"¡La velocidad de la luz es muchísima!"

Escolares de cuatro colegios de Ourense y Pereiro disfrutaron con el taller científico de la UNED, que les presentó el Kit de Fresnel, una propuesta con 34 experimentos de óptica para aprender y divertirse con la ciencia estudiando el comportamiento de la luz.

OURENSE, 11 de mayo de 2023."¿Qué es la luz?", preguntó el doctor Manuel Pancorbo Castro a los chicos. "Es una forma de energía" contestó una alumna del IES 12 de Outubro. "Es algo luminoso", respondió otro alumno del Virxe de Covadonga. Pero esas respuestas necesitan más datos para ser correctas y así todos los alumnos supieron que la luz es una energía que se propaga y se percibe por nuestro sentido de la vista, que producen y emiten algunos materiales u objetos a los que llamamos fuentes luminosas. Pudieron ver y entender, a través del Kit de Fresnel, cómo la luz se propaga en forma de ondas a través del espacio. "Sólo las fuentes luminosas emiten luz propia, el resto de las cosas reflejan la luz que reciben de las fuentes", les dijeron los físicos de la UNED. La sesión iba in crescendo en interés. Así se vivieron dos jornadas en los centros IES 12 de Outubro, Guillelme Brown, Miraflores y Virxe de Covadonga conociendo sus alumnos los secretos de la óptica.

Los físicos de la Facultad de Ciencias de la UNED encendieron una bombilla y mostraron que emite luz en casi todas las direcciones. Igualmente mostraron diferentes tipos de fuentes luminosas (bombilla de filamento, diodo LED, puntero láser). La luz se propaga a través del espacio como una onda (parecido a las olas del mar y aún más parecido a las ondas de radio). La luz, las ondas de radio, las ondas de televisión, los rayos X… son ondas de la misma familia, pero de ellas solo detectamos con nuestros sentidos la luz. El sonido no pertenece a esta familia.

Normalmente, la forma de una onda luminosa muestra crestas y la separación entre las crestas de la onda se denomina longitud de onda y está relacionada con el color de la luz (mayor separación para la luz roja, menor para la luz violeta y separaciones intermedias para el resto de colores).

Manuel Pancorbo y Juan Pedro Sánchez, iniciando el taller con los alumnos del colegio Miraflores, presentándoles el Kit de Fresnel.

En los cuatro centros escolares hay un nivel muy aceptable de sus alumnos como se demuestra en las respuestas que dieron a las preguntas formuladas por los científicos. A veces no retienen el dato como el de la velocidad de la luz. En general lo saben aunque alguno dijo en el Miraflores: "Según un libro que leí la velocidad es de 200.000 kilómetros por segundo" mientras otro soltó: "Yo leí en otro libro que es de tres millones de kilómetros por segundo". Al final, entre ambos estaba la solución: 300.000 kilómetros por segundo. En el Virxe de Covadonga también acertaron, pero un niño respondió al principio que la velocidad de la luz es "muchísima". Estos detalles ponen la nota de simpatía en el aula, donde todos responden y entre todos aprenden con los científicos, que son muy divulgativos. La velocidad a la que viajan las ondas luminosas es muy grande. La luz recorre la distancia Tierra-Luna en poco más de 1 segundo y la distancia Tierra-Sol en poco más de 8 minutos, datos que todos los escolares acertaron. Cuando se les preguntó el tiempo que tardaríamos en llegar al Sol si pudiésemos viajar en un coche a 100 kilómetros a la hora, un alumno indicó que se tardaría "una hora". Bendito despiste pues si eso fuese posible, tardaríamos 171 años al Sol y 160 días a la Luna, siempre, claro, si fuese posible hacerlo en coche a 100 kilómetros hora. Son ejemplos que ayudan a entender lo que se explica.

Sólo las fuentes luminosas emiten luz propia, el resto de las cosas reflejan la luz que reciben de las fuentes (por ejemplo: una silla, una mesa, un libro…). Así lo explicaba el doctor Juan Pedro Sánchez Fernández.

Realizando un experimento óptico que cautivó a los escolares de los cuatro colegios ourensanos que participaron en esta nueva experiencia científica de la UNED.

Los ponentes preguntaron a los escolares cuántas imágenes en una diapositiva eran fuentes luminosas. Lo eran todas menos la Luna y unos arbustos que recibían la luz de una farola. En general acertaron muy bien aunque en alguna sala hubo que pedir que levantaran la mano quienes creían que la Luna es fuente de luz y después quienes creen que no lo es. Había más manos levantadas en la segunda opción. Se les recordó que el sentido de la vista nos permite percibir la luz emitida por las fuentes y la reflejada por los objetos, por ello podemos verlos. Pero solo vemos la luz cuando llega a nuestros ojos, no mientras se propaga. 

Los estudiantes aprendieron a medir un glóbulo rojo de una muestra de sangre gracias a la difracción de la luz. El círculo que miden es la proyección del glóbulo cuyo tamaño es menor de un milímetro.

La luz blanca

Los dos físicos de la UNED encendieron una linterna y preguntaron a los estudiantes de qué color era la luz de la linterna. Esta emitía luz blanca. “La luz blanca, tanto de la linterna como de cualquier otra fuente, en realidad está compuesta por luz de todos los colores. La percibimos blanca cuando todos los colores están juntos, pero podemos separarlos para comprobarlo, como ahora veremos. Fue Isaac Newton, un científico inglés de los siglos XVII-XVIII, quien descubrió esto”, señaló Juan Pedro Sánchez.

Pidiendo un voluntario se hizo la prueba de separar los colores del proyector con un prisma. El escolar los recompuso con una lente y comprobó el resultado de restar parte de los colores. También se pueden separar los colores con un CD.

Los niños del Virxe de Covadonga disfrutaron con el taller científico que les ha sorprendido para bien. 

El siguiente paso fue estudiar el color. Y la pregunta:  "¿Y de qué color son las cosas que no emiten luz propia?" Pancorbo y Sánchez fueron explicando que “puesto que vemos las cosas gracias a la luz de las fuentes luminosas, su color dependerá de la luz con la que sean iluminadas. Pero también dependerá de sus propiedades. Muchas sustancias o materiales contienen pigmentos que absorben luz de determinados colores; entonces, los objetos solo reflejan los colores no absorbidos. Si el objeto se ha iluminado con luz blanca, la suma de los colores reflejados es la que produce el tono que normalmente percibimos. Pero si iluminamos con otra luz la percepción final puede cambiar”, explicaron los científicos. Al demostrar esta teoría, salió otro escolar voluntario que se puso unas gafas rojas y otro unas verdes. Se les enseñaban diferentes rotuladores de colores y se les pidió que señalasen el de algún color que queramos. Especialmente al usar las gafas rojas fallaron bastante los colores.

Una de las pruebas más vistosas era la de la descomposición de la luz blanca en los siete colores de que se compone. 

La sesión continuó mostrando otros experimentos del kit de Fresnel. Ahora le tocaba al láser. “Existe un tipo de luz muy especial: la luz láser. En el kit vais a utilizar este tipo de luz en algunos experimentos. Una de las propiedades que la hace tan especial es su monocromaticidad, que significa que es luz de un color muy puro, no está mezclada con otros colores, como la luz blanca”, explicaba Manuel Pancorbo, quien les mostró tres láseres, uno rojo, otro con luz verde y un tercero con luz azul. Los escolares supieron que otra propiedad importante de la luz del láser es su direccionalidad, que significa que toda la luz se propaga en la misma dirección, normalmente en un único rayo muy estrecho (no como las bombillas, que emiten luz en casi todas las direcciones)”. 

Manuel Pancorbo muestra una placa fosforescente en la que se ve la mano de una alumna rodeada de luz que retiene la placa.

Juan Pedro Sánchez les advirtió del cuidado que deben tener siempre al utilizar luz láser, pues es muy intensa. Les dijo que no apunten nunca a sus propios ojos ni a los de otras personas ni mascotas, pues pueden provocar ceguera. Siempre debéis utilizar gafas de protección, como las que hemos incluido en el kit”.

Al observar otras formas de emisión de luz, los escolares de los cuatro colegios, una vez vistos algunos tipos de fuentes luminosas, supieron que  el mecanismo que hace que emitan luz puede ser diferente para cada fuente y en muchos casos esos mecanismos también producen calor, además de luz (como en el caso de una llama, el Sol, una bombilla…).

Todos vieron cómo la luz blanca, al pasar por un prisma, se descompone en los siete colores. El científico fue eliminando colores usando una regla de modo que la imagen sobre la pared era sólo azul o sólo roja o sólo amarilla. Al quitar el prisma, el reflejo era blanco.

Pero hay otros mecanismos en los que no se produce apenas calor, por ello a veces decimos que producen “luz fría”. Dos de estos mecanismos son la fluorescencia y la fosforescencia. Son mecanismos por los que algunas sustancias “lucen” cuando son iluminadas con luz ultravioleta. En el caso de la fluorescencia sólo lucen mientras están siendo iluminadas, mientras que en el caso de la fosforescencia las sustancias continúan luciendo durante cierto tiempo tras dejar de ser iluminadas. A la hora de comprobar esto, se pidió a una alumna que iluminase con luz UV diferentes piezas de colores fluorescentes. Poniéndose unas gafas, el escolar escribe algo con láser azul en una pantalla fluorescente.

Los escolares comprobaron que por un cable de fibra óptica se puede enviar luz desde un extremo, al otro. Es el principio del funcionamiento de Internet en casa o de los vídeos que vemos en la Red.

¿Cómo se propaga la luz?

Dado que la luz se propaga en todas direcciones como una onda, uno de los ponentes encendió una bombilla incandescente y la metió luego en un tubo. “Pero si introducimos la bombilla en un tubo (similar a una linterna) la luz solo sale por el extremo del tubo y tenemos entonces un haz de luz (pocas direcciones de propagación). Si colocamos una pantalla opaca con un pequeño agujero tenemos entonces un haz de luz muy estrecho que llamamos rayo de luz (una única dirección de propagación)”, explicó Juan Pedro Sánchez.

Así se dijo a los estudiantes que podemos entonces imaginar la emisión de una bombilla como compuesta de muchos rayos emitidos en diferentes direcciones. En general, los rayos de luz se propagan en línea recta. Basándose en esto, un científico árabe del siglo X llamado Alhacén inventó hace 1.000 años un dispositivo muy sencillo capaz de formar imágenes con un simple agujero: la cámara oscura. Para comprobar el efecto de ésta, se pidió a un niño que colocase una pantalla traslúcida a la salida de un agujero de la caja negra y los demás niños tenían que decir qué veían al encenderse la bombilla encerrada en la caja. Después se retiró la caja comprobando la inversión de la imagen.

Reflexión y refracción de la luz

Hay algunos medios que son transparentes, permiten que la luz los atraviese, aunque en cada medio lo hace con mayor o menor dificultad. Los medios tienen una propiedad llamada densidad óptica o índice de refracción que viene a ser la resistencia que el medio opone al paso de la luz a través de él. Esta propiedad afectará a la velocidad de propagación de la luz a través del medio y también a la dirección que seguirá la luz cuando se encuentre otro medio.

En general, cuando un rayo de luz se encuentra una superficie que separa dos medios diferentes, una parte de la luz se refleja y vuelve al primer medio (rayo reflejado) y el resto de la luz pasa al segundo medio sufriendo una cierta desviación (rayo refractado). Esta desviación puede ser mayor o menor dependiendo de los índices de refracción de ambos medios. Las primeras explicaciones científicas de este comportamiento de la luz fueron dadas en el siglo XVII por científicos como Snel o Newton. La demostración de esto consistió en contar con otro escolar para que incidiese con un láser difractado en la superficie de separación aire-agua en una cubeta variando el ángulo de incidencia. Se identificaron los 3 rayos. Se incidió después en sentido contrario por abajo (agua-aire) observando lo que sucede con el ángulo de refracción y con la reflexión interna.

Reflexión y refracción de la luz (reflexión total interna)

Cuando la luz incide en la superficie de separación desde el interior del medio más denso, existe un ángulo crítico a partir del cual se produce la reflexión total y dicha superficie se comporta como un espejo perfecto. Esto se demostró consiguiendo reflexiones múltiples en el interior del agua (apuntado desde el lado). Después, tods vieron cómo se introdujo un rayo en una fibra óptica generando una señal codificada.

Elementos ópticos

Ahora que todos sabían cómo se comporta la luz en la reflexión y la refracción, lo siguiente era conocer los elementos ópticos más básicos, como los espejos, los prismas o las lentes. Se trata de sistemas ópticos elementales formados por superficies reflectoras y refractoras y que sirven para construir instrumentos ópticos (como gafas, prismáticos, microscopios, telescopios…).

• ESPEJOS: Pueden ser planos o curvos y son capaces de formar imágenes por reflexión de los rayos.
• PRISMAS: Pueden tener diversas formas y son capaces de separar los colores de la luz por refracción de los rayos (como ya se ha visto).

• LENTES: Pueden ser convergentes (concentran los rayos) o divergentes (separan los rayos) y son capaces de formar imágenes por refracción de los rayos.

Un voluntario del IES 12 de Outubro ayudando a hacer el experimento de la polarización de la luz, con dos placas de modo que si ambas están en la misma posición, dejan ver la cara del niño, pero si la segunda se gira, entonces no permite ver ninguna imagen.

Aquí el experimento consistió en comprobar la formación de la imagen de una linterna de leds por un espejo parabólico e intentando hacer luego lo mismo con un espejo plano. Igualmente se comprobó la formación de la imagen de una linterna de leds por una lente convergente (lupa) y se probó a enfocar la imagen a dos distancias.

Fenómenos luminosos: polarización de la luz

A continuación los escolares de los cuatro colegios ourensanos vieron algunas propiedades de la luz o fenómenos luminosos más complejos.

• La polarización de la luz es una propiedad especial de las ondas luminosas.
• La birrefringencia o doble refracción es una propiedad de algunos materiales que afecta a la polarización de la luz que los atraviese.

Para comprobar esto un niño se colocó un polarizador grande delante de la cara y rotó un segundo polarizador para ocultar su rostro a los demás niños. La otra demostración práctica consistió en que el alumno introdujo entre dos polarizadores una placa de metacrilato con trozos pegados de papel celo y los rotó.

Fenómenos luminosos: difracción de la luz

Otro fenómeno luminoso muy interesante explicado y demostrado a los escolares es la difracción de la luz. La difracción es una desviación de los rayos cuando la luz se encuentra con un agujero o con un obstáculo pequeño. Como consecuencia de estas desviaciones se generan figuras o patrones de difracción. Este fenómeno es distinto a la reflexión o a la refracción.

Las desviaciones de los rayos por difracción son diferentes para cada color de la luz y también dependen del tamaño del obstáculo. En el caso del CD les permitía descomponer la luz blanca y formar el arcoíris.

Difracción por un glóbulo rojo

Basándonos en el fenómeno de la difracción de la luz podemos deducir el tamaño de objetos microscópicos, difíciles de medir de otra manera. Para ello, basta analizar el patrón de difracción que producen. Y se pusieron a probar con un glóbulo rojo. Así, un voluntario generó el patrón de difracción, midió las distancias L y D y calculó la determinación del tamaño del glóbulo rojo (entre 7 y 8 micras). Para usar la fórmula mostrada: diámetro glóbulo rojo (micras)= 130x D(m)/L(cm) debe usarse el láser verde (532 nanómetros). Si se usa el láser rojo (650 nanómetros) o el láser azul (405 nanómetros), la cifra 130 de la fórmula debe sustituirse por 98,75 o 158,5, respectivamente.

El ojo humano

Este taller de la UNED permite también conocer el funcionamiento del ojo humano, que se comprende bien cuando se sabe qué es una lente, pues el cristalino es una lente situada a la entrada del ojo que forma las imágenes de los objetos del exterior en la retina, el fondo del ojo.

En el kit hay una plantilla con el dibujo de un ojo humano y con el juego de lentes se puede comprobar su funcionamiento y los posibles fallos que pueden producirse en la visión (miopía, enfocamos antes, hipermetropía, enfocamos después,…). 

Además de las dos citadas anteriormente (miopía e hipermetropía) existen otras dificultades en la visión que se analizan en algunos experimentos del kit. Por ejemplo, hay personas que tienen alguna dificultad para distinguir bien los colores; esto se llama daltonismo. Para detectarlo se puede hacer algún test como el de la diapositiva mostrada.

Los estudiantes del Guillelme Brown también aprendieron muchos conceptos con el taller de los experimentos que afianzaban la teoría del Kit de Fresnel.

Ilusiones ópticas

En el proceso de la visión actúan tanto los ojos, que captan la luz y forman las imágenes de las cosas, como el cerebro, que procesa esas imágenes. Pero hay figuras que engañan al sistema visual, las llamamos ilusiones ópticas. Estas pueden producir distintos tipos de confusión. Vieron los presentes cómo se puede producir el movimiento de imágenes estáticas, ya sea un caballo o dos tuercas.

El taller finalizó con un acto sorprendente para los chavales. Los físicos les mostraron un tarro de cristal transparente, aparentemente lleno de agua. Un niño se acercó para probar qué había dentro. Sacó unas bolitas de hidrogel sólo visibles al extraerlas del interior del tarro. ”¿Magia o Ciencia?”, preguntaba Juan Pedro Sánchez. “¡¡Ciencia!!” gritaban los escolares.

Otra prueba permitió reconocer rotuladores de colores usando gafas verdes y luego rojas para confirmar que las cosas se ven distintas según la luz que reciban.

Un kit especial

El kit de Fresnel, propiedad de la UNED, es un medio importante para que en cada centro los alumnos, con sus profesores de física, puedan ejecutar estos y más experimentos, siempre con el control del profesor, para evitar accidentes. Contiene además dos libros, uno sencillo y otro avanzado. Con el libro sencillo de pueden abordar 15 experimentos y con el avanzado, otros 19. En total este kit de la UNED permite realizar 34 pruebas prácticas de óptica distintas.

Es conveniente destacar que algunos de los experimentos del Kit de Fresnel requieren cierta destreza y los menores deben ser ayudados en todo momento por un adulto. Algunos componentes del kit son frágiles y pueden romperse si son golpeados o caen al suelo. Las lentes y los espejos deben ser tratados con delicadeza para evitar que puedan romperse o simplemente arañarse. Conviene que sus superficies estén siempre limpias y libres de marcas o rayaduras.

Este kit no es adecuado para niños menores de 6 años. Para edades comprendidas entre los 6 y 12 años se recomienda la supervisión de un adulto. Todas las normas de seguridad deben ser tenidas en cuenta en todo momento. Deberán ser explicadas o recordadas a los niños por el adulto supervisor, si ello fuese preciso.

El Kit de Fresnel es un proyecto divulgativo de rigor científico de la UNED muy apreciado en todos los lugares de España donde se presenta.

La caja de experimentos con luz Kit de Fresnel surge del proyecto Óptica recreativa, del cole a casa, realizado por profesores del Departamento de Física Interdisciplinar de la Facultad de Ciencias de la UNED, en colaboración con la asociación ColArte en Madrid y la Agencia Grupo Escuadra Comunicación, y financiado por la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT), Ref.: FCT-21-17443, y por UNED50. Cuenta también con el apoyo del Vicerrectorado de Investigación, Transferencia del Conocimiento y Divulgación Científica de la UNED.

El kit contiene 34 experimentos divididos en un nivel básico y en otro avanzado. Cada colegio ha recibido uno.

Así se ha hecho en Ourense el fomento del interés por la Ciencia entre niños y jóvenes de los cuatro centros educativos que se han sumado a la iniciativa científica de la UNED. "Estoy muy agradecido, y conmigo toda la UNED, a los equipos directivos de los cuatro centros. Sus alumnos han podido vivir una experiencia de nivel, que les ha permitido aprender conceptos nuevos o reforzar algunos. Y sobre todo experimentarlos. Aquí les ha entrado por los ojos, nunca mejor dicho. Estas cosas solo puede hacerlas de esta manera la UNED, gracias a este segundo kit que lleva el nombre de Fresnel y que sigue al primero, el kit de Faraday, dedicado al electromagnetismo, ya celebrado en Ourense", dijo el director de UNED Ourense, doctor Jesús Manuel García Díaz.

UNED Ourense

Comunicación