Los caminos de la luz - Junta de Comunidades de Castilla

1er CONCURSO REGIONAL DE PROYECTOS
DE CIENCIAS
MUSEO DE LAS CIENCIAS DE CASTILLA-LA MANCHA
Proyecto: Los caminos de la luz
Tutor/a: Mercedes Rodenas Pastor. Jesús Ruiz Felipe
Centro: Cristóbal Pérez Pastor
Curso: 1º Bachillerato
Localidad y Provincia: Tobarra. Albacete
LOS CAMINOS DE LA LUZ
Abstract:
El proyecto que exponemos consiste en simular el funcionamiento de la fibra
óptica, utilizando un láser y un chorro de agua regulable.
Se ha construido un dispositivo que genera un hilo fino de agua dentro del cual se
confina un haz de luz. El rayo queda atrapado dentro del líquido por reflexión total.
Utilizando una bomba de succión, regulable mediante un potenciómetro, se controla
la velocidad de salida de la fuente, pero sea cual sea el arco que describe el fluido,
la luz queda atrapada en el interior.
El dispositivo se monta encima de una silla rotatoria, sometiéndose la corriente de
agua a una aceleración adicional, curvándose en el sentido de giro, pero aún con
todas las desviaciones, la luz queda siempre confinada en el líquido.
Mediante fotografías y un video incluido en una página web quedará probada la
validez de la propuesta.
The project, that we would like to present, involves the simulation of optical fibre
behaviour by using a laser and an adjustable stream of water.
For this purpose, a device that generates a fine stream of water has been
designed. It is our intention to prove how a beam of light will always stay inside
this fine stream. The laser beam stays trapped inside of the liquid by total
reflection. By means of sucking pump, we can regulate within a variable resistance
the velocity of the source`s exit. The arc the beam of light remains inside the
waterthis device is located on a rotary chair. By this we get an additional
acceleration, sagging in the direction of the turn. Despite this, the light beam will
invariably stay inide the water.
Finally, several photographies and a video showing the experiment are available in
our web site.
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Introducción teórica:
Cuando una onda de cualquier tipo alcanza la frontera de dos medios
distintos, una parte de su energía se transmite al segundo medio, dando
lugar en el segundo medio a otra onda de características semejantes a las
de la onda incidente y que recibe el nombre de onda transmitida. Otra parte
de la energía se emplea en generar otra onda que se propaga hacia atrás en
el primer medio y que se llama onda reflejada.
En este proceso se conserva la frecuencia de la onda, lo que implica que la
longitud de onda λt de la onda transmitida es diferente de la longitud de
onda λi de la incidente, pues también cambia la velocidad de la onda en cada
medio. Para el caso de una onda luminosa:
λt =
λi =
siendo f la frecuencia, y n1 y n2 los índices de refracción de cada medio. El
índice de refracción de un medio es el cociente entre la velocidad de la luz
en el vacío (3.108 m/s) y la velocidad de la luz en ese medio. No tiene
unidades y siempre es mayor o igual que 1.
Leyes de la refracción
Al otro lado de la superficie de separación los rayos no conservan la misma
dirección que los de la onda incidente:
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1. Cada rayo de la onda incidente y el correspondiente rayo de la onda
transmitida forman un plano que contiene a la recta normal a la superficie
de separación de los dos medios.
2. El ángulo que forma el rayo refractado con la normal (ángulo de
refracción) está relacionado con el ángulo de incidencia: n1 sen θi = n2 senθr
Reflexión de la luz: Ley de Snell.
1. Cada rayo de la onda incidente y el
correspondiente rayo de la onda
reflejada forman un plano perpendicular
al plano de separación de los medios.
2. El ángulo que forma el rayo incidente
con la recta normal a la frontera (ángulo
de incidencia) es igual al ángulo de esta
normal con el rayo reflejado (ángulo de
reflexión)
Cuando la luz pasa de un medio a otro cuyo índice de refracción es mayor,
por ejemplo del aire al agua, los rayos refractados se acercan a la normal. Si
el índice de refracción del segundo medio es menor los rayos refractados se
alejan de la normal.
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En este caso si consideramos que n1>n2 y aumentamos el ángulo de
incidencia, llega un momento en que el ángulo de
refracción se hace igual a 90º, lo que significa que
desaparece el rayo refractado. Como el seno de 90º
es uno el ángulo de incidencia para el cual ocurre este
fenómeno viene dado por sen θc=n2/ n1
Este ángulo de incidencia, θc recibe el nombre de
ángulo crítico, ya que si aumenta más el ángulo de
incidencia, la luz comienza a reflejarse íntegramente,
fenómeno que se conoce como reflexión total.
Una aplicación de la reflexión total es la fibra óptica,
que es una fibra de vidrio, larga y fina en la que la luz
en su interior choca con las paredes en un ángulo
superior al crítico de manera que la energía se transmite sin apenas perdida.
También los espejismos son un fenómeno de reflexión total.
Reflexión total en un chorro de agua. Fotografía a oscuras.
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METODOLOGÍA. CONSTRUCCIÓN:
El dispositivo consiste en un puntero láser que apunta directamente a un
tubo de metacrilato en el que hay practicado un orificio por donde escapa el
chorro de agua., como se observa en la fotografía. El rayo incide siempre
con un ángulo superior al crítico y queda confinado en el fluido por reflexión
total. El agua se recoge en un recipiente de plástico y es reconducida al
depósito mediante una bomba de succión. Se regula el caudal mediante un
potenciómetro. Por tanto el arco que describe el agua queda controlado por
esta resistencia variable.
El puntero láser queda alimentado en el interior con tres pilas recargables
conectadas en serie. La bomba de agua se conecta también a pilas para que
el sistema sea autónomo y pueda girar libremente.
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ESQUEMA DEL PROYECTO:
Esquema general diseñado en Autocad
CIRCUITOS DE “LA CAJA DE MANDOS” DEL PROYECTO. LOS CAMINOS DE LA LUZ
Circuito eléctrico de la bomba: Este circuito se alimenta con dos pilas de
nueve voltios conectadas en paralelo para conseguir de esta forma, el mismo
voltaje de salida y más duración. El control del circuito se efectúa por
medio de un interruptor simple conectado en serie con la alimentación, la
bomba y el led verde que a su vez están conectados en paralelo. La bomba
está conectada en serie con un potenciómetro, cuya función es regular el
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caudal de agua que mueve la bomba. El led se conecta en serie con una
resistencia para evitar que éste se funda.
Circuito eléctrico del led:
Este esquema representa a dos circuitos realimentación independiente pero
de mando común. La alimentación de cada uno de los circuitos es de 4,5 V y
se dispuso de manera independiente para evitar que fundiese algún
componente durante su manipulación.
EFECTO GIRATORIO
El dispositivo se acopla sobre una silla rotatoria, sometiéndose la corriente
de agua a una aceleración adicional, curvándose en el sentido de giro. Se
observa que a pesar de todas las desviaciones, la luz queda confinada en el
líquido. La silla es una modificación de una de las del instituto, en la cual se
introduce un cojinete para que gire libremente.
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RODAMIENTO
RODAMIENTO
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El efecto es que el agua se ve sometida a una velocidad adicional (el sistema
de referencia giratorio no inercial está expuesto a una aceleración
denominada de Coriolis) desviando su arco hacia un lado. La luz, en todo
caso, siempre queda confinada dentro del chorro.
PRESUPUESTO
Puntero láser
3 euros
Metacrilato
16 euros
Bomba agua
8 euros
Silla giratoria (opcional)
30 euros
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RESULTADOS
El láser queda confinado dentro del agua
Para el caso del agua y el aire, el medio 1 es el agua y n1=1,33. La velocidad
de la luz en el agua es ¾ de la velocidad de la luz en el aire o el vacío.
n1 sen θi = n2 senθr
1.33 sen θc = 1 sen90
sen θc=1/1.33
θc=48.8º
La onda incide siempre por encima de ese ángulo y por tanto queda atrapada
en el hilo de agua
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El chorro de agua se regula con una bomba controlada con un potenciómetro
El rayo describe el mismo camino que el fluido
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La luz se curva dentro del agua
En el vídeo se muestra la validez del proyecto y su funcionamiento.
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Conclusiones.
Mediante este dispositivo observamos varias cosas.
La primera es el fenómeno de reflexión total, tan frecuente en los sistemas
de comunicación de fibra óptica. El efecto del rayo atrapado en el agua es
bien visible y nítido.
Para construir el dispositivo se manejan conceptos de óptica, presiones en
fluidos, circuitos eléctricos, sistemas de referencia. Todas las partes del
mecanismo funcionan perfectamente.
El segundo fenómeno que advertimos es la desviación de la fuente de agua
cuando el sistema rota con una velocidad angular. El hilo se dobla en el
sentido de giro, manifestándose la composición de velocidades y nuevas
componentes de la aceleración (aceleración centrífuga y de Coriolis). Lo que
se pretende, y se consigue con este movimiento, es demostrar que por
mucho que se desvíe el camino de la luz, esta siempre quedará confinada
dentro del agua, por las propiedades ópticas de los dos medios.
El sistema es un buen ejemplo para la comprensión de los fenómenos ópticos
de propagación de la luz y de las ondas, y facilita un acercamiento a las
tecnologías de comunicación por fibra óptica y cable, tan cotidianas en las
poblaciones y en las conversaciones habituales. También es un dispositivo
agradable de ver y manipular.
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