La ley de la reflexión (física): ¿qué es y cómo funciona?

Ver su reflejo en el espejo es algo tan común que podría darlo por sentado, pero hay muchas cosas que considerar acechando bajo la superficie.

La superficie plana del espejo de tu baño puede dar un reflejo perfecto, pero ¿cómo los espejos curvos de la casa de la diversión producen distorsiones tan extrañas que te hacen parecer ultra alto o bajo y rechoncho? ¿Cómo puede cada rayo de luz rebotar en la superficie de una manera tan perfecta como para crear una imagen clara? ¿Por qué no puede ver un reflejo claro de una superficie rugosa?

Estas preguntas pueden ser el tipo de cosas que imagina que podría hacer un niño demasiado celoso, pero la física de la reflexión, y en particular la ley de la reflexión, explica muchos fenómenos y es un trampolín importante para comprender conceptos más complejos como la refracción y el método de Snell. ley.

Cuando una onda de luz golpea una superficie, todo o parte de ella girará bruscamente y volverá a reflejarse en la superficie. Para una superficie lisa como un espejo plano, casi toda la luz que incide se refleja y la imagen resultante es un reflejo limpio y "especular". Esta es la forma de reflexión con la que estará más familiarizado y, sin duda, lo que pensará cuando se imagine un reflejo.

Sin embargo, la reflexión especular no es el único tipo: también hay reflejos difusos de luz. Cuando los rayos de luz paralelos terminan golpeando una superficie rugosa, los rayos de luz individuales inciden ligeramente diferentes puntos y se reflejan en diferentes direcciones como resultado de la irregularidad del áspero superficie. Esto se denomina reflexión difusa porque, aunque toda la luz todavía se refleja, las ondas de luz se dispersan por todas partes y no forman una imagen única y nítida.

En algunos casos, por ejemplo, en la superficie de una ventana, notará un reflejo finito que está mucho menos definido de lo que vería en un espejo. Esto se debe a que en dicha interfaz, hay algo de reflexión tradicional, pero también una posibilidad sustancial de que la luz se transmita a través de la ventana.

NecesitasLa ley de Snellpara describir completamente lo que sucede con la luz transmitida a través de la ventana (que serefractado), pero la ley de la reflexión todavía explica lo que le sucede a la luz reflejada incluso en esta situación más complicada.

Antes de pasar a discutir la ley de la reflexión, es una buena idea aprender la terminología utilizada para describir situaciones como esta.

Primero, la luz en el camino hacia el espejo o la superficie se conoce comorayo de luz incidenteo simplemente la luz incidente, y esa luz después del reflejo se llamarayo de luz reflejada​.

LaÁngulo de incidenciadel rayo de luz incidente es el ángulo que forma con la "línea normal" de la superficie en el punto de incidencia. "Normal" en este contexto significa la línea que se extiende perpendicularmente desde la superficie en ese punto, por lo que un rayo de luz incide sobre un espejo frontal tendrá un ángulo de incidencia de 0 grados, mientras que un rayo incidente perfectamente diagonal tendrá un ángulo de 45 grados de incidencia.

Laángulo de reflexiónes muy similar al ángulo de incidencia, pero como es de esperar, describe el ángulo que forma el rayo de luz reflejada con la línea normal a la superficie en el punto de incidencia. Esta es solo la contraparte del ángulo de incidencia definido anteriormente.

También vale la pena señalar que un rayo de luz es una forma ligeramente idealizada de describir la luz; básicamente, solo piensa en en términos de rayos perfectamente rectos, mientras que en realidad es una onda transversal y mucho más complicado de describir. Sin embargo, para comprender la reflexión, no necesita este nivel de detalle; ¡siempre es bueno simplificar las cosas cuando se puede en física!

La ley de la reflexión establece que para un rayo de luz incidente, el ángulo de incidencia será igual al ángulo de reflexión. En términos simples, si un rayo de luz se acerca a la superficie reflectante exactamente perpendicular a la superficie, se reflejará directamente hacia atrás. a lo largo de la misma línea, pero si no es del todo perpendicular, se reflejará hacia el otro lado de la línea perpendicular por un igual Monto.

Llamar al ángulo de reflexiónθ​_r y el ángulo de incidenciaθ​_I, la fórmula de la ley de la reflexión es simplemente:

Entonces, si enfoca un puntero láser en el espejo de su baño en un ángulo de 45 grados con respecto a la línea normal (exactamente a mitad de camino entre alineado con la cara del espejo y perpendicular a él), entonces se reflejará a 45 grados en el lado opuesto dirección.

Piense en un jugador de billar que hace rebotar una pelota en una sección plana del cojín, o en un jugador de tenis que juzga el ángulo en el que la pelota rebotará después de golpear el suelo. Ambas situaciones no sonperfectamenteigual en términos de ángulo de incidencia y ángulo de rebote (porque se pierde algo de energía en ambos casos), pero en esencia, la luz se comporta de la misma manera.

El ejemplo más simple de la ley de la reflexión es cuando miras en un espejo plano. Imagínese que está mirando hacia abajo en un espejo de cuerpo entero a sus pies y piense hacia dónde viajan realmente los rayos de luz.

Los rayos de luz provienen de sus pies hacia el espejo, en un cierto ángulo de incidencia. La ley de la reflexión nos dice que el ángulo en el que se refleja debe coincidir con el ángulo en el que incidió, por lo que debe golpear el espejo a mitad de camino entre tus pies y la altura de tus ojos, y puedes calcular esto exactamente con un poco de trigonometría.

Es posible que haya notado algunos problemas con los reflejos cuando intenta ver la televisión, y este es otro ejemplo de la ley de la reflexión en la vida cotidiana. El problema es que el televisor es una superficie lisa y actúa efectivamente como un espejo plano para el sol o la luz de una lámpara que arruina su imagen.

Aunque hay muchos intentos tecnológicos para solucionar este problema, puede aprovechar la ley de la reflexión y simplemente girar el televisor para cambiar el ángulo entre la línea normal a la pantalla y la luz incidente, moviendo así el reflejo fuera de su línea de ojos.

Los espejos de la casa de la diversión son un poco más complicados, pero puedes entender lo que está pasando si piensas en elformade la superficie del espejo. Piense en cómo se aplicaría la ley de la reflexión a un espejo que estuviera ligeramente curvado, de modo que la parte superior e inferior sobresalieran y el centro estuviera comparativamente más atrás. ¿Cómo cambiaría tu imagen?

Hay muchos problemas de ejemplo que puede probar con una comprensión básica de lo que significa la ley, pero uno es especialmente interesante y debería ayudarlo a familiarizarse con los conceptos clave.

Imagine dos espejos en un ángulo de 90 grados entre sí y que se encuentran en un borde, como si estuvieran formando una forma de medio cuadrado. Si proyecta un rayo de luz en estos dos espejos, se reflejará en el primero, luego en el segundo y luego se reflejará en los espejos. Sin embargo, el ángulo en el que finalmente se refleja es paralelo al ángulo de incidencia.

¿Puedes probar esto? Imagine que la luz incide a 30 ° en el primer espejo y luego recorra la trayectoria del rayo paso a paso y vea lo que obtiene. Si es así, ¿qué pasa si no era específicamente de 30 ° y simplemente dijiste que fue un incidente en un ángulo?φen cambio, ¿puedes probar lo mismo en general?