¿Te has preguntado alguna vez cómo un espejo produce una imagen exacta tuya cuando te pones delante de él? ¿Es una especie de brujería o hechicería? ¿O podemos explicarlo con la razón científica? Tranquilo, no es necesario recurrir a la magia. Como ocurre con la mayoría de los fenómenos que observamos en nuestro planeta, la ciencia puede explicarlo.
Pero, ¿cómo funcionan los espejos? ¿Cuántos tipos de espejos existen y cuáles son sus propiedades? ¿Podemos utilizarlos, por ejemplo, para observar planetas que están a años luz de nosotros? Al final de este artículo, podrás responder a todas estas preguntas y más. Así, la próxima vez que te encuentres admirando tu belleza frente a uno, ¡también podrás admirar la física que hay detrás!
¿Qué es un espejo?
En física, un espejo es una superficie lisa que refleja una gran cantidad de la luz que incide sobre ella.
Cuando la luz llega a una superficie, una parte se refleja y otra se absorbe. Los espejos son excelentes reflectores. Casi toda la luz que incide en el espejo rebota, y solo una pequeña parte es absorbida.
Una imagen virtual se forma con la proyección de los rayos de luz que se reflejan o refractan en una superficie. Estas proyecciones parecen proceder de una fuente que no está, realmente, allí.
Un espejo suele fabricarse añadiendo una fina capa de material reflectante, como el aluminio o el estaño, a una pieza de vidrio transparente.
Espejos planos y espejos esféricos
Los espejos pueden clasificarse en función de su curvatura. Si el radio de curvatura es cero, se llama espejo plano. Estos son los espejos que se ven más comúnmente en los hogares y salones de belleza. En un espejo plano, las proporciones de la imagen y el objeto son siempre las mismas.
Sin embargo, ¡los espejos también pueden ser curvos! Esta categoría se llama espejos esféricos que, a su vez, se dividen en cóncavos y convexos. Es interesante, porque tienen aplicaciones muy comunes. La próxima vez que los veas en algún sitio, asegúrate de comprobar cómo nos ayudan a ver el mundo que nos rodea.
Espejo cóncavo
Un espejo que se abulta hacia dentro se llama espejo cóncavo.
Una forma fácil de recordarlo es imaginar una cueva cuya superficie interior es un espejo, de ahí el nombre de cóncavo.
Fig. 1: Los espejos cóncavos se emplean como reflectores en los vehículos.
Veamos cómo se utilizan en nuestra vida cotidiana: los espejos cóncavos se usan dentro de las linternas, como reflectores, para concentrar toda la luz en una sola dirección. Estos rayos reflejados tienen una gran intensidad y pueden recorrer largas distancias antes de desvanecerse.
Los espejos cóncavos, también, se emplean en los espejos dentales, ya que producen una imagen ampliada del interior de la boca.
Fig. 2. Espejos cóncavos utilizados para la ampliación en odontología.
Espejo convexo
Hay otro tipo de espejo esférico, que es el contrario del espejo cóncavo.
Un espejo que se abomba hacia fuera se llama espejo convexo.
Fig. 3: Los espejos convexos nos permiten ver en un rango mucho más amplio.
Imagina una semiesfera, cuya superficie exterior es un espejo. Estos espejos permiten ver en un rango más amplio que el que ofrece un espejo plano.
Fig. 4:Los espejos convexos se usan en las tiendas o en la calle para poder observar todo el sitio.
Es posible que haya visto los grandes espejos convexos que se utilizan en los grandes almacenes. Estos espejos convexos tienen un mayor campo de visión que los espejos planos y cóncavos; producen una imagen que cubre un área mayor. Se colocan en las esquinas ciegas, para ayudar a la gente a no chocar entre sí, ya que proporcionan una visión del otro lado.
Fig. 5: El espejo convexo se utiliza en los retrovisores laterales de un vehículo.
También se utilizan en los retrovisores laterales de los vehículos. Posiblemente, has observado la advertencia "Los objetos en el espejo pueden parecer más cercanos de lo que están". Como ya sabemos, los espejos convexos se emplean en los automóviles, porque proporcionan una imagen vertical y un campo de visión más amplio, debido a su diseño curvado hacia fuera; pero, por la misma propiedad, la distancia de la imagen parecerá menor que en la realidad.
Tipos de imágenes
Podemos representar un espejo plano dibujando diagramas de rayos. Estos diagramas nos ayudan a predecir el tipo de imagen que forma un espejo. Hay dos tipos de imágenes: imágenes reales e imágenes virtuales. Veamos las definiciones de estos tipos de imágenes y algunos ejemplos de formación de imágenes por espejos, utilizando los diagramas de rayos.
Una imagen real se forma cuando los rayos reflejados se cruzan delante del espejo.
Una imagen real puede proyectarse en una pantalla. Esta propiedad no se observa en los espejos planos, pero es posible en los espejos cóncavos.
La luz de un objeto que se refleja en un espejo cóncavo produce una imagen real. Como la imagen es real, podemos proyectarla en una hoja de papel, colocándola donde se forma la imagen.
Fig. 6: Los rayos de luz reflejados en un espejo cóncavo forman una imagen real, que puede proyectarse en una pantalla.
Como se muestra arriba, en un diagrama de rayos, cada rayo de luz se representa mediante una línea recta y con una flecha que indica su dirección.
Cuando los rayos reflejados se cruzan detrás del espejo se forma una imagen virtual.
Tal imagen no puede proyectarse en una pantalla. Los espejos planos y convexos siempre producen imágenes virtuales.
Fig. 7: La imagen formada por un espejo plano será siempre virtual, invertida lateralmente y vertical.
También podemos utilizar los diagramas de rayos para determinar la posición de la imagen y su tamaño.
Consideremos un objeto que se refleja en un espejo plano como el de la imagen anterior:
- Podemos dibujar dos rayos de luz que salen del objeto. Esta es una práctica común que verás en la mayoría de los diagramas de rayos.
- El punto de intersección de estos rayos indica la posición de la imagen (esto no es posible si empleamos un solo rayo de luz).
- Los rayos incidentes, procedentes del objeto, rebotan en el espejo y vemos el reflejo del objeto o la imagen cuando estos rayos reflejados entran en nuestros ojos.
- Para obtener la posición de la imagen, todo lo que tenemos que hacer es extender los rayos reflejados detrás del espejo, y ver dónde se cruzan. Observaremos que la imagen se forma a la misma distancia detrás del espejo a la que se coloca el objeto frente al espejo.
- El objeto estará invertido lateralmente, y la imagen tendrá el mismo tamaño.
Reflexión de la luz
Los reflejos pueden clasificarse en dos tipos, según la superficie en la que se refleja la luz:
- Cuando la luz incide sobre una superficie lisa y brillante, la reflexión se produce en línea recta y en una sola dirección; esto se denomina reflexión especular.
- Pero, si la luz incide sobre una superficie rugosa e irregular, la reflexión se produce en múltiples direcciones; esto se denomina reflexión difusa.
Veamos un diagrama de un espejo plano que refleja la luz.
Hay muchos términos nuevos que sirven para describir la reflexión de la luz. Veamos cada uno de ellos.
La normal es una línea que pasa por el centro de un espejo. Se utiliza como plano de referencia, al recorrer el objeto. La distancia entre el objeto y la imagen se mide sobre este eje.
- El ángulo entre el rayo de luz incidente y la normal del espejo se llama ángulo de incidencia.
- El ángulo entre el rayo de luz reflejado y la normal al espejo se llama ángulo de reflexión.
Ley de la reflexión
Existe una relación especial entre el ángulo de incidencia y el de reflexión. Esta relación se describe mediante la ley de la reflexión.
La ley de la reflexión establece que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
- Esto se puede representar, matemáticamente, de la siguiente manera:
\[\theta_r = \theta_i \]
\[ \text{Ángulo de reflexión}=\text{Ángulo de incidencia}\]
Recuerda que estos ángulos se miden con la normal en el punto donde los rayos se encuentran con el espejo, no con el espejo mismo. Observa la siguiente imagen como referencia.
Fig. 10: La forma correcta de medir los ángulos de reflexión e incidencia es usando la normal.
Usos del espejo
Para resaltar la importancia de los espejos, consideremos ahora un conjunto particular de ellos que es extremadamente útil: un espejo en forma de L. A continuación, se muestra un diagrama para este tipo de espejo:
Fig. 11: El diagrama de rayos para un espejo en forma de L muestra cómo un rayo se refleja de vuelta, paralelo al rayo incidente.
Observa que hay dos lugares donde se produce la reflexión. Esto hace que el rayo de luz de la fuente se refleje de vuelta en la misma dirección que tenía el rayo cuando entraba. Este fenómeno se denomina retrorreflexión, y funciona independientemente del ángulo de incidencia.
Además, podemos ampliar este montaje, añadiendo un tercer espejo perpendicular a estos dos. El resultado es un espejo con la forma de la esquina de un cubo. En este conjunto tridimensional, cualquier rayo de luz se refleja siempre directamente en su origen.
¿Sabías que en 1969, como parte de la misión lunar Apolo 11, se pidió a los astronautas que dejaran un panel con retrorreflectores? Esto se hizo para poder apuntarles con un láser desde la Tierra y así garantizar que la luz rebotara exáctamente en la misma dirección. Algunas de las mediciones más precisas de la distancia entre la Luna y la Tierra que tenemos hasta hoy se obtuvieron con este método.
Fig. 12: Se desplegó un panel con retrorreflectores para reflejar un rayo láser de vuelta a su fuente en la Tierra.
Otra aplicación importante de los espejos es el telescopio reflector.
Los telescopios reflectores consisten en un conjunto de espejos que trabajan juntos para enfocar y ampliar una imagen.
En un telescopio reflector, la luz llega a un espejo situado en la parte inferior del telescopio. Se trata de un espejo esférico, que enfoca la luz en el extremo superior. A continuación, es reflejada por un segundo espejo, hasta una posición fuera del telescopio donde el observador puede ver la imagen del objeto lejano ampliada.
Fig. 13: Los telescopios reflectores utilizan un conjunto de espejos para enfocar y ampliar la imagen. En la imagen, podemos ver los rayos de luz (light rays), un espejo pequeño (small mirror), el ocular (eyepiece), la imagen (image) y el espejo u objetivo (mirror/ objective).
Diagramas de espejos - Puntos clave
- En física, un espejo es una superficie lisa que refleja una gran cantidad de luz que incide sobre ella.
- Los espejos pueden clasificarse en planos y esféricos.
- En un diagrama de rayos, la normal es una línea que pasa por el centro de un espejo.
- La ley de la reflexión establece que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión en un espejo plano.
- El ángulo entre el rayo luminoso incidente y la normal del espejo se llama ángulo de incidencia.
- El ángulo entre el rayo luminoso reflejado y la normal del espejo se llama ángulo de reflexión.
- Una imagen real se forma cuando los rayos reflejados se cruzan en el espejo. Una imagen real puede proyectarse en una pantalla.
- La imagen virtual se forma cuando los rayos reflejados se cruzan detrás del espejo.
- Un espejo plano siempre producirá una imagen virtual, invertida lateralmente, y en posición vertical del objeto que se encuentra delante de él.
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