miércoles, 23 de febrero de 2011
jueves, 17 de febrero de 2011
Fenómenos Ópticos: El disco de Newton
El disco de Newton es un instrumento que inventó Newton para simular la mezcla de colores luz. La mezcla de colores luz es aditiva, esto quiere decir que al combinar todos los colores del espectro visible, da lugar al color blanco. Newton demostró que la luz solar es blanca y contiene todo el espectro electromagnético visible. Cuando hacía pasar un haz de luz blanco por un prisma especial para ello, observaba la dispersión de la luz en colores. EL efecto inverso lo reprodujo Newton girando el disco pintado por muchos colores. Posteriormente tal efecto se pudo producir con espejos se dirigían rayos de los diferentes colores para juntarlos en un mismo haz, resultando un haz de luz blanca.
martes, 15 de febrero de 2011
Las escalas de la existencia. Múltiples realidades de un mismo objeto.
De dos maneras se han descrito todos los fenómenos. Un fenómeno es un intercambio de información. Por definición, en un sistema aislado no puede haber intercambio de información con el exterior, por lo que no pueden ocurrir fenómenos que involucren la interacción entre objetos de dentro del sistema aislado y los de fuera. Esto es una trivialidad inherente a la definición de sistema aislado que reconoce a su vez el concepto de fenómeno como interacción donde se intercambia información.
Las dos formas de interacción se han descrito según dan lugar a cambios discretos (partículas, paquetes de energía) o a cambios continuos y periódicos (ondas). Los diversos campos de la física han procurado explicar diferentes fenómenos resultando teorías como la del estudio de la luz (óptica), estudio del movimiento y las fuerzas que lo originan (mecánica), estudio de intercambios de calor (termodinámica),de los campos eléctricos y magnéticos (electromagnetismo),etc...Aunque traten de fenómenos totalmente diferentes, todos ellos tienen algo en común, siempre se describen con tratamientos similares. Partículas u ondas pero con una salvedad, un mismo fenómeno no admite ambos tratamientos, por ello, se excluyen entre sí. "Comprender en ciencia es buscar y encontrar lo común entre lo diverso" (Jorte Wagensberg "Ideas sobre la complejidad del mundo". Y lo que encontramos común en todos los fenómenos en una similitud entre sus tratamientos.
EL ser humano entiende el mundo mediante el lenguaje. El lenguaje idealiza el objeto asociando una palabra a la idea, sobre la que reside los principios que la definen, esto es, lo inmutable, su esencia. En ciencia, el mismo objeto tiene distinta esencia, distintas realidades según si lo observamos a pequeña, mediana o gran escala. La pequeña escala seria como acercarnos mucho al objeto y ver que ocurre, la mediana es quedarnos a una distancia en la que el tamaño del objeto es comparable con la nuestra y la gran escala, sería como alejarnos tanto del objeto que lo observaríamos como un punto. Pues bien, las palabras que idealizan propiedades que describen la esencia de un objeto en una escala, no tienen sentido o se modifican para describir lo que ocurre en otra. Pongamos dos ejemplos:
LA ESCALA DEL TAMAÑO
- La temperatura:
Definición macroscópica: Es una palabra que describe la idea de que un objeto origina en su interacción con el observador un efecto medible, una forma de cambio de estado del detector, que se asocia con una particular sensación humana,la de caliente o frío. Es curioso que la temperatura es una palabra que surgió a partir de la medición de lo caliente o frío de un objeto, más allá de simple comparación. Parte de lo que es "medir", es asignar un valor numérico sobre una propiedad en una escala universal para poder comparar cuantitativamente las propiedades de un objeto, en este caso las térmicas, con las del resto de objetos del universo. La ciencia intenta encontrar la ley de cambio de esos números cuando interaccionan dos objetos, medir el cambio de las propiedades. Cuando medimos con un termómetro de mercurio la temperatura, el mercurio al estar en contacto con nosotros interacciona con nosotros, intercambiamos información con él.La información que se intercambia se denomina "calor". Este intercambio produce un efecto sobre las propiedades de volumen del mercurio que se dilata y asciende hasta un valor numérico. El valor numérico es parte de una escala definida tomando de referencia el cambio sobre un "objeto universal", fija las constantes que aparecen en las leyes de la termodinámica. El calor puede medir en caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua a 1 atmósfera de presión para elevar su temperatura 1 °C. Vemos el cambio , como cambio de la propiedad de temperatura del agua y la teoría de la física correspondiente, establecerá leyes que describen como cambian los valores de calor con los cambios de presión y temperatura.
Escala Microscópica: No tiene sentido la temperatura de una molécula, ya que la propiedad macroscópica de temperatura esta asociada con movimientos vibratorios, rotacionales y traslacionales de las moléculas que conforman la materia del objeto. Por tanto la temperatura es un efecto promedio de estos movimientos que individualmente, solo son descritos por propiedades a las que el lenguaje asocia palabras relacionadas con la esencia del movimiento.
En definitiva, la temperatura es un concepto asociado a la escala de tamaño en cuanto promedia los movimientos de los cuatrillones de moléculas que componen los objetos de tamaños comparables con el nuestro y que por tanto producen efectos medibles (que se pueden medir) en ella. No hay manera de evitarlo, el diccionario para los dos mundos no es el mismo.
LA ESCALA DE LAS VELOCIDADES
EL tiempo:
Definición a velocidades normales: Las velocidades normales son las velocidades que no son comparables con la velocidad de la luz. Lo que es reconocible a primera vista en nuestro mundo circula a velocidades lentas con respecto a la luz. El tiempo es un invento de la razón para establecer un orden en los sucesos. Podríamos decir que la existencia del tiempo tiene el mismo peso que la existencia de campo electromagnético. Son, porque son medibles. Para establecer un orden a la razón de cambio de los objetos, es útil y necesario tomar la referencia de un suceso que involucre efectos de duración constante, es decir, un reloj. El tiempo es sinónimo homogeneidad, en el sentido que suponemos un discurrir constante sobre el que cobran sentido los cambios de posición de los objetos y su velocidad de cambio. El tiempo-homogeneidad resulta de la idea querer establecer un orden de sucesos que surge al estar incluidos en el movimiento de movimientos globales del universo y querer comprenderlos. El reloj sería la regla que utilizamos para medir, que supone que la idea sobre la que esta construida es homogénea y se cierra el círculo para establecer que tiempo y homogeneidad es lo mismo. Es fácil comprender esta idea dando respuesta a la cuestión sobre la simultaneidad de los sucesos. Es decir la medición de la duración temporal de esos sucesos según diferentes observadores que se mueven a velocidades distintas. Si ambos miden lo mismo, podemos establecer la definición de tiempo absoluto e imaginarnos un discurrir homogéneo de él.
Definición a velocidades altas: Esto es velocidades cercanas a la luz. Un observador que se mueve a velocidades cercanas a la luz no mediría el mismo tiempo de un mismo suceso que un observador que se moviese a velocidades bajas. El carácter absoluto de tiempo se pierde y se transforma en relativo al observador. Es un resultado de la Teoría de la Relatividad Especial comprobada mediante experimentos. Por tanto la esencia absoluta del tiempo-homegenidad como cambia a relativa, y la palabra "tiempo" modifica su significado.
Como conclusión, reconocemos primero los sucesos que ocurren a nuestra escala. LA escala es un rango numérico en la que ciertos sucesos producen efectos medibles sobre ella y es óptima para cuantificar los cambios que producen. Los fenómenos determinan la escala y los que más fácilmente se miden son los que producen cambios lo suficientemente notables sobre otro objeto de la misma escala tomado de referencia. Los significados desaparecen o cambian en las diferentes escalas, por tanto, cambia la esencia de las cosas sobre las que apoyamos su definición. Temperatura y movimiento molecular son dos descripciones de un mismo objeto apoyándose en esencias distintas. Entonces, hemos construido diferentes realidades de un mismo objeto. Las teorías se encargan de establecer leyes en el marco de una escala. Imponen nuevas definiciones que descansan sobre los principios de la nueva teoría. Son una enciclopedia de los mundos.
Para poder entedender diferentes mundos viviendo en uno solo, la ciencia ha construido su propia "Piedra Rossetta" para poder detectar lo común entre lo diferente. Este intérprete son las matemáticas utilizadas que dan expresión lógica y relacionan las variables (principios a los que previamente se les asocia la idea de poder darles un valor numérico (medición))que definen las cosas. Vemos en fenómenos matemáticas comunes en diversas escalas, que ayudan a comprender y ha modificar el significado de las palabras que describen dichos fenómenos. Y vemos en la misma escala diversos fenómenos que son descritos por las mismas matemáticas. La Piedra Rossetta permite hacer correspondencia signos diferentes sobre una misma esencia para poder entender el lenguaje, en esa dirección, las matemáticas establecen la correspondencia entre nuestro conocimiento científico y el mundo.
Las dos formas de interacción se han descrito según dan lugar a cambios discretos (partículas, paquetes de energía) o a cambios continuos y periódicos (ondas). Los diversos campos de la física han procurado explicar diferentes fenómenos resultando teorías como la del estudio de la luz (óptica), estudio del movimiento y las fuerzas que lo originan (mecánica), estudio de intercambios de calor (termodinámica),de los campos eléctricos y magnéticos (electromagnetismo),etc...Aunque traten de fenómenos totalmente diferentes, todos ellos tienen algo en común, siempre se describen con tratamientos similares. Partículas u ondas pero con una salvedad, un mismo fenómeno no admite ambos tratamientos, por ello, se excluyen entre sí. "Comprender en ciencia es buscar y encontrar lo común entre lo diverso" (Jorte Wagensberg "Ideas sobre la complejidad del mundo". Y lo que encontramos común en todos los fenómenos en una similitud entre sus tratamientos.
EL ser humano entiende el mundo mediante el lenguaje. El lenguaje idealiza el objeto asociando una palabra a la idea, sobre la que reside los principios que la definen, esto es, lo inmutable, su esencia. En ciencia, el mismo objeto tiene distinta esencia, distintas realidades según si lo observamos a pequeña, mediana o gran escala. La pequeña escala seria como acercarnos mucho al objeto y ver que ocurre, la mediana es quedarnos a una distancia en la que el tamaño del objeto es comparable con la nuestra y la gran escala, sería como alejarnos tanto del objeto que lo observaríamos como un punto. Pues bien, las palabras que idealizan propiedades que describen la esencia de un objeto en una escala, no tienen sentido o se modifican para describir lo que ocurre en otra. Pongamos dos ejemplos:
LA ESCALA DEL TAMAÑO
- La temperatura:
Definición macroscópica: Es una palabra que describe la idea de que un objeto origina en su interacción con el observador un efecto medible, una forma de cambio de estado del detector, que se asocia con una particular sensación humana,la de caliente o frío. Es curioso que la temperatura es una palabra que surgió a partir de la medición de lo caliente o frío de un objeto, más allá de simple comparación. Parte de lo que es "medir", es asignar un valor numérico sobre una propiedad en una escala universal para poder comparar cuantitativamente las propiedades de un objeto, en este caso las térmicas, con las del resto de objetos del universo. La ciencia intenta encontrar la ley de cambio de esos números cuando interaccionan dos objetos, medir el cambio de las propiedades. Cuando medimos con un termómetro de mercurio la temperatura, el mercurio al estar en contacto con nosotros interacciona con nosotros, intercambiamos información con él.La información que se intercambia se denomina "calor". Este intercambio produce un efecto sobre las propiedades de volumen del mercurio que se dilata y asciende hasta un valor numérico. El valor numérico es parte de una escala definida tomando de referencia el cambio sobre un "objeto universal", fija las constantes que aparecen en las leyes de la termodinámica. El calor puede medir en caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua a 1 atmósfera de presión para elevar su temperatura 1 °C. Vemos el cambio , como cambio de la propiedad de temperatura del agua y la teoría de la física correspondiente, establecerá leyes que describen como cambian los valores de calor con los cambios de presión y temperatura.
Escala Microscópica: No tiene sentido la temperatura de una molécula, ya que la propiedad macroscópica de temperatura esta asociada con movimientos vibratorios, rotacionales y traslacionales de las moléculas que conforman la materia del objeto. Por tanto la temperatura es un efecto promedio de estos movimientos que individualmente, solo son descritos por propiedades a las que el lenguaje asocia palabras relacionadas con la esencia del movimiento.
En definitiva, la temperatura es un concepto asociado a la escala de tamaño en cuanto promedia los movimientos de los cuatrillones de moléculas que componen los objetos de tamaños comparables con el nuestro y que por tanto producen efectos medibles (que se pueden medir) en ella. No hay manera de evitarlo, el diccionario para los dos mundos no es el mismo.
LA ESCALA DE LAS VELOCIDADES
EL tiempo:
Definición a velocidades normales: Las velocidades normales son las velocidades que no son comparables con la velocidad de la luz. Lo que es reconocible a primera vista en nuestro mundo circula a velocidades lentas con respecto a la luz. El tiempo es un invento de la razón para establecer un orden en los sucesos. Podríamos decir que la existencia del tiempo tiene el mismo peso que la existencia de campo electromagnético. Son, porque son medibles. Para establecer un orden a la razón de cambio de los objetos, es útil y necesario tomar la referencia de un suceso que involucre efectos de duración constante, es decir, un reloj. El tiempo es sinónimo homogeneidad, en el sentido que suponemos un discurrir constante sobre el que cobran sentido los cambios de posición de los objetos y su velocidad de cambio. El tiempo-homogeneidad resulta de la idea querer establecer un orden de sucesos que surge al estar incluidos en el movimiento de movimientos globales del universo y querer comprenderlos. El reloj sería la regla que utilizamos para medir, que supone que la idea sobre la que esta construida es homogénea y se cierra el círculo para establecer que tiempo y homogeneidad es lo mismo. Es fácil comprender esta idea dando respuesta a la cuestión sobre la simultaneidad de los sucesos. Es decir la medición de la duración temporal de esos sucesos según diferentes observadores que se mueven a velocidades distintas. Si ambos miden lo mismo, podemos establecer la definición de tiempo absoluto e imaginarnos un discurrir homogéneo de él.
Definición a velocidades altas: Esto es velocidades cercanas a la luz. Un observador que se mueve a velocidades cercanas a la luz no mediría el mismo tiempo de un mismo suceso que un observador que se moviese a velocidades bajas. El carácter absoluto de tiempo se pierde y se transforma en relativo al observador. Es un resultado de la Teoría de la Relatividad Especial comprobada mediante experimentos. Por tanto la esencia absoluta del tiempo-homegenidad como cambia a relativa, y la palabra "tiempo" modifica su significado.
Como conclusión, reconocemos primero los sucesos que ocurren a nuestra escala. LA escala es un rango numérico en la que ciertos sucesos producen efectos medibles sobre ella y es óptima para cuantificar los cambios que producen. Los fenómenos determinan la escala y los que más fácilmente se miden son los que producen cambios lo suficientemente notables sobre otro objeto de la misma escala tomado de referencia. Los significados desaparecen o cambian en las diferentes escalas, por tanto, cambia la esencia de las cosas sobre las que apoyamos su definición. Temperatura y movimiento molecular son dos descripciones de un mismo objeto apoyándose en esencias distintas. Entonces, hemos construido diferentes realidades de un mismo objeto. Las teorías se encargan de establecer leyes en el marco de una escala. Imponen nuevas definiciones que descansan sobre los principios de la nueva teoría. Son una enciclopedia de los mundos.
Para poder entedender diferentes mundos viviendo en uno solo, la ciencia ha construido su propia "Piedra Rossetta" para poder detectar lo común entre lo diferente. Este intérprete son las matemáticas utilizadas que dan expresión lógica y relacionan las variables (principios a los que previamente se les asocia la idea de poder darles un valor numérico (medición))que definen las cosas. Vemos en fenómenos matemáticas comunes en diversas escalas, que ayudan a comprender y ha modificar el significado de las palabras que describen dichos fenómenos. Y vemos en la misma escala diversos fenómenos que son descritos por las mismas matemáticas. La Piedra Rossetta permite hacer correspondencia signos diferentes sobre una misma esencia para poder entender el lenguaje, en esa dirección, las matemáticas establecen la correspondencia entre nuestro conocimiento científico y el mundo.
lunes, 14 de febrero de 2011
Fenómenos Ópticos: Imágenes en movimiento
El praxinoscopio es un instrumente o juguete clásico de la segunda mitad del siglo XIX. Se le considera uno de los antecesores del cine junto con otros juguetes de la época como el zoótropo, mutoscopio, fenaquistiscopio, etc. Por ser parte de los antecesores del cine son denominados juguetes "pre-cinema". El cine es la comunión de dos fenómenos, el primero, la proyección de luz a través de una imagen traslúcida o transparente (linterna mágica), el segundo, pasar imágenes en movimiento (praxinoscopio).
El tambor giratorio del praxinoscopio contiene una tira en su contorno interior, la cual, tiene un dibujo secuenciado. Al girar el tambor, se puede observar la animación en el espejo central. El praxinoscopio, por tanto, se convierte en un "animador" de dibujos.
A continuación se observa tal efecto en un vídeo que grabé hace unos días, espero que os guste:
El tambor giratorio del praxinoscopio contiene una tira en su contorno interior, la cual, tiene un dibujo secuenciado. Al girar el tambor, se puede observar la animación en el espejo central. El praxinoscopio, por tanto, se convierte en un "animador" de dibujos.
A continuación se observa tal efecto en un vídeo que grabé hace unos días, espero que os guste:
martes, 8 de febrero de 2011
Fenómenos Ópticos: La luz no brilla, brillan las imágenes.
La óptica es la parte de la física que trata sobre los fenómenos relacionados con la luz. Una parte de ella "la óptica geométrica", trata sobre los fenómenos cotidianos de la luz. Por ejemplo como atraviesa distintos medios transparentes, como se refleja y como las lentes forman imágenes. La Óptica Geométrica es una aproximación de la "Óptica Ondulatoria". Esta última es la que trata la luz como una oscilación de campo eléctrico y magnético que oscilan en planos perpendiculares y ambos transversales a la dirección de propagación:
La Óptica Geométrica aproxima estas ondas a rayos que se desplazan en línea recta. Esta aproximación es plausible si suponemos que:
- la longitud de onda de la luz visible es mayor que la distancia media entre átomos. Esta aproximación permite utilizar parámetros promedio que simplifican el análisis ondulatorio, se define el índice de refracción un indicador macroscópico, donde reside la información promediada de las particularidades microscópicas del material que atraviesa la luz.
- las distancias típicas en los que los campos varían son mucho mayores comparados con la longitud de onda de la luz visible. Esto físicamente pretende decir que los campos no varían su amplitud ni fase en pocos picos de onda. Hay que recorrer "bastantes" picos de onda para notar cambios en los campos.
Además, la luz emitida por una fuente puntual crea frentes de onda esféricos, pero si nos separamos lo suficiente, estos frentes de onda se aproximan a un plano. Por tanto la se trabaja con frente de ondas planos lo que simplifica su estudio.
Si comparamos la longitud de onda media de la luz visible, la distancia interatómica promedio y la distancia típica en la que los campos de la luz varían, podemos observar que son consideraciones asumibles para experiencias cotidianas que involucren experimentos donde se propaga la luz una distancia "normalmente grande", es decir, no demasiado pequeña con respecto nuestro tamaño.
- distancia típica de variación de los campos de la luz: 0.5 mm
- longitud de onda promedio del espectro visible : 0.5 micrómetro (µm): 10-6 metros
- distancia promedio interatómica: 0.5 nanómetro (nm): 10-9 metros
Finalmente la Óptica geométrica aproxima que la luz se propaga como rayos en línea recta en un medio homogéneo. Esto es un resultado exacto válido tras aproximar las ecuaciones de Maxwell de las ondas electromagnéticas con las consideraciones anteriores.
Veamos que predice la Óptica Geométrica sobre el comportamiento de la luz al atravesar una lente convergente:
Echemos un vistazo ahora a las fotos que hice de un experimento que se puede considerar como cotidiano:
La Óptica geométrica es una buena manera de describir los fenómenos de propagación de luz en situaciones cotidianas, primero porque es un instrumento potente que predice buenos resultados y segundo, porque describe de manera simple la formación de imágenes. Sin embargo, las trayectorias de luz no brillan. Cuando vemos la luz entrar por la ventana como un haz, tan solo es el reflejo disperso de las partículas de polvo suspendidas en el aire. Desconocemos por tanto la naturaleza sobre la que se sustenta la luz, naturaleza de la que Óptica Geométrica no pretende decir nada. Sólo podemos observar sus efectos sobre los objetos que dan lugar a imágenes brillantes tras reflejarse la luz en ellos y llegar a nuestros ojos. No creo que sea necesario pedirle más a este punto de partida de la óptica moderna.
La Óptica Geométrica aproxima estas ondas a rayos que se desplazan en línea recta. Esta aproximación es plausible si suponemos que:
- la longitud de onda de la luz visible es mayor que la distancia media entre átomos. Esta aproximación permite utilizar parámetros promedio que simplifican el análisis ondulatorio, se define el índice de refracción un indicador macroscópico, donde reside la información promediada de las particularidades microscópicas del material que atraviesa la luz.
- las distancias típicas en los que los campos varían son mucho mayores comparados con la longitud de onda de la luz visible. Esto físicamente pretende decir que los campos no varían su amplitud ni fase en pocos picos de onda. Hay que recorrer "bastantes" picos de onda para notar cambios en los campos.
Además, la luz emitida por una fuente puntual crea frentes de onda esféricos, pero si nos separamos lo suficiente, estos frentes de onda se aproximan a un plano. Por tanto la se trabaja con frente de ondas planos lo que simplifica su estudio.
Si comparamos la longitud de onda media de la luz visible, la distancia interatómica promedio y la distancia típica en la que los campos de la luz varían, podemos observar que son consideraciones asumibles para experiencias cotidianas que involucren experimentos donde se propaga la luz una distancia "normalmente grande", es decir, no demasiado pequeña con respecto nuestro tamaño.
- distancia típica de variación de los campos de la luz: 0.5 mm
- longitud de onda promedio del espectro visible : 0.5 micrómetro (µm): 10-6 metros
- distancia promedio interatómica: 0.5 nanómetro (nm): 10-9 metros
Finalmente la Óptica geométrica aproxima que la luz se propaga como rayos en línea recta en un medio homogéneo. Esto es un resultado exacto válido tras aproximar las ecuaciones de Maxwell de las ondas electromagnéticas con las consideraciones anteriores.
Veamos que predice la Óptica Geométrica sobre el comportamiento de la luz al atravesar una lente convergente:
Echemos un vistazo ahora a las fotos que hice de un experimento que se puede considerar como cotidiano:
La Óptica geométrica es una buena manera de describir los fenómenos de propagación de luz en situaciones cotidianas, primero porque es un instrumento potente que predice buenos resultados y segundo, porque describe de manera simple la formación de imágenes. Sin embargo, las trayectorias de luz no brillan. Cuando vemos la luz entrar por la ventana como un haz, tan solo es el reflejo disperso de las partículas de polvo suspendidas en el aire. Desconocemos por tanto la naturaleza sobre la que se sustenta la luz, naturaleza de la que Óptica Geométrica no pretende decir nada. Sólo podemos observar sus efectos sobre los objetos que dan lugar a imágenes brillantes tras reflejarse la luz en ellos y llegar a nuestros ojos. No creo que sea necesario pedirle más a este punto de partida de la óptica moderna.
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