Autor : Carlos Bechara.

Sobre la propagación de la luz.

En las clases anteriores hemos descripto los conceptos básicos de la luz en función de forma de energía, reflexión, refracción y dispersión; también se definió su espectro y su descomposición, ancho de banda visible etc. Luego se tomó en cuenta las cualidades cuantitativas o sea, formas de medición, definiendo la Candela, el Lux , el Lúmen, el esteroradián y leyes fundamentales de la fotometría .

En esta clase vamos a ver los principios básicos de la propagación de la luz en el espacio, sobre todo para intentar aclarar un punto muy importante y en el cual la mayoría de nosotros ha tenido siempre dificultades, "los códigos que se utilizan para ejemplificar la propagación de la luz". El problema en sí es muy simple: todos recurrimos a textos y material de consulta de diversos orígenes, y todos expresan los mismos conceptos (contenidos), pero desde diferentes formas (códigos , idiomas) y esa es la raíz del problema. A eso se le suma una serie de afirmaciones que con la fuerza del lugar común se toman como verdades absolutas, como por ejemplo la famosa frase "la luz se propaga en línea recta", (si, fenómeno... mientras no ‘doble’; no se produzca interferencias, no se polarice, etc...)

Hay que tener muy en cuenta que cuando se habla de luz estamos hablando de una forma de energía de la cual realmente se sabe muy poco, y sobre la cual se ha hablado mucho y desde los más diversos puntos de vista, aún desde la ciencia, la historia de la investigación "racionalista" (suponiendo solo de Newton para acá es una sucesiva pelea de afirmaciones absolutas, derogadas por otras afirmaciones mas absolutas todavía), todas hechas por tipos muy serios y capaces pero que en realidad iban encontrando nuevos datos, nuevas variables, nuevos avances tecnológicos que dejaban pagando a la teoría mas firme con una simple prueba de laboratorio; además pensemos un segundo en el hecho histórico: Newton elabora su teoría en el siglo 17, Einstein propone la Teoría General de la Relatividad a principios del siglo 20 (ojo! no es para desmerecer a nadie, sólo que hay que tomar con pinzas las afirmaciones absolutas).

Es importante tener en claro que la iluminación en el espectáculo es un hecho estético, por lo tanto depende de lo ‘estrictamente científico’ en forma muy relativa, por ejemplo tomemos un concepto como el de "temperatura de color", (desde el punto de vista de un "teatrero" es importante). Todos sabemos que una lámpara que emita mayor temperatura de color es más eficiente, tiene una respuesta cromática mas elevada, se puede incluso trabajar toda la puesta de una obra en base a luz blanca corregida mediante los filtros de corrección para bajar o subir la temperatura de color como si fuera un elemento cromático concreto (o sea, usar esos correctores como si fueran filtros de color convencional pero de baja saturación). Pero sabemos que no es vital, ya que en la función esas luminarias se dimerizan, pasan por todo el espectro de emisión... (cuántas veces logramos una base cálida sobre un ambiente azul sólo con una serie de calles "coloreadas" en LEE 205 a un 25% de Dimmer y logramos la "sensación visual" de un sepia anaranjado y esta todo bien!); pero cuando el trabajo de iluminación está generado para ser ‘registrado’ a través de cualquier sistema óptico no humano (entiéndase Cine, Video, Fotografía), también es un hecho estético la noción de Temperatura de Color que se vuelve absolutamente imprescindible.

Muchos hemos tenido la triste experiencia de que nos filmen una puesta teatral en video y cuando vemos el resultado nos queremos matar (o mejor matar al que lo filmó). Simplemente no se puede trabajar igual para una cámara que para el espectador en vivo, la decisión es muy simple: o no se filma en vivo en el teatro o se modifica la puesta en función de las cámaras y nos olvidamos del publico de esa función.

Volvamos al tema central de esta clase: La propagación de la luz y de cómo deberíamos entenderla. Para eso vamos a recurrir a una teoría tan absoluta como las ya enunciadas, pero sabiendo que a la larga se vuelve relativa y esto se hace porque es la más sencilla y la más práctica para después entender cómo funcionan todas las lámparas y todos los elementos ópticos (espejos, lentes, etc.) que se pueden utilizar en iluminación.

Les quiero presentar a Christian Huyghens. (un tipo que quiso impugnar -sin éxito- la teoría corpuscular de Newton, pero, de paso propuso un método geométrico muy útil para determinar las sucesivas formas de un frente de onda, conociendo la que tenía en un instante anterior, que luego se llamó Principio de Huyghens).

Para entender esto vamos a explicar primero que es un "frente de onda", que aunque es de onda no esta de moda ya que esta gente estaba de moda en el 1600 y pico.

Como en el caso de los sonidos, ciertos fenómenos luminosos pueden interpretarse por las características ondulatorias de la energía emitida. La reflexión y la refracción cobran un significado más profundo al interpretarlas según los principios de la óptica física, valiéndose de ondas. Los fenómenos de interferencia, doble refracción y polarización deben estudiarse  bajo este punto de vista para su adecuada comprensión.

La energía luminosa irradiada por un manantial luminoso próximo puede representarse mediante una serie de capas esféricas concéntricas o ‘frentes de onda’ que se van expandiendo, pudiendo considerarse planos estos frentes si la distancia al foco luminoso es suficientemente grande .(Fig. 1)

Lo importante es tener en cuenta que tanto este gráfico como cualquier representación no deja de ser una abstracción bidimensional de un efecto que es en la realidad TRIDIMENSIONAL , y eso es lo que conceptualmente no debemos dejar de aprehender.

Imaginemos por un momento una fuente luminosa como el sol , éste irradia concéntricamente en todos los sentidos del espacio, pero en el gráfico, recurrimos a una abstracción bidimensional (un corte plano) .

Ahora veamos otro tipo de abstracción un poco más compleja. En la Fig.2 se considera esa fuente de luz como un punto geométrico en el espacio, supongamos un sol microscópico y en una representación semi-tridimensional, una porción de la emisión, sin perder la conciencia de que en realidad estos frentes de onda abarcarían todo el espacio alrededor de la fuente luminosa (el sol microscópico).

Esto que parece algo ‘obvio’ es el orígen de todos los malentendidos en función de la representación gráfica de la propagación de la luz. Los dos tipos de Frentes de ondas re presentados en la Fig. 2, unen puntos de la superficie afectada que corresponden a  desplazamientos máximos y mínimos (crestas y nodos) y por lo tanto distan entre sí 1/4 (un cuarto) de longitud de onda.

De una manera general, los frentes de onda pueden dibujarse uniendo todos los puntos que en un momento determinado se encuentran en la misma "posición y fase" de desplazamiento. Como la forma de representación que estamos utilizando es de carácter electromagnético, hacemos figurar tanto para el frente de onda esférico como para el plano, los vectores correspondientes a la intensidad eléctrica E y a la intensidad magnética H . Estos vectores son siempre perpendiculares entre sí, pero varían su sentido cuando a las crestas suceden los nodos. Atención: que las perpendiculares a los frentes de onda son los famosísimos "rayos", que representan simplemente el sentido de propagación de la onda, o sea, una abstracción de otra abstracción (...y con eso había que entender la óptica !).

Principio de Huyghens

Su principio afirma que "cualquier punto de un frente de onda que atraviesa un determinado medio puede considerarse como fuente de una ondulación secundaria que procede de dicho punto y se propaga con la velocidad del frente de onda primitiva". Puede determinarse el nuevo frente de onda trazando una superficie tangente a la ondulación secundaria, o sea envolvente a la misma (no olvidemos la tridimensión) cada uno de los puntos del nuevo frente de onda da a lugar a nuevas ondulaciones que determinan así la posición de otro frente de onda.

En la figura Nº3 se ve la aplicación de dicho principio a la construcción de una serie de frentes de onda planos: B B’, C C’, D D’, derivados del primitivo A A’, que se propaga en el sentido indicado.

La separación entre los frentes, o radio de cada ondulación secundaria, es igual a ‘c’ x ‘delta t’, siendo ‘c’=la velocidad de la luz en el espacio libre y ‘delta t’= el intervalo de tiempo necesario para que cada frente alcance su nueva posición.

Es evidente que al encontrar un medio diferente de propagación, la separación de los frentes será ‘v’ x ‘delta t’ , siendo ‘v’= la velocidad de la luz en el nuevo medio (por ejemplo: se toma como 1 el medio ‘aire’ y como 1,5 el medio ‘cristal crown glass’ que se utiliza para la fabricación de lentes en iluminación).

Es preciso tener en cuenta que en el caso de un frente de onda curvo (por ejemplo la emisión de una lámpara), las ondulaciones de Huyghens deben representarse mediante circunferencias y los planos envolventes (tridimensionales) quedan reducidos a líneas bidimensionales (Fig.4) .

Con estas consideraciones cerramos la clase 3 y la continuaremos en la próxima, viendo cómo con este método se puede entender con mayor eficiencia los problemas de la reflexión y la refracción en un medio tridimensional, tal como funcionan en la realidad las lámparas como emisores de luz (los espejos curvos y las lentes que conforman la mayoría de los artefactos de iluminación que todos conocemos), pero desde el punto de vista de la óptica geométrica propuesta por Huyghens y algunos otros viejos conocidos, como Fresnel, Ramsden y alguno más. 

Hasta la próxima !