Movimiento circular en la reflexión de un láser

Óptica. Newton. Galileo. Cinemática. Dinámica. Aceleración centrípeta. Polarización, polarizadores. Dicroismo

  • Enviado por: Melani James
  • Idioma: castellano
  • País: México México
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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.

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, 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 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

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.

BIBLIOGRAFÍA

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