CONSTRUIR nuestros propios instrumentos, es algo muy gratificante. Este es un ejemplo de interface de un pequeño espectrometro didáctico que estamos construyendo con un estudiante de licenciatura.
Diseño, construcción de piezas, montaje, calibración, programación, elaboración de manuales (por escrito y video), realizar un practicario con tres actividades, ponerlo a prueba con estudiantes/profesores para el contexto de espectroscopia: todo eso es parte de este trabajo.
¿Suena mucha labor?
Bueno, la tarea completa se dividió en metas a corto plazo, y con un poco de disciplina se logró alcanzar el objetivo.
Si bien es importante la formación de gente que pueda hacer sus herramientas, makers, existe un límite de lo que debe hacer un estudiante. Por ejemplo, para una tesis de licenciatura solo se debería de demostrar capacidad de integrar los conocimientos y habilidades aprendidos durante la carrera. De modo que seria inaceptable que una tesis durara un año por falta de organización. En nuestro caso, el trabajo fue de seis meses.
Somos muy entusiastas de hacer instrumentación con aplicaciones particulares. Pero siempre se debe partir de lo que esta hecho y de lo que es mejor comprar que construir (un chip, por ejemplo).
El siguiente paso es formalizar más el hardware de este instrumento. Buscamos hacer un espectrometro portátil, no de juguete, y llegar a trasformarlo en un dispositivo óptico Raman. Pero todo eso será parte de otro post.
Por el momento. Déjanos un mensaje y dinos que opinas del video-manual. Pronto publicaremos el producto completo para que la gente lo manipule como quiera y necesite. ;)
Cada vez que revisas tu facebook o envias un SMS al otro lado del mundo tu mensaje transfigurado en ondas viaja por el aire como onda electromagnética, pero en un punto es recibido por una estación que convierte tu mensaje en pulso luminosos que viajan por delgados cables de vidrio, por la fibra óptica.
Estas fibras son el medio más eficiente para enviar muchos mensajes a una alta velocidad.
Y aunque tengo muchos años trabajando en temas de óptica, me sorprendió mucho que el proceso de fabricación de las fibras comenzara con un tubo (en lugar de un cilindro) de vidrio. La razón es sencilla, en el tubo es posible inyectar dopantes como tetracloruro de germanio (GeCl_4) , que es un líquido incoloro usado como precursor en la producción de metal germanio puro. Mezclado con tetracloruro de silicio (SiCl_4) y oxigeno se obtiene GeO_2 en aprox. 4% del peso de la fibra. Así el núcleo de la fibra puede tener un índice de refracción alto, poca dispersión.
Después de que el núcleo esta fabricado, la pieza se coloca vertical, se introduce a un horno y se deja que caiga como "miel de una cuchara a tu pan". Una serie de caídas y delicados jaladas (sin albur) son las que brindan el grosor a la fibra.
El principio de funcionamiento de las fibras ópticas es simple, la luz viaja atrapada entre el vidrio de índice de refracción alto; aunque su fabricación es sofisticada.
Actualmente existen pequeños talleres-fabricas que fabrican fibras ópticas huecas o con variaciones finas del índice de refracción, tales fibras se usan para investigación y serán tema de otra entrada en este blog.
Una compañia japonesa de servicios de internet, Au HIkari, mando crea esta fascinante e intrincada máquina de Rube Goldberg. La mayoría de estos aparatejos utiliza solamente canicas, fichas de domino y similares para ejecutar de manera complicada y absurda una tarea sencilla. Pero en esta ocasión, en lugar de ser la mecánica, la óptica es la protagonista del funcionamiento del aparato.
La luz atraviesa por lentes, derrite hielo, quema cordones, atraviesa prismas y más para mostrar un interesante comercial. Sin duda esta versión se ha convertido en una de nuestras favoritas máquinas inútiles de todos los tiempos.
La compañía tiene también un detrás de cámaras imperdible tanto para quienes amen la ciencia y el arte del video. Aquí las escenas:
¿Cómo harías tu propia versión de máquinas Rube Goldberg?
Te la puedes pasar muy bien en una fiesta, y entonces,
volteas y ves que le están poniendo algo raro a tu bebida. Ya sea un polvo, unas
gotas lo que buscan es drogarte para violarte.
Tuviste suerte, te diste cuenta porque volteaste. Pero, ¿y
si no lo hubieras hecho?
Una opción son los paquetes de detección de bebidas
adulteradas con drogas como el ácido γ-hidroxibutírico (GHB)
y la ketamina. Sin embargo, estaba
ausente un detector comercial para la
gamma-butyrolactone (GBL) que también ha sido usado como sedante para perpetrar
violaciones.
Ahora, Young-Tae Chang y cuates de la Universidad Nacional de Singapur presentaron un sensor comercial para detectar GBL. El grupo de investigación preparo varias bebidas típicas de fiestas de varias características ―Vino, Whisky, cerveza, jugo de manzana, etc.― de ellas tomaron un grupo de control y otro lo adultero con diferentes concentraciones (pequeñas) de GBL. A todas las bebidas pasaron por una etapa de extracción y adecuación de muestras de modo que obtuvieron extractos líquidos, que cuando están adulterados que exhibe un color naranja al ser iluminados con un apuntador láser verde. Pero si la bebida es segura, el color del apuntador permanece verde.
Imagen del articulo de Chang. Muestra la eficiencia de detección fluorescente de la droga con hasta 10 microM de GBL
La idea del grupo es aislar a la molécula particular del
GBL, la cual presenta un efecto llamado fluorescencia. En este fenómeno la luz
de alta energía (e.g. verde) es absorbida y remitida en luz de menor energía
(en este caso: naranja), este efecto es puramente cuántico y por tal puede
usarse como" huella-digital" para identificar sustancias.
Aunque esta particular fluorescencia ante luz verde también la presentan líquidos inocuos y legales, como el aceite de oliva extra virgen, la etapa de extracción y aislamiento de una molécula ópticamente activa es la que asegura la validez del método.
Esta investigación es relevante por su contexto social,
además de ser el primer sensor simple para la detección de la GBL. Aunque la
etapa de extracción y adecuación de la muestra se debe automatizar esta idea
puede hacer más seguras las fiestas.
La linea que divide la magia de la ciencia es el conocimiento comprobable. De cierto que las personas comunes y corrientes de esta sociedad contamos con muchas más comodidades que el más esplendido emperador romano; pero ¿sabemos cómo funcionan muchas de estos aparatos?
Tal puede ser el caso de los parabrisas que se encienden automaticamente cuando llueve. ¿Qué mecanismo básico lo activa?
Simple respuesta
Unos focos led emiten luz infrarroja que queda atrapada entre las caras del vidrio parabrisas y por los cantos sale un poco de luz, cuya intensidad es monitoreada por una fotocelda. Respecto a una calibración, si la intensidad es pequeña se encienden los limpia-parabrisas.
Resulta que la luz dentro del vidrio puede salir al aire si incide a ángulos pequeños, pero después de cierto ángulo la luz rebota completamente; para darle un nombre, llamemos al efecto: refracción total interna.
El fenómeno es dependiente del índice de refracción del vidrio (que debe ser grande) y del aire del exterior (que debe ser pequeño). Sin embargo, cuando se moja la superficie del vidrio, el indice de refracción exterior crece, se pierde el efecto, la luz puede salir por uno de las caras del parabrisas y la energía que incide en la fotocelda disminuye, por lo que puede activar los limpiaparabrisas.
Pues bien, los chicos de yoctopuce realizaron un video ilustrativo del fenómeno y mecanismo para instrumentar un parabrisas de acción automatica. Este es el video.
Hay que apuntar que el video es una ilustración pues muestra el uso de un láser verde, pero los parabrisas usan fuentes de led infrarrojas. Con una mucha menor energía y longitud de onda funciona ese sistema del auto.
Más aún, este efecto, al ser dependiente del índice de refracción suele ser parte de sistemas de caracterización de materiales, por lo que se puede encontrar en laboratorios de análisis analítico avanzados. Es decir, el mecanismo que enciende tus parabrisas puede ser utilizado para descubrir nuevos materiales o conocer la composición de algunos desconocidos. Así son los caminos de la ciencia y la ingeniería.
Así que cuando sabes cuales son las bases de una tecnología, tu imaginación explota hacia soluciones nuevas para resolver problemas que pueden mejorar tu vida o la de tu comunidad. De otro modo, solo es magia, misterio, ignorancia y estancamiento.
En la guerra contra el crimen, la obtención de huellas digitales sigue siendo uno de los principales frentes de batalla. La obtención de herramientas que permitan obtener una huella latente sobre una superficie (sin importar la forma, composición, color, o el ambiente) puede ser la pieza clave para resolver un delito. En esta área el láser tiene un aporte más que sobresaliente.
En las yemas de los dedos están cubiertas con crestas alargadas que se retuercen u bifurcan. De los poros de las yemas se excretan sustancias que se impregnan al contacto con las superficies, duplicandose el patrón de las crestas formando la huella digital. Tal sello de goma entintado que deja una marca en un documento.
La típica huella latente tiene un peso de entre diez a un miligramo y alrededor del 99% de lo depositado es agua, que se evapora rápidamente dejando un residuo compuesto materiales inorgánicos (tal como: sal), y materiales orgánicos como aminoácidos, lipidos (e.g. aceites, grasas, ceras) y vitaminas.
Con tal cantidad tan pequeña de material residual sobre una superficie; por lo general, son muy difíciles de observar a simple vista las hullas latentes. Así que los investigadores utilizan diferentes técnicas para revelar estas marcas.
Existen varias técnicas populares para descubrir huellas. Por ejemplo, empolvar la superficie, utilizando polvos finos compuestos de una parte que asegure la adhesión ( usualmente son: resinas poliméricas) y otra parte que brinda el contraste con la superficie. También se utilizan humos de iodo, que son absorbidos por los lípidos dándole a la huella latente un color marrón. También se puede utilizar nitrato de plata, pues su ión de plata se enlaza electroquímicamente con el cloro del sal. Y, desde los años 50s, se utiliza ninhydrina, compuesto que reacciona con amino ácidos, mostrando una huella latente purpura.
Con todo, hay varias situaciones donde las huellas latentes son difíciles de revelar. Empolvar tiene un límite para poderse aplicar antes de la evaporación de componentes. El color de algunas superficies (oscuras por ejemplo) hace inefectiva el uso de varias técnicas químicas que justamente dejan un manchón oscuro, por lo que se pierde el contraste.
Así que se deben aprovechar otras características de los compuestos de las huellas latentes. Por ejemplo que son luminiscentes. Es decir, si son iluminadas con luz ultravioleta, la huella emitirá luz de color verde; si la es iluminada con luz verde, presentara un color rojo. Las huellas digitales contienen materiales luminiscentes como riboflavin (vitamina B2) pyridoxin (vitamina B6).
Ahora solo falta una fuente de luz intensa, muy direccional, y que se pueda emitir colores específicos. Y lo mejor es un sistema láser que cuenta con todas esas características.
Pese a que todo esto es conocido desde los años 80. En este video de reciente manufactura, están muy contentos los periodistas y policías de haber comprado un sistema láser nuevo. Pues sin añadir algún componente a la superficie, las huellas digitales se revelan rápidamente permitiendo su captura fotográfica.
La primera vez que vi la fluorescencia en lípidos fue en aceites de oliva extra-virgen, fue una agradable sorpresa en ese ocasión. Después al ver como brillan las huellas digitales me alegre de tener una herramienta óptica en un laboratorio forense. Después de todo, estas técnicas fotofísicas aportan claros y confiables resultados en las áreas biológicas y médicas.
Así que ya aparte de la lectura de discos compactos, espectáculos láser, y su uso en las cajas registradoras del supermercado, el láser tiene también sus aplicaciones en mostrar una huella latente y ayudar a resolver un crimen.
Tengo escasa información del origen de esta imagen. Pero seguro también sientes como la imagen reta tu percepción y explota tu cabeza ;)
Lo que me llama la atención de la imagen que depende del eje que se observa, he visto varias imágenes donde las figuras están inmersas, pero recuerdo pocas que dependan de la dirección.
Si las cinco lentes que se muestran abajo están hechas del mismo material, ¿Cual de ellas tiene la longitud focal más pequeña?
Dejaré esta pregunta aquí, el viernes le daré solución y liberaré todos los comentarios. Al primero en dar la respuesta correcta le daré una mención especial. Ejercicios como este los estoy conformando el Libro Ejercicios y Soluciones de Física General.
Respuesta
La respuesta correcta es e). Las dos primeras lentes tienen una longitud focal negativa, se descartan de inmediato. Solo quedan tres opciones. Ahora, si pensamos que una ventana de vidrio tiene una longitud focal en el infinito, el caso contrario sucede en una esfera. Por tanto, la lente con mayor curvatura tendrá menor longitud focal; por ello, la opción e) es la mejor opción.
¡Felicito a Petres, the red fat por se el primero en enviar la respuesta correcta! :D
Si tienen sugerencias de preguntas similares, dejen un comentario en este su blog.
Esta demostración es simple, económica y alucinante. Pues se extrae la bella gama de colores de un bombillo en un patrón de difracción, producido por un CD transparente.
Los niños y los adultos de mente lúdica (como yo) aman hacer arco iris. Eso de hacer un prisma con un vaso de agua y descomponer la luz es muy divertido en comidas formales y aburridas. Y a muchos nos gustan las suaves lloviznas porque pueden ser el preludio de un arco iris, incluso disparar a un riachuelo. En una entrada anterior expliqué cómo las gotas de agua forman el arco iris y porque es imposible atravesarlo.
¿Pero donde esta el prisma en este experimento? ¿por qué se descompone la luz?
La luz de la bombilla atraviesa el plástico, con todo y surcos, que son tan pequeños como las ondulaciones de la luz. De modo que el cambio brusco de índice de refracción entre surcos y plástico produce un efecto de borde: difracción. Aquí, el fenómeno es que la luz se dispersa, abriéndose el haz de su trayectoria original. Más aún, la difracción es dependiente de la frecuencia; de modo que las frecuencias (colores parea este caso) se separan unas de otras, obteniendo el patrón colorido.
Esta demostración es adecuada incluso para estudiantes de secundaria y preparatoria, pero con una ligera variación, usando una fuente monocromática (un láser, por ejemplo) se puede hacer una experiencia cuantitativa, como lo expliqué en una entrada anterior.
Es posible descomponer la luz blanca revelando sus colores por medio de prismas, polarizadores cruzados y por difracción. Fenómenos diferentes que nos dicen mucho sobre la naturaleza de la luz.
La luz puede viajar de un medio de indice de refracción grande a otro de indice menor; por ejemplo, vidrio-aire. Pero después de cierto ángulo de incidencia, la frontera ya no deja pasar la luz, se comporta como un espejo. Tal efecto lo llamamos Reflexión-Interna-Total RIT.
Pero cuando acercamos lo suficiente otro vidrio al primero, la frontera se vuelve indefinida y la luz siga su trayecto original. Puede existir un espacio entre los dos vidrios y observar este efecto que ese le denomina frustrado, pues ya evita la reflexión total del primer efecto. Por eso es Reflexión-Interna-Total-Frustrada RITF, un nombre un poco largo.
Cuando la luz incidente alcanza la frontera vidrio-aire, de nuestro ejemplo, se produce una pequeña perturbación de la onda electromagnética (la llamamos onda evanescente, aunque en realidad no sea una onda) que viaja paralela a la superficie vidrio y que disminuye su intensidad rápidamente cuando se adentra en el aire. Pero cuando acercamos el vidrio, esta perturbación se transforma en luz. Así perdimos la reflexión total, pero recuperamos el haz que viaja en la otro dirección.
Este fenómeno lo puedes constatar tú mismo. Toma un vaso transparente y ponle agua por la mitad. Mira un poco por arriba del caso hasta que se refleje la luz. Pues bien, ese efecto de espejo es reflexión interna total.
Ahora, moja un poco los dedos de tu mano. Agarra firme el vaso. Veras tus huellas digitales en el vaso mientras lo sostienes. Eso es reflexión interna total frustrada. Muy simple la demostración.
¿Y esto para que sirve?
Bueno, la recuperación la luz después de la reflexión total es una sofisticada técnica de microscopia muy útil en la caracterización de materiales. Por otro lado, la demostración inocente de las huellas digitales también es el fundamento de la creación de interfaces para pantallas táctiles, que pueden ser muy económicas pues trabajan con procesamiento de imágenes de cámaras web, ventanas de acrílico y leds infrarrojos; ¡pura tecnología barata, barata!.
Cuando era niño pasaba mucho tiempo viendo infografías científicas de enciclopedias y revistas. De estas imágenes hacia mis propias historias y jugaba a hacer nuevas conexiones entre los diagramas.
Este póster es un buen ejemplo de tales láminas viejas. pertenece a The Lawrencce Livermoore National Lab y fue publicado (por primera vez) en 1944. Muestra de modo didáctico los intervalos, aplicaciones y algo de la naturaleza de las ondas electromagnéticas (luz, rayos-X, ondas de radio, entre otras. El poster original cuenta con 70 Mega pixeles gloriosos, pero puedes usar a Zoom.it para navegar con más comodidad a través de sus varias historias.
Su estilo pertenece a una época en que los hechos más simples mostraban con mucha densidad y meticulosa investigación. Así, entre 1940-1990 revistas y compañías realizaban esta clase de pósters. Más que decoraciones estas láminas eran cátedras-gráficas muy completas.
Lo moderno es así
En total contraste, tenemos esta ilustración de XKCD que básicamente muestra la misma información, con menos detalles, enfatiza ciertos elementos para contar una historia central.
Mientras que el póster clásico pertenece a una época de publicación en papel, mientras que esta imagen es nativa de los tiempos digitales. Esta diseñada para verse en una pantalla de ordenador (computadora) y no para esta impresa en un formato grande.
El póster viejo requiere tiempo y mucha atención pues tiene muchos detalles. La imagen moderna suprime detalles paro contar con velocidad un mensaje.
El PDMS es un polímero que alcanza una transparencia alta después de ser fraguado por una reacción de inter-cruzamiento organometálico. Como la mayoría de los polímeros, antes de endurecer este material puede reproducir las características de la superficie de contacto. En el video del experimento diferentes muestras de polímero están en contacto con las pistas de un CD y un DVD.
Puedes probar con otros polímeros que estén al alcance de tu mano para hacer tus rejillas de difracción, después caracterizarlos. Y finalmente, medir su deformación por medio de la difracción. Todo esto es un buen proyecto de investigación escolar; tanto que este semestre lo he visto desarrollado por algunos estudiantes de mi Facultad.
Pero dinos. ¿Qué tan estable es el polímero usado?, ¿Dura meses sin deformación?
Fotografía del acrílico devastado que forma
la foto de Alan Turing pro medio de causticas.
Crédito: Alain Herzog
En palabras llanas, las causticas son patrones que representan a la envolvente de los rayos de luz reflejados o refractadas por una superficie curva. Así, cuando la luz atraviesa un vaso con agua, el objeto proyecta una sombra y también una zona luminosa –esa es una caustica–, otro ejemplo es cuando la luz atraviesa las ondas en la superficie de una alberca, en el fondo de la piscina se ven patrones más o menos intensos de luz, en un patrón poco ordenado. Usualmente los diseñadores gráficos añaden este efecto óptico a sus modelos para darles más realismo.
Con todo, debo confesar que a las causticas siempre las había visto como fenómeno poco útil, que estaba más allá del modelo simple y elegante de las lentes delgadas y de la óptica paraxial. Por lo general, veía a computologos y amantes de la geometría estudiando diferentes superficies para hacerse de una idea para saber cómo sería la caustica. Pero este problema se puede pensar al revés: dada una forma ordenada y reconocible de caustica, ¿cómo es la forma de la lente o superficie que la forma?
Efectivamente, investigadores de la EPFL en Suiza, han resuelto esta pregunta inversa, ellos están produciendo imágenes aprovechando las causticas. En una placa de acrílico totalmente transparente han devastado ligeramente su superficie para formar una lente que no obedece las reglas de las lentes delgadas, pero igual deforma el frente de onda para obtener una imagen nítida. Ellos describen su descubrimeinto en el sig. video (lineas más abajo, explicó el video)
Al colocar la placa a la distancia correcta entre una pantalla y una fuente de luz brillante –como una fuente de leds o del Sol–, una imagen aparece. La imagen se forma porque el grabado en la placa acrílico desvía en diferentes direcciones los haces de luz, produciendo zonas oscuras y brillantes de modo que se puede proyectar imágenes como es el caso del rostro de Alan Turing, quien es considerado el padre de la ciencia computacional moderna. La ventaja principal de estas lentes es que pueden formar una imagen nítida pese a que la lente se desvié mucho de la dirección de los haces de luz, eso es possible porque se ha superado las limitaciones de la óptica paraxial.
Por lo regular, cuando tenemos una lente, como de una lupa, podemos calcular la forma de la caustica. En este caso, se procedió de modo inverso, se decidió que imagen se quería proyectar, se empleó un algoritmo que indicara que forma debía tener la superficie de esta lenta atípica y después se procedió a realizar el grabado y pulido del acrílico. Casi cualquier medio se puede manipular para convertirlo en un proyector –ventanas, carcasas plásticas, vasos, joyería, entre otros.
Finalmente debo señalar que existen varias formas de obtener imágenes además de las lentes delgadas. Además existen técnicas como las lentes de Fresnel, lentes de índice de refracción variable , utilizando una apertura muy pequeña, entre otras.
Este instrumento demuestra un tipo de maquina térmica, pues la energía de los rayos solares o la luz proveniente de una lámpara se aprovecha para provocar el movimiento de la veleta en el interior del bulbo de este aparato.
¿En qué consiste el instrumento?
En este bulbo, al que se le ha estriado gran parte del aire – todavía queda una pequeña cantidad de moléculas, necesarias para realizar la demostración – se encuentra una veleta suspendida de una aguja muy filosa. La veleta consiste de cuatro aspas verticales, cada aspa está pintada de blanco en una de sus caras y en la cara opuesta está pintada de negro.
¿Cómo funciona?
Si los haces de una fuente luminosa intensa (como del Sol) inciden en el radiómetro, una cara negra de la veleta absorbe más luz que una cara blanca. Lo cual provoca que la temperatura de la cara negra sea mayor que el caso de la cara blanca. Localmente, la superficie oscura de este aparato tiene una temperatura mayor en comparación con una cara blanca. Por la ecuación de gases ideales, entonces esta cara oscura experimenta una presión mayor que la cara blanca. De tal forma, el movimiento giratorio del radiómetro siempre es de la cara oscura hacia la cara blanca.
Hoy este bulbo es un juguete científico o un adorno geek para la oficina, pero hace tiempo causo polémica, pues su movimiento contradecía el efecto de presión de radiación: los rayos luminosos al chocar en una superficie blanca trasmiten más ímpetu que cuando lo hacen en una superficie negra. Sin embargo, para observar el efecto de presión de radiación en este bulbo, se tiene que extraer TODO el aire del interior. La presión de radiación existe, pero este aparato es inadecuado para observar sus efectos. En otras entradas he comentado experimentos profesionales que demuestran el efecto de presión de radiación [1, 2]
¿Preguntas para pensar?
1) ¿Podría funcionar el radiómetro si el bulbo estuviera lleno de agua?
2)¿Funcionaria igual el radiómetro si la fuente de luz fuera láser?, ¿hay algún cambio si se cambia el color de la fuente?
3)Si la veleta tuviera más aspas, ¿se movería más rápido o más lento o no habría cambio?
4)¿Cuál es la eficiencia termodinámica de esta máquina?, para responder necesitamos algunas ecuaciones de preparatoria
5)Pensando en la ecuación de gases ideales: PV = nR T, y pensando que son iguales los volúmenes de las capas negras y blancas, respectivamente. Demuestra con ecuaciones que la veleta se debe mover. Apóyate de la definición de presión P = F/A.
Esta entrada participa en el Carnaval de la Fisica (octubre 2012), que en esta ocasion alberga el blog últimas noticias desde el cosmos.
Para hacer este experimento requieres: una lámpara, agua, un poco de leche y un recipiente transparente (mientras más largo es mucho mejor). En el video sig. se muestra el proceder.
Sobre el procedimiento
Entre otros colores, la luz solar contiene componentes azules que son fáciles de esparcir cuando el medio contiene partículas. En el caso de la atmosfera pueden ser partículas de polvo, además de que estas capas son muy grandes. Para el caso de nuestro experimento aumentamos la cantidad de partículas añadiendo la leche. La cual se ve de color blanco porque es un gran material para esparcir la luz. Este sencillo experimento demuestra que otras fuentes de luz, aparte del Sol, pueden tener tonos rojos cuando las vemos desde un ángulo correcto. Sí, ese puede ser el caso de la luna de color rojo. Entonces, ¿está descartado poder ver una luna de color azul?
Aun más, el efecto de dispersión se puede presentar en cualquier planeta con atmosfera, dependiendo de que clase de partículas tenga pueden variar su tono. Por ejemplo, la luna no tiene un cielo de color azul, ni atardeceres rojos; pues la luna no tiene un cielo. Pero Marte si presenta coloridos atardeceres que contrastan con el color de su cielo, ¿pero será este cielo rojo o azul?.
Este video (ingles) muestra cómo usar el efecto de la difracción luminosa para poder medir el grosor de un cabello. Para hacer este sencillo experimento se requiere un flexometro y saber la longitud de onda de emisión del láser utilizado.
¿Qué es lo que vemos?
El grosor de un cabello es del orden de magnitud de la longitud de onda de un láser. Así, cuando la luz láser incide en el cabello ser produce el efecto de difracción; el cual sólo presentan las ondas.
Si el cabello esta vertical, el patrón de difracción es horizontal. Presentara manchas (llamadas órdenes de difracción), tomando en cuenta cuántas de estas manchas medimos, la distancia relativa entre manchas, la distancia entre la fuente de luz y la pantalla, y la longitud de onda del láser se puede estimar el grosor del cabello.
Recuerda que este patrón de difracción es de campo lejano. Es decir, sin utilizar lentes, se requiere una gran distancia para observar el patrón de difracción.
¿Qué más se puede hacer?
Pues resulta que no todos los cabellos son igual de gruesos, por lo cual es un buen experimento hacer un estadística del grosor de cabello en un salón de clases.
Más aún, el grosor del cabello depende si este es lacio o chino, y especialmente para el cabello chino se puede comprobar que este grosor varia en el corte longitudinal; es decir, el cilindro que forma a un cabello chino contiene una elipse en lugar de un circulo. (¿puedes comprobar esta afirmación?).
La idea es que hagas este experimento con la supervisión de un adulto, tu profesor por ejemplo, y que te ayude con la traducción ingles-español. También puedes practicar tu ingles con esta clase de videos. Sin embargo ya estas preparando unas versiones en español...pero esa es otra historia.
Preguntas para pensar
Si no cuento con un láser ¿puedo medir el grosor del cabello con una fuente de luz más convencional ?
La luz es una onda electromagnética y es una onda transversal. Muy básicamente, la podemos imaginar como una onda que viaja en una cuerda, si una cuerda larga esta fija de un extremo y del otro le damos un pulso con la mano lo que vemos es que la perturbación se manifiesta perpendicular a la dirección en que viaja la onda. Ahora bien, ese pulso lo podemos hacer vertical, o horizontal, o en una posición intermedia de las otras dos.
Cuando movemos azarosamente la mano de un lado a otro, la perturbación de los pulsos también es azarosa; por tanto no hay una dirección preferencial, y es cuando decimos que no hay polarización.
Sin embargo, si nuestra mano se mueve sólo en una dirección (por ejemplo, arriba y abajo), los pulsos también se mueven en esa dirección (arriaba y abajo, según el ejemplo). Por tanto hay una dirección preferencial en el movimiento de la onda, esa onda esta polarizada.
En el caso de la luz, es el campo electromagnético el que es perpendicular a la dirección del desplazamiento. Y este campo puede tener diferentes direcciones espaciales. Siguiendo el ejemplo, puede oscilar entre arriba y abajo, esa luz esta polarizada.
Las fuentes convencionales, por ejemplo el Sol, las estrellas, la llama de una vela, no producen luz polarizada, pues en la generación de la luz no se fomenta una dirección preferencial. Sin embargo, podemos seleccionar una dirección de polarización particular y utilizarla.
¿Cómo puedo generar luz polarizada?
Una de las formas más simples de polarizar luz es utilizando la reflexión. Resulta que reflexión de la luz en los materiales depende de la polarización y al ángulo de incidencia del haz luminoso. Más en concreto, existe un ángulo tal que sólo refleja un una dirección de polarización. Ese ángulo especial se llama ángulo de Brewster. Así para el caso de un pedazo de vidrio (su índice de refracción es de alrededor de 1.5) su angulo de Brewster (en el aire) es de aprox. 56 grados. En áreas tecnológicas se emplea este ángulo para mejorar el desempeño de láseres, y de hecho es muy popular en aplicaciones ópticas.
¿Cómo se maneja el aparato?
El video muestra el funcionamiento. Una fuente convencional incide en el espejo, el cual se coloca en el ángulo de Brewster, de modo que la luz reflejada esta polarizada; el otro espejo se puede también girar, incluso hasta que la segunda reflexión de luz sea mínima.
Ahora bien, una forma de comprobar que efectivamente esta polarizada la luz es colocando un filtro polarizador y girarlo, observando la disminución de la intensidad de la luz.
Las cosas han progresado con el tiempo, en este otro video tenemos la versión moderna de este aparato.
Actualmente los filtros polarizadores de polímero son los métodos de polarización más populares en los laboratorios y en toda clase de aplicaciones, por ejemplo en la fotografía son filtros excelentes que preservan la calidad de los colores y evitan la saturación por la intensidad de los reflejos; además estos polarizadores se colocan en los parabrisas para evitar que los conductores se deslumbren por los reflejos o las luces de otros carros, además de que nos puede servir para medir cuanta azúcar tiene un bebida, entre otros usos.
Preguntas para pensar
¿Por qué los humanos no estamos adaptados para ver luz polarizada, mientras que algunos insectos sí pueden ver esta característica de la luz?
Actividades
Este post esta basado en el trabajo presentado en el blog dotphysics (en ingles), donde nos recomiendan algunos experimentos de polarización.
En este video (en español) una estudiante nos explica acertadamente cómo hacer el experimento
Objetivo del experimento
Medir la separación de las lineas de barrido de los surcos de un CD las cuales son tan peuqeñas que no se pueden ver a simple vista.
Materiales
Los materiales necesarios son una fuente de luz láser (de la que se sepa su longitud de onda), un CD, cinta metrica, cartulina negra, tijeras, una pantalla, cinta adhesiva y un soporte para el láser.
Procedimiento
1. Recorte un círculo de cartulina del diámetro del CD. Haga en el borde del disco de cartulina un orificio cuadrado de 5 mm de lado y luego fije el mismo con cinta adhesiva sobre la cara reflectora del CD.
2. Instale el CD sobre un soporte cuidando que la ventana del disco de cartulina quede sobre un diámetro horizontal.
3. Coloque el conjunto del CD a una distancia no menor de un metro de la pantalla (o pared) sobre la cual se proyectarán los rayos de luz láser provenientes del CD. Recuerde que el plano del CD debe ser paralelo al de la pantalla.
4. Coloque la fuente de luz láser entre el CD y la pantalla y procure que el haz de luz incida perpendicularmente sobre la parte descubierta del CD.
Explicación
Como se sabe un CD tiene líneas en espiral muy próximas entre sí. Los surcos de las líneas de barrido y la separación de las mismas son tan pequeños que no es posible apreciarlos a simple vista. Cuando un haz de luz láser incide perpendicularmente al plano del disco, éste se comporta como una rejilla de reflexión y genera patrones de interferencia claramente observables en una pantalla de proyección, pared o pizarra.
Si Y es la distancia de separación entre la cara reflectora del CD y la pantalla, X la separación entre los puntos de orden cero y uno proyectados sobre la pantalla, θ el ángulo subtendido por los rayos incidente y reflejado, y λ la longitud de onda de la luz láser, la separación de las líneas de barrido puede calcularse mediante la ecuación siguiente:
d=λ/senθ donde, θ=tan-1 (X/Y)
Finalmente debo mencionar que los creadores de este video y ejecutores de este experimento son:
Este video, en ingles, es realizado por patrickJMT quien es uno de mis profesores “youtuberos” favoritos. En esta ocasión obtiene la ley de Snell utilizado la derivada del tiempo en función de una variable de distancia, pues supone la velocidad de los medios como una constante, veámoslo:
Sólo quiero apuntar que Patrick iguala su derivada a cero para encontrar el caso donde es máxima o mínima la derivada. Afortunadamente, él encuentra un sólo punto extremo, pero no sabe (en principio) si es un máximo o un mínimo, requiere derivar una vez más para comprobar que su solución corresponde al mínimo de tiempo que toma un rayo de luz en atravesar la interface de dos medios.
Desde este punto, puedes intentar este ejercicio por tu cuenta, puedes autoexplicartelo mientras lo haces; es una buena forma de no olvidar el procedimiento para encontrar la solución
Ahora quiero hacer algunos apuntes sobre el uso adecuado de este video en una clase.
1) Por estar en ingles, el video es adecuado para practicar una nueva lengua, pues a lo largo del video hay varios conceptos que entienden los iniciados en el cálculo diferencial. Con todo, muchos deben esperar ansiosos la versión en español o con subtítulos, ya veremos quién se anima a trabajar sus propios videos o hacer la talacha de introducir los subtítulos.
2) Si eres profesor, Patrick te muestra lo sencillo que es llevar tus notas o material adicional a Internet. Pues sus videos tienen poco trabajo de post-producción, tienen un bueno guión de trabajo (donde se basa para no perder el tiempo en pausas innecesarias) y debe encontrarse en un lugar libre de ruido donde un micrófono se libra de sonidos espurios. No es tan complicado tener estos aditamentos y hacer videos similares, ¿o si es complicado?
3) El video muestra un ejercicio de cálculo 1 de nivel licenciatura. Para los que ya pasamos por ese cáliz, el video es un buen recordatorio de las etapas por hacer.
4) No se trata de que en la etapa de estudiante estemos buscando furibundos en Internet la respuesta a los ejercicios que deberían despertar nuestra creatividad. Estos videos son un material adicional que debe pulir, complementar y brindar otras alternativas a nuestra forma de dar respuestas a los problemas. Igual que las respuestas al final del libro, estas ayudan a los buenos estudiantes a confirmar o corregir sus ejercicios; para nada se trata de regalar una respuesta.
Finalmente, unas notas más superfluas, hoy es el día de los zurdos y evidentemente Patrick es un zurdo de buena letra, lo cual se agradece a cualquier profesor que trabaja sobre el pizarrón o con hojas sueltas frente a una cámara de video.
Azúcar disuelta en agua, unos vasos de vidrio, la pantalla de tu laptop y unos lentes para el sol (con filtro polarizador) son suficientes para hacer una demostración de la capacidad de la azúcar de rotar el plano de polarización de la luz que proviene de la computadora. Efectivamente, en el siguiente video nos muestran lo fácil que es realizar la demostración.
El vaso marcado como 3 contiene una mayor cantidad de azúcar, por lo cual su efecto es mayor que en todas las demás muestras, donde el vaso marcado como W contiene solamente agua. Es decir el agua no tiene este efecto de cambiar el plano de polarización.
¿Por qué sucede este efecto?
La pantalla de laptop contiene une un polarizador, que al parecer tiene su eje óptico 45 grados respecto a la vertical. Pues bien, algunos lentes para sol también tienen un filtro polarizador, este filtro es útil para evitar ser deslumbrados reflejos al conducir un auto. En este experimento, el filtro polarizador se coloca en la cámara, como podemos ver en el video, a cierto ángulo la trasmisión de luz desde la computadora es mínima, la pantalla se ve oscura.
Ahora, cuando colocamos algunos materiales, como lo plásticos y los azucares la luz polarizada gira un poquito, por lo cual se ve un poco de luz. Este efecto óptico, llamado actividad óptica, es empleado para conocer la concentración de azúcar en un recipiente y ha sido usado por muchas fabricas de dulces, bebidas azucaradas y empresas similares.
De hecho, el aparato es conocido como polarímetro. Y aunque hay muchas empresas que venden sofisticados polarimetros, es fácil construir nuestra versión para hacer mediciones precisas; esto es lo que nos cuenta S. Cruz y S Galindo del ININ (México) en su articulo didáctico de la SMF.
Ellos aseguran que se puede hacer una práctica donde se mantenga estable la temperatura y el color de luz para demostrar que la maltosa tiene el doble de capacidad que la azúcar de girar el plano de polarización. Esto con una concentración de 1 gramo en 10 mL de agua. Por supuesto, hay otras propuestas para hacer este aparato, por lo cual se pueden cubrir todos los intereses: los demostrativos, los económicos, los tecnológicos/ingenieriles con este tema que puede ser muy adecuado para una proyecto de laboratorio.
