Espejos esféricos

La luz se refleja en las superficies. Cualquier superficie pulida o, en otras palabras, brillante siempre actúa como un espejo, sea del tipo que sea. La observación de la luz que rebota o regresa de las superficies se denomina reflexión .. La luz tras el caso de reflexión viaja o sigue en el mismo medio por donde incidió el rayo sobre la superficie. Este fenómeno de reflexión no pretende cambiar la velocidad de la luz, solo invierte la dirección de la luz que incide sobre ella. Esto se puede observar en cualquier superficie que sea rugosa o lisa. La trayectoria del rayo reflejado dependerá de la extensión de la lisura de la superficie, en el caso de una superficie lisa el rayo reflejado emerge con el mismo ángulo que el de incidencia y en este último caso sufre una reflexión irregular por lo que el rayo reflejado no emerge lo mismo que el del ángulo de incidencia.

La superficie curva que vemos de una cuchara brillante puede considerarse como un espejo curvo. El tipo de espejo curvo más utilizado es el espejo esférico. Se considera que la superficie reflectante de tales espejos forma parte de la superficie de cualquier esfera. Aquel tipo de espejos que tienen sus superficies reflectantes esféricas, se denominan espejos esféricos. Estudiemos eso más profundamente.

Espejos esféricos

Un espejo esférico o un espejo que es parte de una esfera es un espejo que tiene la forma de una pieza cortada de una superficie o material esférico. Existen dos tipos de espejos esféricos que son: espejos cóncavos y convexos. 

La Historia de los espejos esféricos estudiada en Human Civilization incluye que los primeros espejos utilizados por los humanos se consideraban probablemente estanques de agua. Los primeros espejos estudiados y fabricados que se conocen fueron piezas de piedra pulida. Allá por el año 500 d. C., los chinos tendían a fabricar espejos esféricos utilizando amalgamas de plata y mercurio. El famoso científico Claudio Ptolomeo realizó varios experimentos con espejos curvos de hierro pulido.

Términos básicos para espejos esféricos 

Hay algunos términos comunes que debemos conocer al estudiar los espejos esféricos, y son los siguientes:

• Centro de curvatura: El punto en el centro de la superficie del espejo que pasa por la curva del espejo y tiene la misma tangente y curvatura en ese punto. Se representa con la letra C mayúscula.
• Radio de Curvatura: Se considera como la distancia lineal entre el polo y el centro de curvatura. Se representa con la letra R mayúscula, R=2f
• Eje principal: Línea imaginaria que pasa por el centro óptico y desde el centro de curvatura de un espejo esférico. Todas las medidas se basan en esta línea.
• Polo: El punto medio o el punto central del espejo esférico. Se representa con P mayúscula. Todas las medidas se hacen a partir de ella solamente.
• Apertura: Una apertura de un espejo es un punto desde el cual el reflejo de la luz realmente tiene lugar o sucede. También da una idea sobre el tamaño del espejo.
• Enfoque principal: El enfoque principal también se puede llamar el punto focal. Está presente en el eje de un espejo donde los rayos de luz paralelos al eje principal convergen o parecen converger o divergir después de la reflexión.
• Foco: Es cualquier punto dado en el eje principal donde los rayos de luz paralelos al eje principal convergerán o parecerán converger después de ser reflejados por el espejo.

Aplicaciones de los espejos esféricos

Siempre forman imágenes verticales y ampliadas y, por lo tanto, son útiles para maquillarse o afeitarse. Se utilizan ampliamente en la vida cotidiana, como en las linternas y los faros, ya que proyectan haces de luz paralelos, y en los telescopios, ya que enfocan la luz para producir imágenes muy ampliadas.

Un espejo cóncavo se usa ampliamente como reflector en reflectores en todas partes, como faros de vehículos motorizados, como cocinas solares, en antorchas y en lámparas de mesa. Un espejo convexo se usa mucho en automóviles, como scooters, camiones y autobuses como espejo retrovisor para ver el tráfico detrás del vehículo.

Estructura de espejos esféricos

Un espejo esférico puede ser cóncavo o convexo dependiendo de la superficie de reflexión. Si está abultado, entonces es un espejo esférico convexo, mientras que si está doblado hacia adentro, se denomina espejo esférico cóncavo.

Un espejo esférico típico es una parte de una gran esfera de la que se ha tomado el recorte. El siguiente diagrama describe las diferentes partes que hay en un espejo esférico. La definición de estas partes ya se ha dado anteriormente.

Tipos de espejos esféricos

La superficie reflectante o el lugar donde tiene lugar el reflejo en el caso de un espejo esférico puede estar curvado hacia adentro o hacia afuera. Como sabemos, según el tipo de superficie reflectante, hay dos espejos esféricos muy comunes y ampliamente utilizados que usamos a diario. El siguiente es el diagrama que muestra el espejo cóncavo y convexo.

Espejo cóncavo

Un espejo esférico cuya superficie reflectante está curvada hacia adentro, lo que significa que mira hacia el centro de la esfera, se conoce como un espejo cóncavo. La parte posterior de los espejos siempre está sombreada para que el reflejo solo pueda tener lugar desde la superficie abombada hacia adentro. La superficie de la cuchara que está curvada hacia dentro se puede aproximar a un espejo cóncavo. También se le conoce como espejo convergente porque el rayo de luz después de rebotar parece converger en algunos puntos donde podemos obtener una imagen real, invertida y aumentada o disminuida según la ubicación del objeto.

Usos del espejo cóncavo:

• Los espejos convergentes son los más utilizados para afeitarse porque tienen superficies reflectantes y curvas.
• El espejo cóncavo se utiliza en el oftalmoscopio.
• Estos espejos también se utilizan ampliamente en la fabricación de telescopios astronómicos. En un telescopio astronómico, se utiliza como objetivo un espejo convergente de un diámetro de unos 5 metros o más.
• Los espejos convergentes se utilizan ampliamente en faros de automóviles y en vehículos de motor, linternas, motores de ferrocarril, etc. como reflectores.
• Se utilizan grandes espejos convergentes para enfocar la luz del sol y producir calor en el horno solar.

Espejo convexo

Se sabe que un espejo esférico que tiene su superficie reflectante curvada hacia afuera es un espejo convexo. La parte posterior del espejo está sombreada para que el reflejo solo se produzca desde la parte exterior abombada. Se puede suponer que la superficie de la cuchara que sobresale hacia fuera es un espejo convexo. También se conoce como espejo divergente, ya que la luz después de reflejarse a través de su superficie diverge en muchas direcciones, pero parece encontrarse en algunos puntos donde se forma la imagen virtual erecta de tamaño reducido.

Usos del espejo convexo:

• Espejos convexos utilizados dentro de los edificios para que las personas puedan ver todo el edificio a la vez.
• Espejo convexo utilizado en vehículos. Los espejos convexos se usan comúnmente como espejos retrovisores en el caso de automóviles y vehículos porque pueden divergir los haces de luz y crear imágenes virtuales.
• Estos espejos se utilizan principalmente para construir lupas. En las industrias, para construir una lupa, se colocan dos espejos convexos espalda con espalda.
• Los espejos divergentes también se utilizan con fines de seguridad en muchos lugares. Se colocan cerca de los cajeros automáticos para que los clientes del banco comprueben si alguien está detrás de ellos o no.
• Los espejos convexos también se utilizan ampliamente en otros lugares, por ejemplo, como reflectores de farolas, ya que pueden difundir la luz en áreas más grandes.

Convención de signos para espejos esféricos

Por lo general, si el objeto está ubicado en el lado izquierdo del eje principal del espejo, la distancia al objeto se toma como negativa. Mientras que si se encuentra en el lado derecho se toma como positivo. El signo de la distancia focal depende del tipo de espejo que estemos usando, ya que para el espejo cóncavo es negativo y para el espejo convexo en cambio siempre es positivo. Debe mencionarse nuevamente que debemos seguir estrictamente las convenciones de signos para obtener la respuesta correcta. Las alturas que están por encima del eje principal son positivas y por debajo son negativas.

Trazado de rayos

Los siguientes ejemplos muestran cómo se trazan los rayos para varias posiciones de un objeto desde los espejos esféricos:

Cuando el objeto se mantiene en el infinito en caso de espejo cóncavo

Como los rayos paralelos provenientes del objeto convergen en el foco principal, F de un espejo cóncavo; después de la reflexión a través de él. Por lo tanto, cuando el objeto está en el infinito, la imagen se formará en F.

Propiedades de la imagen formada: 

• Imagen de tamaño puntual, muy disminuida de tamaño, Imagen real e invertida.
• Las líneas paralelas que provienen del objeto muy distante en el infinito después de golpear la superficie reflectante del espejo cóncavo se reflejan y se encuentran en un punto, o podemos decir en este caso que convergen en un punto. Este punto se conoce como el foco principal del espejo cóncavo.

Cuando el objeto se mantiene en el infinito en caso de espejo convexo

Siempre que el objeto se mantiene en el infinito, observamos que se forma una imagen del tamaño de un punto en el foco principal detrás del espejo convexo.

Propiedades de la imagen: 

• La imagen formada es muy reducida en tamaño, virtual y erecta.
• Las líneas paralelas que provienen del objeto muy distante en el infinito después de golpear la superficie reflectante del espejo convexo se reflejan y parecen encontrarse en un punto, o podemos decir que en este caso divergen de la superficie y parecen encontrarse en un punto. . Este punto se conoce como el foco principal del espejo convexo.

Problema de muestra

Pregunta 1: Averigüe la distancia focal con signo en el caso de un espejo cóncavo con un radio de curvatura de 30 cm.

Solución:

Como sabemos que R=2f

Donde R= radio de curvatura del espejo cóncavo, f= distancia focal del espejo cóncavo

R = 2f

f= -15cm (negativo indica que es un espejo cóncavo.)

Por lo tanto, la distancia focal del espejo cóncavo es de 15 cm.

Pregunta 2: Indique los tipos de espejos esféricos.

Responder:

Hay dos tipos de espejos esféricos:

1. Espejo cóncavo que tiene una superficie doblada hacia adentro.
2. Espejo convexo que tiene una superficie abombada hacia el exterior.

Pregunta 3: ¿Cómo se puede definir el foco principal de un espejo cóncavo?

Responder:

Cuando un haz paralelo de rayos de luz inciden en un espejo cóncavo, después de la reflexión a través de su superficie convergen en un punto particular en el eje principal que se conoce como foco principal del espejo cóncavo.

Pregunta 4: ¿Cómo se puede definir el foco principal de un espejo convexo?

Responder:

Cuando un haz paralelo de rayos de luz inciden en un espejo convexo, después de la reflexión a través de su superficie divergen a través de su superficie pero parecen encontrarse en un punto particular en el eje principal que se conoce como foco principal del espejo convexo.

Pregunta 5: ¿Cuál es la distancia focal del espejo convexo si el radio de curvatura es de 40 cm?

Solución:

Como sabemos que R=2f

Donde R= radio de curvatura del espejo convexo, f= distancia focal del espejo convexo

R = 2f

f= +20cm (positivo indica que es un espejo convexo.)

Por lo tanto, la distancia focal del espejo convexo es de 20 cm.

Pregunta 6: ¿Cuál es el radio de curvatura del espejo convexo si su distancia focal es de 16 cm?

Solución:

Como sabemos que R=2f

Donde R= radio de curvatura del espejo convexo, f= distancia focal del espejo convexo

R = 2f

R= 2x16cm

R= 32cm

Por lo tanto, el radio de curvatura del espejo convexo es de 32 cm.