Movimiento circular en la reflexión de un láser

INTRODUCCIÓN
Querido lector, en este trabajo estudiaremos el Movimiento Circular que produce un láser al ser reflejado
por varios espejos; ya que al reflejarse contra cada espejo crea un movimiento circular. El láser, al igual que
la luz y todas las demás radiaciones electromagnéticas, crean movimientos circulares al ser reflejado por
medio de un espejo. Para comprobar esta hipótesis nos basaremos en la Segunda Ley de Newton aplicado al
movimiento circular y el estudio. Este movimiento circular de polarización forma parte de los fenómenos y
cuerpos del mundo natural, que suelen moverse a lo largo de trayectorias curvas. Algunos ejemplos de
movimiento circular son: los proyectiles de artillería se mueven en una trayectoria parabólica bajo la
influencia del campo gravitacional terrestre. Los planetas giran alrededor del Sol en órbitas circulares. A
nivel atómico, los electrones circulan alrededor de los núcleos de un átomo. El movimiento circular de la luz
es producido por los polarizadores. De hecho, es difícil imaginar un fenómeno físico que no incluya cuando
menos dos dimensiones.
La Segunda Ley de Newton del movimiento de rotación nos indica que en un momento de torsión resultante
aplicado a un cuerpo rígido siempre causará una aceleración angular que es directamente proporcional al
momento de torsión aplicado e inversamente proporcional al momento de inercia del cuerpo. Ésta segunda
ley establece que una fuerza resultante produce una aceleración en la dirección de la fuerza aplicada. En el
movimiento circular uniforme, la aceleración cambia la velocidad de la partícula en movimiento al cambiar
su dirección. La velocidad de un cuerpo es una cantidad vectorial formada por magnitud y dirección.
Siempre que la dirección de esta fuerza sea diferente de la dirección del movimiento original, se producirá un
cambio de trayectoria seguida por el cuerpo.
La clase más simple de movimiento de dos dimensiones se produce cuando una fuerza externa constante
actúa siempre en ángulo recto con la trayectoria de una partícula de movimiento. En este caso, la fuerza
resultante producirá una aceleración que afectará únicamente la dirección del movimiento, dejando
inalterada rapidez constante de la partícula.
ISAAC NEWTON
En la navidad de 1642, Isaac Newton nació en Woolstrope en Lincolnshire, Inglaterra. Su padre había
fallecido tres meses antes. Cuando Newton tenía catorce años de edad, su madre quedó viuda por segunda
vez y su hijo tuvo que abandonar la escuela para ayudarle a administrar la granja de la familia. No mostró
mucho interés por las labores del campo, ya que dedicaba más tiempo a sus actividades matemáticas que a
aquellas.
A los dieciocho años de edad ingresó en el Trinity College en Cambridge y obtuvo su licenciatura cuatro
años después en 1665. Más tarde en ese mismo años, la propagación de la Gran Peste hizo que se clausurara
la Universidad. Newton regresó a su casa, y durante las siguientes dieciocho meses concibió la mayor parte
de las ideas de sus famosos descubrimientos en ciencia y en matemáticas. Entre ellos destacan la invención
de las matemáticas del cálculo y estudios sobre la luz, el color, el movimiento y la gravitación. Newton dice
en este periodo de su vida: Estaba en la mejor etapa de mi vida para la invención, y como nunca antes pude
dedicar toda mi atención a las matemáticas y a la filosofía...
Termina las Peste y Galileo regresó a Cambridge. A los veintiséis años de edad, fue nombrado profesor de
matemáticas. Las primeras obras que publicó se referían a la óptica. Ideó un nuevo tipo de telescopio, un
telescopio de reflexión, que usaba un espejo en vez de una lente para concentrar al luz. Su libro más notable,
Principios Matemáticos de la Filosofía Universal publicado en 1687, formuló sus teorías acerca de la
gravedad, las olas y el movimiento.
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Newton nunca se casó, vivió toda su vida con gran austeridad y se dice que fue el clásico profesor distraído:
se dedicaba tanto en su trabajo que olvidaba tomar sus alimentos y otras actividades de la vida diaria. En sus
últimos años recibió el cargo de jefe de la Casa de Moneda y se trasladó a Londres en 1701. La Reina Ana le
dio el título de caballero en 1705, en reconocimiento de sus numerosos logros y descubrimientos. A
principios de 1727 cayó gravemente enfermo y murió el 20 de marzo de ese mismo año.
Este gran científico nos presenta sus declaraciones:
Si he podido ver más allá que algunos es porque me he apoyado
sobre los hombros de gigantes, Galileo Galilei
GALILEO GALILEI
Galileo nació en Pisa el 15 de febrero de 1564. Su pare era músico, y Galileo era el hijo mayor de una
familia de siete hijos. En 1574 su familia se mudó a Florencia, y Galileo fue enviado a la escuela donde
estudió latín, griego y matemáticas, además de temas como física, astronomía y las disciplinas que ahora se
conocen como el nombre de humanidades. A los diecisiete años regresó a Pisa para estudiar medicina, pero
rápidamente se decidió por las matemáticas, ciencia en la que no tardó en sobresalir. A los veinticinco años
de edad fue nombrado profesor de matemáticas en la Universidad de Pisa y luego vinieron otros
nombramientos de gran prestigio.
Durante toda su vida Galileo cultivó varias tareas y actividades científicas. Entre ellas los estudios dedicados
al tiempo, el movimiento, la flotación de los cuerpos y la naturaleza del calor así como la construcción de
telescopios y microscopios. Aunque quizá mejor conocido por las famosas historias de sus supuestos
experimentos consistentes en dejar caer objetos desde la Torre de Pisa. El telescopio fue parte fundamental
de su vida, ya que observó el aspecto y las características de la Luna, loas manchas solares y varios planetas,
entre otras cosas las fases de Venus.
Galileo vivó en una época en que las ideas aristotélicas sobre un universo cuyo centro era la Tierra
empezaban a ser puestas en juicio. Sus observaciones apoyaban las teorías heliocéntricas de Copérnico
referentes al sistema solar. Sin embargo, según la doctrina oficial de la Iglesia Católica de la época la Tierra
estaba inmóvil en el centro del mundo, como parecían decir algunos pasajes del Antiguo Testamento (Josué
10:12−13, Salmos 19:4−6 y 104:5). Se consideraba una herejía pensar otra cosa y expresar en público esa
convicción. Giordano Bruno, un ex monje, fue quemado en la hoguera en 1600 por sostener este punto de
vista.
Las ideas de Galileo se expresan en una de sus famosas citas: La Biblia indica cómo llegar al cielo, no cómo
las leyes físicas gobiernan el cielo. Ya que en 1615 recibió una amonestación por parte de la Iglesia respecto
a sus ideas discutibles desde el punto de vista de la fe. En 1632 las dudas que pudiera haber habido acerca de
su ortodoxia se disiparon con la publicación de su libro El Diálogo de los Dos Grandes Sistemas del Mundo.
Fue llamado a Roma por la Inquisición, sometido a juicio y obligado a renunciar a sus ideas heréticas.
Después del juicio, Galileo regresó a Florencia donde continuó el movimiento de proyectiles. Totalmente
ciego en los últimos días de su vida, murió el 8 de enero de 1642, el mismo año en que nacía otro gran
científico, Isaac Newton.
DESARROLLO
MOVIMIENTO CIRCULAR
Para poder entender la polarización circular, es necesario definir algunos conceptos de movimiento circular,
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que forma parte de los estudias de la cinemática y la dinámica.
CINEMÁTICA
La palabra cinemática deriva de la palabra griega kinema, que significa movimiento, es por eso que la
cinemática estudia el movimiento de los cuerpos, independientemente de las fuerzas, que son la causas que lo
producen. Los cuerpos o móviles se consideran como partículas o cuerpos materiales. Así, un ciclista, un
automóvil, un planeta y el láser reflejado por un espejo producen movimientos circulares.
DINÁMICA
La dinámica es el estudio de las relaciones entre los movimientos observados en los cuerpos desde algún
sistema de referencia y las causas provocan dichos movimientos, que son las fuerzas. Es por eso que
consideraremos los cuerpos a los que se aplican dichas fuerzas como puntos, es decir, de tamaño despreciables
frente a la distancia que los separa.
MOVIMIENTO CIRCULAR Y ACELERACIÓN CENTRÍPETA
El movimiento circular uniforme es aquel en el que no existe cambio en la rapidez, sino sólo en la dirección,
osea un objeto que se mueve en un círculo con una rapidez constante. Es por eso que la magnitud de la
velocidad permanece constante, pero su dirección cambia en forma continua, conforme el objeto se
mueve por el círculo. Ya que la aceleración se define como la rapidez de cambio de la velocidad, un
cambio de dirección de la velocidad es una aceleración, al igual que el cambio de la magnitud. Así, un
objeto en movimiento circular uniforme acelera continuamente.
Existen diferentes tipos de aceleración utilizados para cada caso en específico, como en el movimiento
circular que se obtiene una rapidez constante el vector de velocidad cambiando de dirección (La dirección de
la velocidad es tangencial al círculo, en un ángulo recto con un radio en cualquier punto de la trayectoria
circular), se produce una aceleración. A esta aceleración se le denomina aceleración centrípeta, ya que se
dirige hacia el centro del círculo. El vector aceleración apunta hacia el centro del círculo, pero el vector
velocidad siempre apunta en la dirección del movimiento, que es tangencial al círculo. Así, en el movimiento
circular uniforme, los vectores velocidad y aceleración son perpendiculares entre sí en cada punto.
DINÁMICA DEL MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORME
Según la segunda Ley de Newton, con la fórmula de F = ma. Esta ley establece la proporcionalidad que
experimentalmente se observa ente la fuerza que actúa sobre un punto material y la aceleración que
experimenta. Es por eso que al fuerza es causa capaz de modificar el estado de reposo o movimiento rectilíneo
uniforme de un cuerpo. Las partículas presentan una dificultad o inercia en cambiar su estado, y dicha inercia
se identifica con la masa.
Es por eso que un objeto que se mueve un círculo, como la polarización circular, debe tener una fuerza
aplicada a él, que lo mantenga en ese círculo. Es decir, se necesita una fuerza necesaria para comunicarle una
aceleración centrípeta. La magnitud de la fuerza necesaria se puede calcular mediante la segunda Ley de
Newton, utilizando el valor de la aceleración centrípeta, ac = v2/r, y "F debe ser la fuerza neta:
"F = m ac = m (v2/r)
Ya que ac se dirige al centro del círculo en todo momento, también la fuerza debe estar dirigida hacia el
centro del círculo. Es necesaria una fuerza, de no haberla, el objeto no se movería en círculo, sino en una línea
recta, como nos dice la primera Ley de Newton. Para sacar un objeto de su trayectoria recta natural, se
necesita una fuerza hacia un lado. Para el movimiento circular uniforme, esta fuerza lateral debe actuar hacia
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el centro del círculo, es por eso que se le llama a esa fuerza, fuerza centrípeta, que apunta hacia el centro. Este
no quiere decir que se crea una fuerza nueva, solo nos indica la dirección de la fuerza, osea, que al fuerza neta
se dirige hacia dentro del círculo. Un ejemplo de esto es la superposición particular de dos ondas constitutivas,
ya que tienen igual amplitud y crean una polarización circular.
POLARIZACIÓN
LA LUZ NATURAL O POLARIZADA
Una fuente de luz ordinaria consiste en un número muy grande de emisores atómicos orientados al azar. Cada
átomo excitado emite un tren de onda, polarizado durante aproximadamente 10−8s. Todas al emisiones que
tienen la misma frecuencia se combinarán para formar una onda polarizada resultante simplemente que no
persiste por más de 10−8s. Se están emitiendo constantemente nuevos trenes de onda y el esta de polarización
cambia en una forma totalmente impredecible.
POLARIZADORES
Un polarizador es un aparato óptico cuya entrada es la luz natural y cuya salida es alguna forma de luz
polarizada y dependiendo de la forma de la salida se obtienen polarizadores circulares. Todos estos sistemas
varían en efectividad hasta lo que podríamos llamar polarizadores parciales o con fugas.
Los polarizadores toman configuraciones muy diferentes, pero todos ellos están basados en uno de cuatro
mecanismos físicos fundamentales: dicroísmo (es el único que contiene movimiento circular), reflexión,
esparcimiento y birrefringencia.
POLARIZACIÓN CIRCULAR
La luz se puede tratar como una onda electromagnética transversal cuya velocidad a través de cualquier medio
depende de las propiedades eléctricas y magnéticas del material. Un caso especial de la polarización de la luz
circular, ya que se crea cuando dos ondas constitutivas tienen igual amplitud y su diferencia de fase relativa.
Supongamos que las dos ondas polarizadas linealmente tienen la misma amplitud y están superpuestas;
entonces cada punto de la luz tiene simultáneamente desplazamientos de la misma magnitud. La amplitud de
la onda resultante es mayor que la de cada componente y la onda resultante está también polarizada
linealmente. El movimiento de cada punto es una superposición de dos movimientos armónicos simples
perpendiculares con una diferencia de fase de un cuarto de ciclo. Es por eso que la superposición particular de
dos ondas polarizadas linealmente se denomina polarización circular.
Si un cristal dado tiene un espesor tal que origina una diferencia de fase para una frecuencia dada, entonces, se
produce una vibración circular y la luz emerge de este cristal y se dice que está polarizada circularmente. El
cristal recibe el nombre de lámina cuarto de onda donde la intensidad de la luz transmitida por el analizador
permanecerá constante al girar.
DICROISMO
Dicroísmo se refiere a la absorción selectiva de una de las dos componentes ortogonales en el estado de una
haz incidente. El polarizador dicroico es en sí mismo físicamente anisotrópico, produciendo una fuerte
asimetría o absorción preferencial de una componente del campo mientras que es esencialmente transparente
para la otra.
DICROISMO CIRCULAR
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Mientras que el efecto de dispersión de un cromóforo óptimamente activo se debe a la diferencia de velocidad
entre los rayos de luz circularmente polarizados, el efecto de dicroísmo circular se atribuye al hecho de que el
rayo circularmente polarizado a la derecha se absorbe de una manera distinta de la del rayo circularmente
polarizado a la izquierda.
Es por eso que cuando los cuerpos óptimamente activos son atravesados por una luz polarizada en su zona de
absorción, esta luz adquiere un movimiento circular y se dice que el compuesto presenta el fenómeno de
dicroísmo circular.
CONCLUSIONES
Los adelantos recientes en el campo de los métodos ópticos han permitido proseguir la investigación en tres
direcciones principales: en el orden tecnológico, el diseño de los instrumentos necesarios; en el orden
experimental, el examen de nuevas funciones cromofóricas; y en el teórico, la interpretación de los
fenómenos observados. Como resultado de todo esto los métodos ópticos se han convertido en técnicas
aplicadas al estudio de moléculas donde a veces la dispersión rotatoria óptica no basta para resolver el
problema. Por lo tanto, además de las técnicas clásicas espectroscópicas del infrarrojo y el ultravioleta tan
utilizadas hoy en día, los investigadores disponen de herramientas de laboratorio como la espectroscopia de
resonancia magnética nuclear, la cromatografía en fase de vapor y la espectrometría de masa. Estos métodos
combinados con la cristalografía ponen actualmente a la disposición del investigador un equipo muy
poderoso y refinado para resolver problemas estructurales de estereoquímica y de moléculas quirales. Aparte
de ser indispensable para investigaciones modernas en el mundo de la física, también la luz polarizada es un
componente fundamental para varias innovaciones tecnológicas revolucionarias en varias ramas de las
comunicaciones, control de contaminación y diagnósticos médicos, al igual que puede servir como referencia
a profesionales de la investigación.
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