2. Propagación rectilínea de la luz. Velocidad de la luz

La luz es emitida por las fuentes luminosas. Las fuentes luminosas pueden ser primarias o secundarias. Las primeras son objetos que tienen la temperatura suficiente para emitir radiación en la zona del espectro electromagnético de la luz visible. Las secundarias son objetos que difunden la luz que les llega; también se conocen como cuerpos iluminados.

Imagen 4. NASA. Dominio público.
Imagen 5. Sagredo. Dominio público.

En el apartado anterior has aprendido que la luz se comporta como una onda en los fenómenos relacionados con la propagación. Si recuerdas el concepto de rayo, línea imaginaria que tiene la dirección de propagación de la onda, un rayo luminoso será la línea de propagación de la luz.

Al describir la propagación de la luz con el concepto de rayo se tiende a ignorar el hecho de que la onda está oscilando, pero es una simplificación adecuada para describir muchos fenómenos ópticos como la reflexión y la refracción.

Como la velocidad de propagación de una onda depende del medio, si este es homogéneo e isótropo la velocidad de la luz será la misma en todas las direcciones y los rayos serán líneas rectas. Cuando la luz alcanza un medio distinto el rayo recorre un camino diferente en el mismo tiempo, la velocidad varía, la dirección del rayo se modifica. Por esto, cuando una luz cambia de medio su frecuencia no se modifica pero si lo hace su longitud de onda.

Un ejemplo de la propagación rectilínea de la luz son los eclipses y la formación de sombras.

Velocidad de la luz

 

La velocidad de la luz depende del medio debido a su naturaleza ondulatoria. Desde el principio se aceptó que la velocidad de la luz era muy elevada y hasta la época de Galileo (1564-1642) se consideraba que la luz se propagaba instantáneamente.

Imagen 6. Elaboración propia.

Galileo consideró que, al igual que el sonido (del que midió su velocidad en el aire), la luz debía tener una velocidad finita y diseñó un experimento para medirla. Este experimento consistía en colocar a uno de sus ayudantes en la cima de una montaña y él se colocaba en la cima de otra a unos 2 km de distancia. Ambos provistos de sendas linternas con un sistema para ocultarlas. Galileo destapaba su linterna y cuando su ayudante veía la luz destapaba la suya. Midiendo el tiempo transcurrido entre la apertura de su linterna y que veía la luz procedente de la de su ayudante, calculaba la velocidad de la luz. El método no dio resultado debido a que el tiempo de la medida es mucho menor que el tiempo de respuesta humano.

A partir de Galileo, se sucedieron muchos experimentos para determinar la velocidad de la luz.

En 1675, el astrónomo danés Olaf Roemer hizo la primera estimación de la velocidad de la luz. Para ello utilizó el satélite Io de Júpiter, que se eclipsa al entrar en el cono de sombra proyectado por Júpiter. La diferencia entre la duración del eclipse cuando la Tierra estaba más cerca y cuando estaba más lejos de Júpiter, la interpretó como el tiempo que tardaba en recorrer la luz el diámetro de la órbita terrestre. Roemer obtuvo para la velocidad de la luz, 2,1·105 km/s.


Vídeo 1. Bertino Matteo. Creative commons.
Imagen 7. Brews ohare. Creative commons.

En 1849, el físico francés Hippolyte Fizeau realizó la primera determinación precisa de la velocidad de la luz. Para ello utilizó una rueda dentada de 720 dientes, que podía girar con una velocidad conocida y constante, y un espejo situado a 8633 m. Una luz muy brillante se envía a través de uno de los espacios que existe entre dos dientes de la rueda y se refleja en el espejo. Según como se ajusta la velocidad de rotación de la rueda dentada, el rayo reflejado vuelve al observador o choca con el diente. Sabiendo el valor de la velocidad de rotación de la rueda para la cual el observador no ve luz, se calcula el valor de la velocidad de la luz. Fizeau obtuvo un valor de 3,1·105 km/s.

En el vídeo puedes ver un fotón realizando el viaje descrito a través de los dientes de la rueda.

Actualmente, diversos métodos muy precisos han permitido aceptar para la velocidad de la luz el valor de 2,9979·108 m/s.

Animación 1. Cantus. GNU Free Documentation License.

En la animación un haz de luz viaja entre la Tierra y la Luna en 1,26 s aproximadamente.

Icono de iDevice Ejemplo o ejercicio resuelto

Sabiendo que la luz del Sol tarda aproximadamente 8 minutos en llegar a la Tierra. ¿Cuál es la distancia entre el Sol y la Tierra?

Dato: Velocidad de la luz en el vacío, 3·108 m/s


Icono de iDevice Ejemplo o ejercicio resuelto

La distancia que recorre la luz en un año se denomina año luz y se utiliza como unidad de longitud para medir distancias interestelares. Calcula el número de kilómetros de un año luz.

Dato: Velocidad de la luz en el vacío, 3·108 m/s


El parsec es otra unidad de longitud utilizada en astronomía. Sabiendo que un parsec equivale a 3,086 ∙ 1016 m, ¿cuántos años luz es un parsec?


Icono de iDevice AV - Reflexión

La Próxima Centauri es la estrella más próxima a la Tierra, después del Sol, dista de nosotros 4,22 años luz. ¿Cuánto tarda en llegar a la Tierra la luz procedente de esta estrella?

  Imagen 8. Yo. Dominio público.