Mueve la luz y mira cuánto se desvía en una frontera y cuándo ya no puede salir. Después separa la luz blanca en un espectro, encuentra el ángulo del arcoíris en una gota y guía un láser con prismas en un juego de puzles.
Elige el material de arriba y de abajo de la frontera y arrastra la luz (o usa el control) para cambiar el ángulo de incidencia. Los ángulos se miden desde la normal discontinua. Pasa de un material denso a uno más ligero y supera el ángulo crítico para ver la reflexión total interna.
Arrastra una pieza a otro hueco para moverla. Gira con los botones o, con el tablero enfocado, usa ← → (Mayús para pasos grandes), ↑ ↓ para cambiar de hueco, Intro para cambiar de pieza y Supr para quitarla. Tres estrellas: sin pista y sin piezas de más.
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Precisión
Qué es la refracción
La luz viaja a unos 300 000 km por segundo en el vacío, pero más despacio dentro de la materia: unos 225 000 km/s en el agua, 200 000 km/s en el vidrio y solo 124 000 km/s en el diamante. El índice de refracción n dice cuántas veces más lenta va: n = velocidad en el vacío ÷ velocidad en el material. El aire vale casi exactamente 1,00, el agua 1,33, el vidrio común unos 1,50 y el diamante 2,42.
Cuando un haz cruza una frontera inclinado, uno de sus bordes llega antes al nuevo material y cambia antes de velocidad, así que todo el haz gira, como una fila de personas que pasa en diagonal del asfalto a la arena. Ese giro en la frontera es la refracción. Un haz que llega de frente, a 0°, cambia de velocidad pero no de dirección, como muestra el laboratorio al arrastrar la luz hasta la normal.
La ley de Snell paso a paso
La desviación sigue la ley de Snell: n₁ sen θ₁ = n₂ sen θ₂, con ambos ángulos medidos desde la normal, la recta perpendicular a la superficie. Toma luz que pasa del aire al vidrio a 40°: 1,00 × sen 40° = 1,50 × sen θ₂, así que sen θ₂ = 0,643 ÷ 1,50 = 0,429 y θ₂ ≈ 25,4°. La luz se ha acercado a la normal porque se ha frenado.
Una regla rápida resuelve casi todo: al entrar en un material más lento (n mayor) la luz se acerca a la normal; al pasar a uno más rápido se aleja. El laboratorio escribe este cálculo para cada ángulo, muestra la velocidad a cada lado y dibuja el débil rayo reflejado, cuyo brillo sale de las ecuaciones de Fresnel: un 4 % para el vidrio de frente, y mucho más con ángulos rasantes.
El ángulo crítico y la reflexión total interna
Ahora invierte el viaje: la luz que sale del vidrio al aire se aleja de la normal, así que el rayo refractado siempre va más inclinado que el incidente. Con cierto ángulo, el rayo refractado queda pegado a la superficie (90°). Ese es el ángulo crítico, dado por sen θc = n₂ ÷ n₁. Del agua al aire vale 48,8°, en el vidrio 41,8° y en el diamante solo 24,4°.
Más allá del ángulo crítico, la ley de Snell exigiría sen θ₂ mayor que 1, lo cual es imposible. No sale nada de luz: toda se refleja hacia dentro. Esta reflexión total interna no desperdicia luz, así que supera incluso a un espejo plateado. Pulsa «Ir al ángulo crítico» en el laboratorio y sube el ángulo medio grado para ver desaparecer el rayo refractado.
La fibra óptica atrapa la luz en un hilo de vidrio haciéndola rebotar en las paredes a más del ángulo crítico, pero un codo demasiado cerrado la deja escapar (nivel 5 del puzle).
Los periscopios de prismas y los prismáticos usan prismas de vidrio rectángulos: la luz llega a la cara larga a 45°, más que los 41,8° del vidrio, y gira 90° o 180° (niveles 3, 4 y 8).
Los diamantes se tallan para que la luz que entra por arriba llegue a las facetas inferiores a más de 24,4° y vuelva hacia ti; la misma talla en vidrio deja escapar la luz por abajo (nivel 6).
Prismas, dispersión y desviación mínima
Un prisma desvía la luz dos veces, una en cada cara, y siempre hacia su base gruesa. El giro total es la desviación δ = i + e − A, donde i es el ángulo de incidencia, e el de salida y A el del vértice. Al cambiar i, δ primero baja y luego vuelve a subir; el valor más bajo es la desviación mínima, cuando el rayo cruza el prisma de forma simétrica. En un prisma de vidrio crown de 60° vale unos 38,6° para la luz amarilla.
El vidrio no tiene un único índice de refracción: es algo mayor para el violeta que para el rojo. Esta dispersión hace que el prisma abra la luz blanca en un espectro, con el violeta como el más desviado. El laboratorio usa la ecuación de Cauchy, n(λ) = A + B/λ², ajustada a un vidrio crown típico, un vidrio flint denso y el agua. El flint dispersa unas cuatro veces más que el crown, por eso el puzle lo usa para separar la luz verde (nivel 9). Isaac Newton fue más allá y usó un segundo prisma invertido para volver a juntar los colores en luz blanca (nivel 11).
Cómo hace una gota el arcoíris
La luz del sol que entra en una gota redonda se refracta, se refleja una vez en el fondo y se vuelve a refractar al salir. Según por dónde entre, vuelve con cualquier ángulo hasta un límite de unos 42° respecto al punto opuesto al Sol, y cerca de ese límite se acumulan muchos rayos. Esa concentración es el arco brillante. Activa la vista en haz en la pestaña de la gota para ver cómo se amontonan los rayos en el borde.
Como el agua desvía el rojo algo menos que el violeta, el límite del rojo (unos 42,4°) es algo mayor que el del violeta (unos 40,7°), así que el rojo queda por fuera. La luz que se refleja dos veces dentro de las gotas forma el arcoíris secundario, más tenue, a unos 50–53° y con los colores al revés. Entre los dos arcos casi no vuelve luz y el cielo se ve más oscuro: la banda oscura de Alejandro. Y como todo arcoíris es un cono alrededor del punto opuesto al Sol, nunca puedes llegar a su final.
La refracción en la vida diaria
Una pajita en un vaso parece rota en la superficie y una piscina parece menos profunda de lo que es. La luz que sale del agua se aleja de la normal y tu ojo la sigue en línea recta hasta un punto demasiado alto. Mirando desde arriba, la profundidad aparente es la real dividida entre 1,33, así que una piscina de 2 m parece tener 1,5 m: conviene recordarlo antes de saltar.
En un día caluroso, el aire justo sobre la carretera puede estar mucho más caliente que un metro más arriba, y el aire caliente tiene un índice algo menor. La luz del cielo que baja con poca inclinación se desvía un poco más en cada capa más caliente hasta volver a subir, y ves un trozo de cielo en la carretera que parece agua. Es un espejismo inferior, el tema del nivel 7. Las mismas capas hacen temblar lo que ves sobre una barbacoa o una pista de aterrizaje.
Cómo usar las cuatro pestañas
Laboratorio de refracción: elige dos materiales o escribe cualquier índice de 1,00 a 3,00 y arrastra la luz. Intercambia los materiales para comparar la entrada y la salida.
Prisma y arcoíris: cambia el ángulo del vértice, el de incidencia y el material, o pasa a un láser de un color. En la vista de la gota, mueve la altura de entrada y compara el arcoíris primario y el secundario.
Puzle de refracción: 12 niveles, desde un bloque de vidrio hasta un laberinto de luz. Coloca y gira piezas en los huecos; la pista marca cada ángulo de incidencia y los ángulos críticos. El progreso se guarda en este navegador.
Quiz: 40 preguntas fáciles sobre hacia dónde se desvía la luz y 40 difíciles en las que calculas ángulos de refracción, ángulos críticos y la desviación mínima. Cada respuesta incluye el cálculo.
Sobre el modelo
Cada rayo se traza exactamente con la ley de Snell en dos dimensiones, así que los ángulos que lees son los reales para los índices indicados. El brillo reflejado usa las ecuaciones de Fresnel para luz no polarizada. Algunas simplificaciones mantienen el dibujo claro: cada color es un único rayo fino, los prismas y las gemas tienen caras perfectamente planas, se ignora la luz absorbida y, en el nivel del espejismo, la diferencia del índice del aire está exagerada unas 250 veces para que la curva quepa en la pantalla.
¿Cuál es el ángulo crítico del agua, el vidrio y el diamante?
Al salir al aire, el ángulo crítico es de unos 48,8° para el agua (n = 1,33), 41,8° para el vidrio común (n = 1,50) y 24,4° para el diamante (n = 2,42). Sale de sen θc = n₂ ÷ n₁. La luz que llega con más ángulo no puede salir y se refleja totalmente. Solo existe cuando la luz pasa de un índice mayor a uno menor.
¿Por qué una pajita parece doblada en un vaso de agua?
La luz de la parte sumergida se aleja de la normal al salir del agua. El cerebro supone que la luz viaja en línea recta, así que coloca esa parte más arriba de lo que está. Por eso la pajita parece doblarse en la superficie aunque sea recta. El mismo efecto hace que piscinas y ríos parezcan menos profundos.
¿Por qué el arcoíris está siempre a unos 42° del punto opuesto al Sol?
La luz que se refleja una vez dentro de una gota esférica puede volver con cualquier ángulo hasta unos 42°, pero no más, y muchos rayos se agrupan justo en ese límite. Solo las gotas situadas a ese ángulo te envían luz concentrada, así que el arco es un círculo de unos 42° alrededor de la sombra de tu cabeza. El rojo, con el mayor límite, queda fuera; el violeta, a unos 40,7°, dentro.
¿Qué diferencia hay entre el vidrio crown y el flint?
El vidrio crown (n ≈ 1,52) es el vidrio corriente de baja dispersión de ventanas y la mayoría de lentes. El flint lleva elementos pesados como plomo o titanio, que suben su índice (aquí unos 1,78) y su dispersión, así que abre los colores unas cuatro veces más. Cámaras y telescopios pegan una lente crown a una flint para que sus errores de color se anulen; los prismas de espectroscopio suelen ser de flint para un espectro más amplio.
¿La reflexión total interna es mejor que un espejo?
Sí. Un buen espejo de aluminio o plata refleja aproximadamente entre el 90 y el 98 % de la luz y pierde el resto, y su capa puede deslustrarse. La reflexión total interna devuelve prácticamente el 100 % sin ninguna capa. Por eso prismáticos, visores de cámara y periscopios usan prismas de vidrio en lugar de espejos, y la luz puede recorrer decenas de kilómetros dentro de una fibra óptica.
¿Qué temas escolares cubre este simulador?
El laboratorio y el quiz fácil encajan con el tema de luz y óptica de secundaria: acercarse o alejarse de la normal, índice de refracción y reflexión total. Los cálculos con la ley de Snell, el ángulo crítico, la desviación del prisma y el ángulo del arcoíris son de física de bachillerato. El puzle es una forma práctica de entrenar ambos niveles.