EXPERIMENTOS SOBRE LUZ Y COLORES


Experimentos realizados por alumnos de Secundaria y de Bachillerato en el IES "Leonardo da Vinci" de Alicante.

 
 
DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ EN COLORES
LUCES. SUMA ADITIVA
FILTROS. SUMA SUSTRACTIVA
 

 
 
 

DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ BLANCA EN COLORES

 
 

 

 

Estas fotografías, tomadas por alumnos de 4º ESO y de 2º Bachillerato, muestran la dispersión de la luz blanca cuando es refractada por un prisma. En la fotografía situada más a la izquierda la posición del prisma en relación con la luz que lo atraviesa propicia que los colores del espectro visible se reflejen encima del banco óptico, enfrente del prisma. En la fotografía situada más a la derecha la posición del prisma propicia que los colores tracen una línea encima del banco óptico. Un estudiante coloca un papel blanco en este recorrido para verlos con mayor nitidez.

 

Antes de que Newton (1643-1727) investigara este fenómeno se había considerado que los colores eran el resultado de mezclar "lo oscuro" con la luz blanca en mayor o menor medida, pero Newton comprobó en 1966 que el fenómeno era exactamente al revés y concluyó que la luz blanca está compuesta por todos los colores del arco iris. Se equivocó, sin embargo, al considerar la luz como un chorro de partículas. En la misma época en la que Newton hizo estas propuestas, Huygens (1629-1695) formuló una teoría ondulatoria de la luz que se desarrollaría fructíferamente durante el siglo XIX.

 

Como parte de este desarrollo de la teoría ondulatoria de la luz Young (1773-1829) explicó la dispersión de luz blanca en colores: Cada color de la luz tiene una longitud de onda diferente o característica en cada medio. Por ello, al aplicar el principio de Huygens a la refracción aire-vidrio, se deduce que el rayo de luz violeta, por ejemplo, se desvía más que el de luz roja.

 

 

 

Tal como muestra esta otra fotografía, tomada en el laboratorio por un alumno de 2º Bachillerato, la descomposición de la luz en colores también se puede ver muy claramente al iluminar un CD. Como se explica en el este documento, el CD actúa como una rejilla de difracción, debido a que el tamaño de sus ranuras es muy pequeño y comparable con la longitud de onda de la luz que incide sobre él. El CD iluminado devuelve luz desde múltiples puntos, de tal forma que la luz emitida en todas las direcciones desde cada uno de ellos interfiere con las emitidas desde los demás. Estas interferencias provocan que cada luz de una determinada longitud de onda (cada color) emerja del CD con un ángulo diferente.

 
 
 

 

LUCES. SUMA ADITIVA

     
 

En la retina del ojo humano hay un tipo de células (llamadas conos) sensibles a la luz que hacen posible la visión de los colores. Hay tres tipos de conos: unos que presentan una sensibilidad máxima para las longitudes onda más largas ("conos rojos"), otros con mayor sensibilidad a las longitudes de onda medias ("conos verdes") y otros con mayor sensibilidad a las longitudes de onda más cortas ("conos azules"). La combinación de estas tres luces básicas en una mayor o menos proporción da lugar a la visión tri-cromática que poseen la mayoría de las personas y mediante la cual se abarcan todas las tonalidades del arco iris.

 
     
 

 

La animación adjunta ilustra la suma aditiva de colores. Combinando las tres luces básicas (roja, verde y azul) de dos en dos se obtienen luces de otros tres colores del espectro visible (amarillo, magenta y cian) y combinando las tres luces se obtiene luz blanca.

Esto significa que una fuente de luz se ve de cada uno de estos colores, cuando emite una, dos o las tres luces básicas con la misma intensidad. Cualquier otro color intermedio (por ejemplo, naranja, marrón, gris, etc.) se obtiene siguiendo el mismo procedimiento de suma aditiva de los colores básicos, pero teniendo las luces emitidas intensidades relativas diferentes.

 
     
 

En 2011 se inauguró el centro cultural Niemeyer en la ciudad asturiana de Avilés. La primera exposición fue una magnífica obra del cineasta y fotógrafo Carlos Saura sobre la luz, y uno de sus montajes permitía a los visitantes combinar las luces básicas.

Como se observa en el clip de video adjunto, tuvimos la oportunidad de visitar la exposición y manipular dicho montaje.

 

 
     
 

Teniendo en cuenta estos conceptos, se entiende que los objetos se ven de un determinado color porque cuando son iluminados actúan como fuentes secundarias: Absorben la luz que les ilumina y emiten en todas direcciones una luz no idéntica, que explica "su color".

 
     
 

 

 

Por ejemplo: un limón se ve amarillo cuando es iluminado con luz blanca, porque cada punto de su superficie emite en todas las direcciones luces verde y azul; una rosa se ve magenta porque al ser iluminada con luz blanca emite en todas las direcciones luces azul y roja, etc.

 
     
 

Los alumnos constatan en el laboratorio la suma aditiva de luces realizando un experimento muy sencillo. Consiste en hacer converger varias luces (previamente obtenidas con un filtro) con una lente y comprobar el color que resulta en el foco. Por ejemplo, en la fotografía adjunta en el foco de la lente convergen luz azul, luz roja y luz amarilla (azul más verde). Por tanto, se suman los tres colores primarios (azul, rojo y verde) y el foco se ve blanco.

   

 
     
 

 

Otro experimento similar se puede realizar utilizando un disco de Newton, que es un círculo con sectores pintados de colores que abarcan el espectro visible: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. Al girar el disco rápidamente, el ojo humano no puede separar las impresiones lumínica producidas por las luces de los diferentes colores y, en consecuencia, el disco entero se ve blanco.

Los estudiantes pueden construir discos caseros con diferentes combinaciones de colores. El video adjunto muestra el resultado de este experimento realizado por los alumnos con un disco que, cuando gira, se muestra de color gris claro.

 
     
 

En el video adjunto (filmado en el concurso Ciencia en Acción XI, que se celebró en 2010 en Santiago de Compostela), el profesor Antxon Anta Unanue, del Colegio Alemán San Alberto Magno de San Sebastian, realiza una demostración del resultado que producen varias sumas aditivas de colores con una ingeniosa rueda cromática, construida por él mismo. Cuando la rueda gira a suficiente velocidad, el receptor no tiene tiempo de separar las luces que se emiten desde lugares equidistantes del centro de la rueda y la sensación es que se forman anillos del color que resulta de la suma aditiva de los colores de esas luces.

 
 
     
 

 

FILTROS. SUMA SUSTRACTIVA

     
 

Un filtro de luz es cualquier material que, al paso de ésta, absorbe algunas de las longitudes de onda y refleja y deja pasar el resto. El color de un filtro puede ser igual al de una luz primaria o no. Por ejemplo: un filtro rojo absorbe las luces azul y verde, y deja pasar y refleja la luz roja; un filtro magenta absorbe la luz verde, y deja pasar y refleja las luces azul y roja (la suma de las luces azul y roja es magenta), etc. Al mirar un filtro iluminado nos llega el conjunto de longitudes de onda que deja pasar y refleja (suma sustractiva). El color correspondiente a ellas se llama color pigmento.

 

 

La animación adjunta ilustra la suma sustractiva de colores superponiendo filtros primarios (colores primarios sustractivos). Por ejemplo, si se superpone un filtro magenta (deja pasar y refleja las luces azul y roja, absorbe la luz verde) a otro filtro amarillo (deja pasar y refleja las luces roja y verde; absorbe la luz azul), el resultado es el color rojo (única luz primaria no absorbida). Si se superponen los tres filtros el resultado es la ausencia de color: negro (entre los tres filtros absorben las tres luces primarias).

A propósito de esto nos podemos plantear cómo es posible que veamos un objeto negro que no emite ninguna luz. La respuesta es que el ojo sí ve al resto de objetos que sí emiten luz alrededor del objeto negro. La silueta que se "ve" del objeto negro es el hueco que queda.

 
     
 

En 2015, con motivo del Año Internacional de la Luz en 2015, el Espacio Fundación Telefónica ha realizado una interesante exposición creada por Jim Campbell, un ingeniero electrónico pionero en el uso de la tecnología lumínica para desarrollar instalaciones interactivas de gran valor artístico.

 
     
 

 

Obras de Campbell: A la izquierda se "ven" las siluetas móviles de dos nadadores, a la derecha la de una persona paseando

 

Uno de los recursos que utiliza este artista se basas este concepto, por el cual restamos los objetos luminosos que sí vemos para construir el contorno y la correspondiente silueta de los objetos negros invisibles. Para crear figuras "negras" en movimiento, Jim Campbell programa la interrupción a intervalos de tiempo adecuados de la luz emitida por un mosaico de fuentes (normalmente LEDs), que, conjuntamente, dibujan el fondo (iluminado) de sus "cuadros". En mayo de 2015 visitamos esta interesante exposición y pudimos tomar algunas fotografías y algunos pequeños videos como los que se muestran adjuntos.

 
     
 

En el laboratorio del Instituto se dispone de filtros de varios colores con los que los estudiantes practican la suma sustractiva. Por ejemplo, la fotografía situada más a la izquierda muestra la superposición de un filtro cian (absorbe la luz roja) y un filtro amarillo (absorbe la luz azul). El resultado es verde (única luz primaria no absorbida). La otra fotografía, situada más a la derecha, muestra la superposición de un filtro rojo (absorbe las luces azul y verde) y un filtro cian (absorbe la luz roja). El resultado es negro, puesto que entre los dos filtros absorben las tres luces primarias. En la realización de estas actividades, los alumnos, antes de superponer dos o más filtros, han de predecir el color resultante.

   

 
     
 
   

 

Además de mirar a los filtros directamente, se puede trabajar con ellos colocándolos en puertas, que se sitúan encima del banco óptico. Sobre el banco se observa el haz de luz que el filtro deja pasar, lo que permite también deducir las luces que absorbe. Los experimentos sobre filtros de luz también se pueden ampliar con actividades en las que los estudiantes usen rotuladores de colores o pinturas.