jueves, 23 de abril de 2015

Caleidoscopio (IYL2015 -Óptica13)

Un caleidoscopio (del griego kalós bella, éidos imagen, scopéo observar) es un conjunto de tres espejos, planos que forman un prisma triangular con su parte reflectante hacia el interior, al extremo de los cuales se encuentran dos láminas traslúcidas entre las cuales hay varios objetos de colores y formas diferentes. Las imágenes de estos objetos se ven multiplicadas simétricamente al ir girando el tubo mientras se mira por el extremo opuesto (Wikipedia).
Las reflexiones múltiples que se producen en el caleidoscopio, se explican aquí: http://fisica1011tutor.blogspot.com/2015/01/multiples-imagenes-entre-dos-espejos.html.
Para motivar a sus estudiantes, el docente puede construir un caleidoscopio como el de la figura, para que sea examinado por los estudiantes, más  un texto guía con preguntas.
Objetivo
: Construir un caleidoscopio, explicar la base física de su funcionamiento y utilizarlo para observar la imágenes múltiples que produce.

Materiales: una caja de leche alta, navaja, tijera o cúter, lija, cinta engomada, pegamento corriente, tres láminas de espejo de cm por 6,5 cm (poco menos que el ancho interno de la caja) por 20 cm (1 cm más que el alto de la caja), objetos livianos de colores y formas (flores pequeñas)
¿Qué hacer?:
  1. Abra la cuña superior de la caja de leche.
    Corte solo tres aristas de la base (queda una aleta cuadrada). 
  2. Corte a lo largo de una de las aristas de 19 cm, para abrir la caja.
    Doble y remarque fuertemente las otras tres aristas de la caja, para formar un prisma triangular equilátero de uno 6,8 cm de lado. Queda una aleta rectangular que usará luego como refuerzo del prima.
    En el centro de la aleta cuadrada dibuje un círculo como del tamaño de una moneda de ¢10 y recórtelo con el cúter, será el visor (ocular) del caleidoscopio. 
  3. Lije los bordes de los tres espejos, para evitar cortaduras en sus manos.
  4. Remueva con un cúter o cuchilla, la película de alumino del espejo, en cada unos de los tres resctángulos (6,5 cm x 1,0 cm) que sobresalen en uno de los extremos de la caja (!para que entre la luz!). Tenga cuidado de no rayar mucho la superficie de vidrio, use una esponja de acero para eliminar risidduos.
  5. Fije con pegamento los espejos contra cada uno de las tres  caras del prisma equilátero.
    Cierre el prisma, refuerce con la aleta rectangular, use la cinta engomada.
     
  6. Elimine el sobrante de la cuña superior, dóblelo o use una tijera.
  • Y ahora a disfrutar de su caleidoscopio. Observando por el ocular.
  • Apunte hacia objetos luminosos (¡nunca hacia el Sol!).
  • Arrime objetos de colores del lado del prisma de vidrio del ocular (flores pequeñas)
  • Coloque frente al objetivo filtros de colores.
    ¿Hay alguna diferencia si los coloca detrás del ocular?

martes, 14 de abril de 2015

Preservemos la oscuridad del cielo nocturno.

(Original publicado: sábado 1 de marzo de 2008)

La contaminación lumínica es un tema ambiental del que quizás no ha escuchado hablar mucho.

Se trata del deterioro del ambiente nocturno que va en rápido crecimiento, y tiene seriamente alarmados a los astrónomos, tanto profesionales como aficionados.
Nos enfrentamos a la posibilidad de que dentro de una o dos generaciones, muy poca gente será capaz de tener una visión real del universo.
El brillo de las luces de las ciudades impedirá ver el cielo nocturno, de la misma manera que en una habitación iluminada usted no puede ver una proyección de diapositivas.
Iluminación de la Plaza de la Justicia,
Circuito Judicial San José
.

¡Así se hace!
Lámparas con blindaje superior, lateral y a baja altura, para aumentar la iluminación.
Felicitaciones a los ingenieros y técnicos en luminotecnia responbles. Es un excelente ejemplo de que se pueden hacer bien las cosas.
La iluminación desordenada y en exceso es también un gran peligro para ciertos animales como las tortugas y aves megratorias, según nos lo han venido señalando los ecologistas desde hace años.
La Contaminación lumínica está compuesta por:
  1. El resplandor luminoso del cielo de las ciudades, que está dejando a la humanidad sin visión del universo.
  2. El brillo cegador (encandilamiento) que nos deja sin visibilidad, causándonos un daño tanto físico como psicológico, que podría perjudicarnos a corto plazo.
  3. La infiltración de luz que utiliza otra persona y que nos afecta molestándonos al pasar a nuestra propiedad.
  4. La iluminación desorganizada en calles y edificios, que deteriora nuestro medio ambiente.
¡Así no se hace!
Este diseño de lámpara, por cierto aún muy usado, tiene blindaje en la parte superior, pero no a los lados. Produce el tipo de encandilamiento que se aprecia en la imagen nocturna. Además, por su colocación quizás no ilumina lo que prentende quien la instaló, pero produce una molesta contaminación (no deseada ni autorizada) en la ventana del vecino.

Iluminación con calidad es la clave.
Dichas soluciones conservan el cielo oscuro, mejoran la calidad del medio y de la iluminación nocturna y al mismo tiempo ahorran dinero. Si logramos esto, todos ganamos.

Por supuesto es necesario tener conciencia del problema y de sus soluciones, pero generalmente esto no ocurre, aún entre profesionales de la iluminación.
La carencia de conciencia - más que la resistencia - es el principal obstáculo para la implementación de las soluciones.
Las nuevas lámparas que iluminan el campo ferial de Zapote, tienen el blindaje apropiado hacia arriba y hacia los lados, pero se inclinaron un poco para iluminar un área más extensa alrededor del poste.


Usted puede ayudar.
Por favor hágalo.

He aquí una manera:
Comience por crear conciencia del problema y su solución.
Insista en tener una iluminación de calidad y utilícela usted mismo.
La luz de calidad está bien dirigida y apantallada (para usarla y no malgastarla), use la cantidad correcta de luz, (no se sobrepase), si puede incluya controles de tiempo y utilice lámparas que consuman poca energía eléctrica, pero que su producción de luz sea eficiente.
La iluminación de calidad está dirigida directamente hacia el lugar donde se necesita y no hacia arriba, no hacia los lados, ni hacia el vecino, donde se malgasta causando brillo cegador, infiltración de luz y un cielo brillante.
El maltrato del medio, incluyendo el deterioro de la visión del universo son problemas que nos afectan de manera negativa a todos los seres vivos y perjudica seriamente el futuro de la observación astronómica en cualquier lugar de la Tierra.
Tome tiempo para analizar el problema, estudiarlo y proponer soluciones. Quienes nos preocupamos por el medio ambiente y nuestra calidad de vida necesitamos de su ayuda.
Por favor, tome conciencia del mal uso de la luz, adquiera y practique buenos hábitos y encuentre alguna manera para ayudar a mantener la oscuridad del cielo.
Si puede tomar fotos de su vecindario, donde considere que hay una notable contaminación lumínica (excesiva iluminación, encandilamiento especialmente a conductores de vehículos, dirigidas de manera inapropiada -hacia el cielo- , etc.) envíelas a javillalobos@ice.co.cr, necesitamos algunas para ilustrar nuestra protesta. 
Muchas gracias.
Alrededores del Parque Central, Catedral, Plaza de la Cultura, Teatro Nacional, Plaza de la Democracia.






 










Referencias adicionales:
National Dark-Sky Week
The International Dark Sky Association
Dark Sky Society

Astromy Picture of the Day
Earth at Night
Credit: C. Mayhew & R. Simmon (NASA/GSFC), NOAA/

martes, 7 de abril de 2015

Rayos del Sol perpendiculares


Este fenómeno también se conoce como “Sol cenital”, y se refiere a la fecha y la hora en que los rayos solares inciden perpendicularmente a un plano horizontal en la superficie terrestre, ¡donde usted está!
El Sol entonces estará lo más alto en el cielo (altitud h≈ +90°), en la dirección opuesta de la plomada (vertical hacia arriba), esto es, el Sol estará efectuando un “tránsito cenital”.

14 de abril de 2004.
Como consecuencia de lo anterior, una varilla vertical, no producirá sombra, o para ser más claros, la sombra de la varilla vertical estaría bajo su base y exactamente del mismo tamaño que ésta, y no se ve.


En las regiones de la Tierra cercanas al ecuador terrestre, la observación no confrontada con mediciones, nos puede hacer creer que:
a) El paso cenital ocurre todos los días y
b) Ocurre siempre a las 12:00, hora local.
Pero ninguna de las dos afirmaciones anteriores es correcta.

El habitante de las zonas templadas o polares, enfrenta casi todo el tiempo, culminaciones del Sol (cruce del meridiano del observador), que nunca son cenitales (solo son cenitales dentro de la zona tropical), por eso, generalmente no incurre en la confusión tipo (a).

Ahora bien, aunque la culminación del Sol señala la hora del “mediodía solar local”, esto corresponde a las 12:00:00, hora oficial del observador, sólo si éste está en sitios cuya longitud geográfica es 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°,… etc.
Entonces, si adoptamos como la longitud promedio de Costa Rica 84° Oeste, esto es 6° antes del meridiano de 90°, el mediodía local (culminación del Sol), ocurre  (6°)(1 hora)/(15°)= 0,4 horas
24 minutos antes; a las 11:36.
Haga usted el ajuste para la longitud geográfica de su sitio de observación. (http://fisica1011tutor.blogspot.com/2011/06/determinar-el-momento-del-sol-cenital.html).

Ahora bien, como la coordenada celeste denominada “declinación δ” es análoga a la coordenada geográfica denominada “latitud λ”, es fácil concluir que el Sol será cenital en un sitio (¡solo entre los trópicos!), cuando la cambiante declinación solar sea igual a la latitud del observador.
Si tomamos entonces que la latitud promedio de Costa Rica es 10° Norte, entonces cuando el Sol tenga esa declinación, en ese día tendríamos “rayos solares perpendiculares a la hora del mediodía solar”.
Esta perpendicularidad de los rayos solares ocurre dos veces al año (vea tabla de declinaciones solares), para Costa Rica alrededor del 15 de abril y del 27 de agosto.
Haga usted el ajuste (estimación) para su respectiva latitud geográfica.

10 de abril de 2015. Zapote, San José.C.R.
!Faltan cuatro días, pero sobran nubes!
Entonces, la medición del día y la hora a la que los rayos solares caen perpendicularmente a su sitio de observación, es realmente un asunto de mero trámite académico, pero muy interesante, por la realización de la medición propiamente dicha y el diseño de un simple aparato para observarla.

  • Cuando se realiza la medición de un objeto, o de alguna propiedad de un fenómeno físico, se debe:
    a) Tener un excelente conocimiento teórico de la situación (digamos como se explicó arriba).

    b) Realizar una acertada estimación del valor que tendría el resultado de la medición, no sea que esperemos metros, y resulten kilómetros.

    c) Usar los instrumentos de medición que proporcionen la mayor exactitud y la menor incertidumbre (buena precisión).

    d) Utilizar un método (construir un aparato y usar un procedimiento), que brinde los mejores resultados, en concordancia con nuestro conocimiento, habilidad y recursos.
En años anteriores he usado el método de la “sombra de la varilla vertical”, que me ha dado buenos resultados. Pero en este 2015 Año Internacional de la Luz utilizaré un método que consiste en proyectar la imagen luminosa del Sol, usando un diseño similar al de una cámara oscura, de la siguiente manera:
Materiales: una tapa de un tarro de alimentos, algunas piezas de madera, broca de pequeño diámetro y taladro, pegamento, papel, lápiz, plomada (o aguja gruesa colgando de un hilo fino), 2 clavos de 1/2 pulgada, martillo, reloj bien calibrado.
¿Qué hacer?

  1. Con cuidado use el taladro para hacer un agujero circular en el centro de la tapa (broca de 1 mm de diámetro sería apropiada). 
  2. Cerca de mediodía tome la tapa en sus manos y trate de encontrar experimentalmente el mejor enfoque de la imagen del sol, sobre el papel (algo entre 20 y 60 cm).
    Corte entonces una pieza de venilla de madera de esa longitud, para fijar la altura de la tapa.
     
  3. Marcque el punto en el papel exactamente debajo del agujero de la tapa (use una plomada).
(Opcional). Trace por el punto en el papel dos rectas perpendiculares entre sí y oriéntelas Norte-Sur, Este-Oeste, usando una brújula (¡hay aplicaciones para celulares y tablets!).
Ya está.
Ahora a observar cerca del mediodía solar local, para determinar fecha y hora.
Tome fotografías.

  • Nota 1: Este aparatito le puede servir para otras actividades, por ejemplo: observar por proyección el movimiento del Sol durante un día, verificar la dirección Norte-Sur, encontrar el mediodía solar cualquier día, usarlo como un reloj de sol básico, dibujar una analema observando cada semana a la misma hora durante un año, etc. 
  • Nota 2: El diámetro del agujero si es grande deja pasar más luz, pero aumenta la incertidumbre (desenfoca). Si es muy pequeño es más preciso, pero produce una imagen menos intensa y hasta podrían comenzar a influir fenómenos de interferencia y difracción.
    Existe un estudio realizado por Lord Rayleigh para una cámara oscura, que liga la distancia foca (f), el diámetro del agujero (d) y la longitud de onda de la luz (λ). Decida primero el diámetro (sólo hay ciertos diámetros de brocas) y entonces calcule la altura de la tapa (f) con la fórmula d= 1,9√(f λ), o use el programa Pinholedesigner 2.0.
    Para una longitud de onda de la luz λ= 550 nm = 0,00055 mm, la que mejor percibe el ojo humano, y un diámetro d= 1,0 mm, resulta f= 503 mm.
  • Nota 3. Si le parece use la situación inversa: “pequeña sombra sobre una región iluminada". Simplemente sustituya la tapa y el agujero por un pequeño balín en el extremo de una delgada varilla. Todo lo demás igual.