Refracción de la luz en el agua

La refracción es un fenómeno óptico fundamental que ocurre cuando la luz cambia de dirección al pasar de un medio a otro con diferente índice de refracción. Este principio es crucial para entender cómo se forman las imágenes cuando observamos objetos a través del agua, un medio con un índice de refracción distinto al del aire. La interacción de la luz con la superficie del agua puede generar distorsiones, magnificaciones o inversiones de las imágenes, dependiendo de la geometría de la interfaz y la posición del observador y el objeto.

Metodología

Materiales

Vaso de vidrio transparente, agua, objeto con flecha dibujada (o similar).

Procedimiento

• Colocar el objeto a una distancia fija detrás del vaso vacío.
• Observar la imagen del objeto a través del vaso.
• Llenar el vaso con agua.
• Observar y registrar los cambios en la imagen (inversión, magnificación, distorsión).
• Variar la distancia del objeto al vaso y la cantidad de agua para modificar la curvatura de la interfaz.

Observaciones

En el experimento se observa que, cuando el vaso está vacío, la flecha se percibe de manera normal. Sin embargo, al llenarlo con agua, la flecha parece invertirse. Este fenómeno se explica a través de la Ley de Snell, la cual establece que, mientras el índice de refracción sea equivalente en los medios, no se producirán alteraciones en la percepción de la imagen.

Análisis

Al cambiar el índice de refracción del aire igual a 1.00, al índice del agua, igual a 1.33, la velocidad de la luz disminuye de aproximadamente 300 mil kilómetros por segundo a unos 225 mil kilómetros por segundo.

Marco teórico

Refracción

La refracción es el cambio de dirección y velocidad que experimenta una onda, como la luz, cuando pasa de un medio a otro con diferente índice de refracción. Este fenómeno ocurre cuando la onda incide oblicuamente sobre la superficie que separa ambos medios, produciendo que la onda modifique su trayectoria debido a la diferencia en la velocidad de propagación en cada medio.

Además, la refracción se explica mediante la ley de Snell, la cual relaciona los ángulos de incidencia y refracción con las velocidades de propagación o los índices de refracción de los medios involucrados.

Este fenómeno no solo se aplica a la luz, sino también a otras ondas como las sonoras y las del agua, aunque es más comúnmente relacionado con la óptica y la luz.

Índice de refracción

El índice de refracción es una medida adimensional que indica cuánto se reduce la velocidad de la luz al pasar de un medio, generalmente el vacío o aire, a otro medio como el agua o el vidrio. Se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en el medio considerado (v):

n=v/c

Donde:

• n es el índice de refracción del medio,
• c es la velocidad de la luz en el vacío,
• v es la velocidad de la luz en el medio.

Este índice determina cómo cambia la dirección de la luz al entrar en un nuevo medio, lo que se conoce como refracción, así como la intensidad de la luz reflejada y transmitida. Además, el índice varía con la longitud de onda de la luz, lo que provoca efectos como la dispersión, que separa la luz blanca en colores.

Ley de Snell

La ley de Snell se aplica en la refracción de la luz para relacionar los ángulos de incidencia y refracción cuando un rayo de luz pasa de un medio con un índice de refracción a otro medio diferente. La fórmula que la representa es:

n1⋅sin(θ1)=n2⋅sin(θ2)

Donde:

• n1 y n2 son los índices de refracción de los medios 1 y 2, respectivamente.
• θ1 es el ángulo de incidencia, medido respecto a la normal (línea perpendicular a la superficie que separa los medios).
• θ2 es el ángulo de refracción, también medido respecto a la normal.

Esta ley explica que cuando la luz pasa de un medio con menor índice de refracción a otro con mayor índice, la luz se curva hacia la normal, es decir, el ángulo de refracción es menor que el ángulo de incidencia. En cambio, si pasa de un medio con mayor índice de refracción a uno menor, se curva alejándose de la normal, y el ángulo de refracción es mayor que el de incidencia.

Lente convergente

Una lente convergente es una lente óptica que tiene la propiedad de reunir o enfocar los rayos de luz que inciden sobre ella en un punto común llamado foco. Esto sucede debido a la refracción de la luz, que es el cambio de dirección que sufre la luz al pasar de un medio a otro con diferente índice de refracción.

Características principales:

• La lente es más gruesa en su centro y más delgada en los bordes.
• Los rayos de luz paralelos que atraviesan la lente convergen en el foco, ubicado en el lado opuesto.
• Inversamente, un rayo que pase por el foco será refractado saliendo de la lente en dirección paralela.

Velocidad de la luz en el vacio

La velocidad de la luz es la rapidez con la que viajan las ondas electromagnéticas, incluida la luz visible. En el vacío, la velocidad de la luz es constante y tiene un valor aproximado de 299,792 kilómetros por segundo (km/s).

Cuando la luz pasa de un medio a otro con diferente densidad, su velocidad cambia debido a la refracción. En medios materiales como el agua, el vidrio o el aire, la luz se propaga más lentamente que en el vacío. Esta disminución de la velocidad es la razón principal por la cual la luz se desvía al atravesar lentes convergentes o cualquier otro medio transparente con distinto índice de refracción.

El índice de refracción (n) de un medio es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en ese medio (v), expresado con la fórmula:

n=c / v

Donde:

• c es la velocidad de la luz en el vacío (~299,792 km/s),
• v es la velocidad de la luz en el medio.

Hipótesis

La formación de imágenes a través de la interfaz agua-aire puede analizarse en configuraciones que simulan lentes convexas o cóncavas, utilizando volúmenes de agua contenidos en recipientes transparentes. En estos casos, se prevé que el fenómeno produzca la inversión y/o magnificación de la imagen de un objeto. Este comportamiento responde a las predicciones de la Ley de Snell y a las ecuaciones que describen la formación de imágenes en superficies refractantes esféricas.

Asimismo, se plantea que la magnitud de la inversión o de la magnificación observada dependerá directamente de la curvatura de la interfaz agua-aire. Del mismo modo, la diferencia entre los índices de refracción del agua y del aire influirá de manera decisiva en el grado de alteración de la imagen, reforzando la relación entre las propiedades ópticas del medio y la percepción visual resultante.

Justificación

Esta hipótesis se fundamenta en los principios de la óptica geométrica, donde la refracción de la luz al pasar de un medio a otro (aire a agua y viceversa) provoca un cambio en la trayectoria de los rayos luminosos.

Cuando la interfaz agua-aire no es plana, sino curvada (como la superficie de un vaso de agua que actúa como una lente), los rayos de luz que emanan de un objeto se refractan de tal manera que convergen o divergen, formando una imagen en una posición diferente a la del objeto original.

La Ley de Snell cuantifica este cambio de dirección, y las ecuaciones de lentes y superficies refractantes esféricas permiten calcular las propiedades de la imagen formada (posición, tamaño, orientación). La inversión de la imagen, por ejemplo, se observa comúnmente en experimentos sencillos con vasos de agua debido a la formación de una lente convexa natural.

Conclusiones

• La geometría cilíndrica del vaso con agua funciona como una lente convergente.
  El vaso de vidrio, al estar lleno de agua, adquiere un comportamiento óptico similar al de una lente cilíndrica. Esto se debe a la curvatura de sus paredes, que concentra los rayos de luz en lugar de dejarlos pasar en línea recta. Dicho fenómeno convierte un objeto cotidiano en un ejemplo práctico de cómo las lentes pueden modificar la percepción visual.
• Al atravesar esta “lente”, los rayos de luz se desvían y terminan cruzándose.
  Cuando los rayos de luz pasan del aire al agua, se produce un cambio en su velocidad debido a la diferencia en los índices de refracción de ambos medios. Como consecuencia, las trayectorias de los rayos se desvían, dirigiéndose hacia un punto de convergencia.
• Cuando los rayos se cruzan, el ojo percibe la imagen invertida.
  El cruce de los rayos de luz genera que la imagen del objeto, en este caso la flecha, se perciba invertida. Así, lo que originalmente apuntaba en una dirección, parece señalar hacia el lado contrario. Este efecto se debe a la reorganización espacial que ocurre al proyectarse los rayos en la retina.
• La refracción de la luz en el agua demuestra la dependencia del medio.
  El experimento confirma que la luz no viaja con la misma velocidad en todos los medios. Al pasar del aire al agua, disminuye su velocidad y se refracta, lo que provoca la desviación observable en la imagen. Esto ilustra cómo la óptica depende estrechamente de las propiedades físicas de cada medio.
• El experimento resalta la relación entre ciencia y percepción visual.
  Más allá de la explicación matemática, el fenómeno pone de manifiesto cómo nuestra percepción del entorno depende de principios físicos invisibles a simple vista. Lo que vemos no siempre corresponde de manera directa a la realidad objetiva, sino que está condicionado por la forma en que la luz llega a nuestros ojos.

Relación con la computación gráfica

Se busca recrear cómo la luz interactúa con objetos y medios. La refracción es clave en:

Ray Tracing y Renderizado Físicamente Basado (PBR): Los motores de render (Blender Cycles, Unreal Engine, Unity HDRP) usan fórmulas de refracción (Ley de Snell) para simular cómo la luz atraviesa agua, vidrio o cristal. Así se obtienen efectos realistas como lentes, gotas de agua, peceras o vasos.

Índice de refracción (IOR): En shaders se configura el IOR (índice de refracción), que indica cuánto se desvía la luz. Aire ≈ 1.0 Agua ≈ 1.33 Vidrio ≈ 1.5 Cambiar el IOR permite controlar cómo se forman las imágenes detrás de un medio transparente.

Simulación de cámaras: En gráficos 3D y realidad virtual, las lentes de cámara también sufren refracción. Los algoritmos simulan cómo se curva la luz al atravesar las lentes para lograr profundidad de campo y realismo óptico.

Efectos en videojuegos y películas: mirar desde debajo del agua hacia arriba y ver cómo el mundo exterior se deforma. Juegos como Subnautica, Tomb Raider o motores de cine (Finding Nemo, Avatar) lo usan para dar autenticidad visual.

Infografía

Créditos

Autor: Andrés Camilo Cuellar González & Angel David Ramirez & Nicolas Fonseca

Editor: Mg. Carlos Ivan Pinzón Romero

Código: CG-20252

Universidad: Universidad Central

Fuentes

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