso, por lo tanto tenemos que su sección óptica está constituida por una serie de lentes arregladas con la finalidad de poder capturar las imágenes, entre las lentes utilizadas en este instrumento encontramos:

Lentes fijas

Las mismas poseen una distancia focal constante o fija, y como ya hemos expresado esta distancia focal está representada por la longitud que existe entre el objetivo y la superficie fotosensible, estas lentes no suelen ser usuales para captar imágenes electrónicas.


Lentes objetivo zoom

Estas poseen una distancia focal móvil o variable, cuya longitud dependerá de la mínima y máxima distancia focal de dicho instrumento óptico, la sección óptica de una videocámara o cámara de video esta especificada de acuerdo a su objetivo tipo zoom y este añade a otros mecanismos tales como:

-Parasol: este elemento tiene como principal propósito impedir que ciertos rayos luminosos ajenos interfieran en el ajuste o encuadre de la captación de las imágenes. -Anillo de enfoque: Mediante este anillo podemos enfocar nítidamente cualquier tipo de escena, esto lo logramos girando dicho anillo hasta llegar a la nitidez deseada.

-Anillo de zoom: Este elemento nos permite poder realizar una aproximación óptica de la imagen sin tener que mover dicha cámara, esto lo logra al distorsionar la perspectiva ya que cambia de objetivos focales angulares a teleobjetivos (lentes de focal largas) o viceversa.

-Anillo de diafragma: este elemento regula la entrada de los haces de luz en el interior de la cámara y los mismos poseen una determinada capacidad de abertura dados por los números f como lo pudimos observar en el análisis de las cámaras fotográficas.

Importantes componentes que unidos al objetivo zoom definen la óptica de una cámara de vídeo, a continuación mostraremos algunos de estos componentes en la siguiente figura 2.


Podemos expresar de manera general que todas las videocámaras apartando tanto la complejidad electrónica y el referido sistema de grabación están constituidas por tres partes esenciales, las cuales son: el objetivo, el dispositivo de imagen y el visor.

-El objetivo, compuesto por una serie de lentes y con el cual podemos enfocar determinado campo de visión originando del mismo una imagen óptica.

-El dispositivo de imagen, este componente representa la parte más esencial de este instrumento óptico ya que transforma o convierte la imagen óptica obtenida en señales eléctricas, y esto lo logra mediante la utilización de dos importantes elementos como lo son el prisma y el CCD (Dispositivo de transferencia de cargas), el prisma se encuentra constituido por algunos filtros los cuales separan los haces de luz blanca en los tres colores primarios RGB (Red, Green, Blue) para enviarla al dispositivo de transferencia de carga (CCD), y este dispositivo está constituido por muchos pixeles los cuales se encuentran ordenados en filas verticales y horizontales (sensibles a la graduación de los rayos luminosos recibidos por el prisma) por lo que de esta manera se reconstruye la imagen en modo mosaico.

-El visor, por este componente observamos una pequeña imagen del video en proceso por lo que nos sirve como guía de lo que se está capturando en dicho vídeo, a continuación mostraremos estos tres componentes generales de una videocámara o cámara de vídeo en la siguiente figura 3.



El instrumento óptico del hombre se encuentra diseñado para poder captar de manera nítida a todos aquellos rayos luminosos que emiten cualquier cuerpo, objeto o plano de nuestro entorno, esto hace que poder sumergirnos en las profundidades de cualquier cantidad o volumen de agua resultaba un gran reto para nuestra visión y sus elementos ópticos, pero con la implementación de las lentes artificiales esta actividad de buceo nos ha permitido conocer esa otra parte de nuestro universo, el acuático, en donde la implementación de los referidos principios de la óptica geométrica ha consolidado tales fines.

Las lentes o gafas de buceo son consideradas una de las principales herramientas esenciales para explorar en las profundidades marinas ya que al igual que estas mascaras también se utilizan otros instrumentos ópticos como la cámara de vídeo con la finalidad de documentar toda clase de información presente en ese espectacular mundo acuático, por tanto nos encontramos que el uso de estos dispositivos cada vez es mayor y en ocasiones ni lo notamos, entonces, sistemas ópticos particulares (espejos, lentes y prismas) y en consecuencia complejos como nuestros instrumentos ópticos serán partes esenciales para nuestra existencia.

Las actuales gafas son fabricadas con vidrios templados por su comprobada resistencia y permisibilidad a los rayos luminosos hacia nuestros naturales sistemas ópticos, también es importante destacar que la parte de la máscara que mantiene contacto con nuestro rostro es de silicona para evitar cualquier lesión debido a que a mayor profundidad encontraremos mayor presión, lo que hace que las gafas se adhieran más a nuestro rostro, a continuación mostraremos un ejemplo en cuanto a la utilización de estas gafas de buceo en la figura 4.



Impresionante la utilidad de cada uno de los instrumentos ópticos analizados tanto en este artículo con en los anteriores, se observó que desde el más simple hasta el más complejo de estos dispositivos nos ha brindado cualquier tipo de beneficio o facilitado la realización de cualquier actividad, la comprensión del fenómeno de la luz nos ha permitido tales avances ya que los rayos que la componen se reflejan o refractan en esenciales sistemas ópticos particulares como los espejos, lentes y prismas, tal y como lo hacen en nuestros ojos al transportar y proyectar una determinada imagen en nuestra retina.

Proporcionar cada vez más calidad a una imagen ha sido la principal razón de la óptica geométrica y esto se ha comprobado con el correr del tiempo hasta llegar a los más novedosos instrumentos ópticos actuales, el caleidoscopio un sencillo instrumento óptico pero nos brinda increíbles imágenes al reflejarse en los espejos los rayos luminosos de ciertas partículas colocadas en la base de dicho instrumento, el arreglo de estos tres (3) espejos (pueden ser dos (2) o más de tres) en forma de prisma permiten estas maravillosas imágenes, mostrando el desarrollo del importante fenómeno de la reflexión y el concepto de rayos luminosos impartido por la óptica geométrica.

Al referirnos a la videocámara o cámara de vídeo en la actualidad cada uno de nosotros sabemos la importancia o espacio que este instrumento se ha ganado en nuestra sociedad, hablando desde cualquier tipo de ámbito, resaltando su utilización en el campo educacional y científico por facilitar enormemente la transferencia de cualquier tipo de conocimientos, esta importancia es trasladada a cualquier otro instrumento y sus elementos o componentes ópticos, los mismos son determinantes al momento de brindar mayor calidad a una determinada imagen cuando la misma es transportada por los rayos luminosos de un haz de luz.

Estos instrumentos ópticos lo podemos conseguir en cualquier parte en donde nos encontremos tal y como lo representan las gafas de buceo, estas mascaras nos han permitido poder explorar el espectacular y majestuoso mundo acuático, representando quizás la herramienta más esencial en dicha actividad, de esta manera podemos expresar que cada uno de estos instrumentos juegan un importante papel en nuestro desarrollo y que además fortalecerán nuestra permanencia en este tan exigente universo.

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 ejemplar proyecto, ya que nos permite resalta la excelente tarea 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 figuras 1 y 4 fueron complementadas utilizando dos imágenes de dominio público extraídas de pixabay.com, a continuación sus respectivas fuentes.


[1] Charles H. Lehmann. Geometría Analítica. Décima tercera reimpresión. Editorial Limusa. México, D.F. 1989.
[2] Jennings, G.A. Geometría moderna con aplicaciones. Springer, New York, 1994.
[3] Snapper, E., Troyer, R.J. Geometría afín métrica. Dover, New York, 1971.
[4] Raymod A. Serway y John W. Jewett, Jr. Ed. Thomson. Física. Edición 1 y 3. [5] Giancoli, D.C. Física, principios y aplicaciones, Reverté S.A. España, 1985.
[6] Cornejo Rodríguez Alejandro, Urcid Serrano Gonzalo. Óptica geométrica. Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. 2 da edición, octubre 2005.
[7] Cabrera J. Manuel, Fernando J. López, Fernando A. López. Fundamentos de Óptica Electromagnética, Addison-Wesley Iberoamericana, 1993.
[8] Young Hugh D. Fundamentos de la Óptica y Física Moderna, McGraw-Hill, 1971.
[9] Santos Benito Julio. Manual de óptica geométrica. UNIVERSIDAD DE ALICANTE.
[10] Solís Leonor, Magaña Mayra, Muñoz Hernán. Manual Básico de video para la comunicación y el periodismo de ciencia. Año 2016.
[11] Millán Ronnys Vicent. El caleidoscopio en la enseñanza de la geometría. REVISTA IBEROAMERICANA DE EDUCACIÓN MATEMÁTICA, septiembre de 2016.
[12] Serrano Hector Luis. Análisis y evolución de los materiales usados en el buceo recreativo. Universidad de León, año 2016.
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