Reflexión y refracción de ondas. Curiosidades

Las ondas, al propagarse por un medio, lo hacen con una cierta velocidad característica que se denomina velocidad de propagación, y que no cambia mientras la onda se mueva en el mismo medio, ya sea aire, agua, etc. En su camino las ondas puede atravesar distintos medios, por ejemplo, puede pasar del aire al agua, o del aire al vidrio, o viceversa.

¿Qué sucede cuando la onda entra a un medio distinto de áquel donde se propagaba?

Al alcanzar este nuevo medio, hay dos tipos de fenómenos que se pueden producir, ya que la onda es en parte reflejada, y en parte transmitida. Estos fenómenos son la reflexión y la refracción. La energía que trae la onda incidente se reparte entre la energía de la onda reflejada y la porción que lleva la onda transmitida. La onda transmitida se denomina refractada, y se mueve con una velocidad diferente a la anterior. Este cambio de velocidad hace, que cuando la dirección del frente de ondas incidente no es paralelo a la superficie (imaginaria) de separación entre los dos medios, la onda refractada se desvíe de su dirección original.

Tanto en la reflexión como en la refracción, las ondas incidente, reflejada y refractada satisfacen ciertas condiciones conocidas como leyes de Snell.

Por ejemplo, en el caso de ondas luminosas (ondas electromagnéticas), se suele representar la dirección de propagación de una onda por medio de rayos, como en las figuras. Si el rayo incidente forma cierto ángulo con una dirección perpendicular a la superficie de separación entre dos medios, en este caso aire y agua (indicada por la linea de trazos en la figura), el rayo incidente y el rayo reflejado forman el mismo ángulo con la linea de trazos (ambos están en el aire y la velocidad de propagación es la misma). En cambio, el rayo refractado (en el agua) se desvía con respecto a la dirección original, formando un ángulo diferente con la linea de trazos, ya que la velocidad de propagación cambia. Este cambio de dirección se relaciona con el denominado índice de refracción, que depende de cada sustancia. Esta cantidad surge de una relación entre la velocidad de propagación de la onda en el vacío y en el medio. Cuanto mayor es el indice de refracción, el rayo refractado se acerca más a la linea de trazos. Esta desviación no ocurre si el rayo incide scon la misma dirección que la linea de trazos (perpendicular a la superficie de separación entre los medios) y en este caso, la dirección es la misma para los tres rayos, el incidente, el reflejado ( que cambia el sentido) y el refractado.

Si seguimos el camino de los rayos en sentido inverso, es decir, desde el agua hacia el aire, (figura 2) vemos que los rayos refractados se apartan de la linea normal a la superficie de separación entre el agua y el aire. Esto sucede debido a que el indice de refracción del aire es menor que el del agua (la velocidad de propagación en el aire es mayor que en el agua). Debido a esto ocurre un curioso fenómeno, denominado reflexión total interna (ver figura 2). Si seguimos el camino de los rayos, que emergen de un objeto situado en el fondo de la pecera, para ángulos cada vez mayores, vemos que existe un ángulo a partir del cual el rayo no escapa del agua y se refleja completamente. Este ángulo se denomina ángulo límite, ya que para ángulos mayores el objeto no se ve, ya que ningún rayo escapa desde el objeto hacia el aire.

Otro curioso fenómeno se denomina elevación aparente. En la figura 3 se ve un pequeño disco sumergido en el agua. Cuando un observador mira el objeto, como indica la figura, no ve al objeto en su posición real, sino más arriba (en la figura se indica por medio del disco amarillo), ya que la imagen que "ve" procede de la prolongación hacia atrás de los rayos refractados que alcanzan su vista.