Divulgación ¿Qué es la sombra?

[natanael]

OJO, no estoy jodiendo, cargando el foro de preguntas estúpidas, es sólo que llevo mucho tiempo con esta inquietante pregunta. Si tienen alguna idea, teniendo presente que la luz se comporta como onda eléctromagnetica, y que al interaccionar con un cuerpo (electrones ligados débilmente, por ejemplo en un metal), puede reflejarse o absorverse y todo ese cuento, entonces me gutaría MUCHO saber tu opinión al respecto (es decir, como TU cerebro procesa una conclusión, teniendo en cuenta todas esas caracteriscas de la luz), sé que puedo parecer un ingreido limitando las respuestas (ayuda) que pueda recibir de ustedes, pero estoy tratando de crear un filtro para respuestas estúpidas, como por ejemplo, de "Yahoo Respuestas" una de las respuestas: "no sabes jajajaja niño", y otras más serias, pero al mismo nivel de ignorancia .

Saludos, y gracias por adelantado.

[lindtaylor]

Re: ¿Qué es la sombra?

Ausencia de luz? de modo rapido y ligero sin mucha seriedad, por ausencia de luz me refiero que no hay actividad electromagnetica debido a la luz en una cierta zona del espacio, no hay choques etc, asi que eso se ve reflejado como ausencia de luz, como una sombra, oscuridad.

[natanael]

Re: ¿Qué es la sombra?

El problema se me presenta es cuando trato de imaginar una onda "cortada".

Primero voy hacer un aclaración: voy a usar términos como "onda", "partículas" y "observadores", pero esto no tiene nada que ver con mecánica cuantica, ya que me refiero es a los efectos clásicos o macroscópicos que observamos todos los días. "la sombra".

Vete el siguiente dibujo:



Supongamos que en punto P hay una masa muy caliente y hay una cantidad no nula de electrones oscilando en dirección perpendicular a la línea de observación de la persona A.

Al oscilar, los electrones crean una variación en el campo eléctrico en las regiones cercanas del punto P, es decir que muy cerca del punto P se puede encontrar un especie de continuidad en toda la región puediéndose medir el campo en todos lados.

Ahora, cuando el observador A quiere medir el campo eléctrico muy cerca de él, se encuentra con que puede medir el campo sólo del lado donde se encuentra el punto verde, pero nó del lado del punto anaranjado, y se encuentra con una discontinuidad matemática en todos los puntos que pertencen a la línea de observación, hasta llegar al borde del objeto C, es decir en notación conjuntista, discontinuidad en todos los puntos que pertencen a línea que vá de [observador, borde de C), y continuidad en [borde de C, P), abierto en P, porque el campo debe tender a infinito en ese punto.

Ahora, ¿cómo es posible que una onda esté cortada?, es decir, que exista en unas regiones y en otras nó, y que en el borde de separación donde existe y donde nó, sea un salto tan brusco.

El observador B es más Cool, y dice, bueno, la luz es un pocote de puntos o partículas que se irradian en linea recta desde un punto P, y así la vida se le facilita, y piensa, bueno la luz que no está del lado del punto anaranjado es porque que las partículas de luz que venían en línea recta hacia esa región, se encontraron con el objeto C, choraron como partículas (o rebotarón, no sé) y no puediron llegar hasta allí, y la discontinuidad matemática se entiende perfectamente ya que como la luz son particulas o puntos, entonces puede existir ese salto brusco de existencia y no existencia de un lado del borde.

No sé si me estoy dando a entender, pero lo que sí veo es que desde un principio plenteé mal la pregunta.

Cuando me hago la pregunta sobre ¿qué es la sombra?, en realidad me refiero es cómo es posible, pudiendo la luz ser medida y observada macroscópicamente como una onda, que tenga un borde bien definido.

La explicación, del porque la sombra tiene un borde tan definido la puedes ver en este video, sin embargo la explicación está limitada a sombras que se producen por bordes de objetos que están muy cerca o tienen dimensiones finitas, y entonces según el narrador del video, la explicación está en es en la relación de las longitudes de la aburtura y la longitud de onda del la luz, y esto hace que se cree una interferencia destructiva en las zonas donde no se percibe luz, mejor vete el video.

Fíjate que el tipo no explica en sí como es que sucede eso, simplemente te dá las pistas de como puede suceder, y para un caso muy limitado, osea para una abertura.

Pero creo que esa explicación ya no es válida para el caso cuando la abertura tiene longitud muy grande, si tomas el ejemplo del dibujo de arriba, la luz existe es en todo el lado izquierdo de la linea de observación del observador A, es decir, no hay otro objeto del lado izquierdo que tenga un borde y cree el efecto de una avertura o hueco.

Hasta ahora lo que entiendo es que, donde hay sombra, realmente hay luz de un tipo (onda electromagnetica con cierta fase), pero al mismo tiempo hay otra luz (onda electromagnetica con otra fase) que al ser sumada entonces se anula y crea el efecto de una sombra, pero...... la otra pregunta sería, ¿ de dónde viene esa otra luz con una fase distinta si sólo existe un solo borde?.

Disculpa que me extienda tanto, pero es una de mis mayores dudas, y realmente me dá pena no saber que es la sombra, como a toda persona que entendiendo algo de física, no pueda explicar algo que todas las demás personas consideran algo obvio.

Saludos.

[Julián]

Re: ¿Qué es la sombra?

No te agas la cabeza con cualquier cosa. No hay nada extraño o fuera de este mundo en la explicación de que es la sombra. La respuesta de lindtaylor es simple y correcta.
El concepto de sombra es más que cotidiano para todo el mundo. Simplemente la sombra es una superficie en donde no ha sido reflectado los rayos de luz.

Otra cosa es decir porque en esa superficie no han sido reflectados los rayos de luz. Una posibilidad es que el frente de onda de los rayos lumínicos, en su camino encontraron un cuerpo opaco, es decir, que reflectó los rayos que incidieron en el. Si no reflecta el 100 % de los rayos, es decir, una pequeña cantidad de luz pudo pasar por el y en la siguiente superficie se forma tipo una penumbra, ya que un porcentaje de luz fue reflejado anteriormente por el cuerpo anterior.
Otra posibilidad es que el frente de onda de los rayos lumínicos encontraron en su camino otro frente de onda lo que produce interferencia. Si ambas ondas luminicas son de la misma frecuencia y amplitud pero se encuentran defasadas 180º la interferencia es 100% destructiva por lo que en esa región del espacio se anularon totalmente.

Hasta ahora lo que entiendo es que, donde hay sombra, realmente hay luz de un tipo (onda electromagnetica con cierta fase), pero al mismo tiempo hay otra luz (onda electromagnetica con otra fase) que al ser sumada entonces se anula y crea el efecto de una sombra, pero...... la otra pregunta sería, ¿ de dónde viene esa otra luz con una fase distinta si sólo existe un solo borde?.

Ese es el caso del video, que esas regiones con sombra de la superficie eran ocasionadas por interferencia destructivas de las ondas. Pero como dije antes es un caso. otro caso es que haya sombra porque directamente los rayos rebotaron en un cuerpo que estaba en su camino.
Y no es que hay luz de un tipo y de otro tipo pero no están. Los rayos no son de tipos diferentes sino que son de la misma naturaleza, es decir, son radiaciones electromagnéticas (campos eléctricos y magnéticos que oscilan y se autogeneran). Si los frentes de onda que se encuentran estan en fase la interferencia es contructiva por lo que la intensidad de luz aumenta el doble, si estan defasadas 180º la interferencia es destructiva, lo que quiere decir que en esa región no hay campos eléctricos y magnéticos oscilantes.
Decir que sigen estando los dos o no ya no es un tema de la física sino de la filosofía. Es otra cuestión, la física se encarga de lo medible y observable y como muestra el video, hay regiones que no incide luz por lo que se dio la interferencia.

¿ de dónde viene esa otra luz con una fase distinta si sólo existe un solo borde?.

Eso es algo que no deja en claro el video. Seguramente porque no es lo importante, es decir, lo que quiere demostrar. Podría ser que esos frentes de onda provengan de otra fuente o no, lo que si sé es que hay interferencia destructiva. Si solo existe una fuente lumínica y parten de esa ranura, despues de esta los rayos se dispersan en todo el espacio tanto como puedan, entonces una parte de este frente de ondas será reflejado en las paredes de los costados y volverá encontrándose con los otros frentes y interfiriéndose.

Disculpa que me extienda tanto, pero es una de mis mayores dudas, y realmente me dá pena no saber que es la sombra, como a toda persona que entendiendo algo de física, no pueda explicar algo que todas las demás personas consideran algo obvio

Una persona que sabe de física te va a decir que donde hay sombra es porque no incidieron los rayos lumincos. Un filósofo te va a decir porque ese lugar donde hay sombra es ignorante y no le llega la luz de la razón. jejeje
Viejo la explicación mas siemple la mayoría de las veces es la correcta.

[natanael]

Re: ¿Qué es la sombra?

Decir que sigen estando los dos o no ya no es un tema de la física sino de la filosofía. Es otra cuestión, la física se encarga de lo medible y observable y como muestra el video, hay regiones que no incide luz por lo que se dio la interferencia.

Me gustó.

Una persona que sabe de física te va a decir que donde hay sombra es porque no incidieron los rayos lumincos. Un filósofo te va a decir porque ese lugar donde hay sombra es ignorante y no le llega la luz de la razón. jejeje
Viejo la explicación mas siemple la mayoría de las veces es la correcta.

Podría ser, y tengo que aceptar que las respuestas son de nivel y me han evaporado muchas lagunas mentales, sin embargo hay unos charcos que todavía persisten y tal vez tengas razón cuando dices

No te agas la cabeza con cualquier cosa

pero... debo insistir hasta entender el macanismo completo y correcto de la producción de una sombra, y es que el asunto esta es en, por llamarlo así, las singularidades que se me presentan al momento de imaginar una onda. Hasta donde sé (si estoy equivocado por favor házmelo saber), una onda es algo continuo, no sé y desconozco si una onda puede tener regiones que varíen casi discretamente. Lo que caracteriza a la sombra, es su borde. Por ejemplo imagina que el cuerpo opaco C de la figura que puse arriba tiene una longitud infinita o es suficientemente grande como para no encontrar un borde. En este caso la explicación que mejor cuadra es que los frentes de onda se reflejan completamente y dichos frentes, aunque rebotados, siguen siendo continuos. Pero cuando el cuerpo opaco C es limitado y el frente de onda llega a la altura del cuerpo C, se "corta", es decir, aunque en este caso la explicación pudiera ser que es porque existe interferencia destructiva, eso implicaría que alguna o ambas ondas tienen propiedades (como la fase o amplitud) discretas y de allí que su suma (la medición experimental que realiza el observador A de la figura) tenga esa singularidad de que los frentes de onda estan cortados, entonces, ¿puede existir un frente de onda cortado?, sería más o menos la pregunta.

[Julián]

Re: ¿Qué es la sombra?

Cuando se dice que la luz, es decir, la radiación electromagnética es una onda en el sentido de la definición de onda como una o mas magnitudes que oscilan con respecto a otra magnitud, que generalmente es el tiempo pero no quiere decir que necesariamente sea este, otro parámetro podría ser el espacio.

Fijate aca la definición de onda http://es.wikipedia.org/wiki/Onda

Lo que pasa es que estás familiarizado con la idea que una onda es un fenómeno como las ondulaciones de un medio como el agua al tirar una piedra o una cuerda que ondulea. Pero en realidad al decir onda hace referencia a la descripción de ese fenómeno.
Por ejemplo, si yo me muevo de adelante para atras, de adelante para atras, de adelante par atras mi movimiento es una oscilación, es decir, modelizado a través de una onda y eso no significa q atrás mio me siguen montones de yo. No necesariamente es algo continuo

Así que onda es una descripción de la perturbación de un medio y dicho medio puede ser de muchas naturalezas. Una onda electromagnética es una perturbación de campos magnéticos y eléctricos.

Pero una onda matemáticamente hablando es una magnitud que está definida por diferentes parámetros como la frecuencia, periodo amplitud, fase y que presenta fenómenos de reflexión, difracción, interferencia, etc. Necesariamente para decir que es una onda tiene que estar definidas por los parámetros anteriores, porque eso es lo que significa una onda. ya que sea una onda electromagnética o del agua ya es otra cosa. Pero lo que sí los fenómenos de interferencia, reflexión, refracción se dan entre ondas de un mismo tipo.

Ah y además una onda tiene otra particularidad que las caracteriza y es que también en el modelo de onda hay otro parametro que es el desplazamiento. Si, además en puntos diferentes del espacio puede haber diferentes amplitudes o diferente frecuencia y en otros puntos del espacio no y dichas magnitudes pueden desplazarse, es decir, la perturbación puede ir desplazandose por lo que además de estar en función del tiempo también esta en función del espacio.
Como podes ver una onda es algo complejo, tomate un tiempo para asimilar estas cosas.

un ejemplo de una función de onda con respecto al tiempo:
$\psi (t) = A \sin (\omega t + \varphi )$

un ejemplo de una función de onda con respecto al tiempo y el espacio:
$\psi (t, r) = A \sin (\omega t + \varphi + kr )$

Cuando los electrones de una fuente luminosa vibran por ejemplo en saltos cuánticos generan fotones, que en sí son paquetes cuantiados de esa onda. Estos fotones son una vibración de los campos en función del tiempo y que se desplazan en el espacio. Asi que si se da que en una región del espacio se encuentren mas de un fotón se producirá el efecto de la interferencia, formando en esa region una onda más compleja con armónicos y demás que es la que nosotros percibimos como la radiación o luz en forma habitual, pero en realidad está formada por entes mas elementales de la misma naturaleza.

[arivasm]

Re: ¿Qué es la sombra?

Permitidme que aporte a este hilo lo siguiente: recordemos que cuando una onda choca contra un obstáculo se producen fenómenos de difracción e interferencia. Cuando decimos que la sombra que proyecta un objeto es nítida estamos diciendo algo que sólo es correcto a grosso modo. Así, por ejemplo, está claro que no estamos prestando atención a lo que sucede en las inmediaciones del obstáculo, a unas distancias comparables con la longitud de la onda de la luz. Y aquí comienza la primera dificultad: la luz es una mezcla de longitudes de onda, con lo que el resultado, incluso a esa escala, es una superposición que conducirá a una zona de tránsito entre la luz y la oscuridad. En segundo lugar, tenemos una segunda complicación: la falta de coherencia de la luz. Es decir, del mismo modo que el que haya "ruido temporal" debido a la presencia de varias frecuencias, también tendremos "ruido espacial" para cada frecuencia, porque las fases tampoco estarán acopladas.

Lógicamente, la mejor forma de ver cómo son esos detalles de la sombra pasa por usar luz monocromática y coherente espacialmente, al tiempo que emplear un objeto que no sea demasiado grande. Por otra parte, conviene proyectar la sombra relativamente lejos, lo que añade la necesidad de potencia en la fuente. No es algo imposible, en realidad no nos costará más que unos pocos euros: basta con un puntero láser y un pelo montado en algún soporte (yo recurro a marcos de diapositiva, pero seguro que con un par de pinzas, un pelo largo y algo de ingenio se puede hacer); por supuesto, el láser debe estar fijo (una goma de pollo alrededor del pulsador nos permite evitar el tener que usar las manos para mantenerlo en funcionamiento). ¿Qué vemos?, pues para nada lo que se espera cualquiera si le preguntas cómo será la sombra de un pelo. No es luz con una "sombra" que parece un "pelo gordo": será una verdadera figura de difracción, con su máximo de luz en el centro y bandas de luz y oscuridad alternando en una bonita franja perpendicular al pelo.

Este sitio nos cuenta cómo hacer ese experimento. Y aquí tenemos un ejemplo clásico: la sombra coherente de la hoja de afeitar:

[natanael]

Re: ¿Qué es la sombra?

Gracias! julian403, sinceramente no estaba muy claro en la descripción de una onda, y muchas gracias arivasm por las fotos, y la aclaración. Lo que si no entendí fué el concepto de coherencia y no encuentro algo conciso en la red sobre el tema, si entra en tus posibilidades pudiras decirme que entiendes por coherencia y también decoherencia, y bueno... cualquiera que sepa!

Saludos.

[arivasm]

Re: ¿Qué es la sombra?

Sí, el concepto resulta un tanto extraño al principio. En wikipedia tienen una entrada al respecto, desde ella puedes ir a la versión inglesa, que lo cuenta un poco mejor y de un modo más completo. En esencia se trata de que la fase de la onda siga un patrón regular, bien en el espacio (es decir, al "parar el tiempo") o bien en el tiempo (al fijarse en lo que ocurre en un punto). Lo contrario es que no haya manera de predecir qué sucede en un punto a partir de saber lo que ocurre en uno vecino (decoherencia espacial) o lo que va a suceder inmediatamente después de un instante dado (decoherencia temporal). De todos modos, mi consejo es que leas al respecto. Es un concepto muy usado en los textos sobre láser.