Lente hidro-óptico con vaso desechable: experimento de refracción

Este artículo presenta un experimento para construir una lupa hidro-óptica usando círculos cortados de una botella plástica transparente que se pegan para formar una cavidad llenable de agua. Se investiga cómo la curvatura resultante del conjunto plástico + agua afecta la magnificación visual de textos u objetos pequeños. Los resultados esperados son que una forma más cercana a esfera genere mayor aumento, aunque con menor nitidez en los bordes. Además, se discute cómo estos resultados pueden usarse para ajustar parámetros en simulaciones gráficas de refracción. Los resultados experimentales de esta lupa hidro-óptica servirán como referencia empírica para calibrar shaders y algoritmos de refracción en motores gráficos, permitiendo reproducir la distorsión y pérdida de nitidez observadas en la realidad.

Palabras clave: lupa hidro-óptica, lente de agua, vaso desechable, refracción, simulación gráfica

Introducción

Las lupas convencionales son lentes convergentes que amplían objetos cercanos mediante refracción de la luz. En este experimento construimos una lupa hidro-óptica artesanal usando círculos plásticos recortados de una botella transparente que, al pegarse y llenarse con agua, actúan como una lente líquida.
Cuando el agua adopta una curvatura convexa, los rayos de luz que la atraviesan se desvían hacia el eje óptico, produciendo una imagen aumentada del objeto o texto detrás de ella. Sin embargo, esa curvatura también puede introducir aberraciones como borrosidad en los bordes.
Este trabajo investiga cómo varía la magnificación aparente del texto al variar el volumen de agua dentro de esta estructura tipo lupa, y cómo estos datos pueden servir como parámetros para una simulación de refracción gráfica.

Objetivo

Video Explicativo

Materiales

• Botella plástica transparente (PET)
• Agua
• Soporte (para la lupa)
• Adhesivo transparente (silicona, pegamento transparente)
• Regla
• Tijeras / cúter
• Lana
• Jeringa (para pasar el agua al orificio)
• Pegante industrial bóxer
• Editor de imágenes para mediciones

Procedimiento

1. Corte de piezas plásticas: Se recortaron dos círculos idénticos del cuerpo de la botella, dejando un borde suficiente para garantizar la adhesión sin fugas.
2. Unión de círculos: Los bordes de los círculos fueron pegados para formar una cavidad hueca, dejando un pequeño espacio u abertura destinada a verter el agua.
3. Decoración / sellado: Opcionalmente, se decoró el contorno con el fin de darle un aspecto estético similar al de una lupa, cuidando que no se obstruyera el paso de la luz. Posteriormente, se sellaron firmemente los bordes, a excepción de la abertura.
4. Llenado con agua: Se vertió cuidadosamente agua en la cavidad hasta un volumen determinado (por ejemplo, 5 ml) y luego se procedió a sellar la abertura.
5. Posicionamiento: La lupa artesanal fue colocada sobre la hoja con texto o regla, alineando el centro de la estructura con la cámara.
6. Fotografía: Se tomó al menos una fotografía del texto a través de la lupa, evitando mover la cámara.
7. Observaciones: Se registraron la nitidez, las distorsiones en los bordes, así como la presencia de burbujas o posibles imperfecciones.
8. Repetición del experimento: El agua fue vaciada de la cavidad y se repitió el llenado con un volumen mayor. Se realizó la misma captura fotográfica y anotación de observaciones. En caso de contar con tiempo adicional, se repitió una tercera vez con un volumen de 15 ml.

Resultados del experimento

• Texto y objetos pequeños se vieron ampliados al mirar a través del vaso desechable con agua.
• El aumento fue mayor cuando el vaso estaba más lleno o cuando el agua formaba una superficie curva más pronunciada.
• La nitidez disminuía en los bordes externos de la imagen, especialmente con mayores curvaturas.
• A distancias cortas entre vaso y ojo se apreciaba mejor detalle, mientras que distancias mayores redujeron la claridad.

La Computación Gráfica Y La Refracción

La refracción de la luz se simula en computación gráfica como un cambio en la dirección de un rayo de luz al pasar entre dos medios (como aire y agua) para crear efectos visuales realistas, lo cual es un desafío para las técnicas de renderizado en tiempo real. Los algoritmos como el trazado de rayos pueden simular la refracción de manera más precisa, pero requieren recursos computacionales significativos, aunque existen métodos más rápidos para un rendimiento mejorado.

• Simulación de la luz: En la computación gráfica, la refracción es un desafío que se simula mediante algoritmos para imitar este fenómeno físico con el mayor realismo posible. 
• Materiales transparentes: Es fundamental para renderizar superficies transparentes como el vidrio, el agua, el cristal, y otros materiales que dejan pasar la luz. 
• Aplicaciones: La simulación de la refracción es esencial para lograr efectos visuales realistas en películas, videojuegos y simulaciones científicas, dando un aspecto fotorrealista a los entornos virtuales. 

Infografía

Esta infografía explica de manera clara y visual el fenómeno de la refracción de la luz, enfocándose en su comportamiento en el agua y su aplicación en lentes hidro-ópticos. Se describen conceptos fundamentales como el índice de refracción y la ley de Snell, así como los efectos visuales que generan estos principios físicos. Además, se muestra la relación entre la refracción y su uso en la computación gráfica para crear efectos realistas.

Reflexión con el público

1. ¿Por qué creen que al aumentar la cantidad de agua en la lupa artesanal el aumento se hace mayor, pero la nitidez disminuye?
2. Si un motor gráfico como Unity o Unreal necesita simular un lente de agua, ¿qué parámetro físico de nuestro experimento debería copiar: el volumen, el radio de curvatura o el índice de refracción?
3. En la vida cotidiana, además de este experimento, ¿dónde han visto efectos similares de refracción y aumento con agua o vidrios curvos?
4. ¿Qué ventajas tiene experimentar con un lente casero de agua frente a solo simularlo directamente en un computador?
5. Si tuvieran que mejorar la simulación gráfica de este lente, ¿qué detalle realista incluirían: las burbujas, la distorsión en los bordes o la pérdida de nitidez?

Conclusión

La lupa hidro-óptica construida con círculos plásticos (diámetro 5 × 5 cm) y rellena con agua mostró una respuesta óptica dependiente del volumen: con menor cantidad de agua la curvatura es menos pronunciada, lo que genera un aumento moderado y mejor nitidez central; al incrementar el volumen la cúpula se hace más convexa, aumentando la magnificación pero provocando mayor pérdida de nitidez en los bordes por aberraciones.

Estos resultados confirman que la magnificación aparente está controlada por la curvatura del líquido: gotas más esféricas concentran más los rayos y amplían la imagen, pero a costa de introducir distorsiones y desenfoque periférico. El experimento reafirma el papel de la refracción en la formación de imágenes y ofrece una referencia cualitativa útil para calibrar parámetros en simulaciones de refracción en computación gráfica (por ejemplo, ajuste de índices efectivos, distorsión radial y aberraciones).

Referencias

Creative fest. (2025, April 24). how to make magnifying glass from disposable juice glass | DIY Lens | Science project [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=OwL6jeq2m8o

Fabriz Math. (2021, 17 de octubre). Introducción a la refracción y su simulación [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=9xHHdolcSkE

IONOS. (2021, 5 de agosto). ¿Qué es el ray tracing?. https://www.ionos.com/es-us/digitalguide/servidores/know-how/raytracing/#:~:text=El%20raytracing%2C%20tambi%C3%A9n%20llamado%20%E2%80%9Ctrazado,Descubre%20qu%C3%A9%20es%20el%20raytracing.&text=Con%20el%20saldo%20inicial%20de,perfecta%20de%20rendimiento%20y%20seguridad

Índice de refracción. (s.f.). En Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dndice_de_refracción

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Trazado de rayos. (s.f.). En Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Trazado_de_rayos#:~:text=Revisi%C3%B3n%20del%20algoritmo,-Esta%20es%20una&text=El%20trazado%20de%20rayos%20describe,perfeccione%20en%20los%20pr%C3%B3ximos%20a%C3%B1os

Presentación

Créditos

Autor: Joan Sebastian Jimenez Wilches, Juan Poveda y Yesenia Valentina Tepud Usaquen

Editor: Mg. Carlos Iván Pinzón Romero 

Código: CG-20252

Universidad: Universidad Central