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miércoles, octubre 18, 2006

Alias: Lentes amplificadoras

Foto promocional de la cuarta temporada de Alias, en la que aparecen de izquierda a derecha: Eric, Sloan, Nadia, Jack, Sydney, Michael, Marcus y MarshallVamos a acordarnos de una serie de la que ya he comentado alguna cosa que otra: Alias. En el episodio del pasado fin de semana, los protas tienen que hacerse con un cristal amplificador, capaz de aumentar enormemente la potencia de un láser. Como ejemplo, el extravagante genio Marshall menciona que el simple láser de un reproductor de CD podría ser utilizado para derribar un avión o cortar el acero.

Pues bien, un cristal así, simplemente viola uno de los pilares fundamentales de la física: el conocidísimo Principio de Conservación de la Energía (o Primera Ley de la Termodinámica). Ya sabéis, “la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma”. El laser de un lector de CD tiene una potencia de unos pocos milivatios (recordemos que la potencia es la energía dividida por unidad de tiempo), y por muchas virguerías que se le hagan, a menos que se le suministre más potencia, dificilmente podremos derribar un avión. Es simplemente imposible aumentar la potencia de cualquier tipo de señal con un dispositivo que no obtenga energía de algún otro sitio. Pensad por ejemplo en un simple sistema Home Cinema. La señal que viaja por el cable que conecta nuestro reproductor de DVD con el amplificador de sonido, tiene muy poca potencia, pero el amplificador está enchufado a la red eléctrica, y extrae de ahí la potencia necesaria para hacer retumbar el suelo de la habitación (y seguramente molestar a los vecinos).

Dibujo que muestra una lente convergente, concentrando la luz solar sobre una cerilla. Aparecen etiquetadas en inglés la luz solar, la longitud focal, y el foco.Supongo que muchos pensarán ahora ¿y qué pasa con las lupas y el sol? Todos hemos oído decir (o incluso experimentado) que con una lupa puedes concentrar los rayos del sol y calentar algo (incluso quemarlo). ¿Cómo es posible? Bien, una lupa (o cualquier lente), no aumenta la energía de la radiación solar. Sin embargo, hace converger los rayos de luz de forma que se cortan en un punto llamado foco (o punto focal). En ese punto se concentra toda la energía que ha atravesado la lupa, por lo que su irradiancia es muy grande. Dibujo que muestra dos lentes convergentes separadas, siendo atravesadas por haces de luz. En una, los rayos convergen en un único punto (caso ideal). En la otra, no todos los rayos se cortan en el mismo punto (caso real).¿Su qué? La irradiancia es una magnitud que se define como la potencia (de una radiación) dividida entre la superficie. En el foco, la potencia recibida sigue siendo la misma, pero como está concentrada en una sección muy pequeña (nunca llega a ser cero, ya que no existen lentes perfectas), su irradiancia es muy grande. Podéis pensar en una analogía con los conceptos de fuerza y presión. La presión es la fuerza dividida entre la superficie, y con un objeto punzante ejercemos más presión sobre una superficie, que con uno romo. Cualquiera puede penetrar su piel con una aguja, simplemente apretando con un dedo; algo imposible si utilizáramos por ejemplo, un dado.

Fijáos que estamos hablando siempre de un punto, que se encuentra a una distancia fija de la lente (la llamada longitud focal). Si la lupa está demasiado cerca o demasiado lejos, el foco no estará sobre el objeto que deseamos quemar, y no conseguiremos nada. Si queremos variar dicha distancia, tenemos que utilizar varias lentes, una detrás de otra, y variar la distancia entre ellas. Así es como funciona, por ejemplo, el objetivo de una cámara (y de ahí la expresión “enfocar”, ya que se intenta que el objeto quede situado en el foco).

Podemos ver dos diferencias fundamentales con el caso de un laser. Al utilizar el sol y una lupa, la potencia en cuestión es la que atraviesa la superficie de la lente. Cuanto más grande sea ésta, de más potencia dispondremos. Por un lado, la potencia que podemos captar del sol es bastante mayor que la producida por un lector de CD. Por otro, en un láser, toda la potencia ya está concentrada en una sección muy pequeña. Para hacernos una idea, el surco de un CD tiene un ancho de 0,5 μm (es decir, 0,0005 mm), por lo que el láser de un lector no puede ser mucho más ancho. Concentrandolo aún más, no conseguiríamos gran cosa.

15 comentarios:

  1. Lo que ocurre con la lupa y el sol es que no somos conscientes de la gran cantidad de energía que emite el sol, y que nos "golpea" contínuamente.

    No parece tan grande la superficie de la lupa, y el sol que incide sobre ella, como el efecto que provoca en la focal, sobre un material combustible.

    De ahí que el 'engaño' del laser y el cristal parezca creible.

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  2. Esto me recuerda la leyenda de Arquímedes incendiando la flota romana con espejos; parece poco verosimil ¿qué opinas?

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  3. El principio de conservación de la energía realmente le hace la puñeta a los guionistas de películas y series. En innumerables ocasiones, los fenómenos y aparatos que aparecen en las series violan este principio.

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  4. Llevas razon en lo que dices (bueno, eso afirmo yo tambien que soy algo torpe en estas cosas).

    Sin embargo, eso me trae a colacion otra reflexion. Si al usar la lupa se "hace converger los rayos de luz" ... entonces ¿por que el resto del area detras de la lupa que esta fuera del cono no esta a oscuras? ... jajaja, claro, algo de difusion habra ¿no?.

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  5. Una cuestión relativa a la segunda imagen que has puesto en este post, en el que aparecen dos lentes convergentes.

    En la primera se ve como los rayos convergen en un punto.

    En la segunda se ve que no convergen, pero creo que ese dibujo corresponde al típico ejemplo de aberración esférica de las lentes ¿no? No a una imagen desenfocada.


    Francisco Jones

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  6. Rubén ha escrito:
    " entonces ¿por que el resto del area detras de la lupa que esta fuera del cono no esta a oscuras? ... jajaja, claro, algo de difusion habra ¿no?"

    Efectivamente, en el post original se dice que "en ese punto se concentra toda la energía que ha atravesado la lupa". Esto NO ES CORRECTO. Solamente LOS RAYOS QUE LLEGAN PARALELOS AL EJE se concentran en el foco tras atravesar la lente (véanse los dibujos ilustrativos).

    A la lente llegan rayos de luz con diferentes inclinaciones. De hecho, aquellos rayos que llegan al centro óptico de la lente (con la inclinación que sea) pasan por la lente sin sufrir ninguna refracción.

    Saludos

    P.D: consultad http://es.wikipedia.org/wiki/Lente

    Francisco Jones

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  7. buenos días. Imagino que debe de haber alguna relación entre el fenómeno de los focos y los microscopios y telescopios que no tenrmino de entender.

    Ah, y más importante no termino de entender el concepto de potencia. vale, es un cociente de energía y tiempo. Lo de energía está bastante claro. Pero el tiempo...tiempo de qué? de que esa energía sea utilizada para algo? porque si pensamos en el tiempo que precisan los rayos solares para llegar al suelo, la interferencia de una lupa haría que este fuera mayor, por una cuestión de que adquieren una inclinación y no se encuentran ya en línea recta. O eso creo.
    Hasta donde entiendo el uso de una lente no aumenta la potencia sino la irradiancia si se quiere.

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  8. En la segunda se ve que no convergen, pero creo que ese dibujo corresponde al típico ejemplo de aberración esférica de las lentes ¿no?

    Sí. Lo puse como ejemplo de lo que comentaba, que no existen lentes perfectas, y que en realidad los rayos no convergen en un único punto.

    Solamente LOS RAYOS QUE LLEGAN PARALELOS AL EJE se concentran en el foco tras atravesar la lente (véanse los dibujos ilustrativos)

    Tienes mucha razón. Cuando se habla de la lupa y de cómo convergen los rayos, se suele suponer que uno se refiere a los rayos que proceden directamente del sol. Pero no es la única luz a tener en cuenta, ya que debido a la dispersión en el aire y a la reflexión sobre otros objetos, hay rayos de luz en otras direcciones que atraviesan la lente. Supongo que debía haber matizado este punto.

    vale, es un cociente de energía y tiempo. Lo de energía está bastante claro. Pero el tiempo...tiempo de qué?

    El tiempo que dura el fenómeno que tengamos en cuenta. Pongamos un ejemplo sencillo: una bombilla de 100 vatios, consume una potencia de 100 vatios. Eso quiere decir que si la tenemos encendida una hora, habremos consumido 3.600.000 julios de energía. Imagina la potencia como un caudal de agua, y la energía como el agua total.

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  9. Estupenda expliciación sobre el tema. Felicidades y gracias!

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  10. Hola
    Sí existen lentes "perfectas" en el sentido de que es suficiente, según el criterio de Raleight que la diferencia P/v entre la figura teórica de la lente y la figura real sea inferior 1/4 de onda.
    La luz emitida por un foco puntual no se concentra en un punto,no por que existan Lente o espejos "perfectos" sino por la naturaleza ondulatoria de la luz.
    Cada sistema óptico tiene produce en su foco mancha de difraccion de un diametro que viene determinado por su abertura y su relación focal.
    La luz del sol no se concentra de forma puntual porque ,desde nuestra posición no se nos presenta como un objeto puntual,sino de medio grado de diámetro aproximadamente.
    Sin más : un saludín.
    Un placer pasear por tus articulos.

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  11. espero no irme demasiado del tema pero quisiera preguntar por la energía nuclear, determinado científico dijo que es irrefrenable para abastecer a la Humanidad que no para de crecer y necesitar energía ¿la energía nuclear es una cuestión meramente de saber utilizarla, de resolver los riesgos que implica, entre ellos los residuos? leí en cierta ocasión que cuando se ideó el automóvil había quienes decían que a 60 km hora el ser humano se rompería y luego no olvidemos a Galileo, hace cuatro días, diciendo que La Tierra es redonda y querían matarlo

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  12. Hay básicamente dos tipos de energía nuclear: de fisión y de fusión.

    La que se utiliza actualmente es la de fisión, que consiste en dividir átomos pesados. El problema es el que todos conocemos: uso de materiales radiactivos, y residuos radiactivos que no sabemos donde tirar. Y yo añadiría otro no tan comentado, pero igualmente importante: el uranio de nuestro planeta, no es mucho, y se terminará agotando.

    La fusión, sería la gran solución, ya que consiste en fusionar átomos ligeros (y no radiactivos). La más conocida es la del hidrógeno, cuyo residuo es helio. El hidrógeno es muy abundante en nuestro planeta (de hecho, es el elemento más abundante del universo), y ninguno de los elementos implicados es demasiado peligroso (bueno, el hidrógeno es inflamable). Sería una energía limpia, y casi inagotable, pero aún no sabemos lo suficiente para controlarla a temperatura ambiente (es la misma reacción nuclear que se produce en las estrellas).

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  13. Gracias por la aclaración sobre energía nuclear Permítame plantearle otra cuestión: Se extraen toneladas y toneladas, cantidades diarias que asusta pensarlas, de petróleo del interior del planeta ¿esas inmensas cavidades ó bolsas al ser vaciadas no producen un desmoronamiento de la corteza, en definitiva, de algún modo tiene que afectar esa extracción constante?

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  14. Pues nunca lo había pensado...

    ¿Hay algún geólogo en la sala?

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  15. Ya estamos como con lo de CSI en dónde los listillos de los científicos examinan en sus oscuros laboratorios estilo pub-años 80 (nada que ver con los super luminosos laboratorios con paredes de azulejo blanco que hay en todo el mundo mundial) cintas de cámaras de seguridad cutres que graban en casposos videos vhs pero con el mismo detalle que una cámara profesional enfocada con el macro a escasos metros de una flor.

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