1: Bases científicas del audiovisual

1.1: La percepción de la luz Fue en el siglo XIX cuando comenzó a establecerse una teoría de la percepción visual a partir sobre todo de los trabajos de Helmholtz y Fechner. Ha sido en este siglo y especialmente a partir de la 2ª Guerra Mundial, cuando se crearon los primeros laboratorios de psicofísica, el momento en que esta ciencia ha comenzado a tener un desarrollo notable.

El sistema visual humano Consta dediversos instrumentos, uno de los cuales es el ojo, que, a pesar de ser el más conocido, no es de ninguna manera el más complejo. En el proceso de la visión se pueden considerar tres tipos de operaciones sucesivas de aspecto muy diferentes: las ópticas, las químicas y las nerviosas. Gracias a la conjunción de los procesos propios de cada tramo se produce el fenómeno de la visión.

Las transformaciones ópticas Los primeros procesos que sufre la luz cuando entra en el ojo son de tipo óptico. Tradicionalmente se han interpretado estas transformaciones mediante una analogía con el antecedente de la cámara fotográfica, la camara oscura. Como se ve en el esquema, sólo una pequeña parte de los rayos reflejados por el objeto en todas direccciones penetra por el pequeño agujero de la cámara. Eso asignifica que si se coloca una placa fotográfica dentro de la caja son necesarios tiempos de exposición muy largos o emulsiones de gran sensibilidad para conseguir impresiones correctas. Otra posibilidad es aumentar la cantidad de luz haciendo el agujero más grande, pero en este caso los extremos dce la imagen se harían difusos.

A partir del siglo XVI se desarrollaron mucho las técnicas ópticas. Se investigó y construyó toda clase de lentes y en particular las lentes convergentes que hacen que los rayos que inciden sobre la superficie se concentren, se junten. Colocando una de estas lentes en el punto de entrada de la camara oscura se puede hacer el agujero más grande, aumentando por tanto la luminosidad si bien manteniendo la concentración de los rayos. Las ópticas de las cámaras fotográficas hacen servir esencialmente este principio. No es necesario decir que los objetivos actuales son combinaciones complejas de diversas lentes pensadas para suprimir al máximo los defectos introducidos por las ópticas como las aberraciones circular y cromática, la dispersión, el coma, etc. Desde este punto de vista el ojo funciona de manera senejante a una cámara oscura y a la cámara fotográfica. Toda la parte óptica del ojo trabaja para hacer converger los rayos de luz sobre su fondo. Éste está tapizado de una membrana, llamada retina donde se encuentran los receptores de la luz que iniciarán las transformaciones químicas que producen la visión. El ojo es una especie de globo de unos 2 a 2,5 cm. de diámetro. La capa que lo cubre se llama esclerótica en la parte opaca y córnea en la parte transparente. Esta es la que produce la mayor parte de la convergencia de los rayos de luz. Detrás suyo está un músculo esfínter, que funciona de manera refleja, llamado iris que abre y cierra (de 2 a 8 mm.) una obertura en su centro llamada pupila. Su funcionamiento es equivalente al de un diafragma de una cámara fotográfica e incluso los nombre de los elementos de éste están copiados de sus homólogos fisiológicos. De manera refleja el iris, que es ek responsable del color de los ojos, abre la pupila cuando la luz es escasa y la cierra cuando es excesiva para protegeer la retina. Esta es la causa de que

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se vea mejor cuando hay luz en abundancia: al disminuir la medida de la retina aumenta la profundidad de campo, igual que en un objtivo, y se ve más extensión del espacio correctamente enfocada, cosa que se traduce en una sensación de nitidez. Esto se comprueba dilatando la pupila con dilatadores artificiales como, por ejemplo, la atropina: la visión se hace nenos nítida. La pupila también puede cambiar por la acción de otros estímulos como,por ejemplo, el miedo, la cólera, las drogas, etec. Inmeditamente detrás de la pupila está el cristalino. Se trata de una lente natural biconvexa la curvatura de la cual varía por la acción de los músculos ciliares. Este cambio de la curvatura hace variar la distancial focal y , por tanto, la convergencia de los rayos de luz. Este proceso de variación se llama acomodación y tiene como finalidad que la imagen se forme y se enfoque exacta y nitidamente en el fondo del ojo. Cuanto más cercano esté el objeto más tendrán que converger los rayos de luz. Este movimiento de acomodación es también reflejo y lento (cerca de un segundo para pasar de la acomodación más próxima a la más lejana). Este enfoque de los rayos de luz sobre el fondo se hace de una manera modifica diferente en las ópticas de las cámaras fotográficas. En este caso se modifica la distancia focal cambiando la distancia entre la lente y el negativo. Algunos peces hacen servir procedimientos semejantes para conseguir su acomodación visual. El ojo humano puede acomodar la visión sin esfuerzo sensible para objetos entre unos 25 cm. y el infinito o sea puntos muy alejados que envían rayos paralelos (punto remoto) y con un cierto esfuerzo puede llegar a acomodarse hasta sólo 15 cm. de distancia (punto próximo). Entre la córnea y el cristalino está el humor acuoso y detrás del cristalino el humor vitreo. Se trata de disoluciones acuosas de cloruro sódico de índice de refracción 1,33. Cuando el índice de refracción de un medio sea superior a 1 quiere decir que al pasar de el aire a este medio los rayos de luz se desviarán. Y se desviarán más cuanto más grande sea éste índice. El cristalino esta formado capas el índice de refracción de las cuales va de 1,4 en el exterior hasta 1,45 en el centro. La convergencia cuidada de la imagen (real e invertida) sobre la retina es debe a la convergencia que producen todos estos diversos elementos del ojo con sus diversos índices de refracción. El ajuste final se hace con la curvatura variable del cristalino.

Defectos ópticos del ojo Hay diversos defectos del ojo que impiden la formación correcta de la imagen en el fondo del ojo. La miopía se produce cuando el ojo es demasiado largo y la imagen se forma delante de la retina. El cristalino no puede estirarse lo suficiente para conseguir la proyección correcta. Dado que cuanto más lejos está el objeto más se ha de estirar el cristalino para conseguir la acomodación,este defecto es más notorio en los objetos situados lejos del ojo. Se corrige este defecto situando una lente divergente delante del ojo pues esta separa los rayos y hace que se ajusten un poco más atrás. La hipermetropía, al contrario, se produce cuando el ojo es demasiado corto y la imagen se forma detrás de la retina. El cristalino no puede comprimirse lo suficiente para conseguir la proyección correcta. Ya que cuandto más cerca está el objeto más se ha de comprir el cristalino para conseguir la acomodación, este defecto es más notorio en los objetos situados cerca del ojo. Se corrige situando una lente convergente delante del ojo que junta los rayos y hace que se corten antes. Las cataras son un proceso degenerativo que consiste en que el cristalino se vuelve opaco no permitiendo el paso de la luz.La solución es su extirpación y sustitución por un cristalino artificial o por lentes externas fijas que se han de ir cambiando segun se quiera enfocar objetos cercanos o lejanos.

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Agudeza visual del ojo Se llama agudeza visual o poder separador del ojo al ángulo más pequeño bajo el cual se ven todavía separados dos puntos muy cercanos y muy lejanos. Para el ojo humano este ángulo es del orden de un minuto, es decir el ángulo con el que se ve un disco de 3 cm. de diametro situado a unos 100m. del ojo. Es muy importante tener en cuenta este concepto cuando se diseña un sistema de visualización para poder prevenir la nitidez con que lo percibirá el espectador.

Las transformaciones químicas Se producen en el fondo del ojo, en la retina, una membrana en la cual se encuentran dos tipos de receptores: los bastones (de los que hay unos 120 millones) y los conos ( unos 7 millones) que están situados sobre todo a la fóvea central, una pequeña zona casi en el eje del ojo, de unos 0,3 mm. de diámetro y rodeada por la mancha amarilla. En la fóvea sólo hay conos y en cambio en zonas periféricas de la retina hay 10 veces más de bastones que de conos. Si la luz incide en el punto ciego, donde el nervio óptico se inserta en la retina no se produce sensación luminosa. Los dos tipos de recptores contienen gran cantidad de moléculas de pigmento (unos 4 millones en cada bastón, que es la célula más sensible) que contienen una sustancia, la rodopsina, que absorve rayos de luz para descomponerlos en otras dos sustancias. Eso significa que con la entrada continuada de luz en el ojo se va perdiendo rodopsina y por tanto la capacidad de absorción significativa de luz va disminuyendo. Por suerte si no entra luz en la retina la rodopsina se vuelve a componer ( a partir de las dos sustancias que la componían): en 5 minutos la mitad de las céclulas se han recompuesto y al cabo de ¾ de hora ya lo han hecho todas. Es decir, nuestro sistema visual no ve directamente la imagen retiniana,que es la proyección en el fondo del ojo de la realidad observa. De hecho, la cantidad y características (luminosidad o intensidad de la luz, color) de esta proyección en cada punto de la retina producirán unas reacciones químicas la intensidad y naturaleza de las cuales dependerán de estas características en cada punto.

Las transformaciones nerviosas Cada uno de los receptores está enlazado con una célula nerviosa mediante una sinapsis. Estas células están enlazadas con otras (también mediante sinapsis y no sólo en sentido longitudinal sino también transversal con las células procedentes de otros receptores), formando así el nervio óptico. Este va del ojo a una región lateral del cerebro, el cuerpo geniculado, de donde surgen otras conexiones que van a parar finalmente al cortex estriado, situado en la parte posterior del cerebro. La complejidad de la red que forma el nervio óptico constituye un nuevo estadio de tratamiento de la información visual. La transversalidad de las conexiones de las neuronas del eje y la versatilidad de las sinapsis (hay inhibidoras y excitadoras) hace que no haya correspondencia punto a punto entre los receptores de la retina y las fibras del eje. Este tratamiento posterior de la información es el más complejo y desconocido. Se ha comenzado a investigar hace sólo 30 años. Por tanto, para entender el funcionamiento del ojo es válida la analogía de la cámara fotográfica con una placa sensible en la retina, pero el “revelado” de esta exposición es un proceso de tratamiento de la información complejo que apenas hoy en día se comienza a entender con modelos informáticos.

Los elementos de la percepción visual Cuando se estudia desde un punto de vista físico la naturaleza de la luz aparecen propiedades

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y características que sirven para conocerla y poder cuantificarla de forma más completa: las más importantes desde el punto de vista de nuestra percepción son la intensidad de la luz o luminancia y su longitud de onda o color. Pues bien, el sistema visual contiene elementos y subsistemas especializados en la captación de estas características físicas para permitir descodificar la información visual que le llega. Además, el sistema visual es capaz de captar regularidades en el espacio y en el tiempo.

La percepción de la luminosidad Nuestra experiencia de la luminosidad de un objeto es un fenómeno subjetivo pero que corresponde a la percepción de la cantidad de luz emitida o reflejada por el objeto. La manera de cuantificar la reacción del ojo a la intensidad de la luz es mediante el flujo luminoso. El flujo luminoso, como veremos más adelante, es una magnitud física que da idea de la cantidad de luz, es decir el número de fotones o partículas luminosas, que hay en las circunstancias que se estén tratando. Se mide en una unidad que se llama lumen. Es evidente que cuanto más grande sea el números de fotones que entren a un ojo más células de la retina, conos o bastones, serán afectadas y por tanto más rodopsina se descompondrá. Hay un mínimo bajo el cual no se produce sensación de luz. Este lindar se -13 puede estblecer en unos 10 lúmenes, correspondientes a unos 10 fotones. Por otra parte, si entra demasiada luz al ojo se puede quemar el sistema nervioso a causa de un exceso de energía. Eso es lo que les pasó a Galileo y Joseph Plateau, que se quedaron ciegos a causa de sus observaciones de la luz solar directa. Este es un cuadro que da idea de la luz que emiten diversos objetos y de la manera en como el ojo los percibe. Como se trata de objetos no puntuales, con cierta extensión, la magnitud que hacemos servir es la luminancia o brillo, que se mide en candela por metro al cuadrado (cd/m2) y que es proporcional al flujo. Más adelante, en el apartado 1.3, daremos unas nociones de fotometría para explicar mejor estas magnitudes.

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Luminancia (cd/m )

Objeto

Zona de visión

1010 109 108 107 106 105 104 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 (...) 10-6

Sol Arco voltaico

Peligrosa

Lampara de tungsteno Pantalla de cine Papel blanco al sol Luna o vela Página impresa que se puede leer

Fotópica

Papel blanco a la luz de la luna Escotópica Lindar absoluto de percepción

Los dos tipos de células de la retina están especializadas en percibir aspectos diversos de la luz. Los conos son los responsables de la visión del color y parece que hay tres tipos diferentes sensibles al rojo, al verde y al azul. A causa de su manera individual de conectarse para ir a parar al cerebro son responsables de la visión espacial. Recordemos que hay unos 6 o 7 millones y que se concentran en una zona muy pequeña, de sólo un par de grados al lado de la fovea. Son poco sensibles a la intensidad de la luz, pues contienen relativamente pocas

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moléculas de rodopsina. Los bastones ,en cambio, se reparten de manera relativamente uniforme por todo el resto de la retina y comparten terminaciones nerviosas en su camino hacia el cerebro, con lo que su contribución a la sensación de espacialidad no es muy importante. No son sensibles al color pero son más sensibles que los conos a la intensidad de la luz, pues contienen mucha rodopsina. Estas diferencias en cuanto a la sensibilidad a la luz de las células de la retina hacen que según la cantidad de luz que entra en el ojo predomine uno u otro de los dos tipos de visión prinipales: La visión fotópica o “diurna” para objetos iluminados con intensidades relativamente altas como puede ser la luz del día. Al haber mucha intensidad entran en juego sobre todo los conos. Como estos son los responsables de la percepción de los colores, es una percepción cromática. Al ser más abundantes en la fóvea y dado que al haber bastante luz la pupila puede estar cerrada, se caracteriza por una buena profundidad de campo y por tanto por una considerable agudeza. Con este tipo de iluminación, la percepción se concentra instintivamente en el eje de la retina donde se encuentran los conos;para explorar una imagen grande el ojo se va desplazando constantemente e instintivamente de una zona a otra. La visión escotópica o “nocturna” se produce cuando la iluminación es escasa. Como son más sensibles intervienen sobre todo los bastones y es por tanto marcadamente acromática y de poca agudeza ya que intervienen zonas más amplias de la retina con la pupila bastante abierta. Por ésto de noche no se distinguen bien los colores ni los detalles pequeños. Aunque suelen producirse en un entorno de tipo “nocturno” con poca luz, la visión del cine, la televisión, el vídeo y las proyeccciones en general es básicamente fotópica pues su intensidad luminosa cae en esta zona. Además, al tratarse de una visión voluntaria, intervienen los mecanismos de movimiento del ojo para seguir una imagen grande y eso hace que intervenga más la zona de la retina cercana a la fóvea donde están los conos. La percepción del movimiento La investigación reciente sobre cómo el sistema visual humano percibe el movimiento ha cambiado mucho nuestras ideas al respecto. Una recopilación de los hechos actuales nos permitirá captar la complejidad de este fenómeno. Por ejemplo, en 1974 se descubrió la existencia de células del nervio óptico con diferentes especializaciones: unas para responder a estados de estimulación permanente y otras para estados transitorios. Por tanto se pueden distinguir dos tipos de respuesta del sistema visual en función del tiempo. La respuesta lenta es el conjunto de efectos de excitación y de integración. Esta integración es la responsable de que diversos fenómenos que se suceden demasiado rápidamente se integren en una sola percepción. El ejemplo típico es la persistencia retiniana en la cual el cerebro interpreta que hay actividad en los receptores retinianos un tiempo después de cortado el estímulo. Por eso se ve contínuo el círculo de una luz que gira. Este efecto depende de diversos factores: es más grande si el ojo está descansado o bien adaptado a la oscuridad. También es más grande si la luz es más intensa: de hecho este era uno de los argumentos en favor de hacer servir este fenómeno para explicar la sensación de movimiento en el cine (se pensaba en persistencias del orden de un cuarto de segundo). La respuesta rápida es el conjunto de efectos de respuesta a estímulos que canbian rápidamente. Hay dos efectos que afectan a la percepción en movimiento. El centelleo (en inglés flicker). Cuando el ojo observa una luz que se enciende y se apaga periódicamente, como la del cine, puede darse un efecto de destellos, de deslumbramientos, si la frecuencia de la luz está por debajo de un determinado valor, la frecuencia crítica, que depende de la intensidad luminosa. Este efecto se llama centelleo. Si la frecuencia está por encima de la crítica la luz se percibe de forma contínua.

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Este es un fenómeno visual emparentados con los efectos estroboscópicos que se producen, poe ejemplo, cuando se mira una rueda en movimiento. La frecuencia crítica puede ser de sólo 10Hz. para intensidades pequeñas pero puede llegar a 1000 Hz. para grandes intensiades luminosas. Este es el fenómeno que explica los destellos típicos del cine de la primera época. Para evitar este efecto los projectores y por tanto las cámaras fueron aumentando su frecuencia de 12 a 16 y hasta 24 imágenes por segundo. Cuando se introdujeron lámparas más luminosas (las de arco voltaico), esta frecuencia fue insuficiente. Como aumentar todavía más la velocidad era difícil por problemas mecánicos y caro por necesitar más película, se decidió proyectar dos veces cada fotograma. Por eso hoy en día el obturador del proyector corta el flujo luminoso dos veces por cada fotograma dando una frecuencia de proyección de 48 imágenes por segundo con películas registradas sólo a 24. Para hacerse una idea de la importancia de esta percepción en el cine antiguo sirve la siguiente anécdota. Los americanos, cuando van al cine dicen “to go to the movies”. Hacia 1925, cuando la tecnología no havía resuelto todavía este problema decían “to go to the flickers” El enmascaramiento visual. Si se producen dos estímulos luminosas muy seguidos en el tiempo, el segundo puede perturbar la percepción del primero reducienco su sensibilidad. Se produce un efecto de máscara. Como ejemplo, si se hace ver en un intrevalo corto de tiempo una imagen muy sencilla como un círculo blanco sobre negro y su negativo, el círculo desaparece. En cine se puede anular la percepción de movimiento insertando un fotograma en blanco entre dos fotogramas consecutivos. En cambio si el fotograma insertado es negro (ausencia de estímulo) no se da este efecto. Hay teorías sencillas y en este momento posiblemente también anticuadas que dicen que el enmascaramiento de una imagen por la siguiente es la responsable precisamente de anular la persistencia retiniana y propiciar por tanto la percepción del movimiento en el cine. Pero a pesar de que parece parcialmente adecuado, un modelo de explicación más correcta no parece que pueda ser tan sencillo. La teoría quizá más aceptada actualmente para explicar la percepción del movimiento es una con dos partes importantes e independientes: Por una parte parece que en el sistema visual hay unos detectores específicos de movimiento, unas células cerebrales especializadas que reaccionan cuando diversos receptores retinianos cercanos y situados en el campo de la célula son activados sucesiva y rápidamente. (El campo de la célula es el conjunto de receptores retinianos que están asociados). La experiencia más común para demostrar la existencia de estos receptores es el conjunto de efectos posteriores ligados al movimiento: si miramos durante un rato una escena con un movimiento regular, por ejemplo una cascada o una espiral gigante, y seguidamente pasamos a mirar una imagen fija, creeremos ver que ésta tiene un movimiento en sentido inverso al de la primera. Por otra parte, es evidente que el sistema visual tiene mecanismos para corregir todo el conjunto de movimientos de los ojos (propios o debidos al movimiento del cuerpo) y no interpretarlos como un movimiento. Estos mecanismos parecen estar basados en la comparación contínua de la información entre eferente y reaferente. La información eferente es la información nerviosa que va del cerebro a los órganos sensitivo-motores (músculos, ojos,etc.). La aferente es la que va al revés y la reaferente es la que produce acontecimientos sensoriales procucidos medieante acontecimientos voluntarios.

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Se han hecho diversos experimentos para comprobar que la estabilidad de la imagen depende de la comparación entre la que le envía el cerebro y la que le devuelve. Una experiencia muy sencilla es mover un ojo presionándolo con un dedo. Al tratarse de un movimiento no regido directamente por el cerebro se pierde la verticalidad y la estereopsia (visión del mundo con un solo ojo). Si un movimiento es demasiado lento o demasiado rápido, no será percibido por el hombre. Estos umbrales de percepción del movimiento están influidos por diversas circunstancias como, por ejemplo, las dimensiones del objeto (un objeto grande se ha de mover más), la iluminación, el contraste (cuanto más grandes son estas dos variables mejor se percibe el movimiento), y el entorno (los puntos fijos de referencia facilitan la perceción del movimiento).

Movimiento aparente Desde que se comenzó a inventar aparatos simuladores del movimiento quedó claro que no es necesario que haya un movimiento real para percibir la sensación de movimiento. En los últimos años se han hecho experimentos de laboratorio que permiten el control riguroso de las variables en juego en la percepción de estos fenómenos. Se muestra al sujeto dos puntos luminosos instantáneos y cercanos en el espacio y se va haciendo variar la separación temporal entre ellos. Si el intervalo de tiempo es demasiado pequeño el espectador los interpreta como simultáneos; si es demasiado grande los interpreta como en realidad son: dos fenómenos diferentes y sucesivos. Pero entre un límite y otro, aproximadamente para separaciones de 30 a 200 milésimas de segundo, la percepción es la de un solo punto luminoso que se desplaza de un un lado a otro: es la percepción del movimiento aparente. Esta experiencia se llama efecto beta. El efecto alfa es una experiencia semejante con dos lámparas de medida diferente situadas en el mismo punto del espacio. El efecto aparente es el de un movimiento de expansión. Hay todo un conjunto de experiencias semejantes a estas llamadas con letras griegas. El conjunto se llama efecto fi y constituye la experiencia fundamental para describir el movimiento aparente. La interpretación de este fenómeno no está todavía clara aunque pueda parecer claro que se trata de procesos post-retinianos. En particular hay dicersas cuestiones pendientes: a) ¿Afectan al movimiento real y al aparente los mismos receptores?. Diversos experimentos parecen demostrar que eso es cierto para estímulos complelos o muy cercanos como, por ejemplo, dos imágenes consecutivas de cine. Pero para estímulos muy secillos como , por ejemplo, un efecto beta los mecanismos son diferentes. b) ¿Qué características de un objeto son prioritarias para transmitir sensación de movimiento?. Parece claro que el más importante es la luminosidad ( o sus cambios) por encima del color o de la forma, pero ¿qué explicación de eso da el sistema visual?. c) ¿Qué papel juega el enmascaramiento? pues si se intercala un campo luminosos uniforme entre los dos estímulos la sensación de movimiento queda suprimida. d) ¿Cual es la relación entre percepción de la forma y perceción del movimiento?. Pues está claro que animaciones por cambio de forma tambien porducen una cierta sensación de movimiento interno. El movimiento en el cine El cine proyecta regularmente imágenes fijas sobre una pantalla separadas por momentos de oscuridad resultado de la ocultación de la luz por un obturador giratorio. Una vez escogida una frecuencia que elimine el centelleo se obtiene sensación de luz contínua que evita la sensación de tener una proyección separada de imágenes y facilita por tanto

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olvidar que se trata de una proyección. La sensación de movimiento interno en las imágenes se obtiene a partir del movimiento aparente debido al efecto fi. Como las imágenes consecutivas en cine son en general bastante parecidas, se puede pensar, según lo que hemos dicho antes, que los mecanismos perceptivos que intervienen son los mismos que para la percepción del movimiento real. Si esta teoría se confirma significaría que fisiológicamente no se podría distinguir el cine de la realidad. Como se ha dicho antes, la inserción de un fotograma en blanco anula el movimmiento aparente por un efecto de enmascaramiento. La inserción del negro de proyeccción de fotogramas, no sólo no anula sino que parece tener el efecto contrario. Parece que su efecto es producir un “enmascaramiento del contorno una anulación de la información sobre las referencias externas de la imagen. Esto impediría que se acumularan imágenes en la retina haciendo que en cada momento sólo se percibiera la posición presente en la pantalla una vez borrada la anterior por el enmascaramiento. En cualquier caso, dejamos abierta la cuestión de qué hace el enmascarammiento en la imagen de televisión. Hay otros elementos de la percepción visual que también son interesantes desde el punto de vista de la tecnología de los sistemas audiovisuales, como pueden ser la percepción de los bordes y la del contraste. Su complejidad sobrepasa lo que se puede tratar desde nuestro punto de vista.

1.2: Ondas. Movimientos ondulatorios

La naturaleza de las ondas Una onda es un movimiento periódico, una perturbación o cambio periódico que se propaga a través de un determinado medio. Se suministra inicialmente a un punto del medio una energía para poner en marcha este movimiento periódico que inmediatamente se transmite a las partículas más cercanas a la inicial y a la larga a todas las otras del medio. Un buen ejemplo, pero que se ha de estudiar con mucho cuidado, es la piedra que se lanza al agua y que produce ondas exclusivamente en la superficie del agua no en todo su vólumen. Es necesario saber que la tensión superficial hace que la superficie de los líquidos sometidos a la gravedad se comporte como si fuera una película muy fina con propiedades semejantes a las elásticas, como se fuera una superficie de goma. Inicialmente la piedra empuja un conjunto de partículas de la superficie del agua si bien hace una fuerza hacía abajo que las hace moverse. Inmediatamente después el vacío que produce la piedra al caer causa una fuerza hacia arriba que hace que las partículas de la superficie suvan. Como la superficie del agua se comporta como un medio elástico, este movimiento hacia arriba y hacia abajo se va transmitiendo de forma progresiva y uniforme, en círculos, a toda la superficie acuosa de los alrededores del punto de caída de la piedra. Este movimiento, esta perturbación periódica de la superficie del agua es la onda; se transmite siguiendo los radios de las circunferencias centradas en el punto de caída y es absolutamente diferente del movimiento de las partículas de la superficie del agua que van arriba y abajo. Esta distinción es nuy importante. el movimiento de las partículas del medio y el movimiento que, si bien propagándose, constituye la onda, son dos conceptos diferentes y no pueden tener, como en este caso, ni siquiera la misma dirección. En el caso de la superficie del agua, al cabo de un tiempo las oscilaciones de la onda son cada

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vez más pequeñas y acaban por desaparecer. La misma fricción entre las partículas cercanas, que permite que la onda se propague, es la responsable de que se vaya amortiguando y acabe desapareciendo si no se vuelve a dar de alguna manera energía para mantener el movimiento. Este es una ejemplo de ondas transversales: la dirección de la propagación de la onda es perpendicular a la del movimiento de las partículas del medio. Las ondas longitudinales son aquellas en que la dirección de la propagación de la onda es la misma del movimiento de las partículas del medio. Para entender los conceptos físicos, frecuentemente es útil comenzar por el estudio de modelos o de ejemplos muy simplificados y prácticamente idealizados. En nuestro caso , para ver un ejemplo de cada tipo de ondas, haremos servir un modelo constituído por un conjunto de bolas unidas por muelles y apoyadas sobre una mesa. Podemos pensar que los muelles no tienen a penas peso y que la mesa y las bolas tampoco tienen fricción, pues para desarrollar nuestras ideas es por ahora irrelevante.

Ondas longitudinales Para producir una onda longitudinal en este modelo, cogeremos la primera bola y le daremos un movimiento periódico hacia delante y hacia atrás. A causa de las propiedades elásticas de los muelles, las otras bolas se irán alargando y arrastrando en la misma dirección . La onda la veremos como este conjunto de comprensiones y descomprensiones de muelles (están más juntas o más separadas) que irá cambiendo periódicamente siempre a lo largo de la longitud de la línea de los muelles. Haciendo una representación gráfica de las separaciones de las bolas respecto de sus puntos iniciales de equilibrio ( a, b, c, d, e, f, g, h, j, k) a pesar de considerar negativo el desplazamiento hacia la izquierda y positivo hacia la derecha, se ve que constituyen una sinuoide. Esto constituye una representación gráfica del estado de todo el conjunto de muelles en un instante de tiempo. Da idea de cómo es la onda a lo largo de la longitud del sistema de muelles. Por tanto, es una representación de la onda en función del espacio, de la longitud. Es también muy interesante ir siguiendo la evolución de cualquiera de las bolas a lo largo del tiempo, a medida que la onda se va produciendo. El suyo será también un movimiento periódico (hacia la derecha hasta un máximo, volver hacia la izquierda, pasar del punto de equilibrio hasta un máximo a la izquierda, volver a ir hacia la derecha). Si representamos estas posiciones en función del tiempo , teniendo en cuenta también que hacia la derecha es positivo (representado hacia arriba) y hacia la izquierda es negativo (representado hacia abajo), obtendremos también una forma sinusoidal. Este modelo simplificado se puede considerar una primera aproximación de lo que sucede en un medio material, sólido, líquido o gaseoso, cuando en un punto se produce un cambio brusco de presión: las bolas han sido sustituidas por partículas del medio y los muelles por las fuerzas de atración elásticas que las ligan. En un instante dado habrá zonas del material comprimidas separadas por otras en las que hay un enrarecimineto; en las primeras la densidad del cuerpo habrá experimentado un aumento y en las segundas una disminución. A lo largo del tiempo estas variaciones se van transmitiendo periódicamente, dando así origen a lo que se llama ondas de presión o de densidad. Cuando las ondas de presión tienen las características adecuadas, el oido humano las interpreta como un sonido. Cuando se produce un sonido, el aire es empujado hacia delante en todas direcciones alrededor de la fuente sonora. Si un sonido se propaga por el aire sin impedimentos producirá una onda esférica.

Ondas transversales

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Las ondas transversales són aquellas en que la direccción de propagación de la onda es perpendicular al movimiento de las partículas del medio. Nuevamente tomaremos como un caso simplificado el conjunto de bolas unidas por muelles y apoyadas sobre una mesa, pero ahora haremos que el punto A tenga un movimiento periódico perpendicular en al dirección de los muelles. Este movimiento se va transmitiendo a las otras bolas en función de la distancia que las separa. Es evidente que, en una instante dado, las esferas se encuentran sobre una sinusoide con picos y valles desplazándose hacia la derecha. Pero , como siempre, las partículas (las bolas) no siguen este movimiento y se limitan a ir arriba y abajo con un movimiento armónico. Igual que antes, si representamos representamos el movimiento de una de estas bolas a lo largo del tiempo (hacia arriba hasta el máximo, volver hacia abajo pasando por el punto de equilibrio hasta un mínimo por debajo, y volver otra vez arriba) obtendremos otra sinusoide como la de la figura 2. Las ondas transversales sólo pueden producirse en medios sólidos, pues los líquidos y los gaseosos no tienen elasticidad de forma y no reaccionan a los esfuerzos de corte. Las ondas longitudinales, producidas por la elasticidad de volumen, pueden darse en cualquier material, sólido, líquido o gaseoso.

Características de las ondas Sean del tipo que sean, las ondas quedan definidas mediante unos pocos parámetros.

La amplitud de la onda es la elongación máxima, es decir la altura de una cima o el vallle de la onda. La amplitud, que acostuma a representarse con una A, da razón de la energía que lleva la onda. Esto se ve intuitivamente con las ondas sobre el agua: cuando la onda se va desvaneciendo porque va perdiendo energía a causa de la fricción, su amplitud se va anulando sin que cambien las otras carácterísticas. La longitud de onda es la distancia entre dos cimas contenidos en la onda, o en general entre cualquier pareja de puntos correspondientes consecutivos. Se representa con la letra griega lambda (λ) y se mide en unidades de longitud como, por ejemplo, el metro. Para muchos casos, el metro es una unidad muy grande para medir longitudes de onda. Entonces se hacen servir sus submúltiplos, por ejemplo: -3 1 milímetro (1mm.): 10 = 0,001 m. (milésima de metro) 1 micra (μ m)= 10 –6 m.= 0,000001 m. (milésima de milímetro o millonésima de metro o micrometro). Los surcos de los Compact Discs son de este orden de magnitud. 1 nanómetro (1nm. ) o milimicra= 10-9 m. = 0,000000001 m. (milésima de micra o millonésima de metro) 1 angstrom (Ao) = 10 –10 m. = 0,0000000001 m. (décima de nanómetro o diezmilésima de micra) Los átomos tienen dimensiones del orden del angstromo.

El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de una cima a la siguiente o, en general, de un punto cualquiera al siguiente equivalente. Es decir, es el tiempo que tarda la onda en recorrer una distancia igual a su longitud de onda. Se representa con una T. Si la velocidad de la onda es v, se verifica entonces , λ= v.T La frecuencia es el número de oscilaciones, o sea de periodos que se producen por unidad de tiempo. Por tanto también el número de longitudes de onda que avanza la onda al desplazarse. Se representa con la letra griega ni (ν). De acuerdo con su definición se tendrá

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La frecuencia esla medida en ciclos/segundo. Eso es lo que se llama hertzio (Hz). Como el hertzio es una unidad muy pequeña, frecuentemente se hacen servir sus múltiplos: 1 Hilohertzio (1 KHz) = 103 Hz = 1.000 Hz 1 Megahertzio (1MHz) = 106 Hz= 1.000.000 Hz 1 Gigahertzio (1GHz)= 109 Hz= 1.000.000.000 H Esta unidad se hace servir también para muchos procesos periódicos aunque no sean ondas. Por ejemplo, a veces en lugar de decir que en el cine se registran 24 imágenes por segundo se dice que la frecuencia de gravación es de 24 Hz.

1.3. Electromagnetismo. Ondas electromagnéticas.

Nociones elementales de electromagnetismo Durante los siglos XVIII y XIX, una vez que la física tenía ya modelos bastante completos para explicar los hechos de la mecánica, se realizó todo un conjunto de experiencias sobre los fenómenos aparentemente independientes de la electricidad y el magnetismo. Poco a poco se fue haciendo evidente una relación entre los dos tipos de fenómenos que Maxwell explicitó en 1873 con sus leyes teóricas. Para poder entender mejor los conceptos de electromagnetismo es necesario tener una cierta idea de la terminología que los físicos hacen servir. Un concepto vital y sencillo de entender en un primer nivel es el de campo. Cuando en física se dice que en un determinado espacio hay un campo se quiere decir que en este espacio hay distribuida de alguna manera una energía capaz de producir algún tipo de efecto: movimiento, calentamiento, electrocución, etc. Por ejemplo, se dice que en el espacio alrededor de la Tierra hay un campo gravitatorio. Eso significa sencillamente que si dejamos ir un cuerpo material en ese espacio será atraído por la masa del planeta. Es como si hubiera una capacidad energética direccional (los cuerpos siempre caen hacia abajo) distribuida por el espacio alrededor de la Tierra. Esta manera de decir las cosas puede parecer complicada o arbitraria pero se hace servir porque permite un tratamiento matemático potentísimo y con la ventaja adicional de que los rasgos fundamentales serán comunes para todos los fenómenos a los que se pueda aplicar el concepto de campo. Una vez desarrollado el concepto de campo para estudiar el fenómeno de la gravitación, se vió que también se podían introducir ideas semejantes para estudiar la electricidad y el magnetismo. Si en algún lugar del espacio hay alguna carga eléctrica se dice que a su alrededor hay un campo eléctrico. Eso significa que si colocamos otra carga eléctrica cerca, sufriría los efectos de la creadora del campo: será atraída si son de signos diferentes y rechazada si son del mismo. De la misma manera, la presencia de un imán hace que los objetos sensibles al magnetismo sientan su atracción: se dice que hay un campo magnético. Como hemos dicho antes, a lo largo de los siglo XVIII y XIX se fue haciendo evidente que los campos eléctricos y magnéticos se podían considerar como dos aspectos diferentes de un mismo tipo de campo, el campo electromagnético. Las experiencias que llevaron a esta idea hacen referencia siempre a campos eléctricos o magnéticos que cambian a lo largo del tiempo,

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sea porque la posición de las cargas o de los imanes se modifica, o porque su intensiadad cambia o por cualquier otra razón que haga que el campo no se mantenga estático, sin cambios en el tiempo. Describiremos ahora un pequeño conjunto de estas experiencias. La experiencia que dio las primeras pistas sobre la relación entre electricidad y magnetismo fue la que se observa en la figura 14. Hacercando una brújula a una corriente eléctrica (es decir, partículas eléctricas en movimiento, y por tanto en un campo eléctrico variable) se observa que se desvía, exactamente como si la hubieramos acercado a un imán. La explicación que se dio es que la corriente electrica crea a su alrededor un campo magnético. Este hecho queda todavía más claro en el experimento de la figura 15. Si al conductor por el que circula la corriente eléctrica se le da la forma de una bobina, se puede hacer explícita, mediante limaduras de hierro, la forma de las líneas de fuerza del campo magnético que crea a su alrededor. La semejanza con un imán tradicional es completa. Este fenómeno funciona también en sentido contrario: un campo magnético variable crea una corriente eléctrica. Esto se demuestra por ejemplo con una experiencia como la representada en la figura 16. Si hacemos girar el imán situado en el centro de la figura delante de una espira conductora, se observa que en esta aparece una corriente eléctrica. Esta corriente es periódica y la representación de su intensidad sería una sinusoide, el periodo de la cual coincide con el del giro del imán. Este principio es el que se hace servir,por ejemplo, en las dinamos de bicicleta: nuestro esfuerzo pedaleando hace girar un imán y un dispositivo semejante a este concierte el giro en corriente eléctrica. Un aparato que hace un uso directo de este principio es el micrófono de bobina movil como el representado en la figura 17. Las ondas sonoras (recordemos que son ondas de presión) hacen oscilar la membrana del diafragma. Este está unido a la bobina y por tanto esta oscila dentro del campo magnético del imán. La consecuencia es que genera una corriente eléctrica que tiene la forma de una onda proporcional a las vibraciones sonoras que han originado el proceso. En un altavoz se produce el proceso contrario. A la bobina llega una corriente variable, producto final de todas las transformaciones que se hayan hecho a la señal que representa el sonido. Como esta corriente variable se encuentra dentro del campo magnético de un imán, la bobina sufre una fuerza hacia delante y hacia atrás proporcional a la corriente eléctrica que la atraviesa. Estas vibraciones se trasmiten al cono del altavoz y las oscilaciones de este constituyen ondas sonoras. Se llegó a tener un excelente conocimiento teórico del electromagnetismo cuando Maxwell dio en el 1873 sus dos leyes. La 1ª ley de Maxwell dice que cualquier campo eléctrico que varía a lo largo del tiempo produce a su alrededor un campo magnético. Al contrario, la 2ª ley de Maxwell dice que cualquier campo magnético que varía a lo largo del tiempo produce a su alrededor un campo eléctrico. Todos estos fenómenos que hemos visto y la teoría que los describe permitieron a Maxwell introducir el concepto de campo electreomagnético: una primera unificación de dos fuerzas físicas aparentemente diferentes.

Ondas electromagnéticas Maxwell previó que, en determinadas circunstancias, es posible que el campo electromagnético se desplace a lo largo del espacio en forma de ondas. Si recordamos el concepto de campo, podemos entender que eso quiere decir, a “groso modo”, que por el espacio se va desplazando una determinada capacidad de producir efectos eléctricos y magnéticos. Maxwell hizo esta

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previsión de forma completamente teórica. Previó también las características de estas ondas electromagnéticas, como por ejemplo que su velocidad había de ser la misma que la de la luz, c. No fue hasta 1888, 15 años más tardde, que Heinrich Hertz inventó un procedimiento para generar ondaas electromagnéticas. En su experiencia se produjo una chispa entre dos bolas metálicas muy cercanas. Al otro extremo del laboratorio tenía una con una pequeña abertura. En el mismo momento de producirse la chispa en las bolas apareció otra en la rendija de la espira. Era evidente que se havía producido algún tipo de trnasmisiñón rapidísima de energía. Eran las primeras ondas de radio. En la vida cotidiana repetimos muchas veces sin saberlo esta experiencia: cuando encendemos un motor eléctrico cerca de un televisor, las interferencias que aparecen son causadas por las ondas de radio que ha emitido el motor al encenderse y que el televisor intenta interpretar como imagen y sonido codificado, Las ondas electromagnéticas se producen cuando se pone en marcha un circuito eléc trico oscilante, es decir, en el cual la corriente eléctrica va cambiando de dirección a lo largo del tiempo. Estos circuitos tienen como mínimo un condensador y un solenoide, una espiral conductora. El campo eléctrico genera un campo magnético, éste genera un campo eléctrico y así sucesivamente. Las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz c. Un circuito emisor típico es una antena emisora de radio. La antena es en realidad el condensador de este circuito oscilante: sus dos armaduras se han ido separando, una es la tierra y la otra la cima de la antena; el dieléctrico entre ellas es todo el espacio que rodea a la antena, a través del cual se transmiten las oscilaciones de los campos eléctrico y magnético y por tanto las ondas electromagnéticas. Todo el espacio alrededor del emisor es afectado por la perturbación electromagnética originada por la descarga del circuito oscilante. Son las ondas elecetromagnéticas, que se propagan en forma de ondas esféricas. La intensidad por unidad de superficie disminuirá entonces en proporción inversamente proporcional al cuadrado de la distancia del centro emisor, entonces la misma energía se va repartiendo a lo largo de esferas cada vez más amplias la superficie de las cuales aumenta con el cuadrado de su radio. En un punto y en un momento dado, las direcciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre ellas y a la dirección de propagación. Una visualización de eso se puede ver en la fig. 20. Las ondas electromagnéticas son pues ondas transversales. En eso parecía haber un hecho paradójico pues las ondas transversales solo podían producirse en medios sólidos y es evidente que las ondas electromagnéticas atraviesan el aire, el agua o incluso el vacío. Esta paradoja produjo muchos dolores de cabeza a los físicos de finales del XIX hasta que se pudo entender que las ondas electromagnéticas no necesitan ningún soporte material para producirse, si bien sus características cambian según el medio que atraviesan. En todas las experiencias que se hicieron con ondas electromagnéticas se fueron comprobando las previsiones teóricas de Maxwell y en particular que estas ondas avanzan a la velocidad de la luz c y que sus parámetros ondulatorios siguen las leyes dadas para cualquier onda transversal, es decir: λ=c T=c/ν .

donde λ es la longitud de una onda , T el periodo y ν la frecuencia de la radiación electromagnética.

Espectro electromagnético A partir de los trabajos de Maxwell y Hertz se fue descubriendo y generando por procedimientos diferentes, radiaciones electromagnéticas de diversa frecuencia y longitud de

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onda. Todas juntas constituyen lo que se denomina espectro electromagnético. En la figura 21 se pueden ver las diversas radiaciones que constituyen el espectro electromagnético. En la parte de arriba está el valor de la frecuencia de la radiación; en la parte de abajo el correspondiente para una longitud de onda, deacuerdo con la fórmula λ=c/ν. También se ha representado algunos de los aparatos que hacen servir ondas electromagnéticas en su funcionamiento. Es evidente que muchas de las aplicaciones entran de lleno en el campo del audiovisual. En particular son de gran interés las ondas de radio que se hacen servir para transmitir sonidos e imágenes a larga distancia y sin cable, haciendo servir la propiedad de estas ondas de no necesitar un soporte para producirse. Vale la pena darse cuenta de las dimensiones tan grandes y tan pequeñas con que se trabaja cuando se habla del espectro electromagnético. Las frecuencias son siempre muy grandes (recordemos que 1 Hz. es un ciclo por segundo) y las longitudes de onda son también muy grandes (hasta decenas de kilómetros) o muy pequeñas (cien mil milésimas de angstrom). Todas las radiaciones electromagnéticas son idénticas en su naturaleza. Ahora bien, los medios para producirse observarlas son completamente diferentes. Eso es lo único que justifica que las diversas zonas del espectro reciban nombres diferentes. Por ejemplo, los rayos infrarojos son los responsables de la sensación de calor y son producidos por cuerpos calientes. Las ondas eléctricas que están inmediatamente por encima (microondas, TV, radio) se producen mediante circuitos eléctricos. Pero en la frontera entre las dos se ha demostrado experimentalmente que el tipo de radiación obtenida es la misma. Rayos X y gamma se obtienen en reacciones nucleares, en la Tierra o las estrellas. Las radiaciones elelctromagnéticas tienen más energía cuanto más grande es su frecuencia. La causa última es la fórmula de Planck de la mecánica cua´ntica. Por tanto las radiaciones más energéticas son los rayos gamma, los rayos X y la radiación ultravioleta. Por la misma causa, entre los colores, tiene más energía un violeta que un rojo. El Sol y las estrellas emiten radiaciones en prácticamente todo el espectro. La atmósfera de la Tierra actúa como un filtro de entrada para la mayor parte de las radiaciones de onda corta y frecuencia larga y por tanto de alta energía (ultravioletas, rayos X, rayos gamma) que son muy dañinos para la vida en su estado actual. La modificación por parte del hombre de la composición atmosférica comporta cambios en las frecuencias filtradas tanto de la radiación incidente como por la rebotada. Las consecuencias, bien conocidas, son el aumento de radiaciones ultravioleta por un lado y el efecto invernadero por otro.

1.4: La luz y el color La luz como una onda electromagnética Como hemos visto, la luz es una onda electromagnética que ocupa una zona bien estrecha del espectro electromagnético. Va desde 4000 Ao hasta 7500 Ao, es decir de 7,5 .1014 hasta 4.1014Hz. La única diferencia con las otras radiaciones electromagnéticas es que el ojo y el sistema visual humano son capaces de captarla e interpretarla. Dentro del espectro visible, el ojo interpreta las diferencias en longitud de onda (o frecuencia) como una diferencia de color, en el que definirá la principal característica de éste, su tono. Aunque las diferencias entre colores son muy subjetivas, sobre todo en las fronteras, el espectro luminoso es aproximadamente este: (recordemos 1A0=10-10 m.)

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Se observa nuevamente que el espectro luminoso está rodeado por las radiaciones infrarojas y las ultravioletas. La longitud de onda de esta tabla es para radiaciones luminosas en el vacío. Es necesario hacer esta precisión porque la longitud de onda de la luz cambia según el medio que atraviese. La luz se propaga en cualquier medio transparente. Su velocidad es tan grande que durante un cierto tiempo se creía que era infinita pues no existían medios suficientemente finos para medirla. Desde hace tiempo se ha determinado experimentalmente en medios diferentes y se ha comprobado que es finita y constante en cada uno de estos medios homogéneos. Su valor sólo depende de estos y muy ligeramente de la frecuencia, es decir de color de la luz. En el vacío todas las radiaciones luminosas se propagan a la misma velocidad c=299.790 km/s que muy aproximadamente es 8 c = 300.000 km/s = 3·10 m/s

En el aire, el medio de propagación de la luz más usual para nosotros, la velocidad es, bien bien, la misma para todas las radiaciones y prácticamente igual a la del vacío c. En realidad es un poco más pequeña, de unos 299.700 Km/s.

En otros medios, sin embargo, la velocidad de la luz cambia mucho. Así por ejemplo en el vidrio tipo flint, empleado en óptica, la velocidad de la luz va desde los 186.300 Km/s de la luz violeta hasta los 188.000 Km/s para la luz roja. Estas diferencias de velocidad por colores darán lugar a la difracción de la luz blanca cuando entra en un prisma. Por otro lado, la diferente velocidad entre dos medios, como el aire y un vidrio, originará que los rayos que los rayos se desvien cuando pasen de uno a otro. Eso se tratará mediante el índice de refraccion y será el origen de los instrumentos ópticos y de las lentes empleadas en fotografía, cine, video, etc. Las diferencias de la velocidad de la luz en medios diversos hacen que la longitud de onda también cambie según el medio de propagación. En cambio la frecuencia no cambia y en consecuencia es mejor para caracterizar sin errores una radiación y por tanto para determinar un color.

Polarización de la luz La luz es de naturaleza todavía más compleja que lo que se ha explicado hasta ahora. De hecho, un rayo de luz está formado por una sucesión de trenes de ondas separados por trozos sin radiación. Cada tren de ondas tiene una longitud de pocos metros y contiene unos cuantos millones de longitud de ondas. La causa de esto es la naturaleza cuántica de los procesos atómicos que producen la luz. Cuando se quiere una luz que vibre toda en los mismos planos hay que polarizarla. Hay diversos procedimientos basados sobre todo en las propiedades de los diversos cristales. El resultado de atravesar uno de estos cristales es que en toda la luz resultante, que obviamente habrá perdido intensidad, los campos eléctrico y magnético no cambiarán de plano de oscilación. Cuando la luz está polarizada, se llama plano de vibracion aquello en que oscila el campo eléctrico y campo de polarización el del magnético. En la fotografía se hacen servir frecuentemente filtros polarizadores. Su utilidad es consecuencia del hecho de que la luz que procede de las superficies brillantes no metálicas y del cielo azul está fuertemente polarizada. Colocando al objetivo de la cámara uno de estos filtros y girándolo en un ángulo adecuado, conseguiremos en una determinada posición suprimir una buena parte de esta luz polarizada. Su efecto será entonces disminuir estos reflejos indeseables en superficies no metálicas y rebajar la luminosidad excesiva del cielo azul y como consecuencia intensificar el color y aumentar el contraste en las fotografías resultantes. A veces se hacen servir también dos polarizadores lineales que se hacen girar uno respecto del otro.

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Cuando forman un ángulo de 900 evidentemente no pasa la luz. En ángulos determinados se pueden conseguir los mejores resultados en cuanto al rendimiento de los colores.

Nociones básicas de Fotometría

La fotometría es la parte de la óptica que fija los criterios para medir cantidades de luz. En realidad, la luz es una forma de energía y por tanto la unidades iniciales para la medida de la luz son energéticas. Pero por razones prácticas es interesante definir unidades propias ligadas a procesos relacionados con la percepción de la luz y de los objetos luminosos o iluminados en general. Esta distinción entre objetos emisores de luz o fuente de luz y objetos iluminados es importante en el campo audiovisual. Por ejemplo, una pantalla de cine emite luz pero no se trata de luz propia: es un objeto iluminado. Cuando se enciende una bombilla, una parte de la energía eléctrica se gasta en calor, se pierde y no se aprovecha, y otra se dedica a producir luz. Lo mismo pasa en el caso de una vela con la energía química que produce la combustión. Por eso son más rentables las luces frías como por ejemplo las flourescentes y las nueva bombillas de bajo consumo. El concepto básico de fotometría es el flujo luminoso. El flujo luminosos emitido por una fuente de luz es la cantidad de energía luminosa emitida por unidad de tiempo. Se mide en lumenes (lm). El flujo se respresenta con la letra griega φ (fi). Es una unidad de potencia. La potencia es la energía producida, proporcionada, gastada o emitida por unidad de tiempo. Es una unidad muy conveniente para dar idea de la capacidad de un aparato para ir produciendo energía de forma continuasda. Por eso se habla siempre de su potencia expresada en watios. Por ejemplo, para una simple bombilla, la energía gastada en realidad depende del tiempo que está encendida. La fórmula fundamental es Energía = potencia· tiempo. Por tanto, si tenemos un aparato de una determinada potencia, la energía consumida en dos horas será el doble que la consumida en una hora. Es por esto que el contrato de la luz se hace para una determinada potencia, por ejemplo 4,4 Kwats, y el consumo se mide en energía (Kw.hora). Y en dinero, pues lo que venden las compañías eléctricas es energía. El lumen es quizá también la unidad más útil e intuitiva para evaluar la sensibilidad del ojo a la luz, pues mide la cantidad de energía luminosa que este puede ir procesando a lo largo del tiempo. Frecuentemente, la luz emitida no es igual, no tiene el mismo flujo en todas las direcciones del espacio. eso puede ser debido, por ejemplo, a que el foco de luz no sea puntual, a que tenga pantallas, o a que haya reflejos, sombras, otras luces, etc.Es necesario por tanto definir una nueva magnitud que tenga cuidado de la dirección en que se mide la luz. Se trata de la intensidad luminosa.

La intensidad luminosa de una fuente de luz en una direción determinada es el flujo luminoso emitido en una determinada dirección ( en rigor, por unidad de ángulo sólido en aquella dirección). Se mide en candelas y se representa con la letra I. Si una fuente emite igualmente en todas direcciones, el flujo y la intensidad serán proporcionales y lo mismo da pensar en términos de uno u otra.

La magnitud fundamental para superficies iluminadas es la iluminación de una superficie. Cuando una superficie está cerca de una fuente de luz se dice que está iluminado por la fuente. Se llama iluminación de esta superficie al flujo luminoso que recibe por unidad de superficie. Se representa con la letra E. Por tanto, E = φ / S (en el caso más sencillo en el que la luz es perpendicular a la superficie). Intuitivamente se entiende que esta unidad da una idea clara de lo que su nombre indica. Si

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disponemosde un foco de una determinada potencia, cuanto más grande sea la superficie que queremos que ilumine menos iluminada podrá estar y al revés, La unidad de iluminación es el lux. 1 lux= lumen /m2. Por ejemplo, cuando se habla de un videoproyector de 650 lux se está cuantificando como iluminada y por tanto de viva y con buen rendimiento de colores es su pantalla. Y eso depende del equilidrio entre la potencia de los tres canones emisores de luz en colores y de la medida de la pantalla. Si una superficie iluminada , no es brillante, devuelve la lua igualemente en todas las direccciones en lo que se llama luz difusa y se comporta como una fuente de luz, que se puede suponer homogénena. Un buen ejemplo es una pantalla de proyección o de vídeo. Cuando, en animación por ordenador, se quiere simular la superficie de los cuerpos, uno de los parámetros que los programas integran son unos coeficientes que dan idea de si la superficie vuelve la luz muy difusa o si predomina una dirección y por tanto tiene un aspecto mas especular. Más en general, cuando se diseña una determinada escena se han de colocar los puntos de luz, definir su posición, color, intensidad, etc. Los programas, internamente, hacen servir todas las fórmulas física y matemáticas derivadas de la teoría de la luz para simular el comportamiento de los rayos a medida que ven avanzando y rebotando en los diversos iobjetos de la escena.

En el caso de que tengamos una fuente de luz real, no puntual, y que emite la luz. que por y que por tanto tiene una extensión determinada, es interesante referir la intensidad a la medida de la superficice. El brilllo o luminancia B de una fuente extensa de luz (como por ejemplo, una superficie difusa iluminada) es la intensidad luminosa que presenta en dirección perpendicular la unidad de superficie de la fuente. Por tanto B= I/S. 2 Se mide en candelas/m .

Es decir, se trata de una unidad que da idea de la energía emitida por unidad de tiempo en una obertura determinada por cada parte de la superficie emisora. Recordemos que estas magnitudes fotométricas y en particular la luminancia, se utiliazaron para cuantificar la cantidad de luz con que se ven determinados objetos iluminados. Eso no permitió, poer ejemplo saber que el cine, la televión y los espectáculos audiovisuales en general, caen en la zona de visión fotópica, cosa que hace que intervengan significativamente los conos y por tanto tengamos una buena percepción de los colores. Finalmente, es interesante conocer la realación entre los datos fotométricos y los energéticos que producen las fuentes de luz. Por ejemplo, a una luz verde ideal de una potencia de un watio le corresponde teóricamente un flujo luminoso de 670 lúmenes. En cambio, a una luz roja de la misma potencia le corresponden sólo70 lúmenes. Eso demuestra que el flujo luminoso y por tanto la luminancia son diferentes para cada color. Es decir, hay colores que tienen más energía y més potencia que otros. Estas diferencias energéticas entre colores son la causa de que se hagan servir estas unidades propias fotométricas en lugar de watios y otras más generales. Es mejor cuentificar la potencia luminosa en función del resultado que produce. En cuanto al rendimiento de las luces eléctricas, con una bombilla incandescente se obtienen de 10 a 20 lúmenes por watio. El rendimiento aumenta con la potencia de la bombilla. Con una lámpara fluorescente el rendimiento es de 30 lúmens por watio. Y con las nuevas bombillas frias el rendimiento todavía es superior.

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La naturaleza de los colores Como ya hemos avanzado, la sensación de color es la manera como nuestro sistema visual interpreta las diferecnias en la longitud de onda de la luz que le llega. Newton demostró, haciendo pasar un rayo de luz proveniente del sol por un prisma, que la luz blanca es una mezcla de todos los colores del espectro visible, de todas las longitudes de onda. Este experimento se basa en la propiedad de que el ángulo de refacción entre aire y vidrio (es decir , el ángulo de desviación de la luz al entrar en el vidrio) depende de la longitud de onda, cosa que hace que se separen los colores. Eso es así porque la velocidad de la luz en estos medios es diferente para cada una de las longitudes de onda que , mezcladas dan la luz blanca. Con esta experiencia, Newton fue el primero en en ver explicítamente el espectro visible, la parte del espectro electromagnético, que nuestros ojos perciben como calor. De hecho, como es bien sabido, cuando sale el arco iris todos tenemos la posibilidad de ver este espectro: las gotas de humedad suspendidas en el aire después de la lluvia actuan como un conjunto de microprismas cuando el sol las atraviesa. Con esto ya sabemos cómo es el escenario lumínico en que acostumbramos a ver las cosas. La luz del sol es blanca y por tanto esta es la más abundante en la naturaleza. Los objetos se ven de un determinado color porque su superficie absorve una parte de la longitud de onda de la luz que ilumina y refleja las otras. Las que predominan entre estas últimas dan la dominancia de color de un objeto pues son las que llegan a nuestros ojos cuando lo miramos. Si una superficie absorve por igual todos los colores se nos aparece como gris. Si refleja mucha luz será blanquecina, en caso contrario negruzca. Si una superficie refleja menos del 10% de la luz que le llega ya nos parece negra. Con lo que acabamos de decir resulta evidente por qué, si la luz que ilumina los objtos no es blanca sino que tiene una componente cromática claramente dominante, el color con el que se nos apareceré resultará completamente alterado. Por tanto para definir el color de un objeto es necesario que esté iluminado con luz blanca.

Características o cualidades de los colores Para definir empícamente un color se recurre gneralmente a tres características: El tono, que viene determinado por la longitud de onda y que sirve para situarlo en su lugar en el espectro. Corresponde a la idea inicial que uno tiene de un determinado color al verlo: es rojo, o azul,o amarillo, etc. La saturación, que corresponde a la idea de “pureza” del color, y mide la cantidad de luz blanca, es decir, de todas las otras longitudes de onda, que acompaña al color. Por ejemplo, un color rosa es un rojo poco saturado, es decir con fuerte mezcla de luz blanca: como esta es la suma de todos los colores, la dominante continúa en la zona del rojo. Los colores del espectro solar tienen una saturación máxima, son colores puros pues han estado separados completamente de los otros. La lumnosidad, brillo o luminancia de un color es como todos estos un concepto subjetivo peo que está influenciado por dos fenómenos objetivos e independientes. El primero es, obviamente, la propia energía de la radiación. En el espectro luminoso tiene más energía y por tanto más brillo un violeta que un rojo. El orden de más a menos energético es pues el mismo del espectro: violeta, cian, verde, amarillo, naranja y rojo.. Por tanto, cuanta más energía tenga la radiación, más componentes de la parte azul tendrá y al revés.

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El otro fenómeno es la diferente sensibilidad del ojo a los diversos colores. El ojo no es igualmente sensible a todas las radiaciones luminosas. La máxima sensibilidad la presenta hacia los colores amarillo y verde. Eso significa que, a igualdad de energía, la luz verde se percibe más intensamente que cualquier otra. Si se representa graficamente esta sensibilidad relativa del ojo se puede ver gáficamente que sigue una distribución como la de la figua. La gradación de intensidad con que el ojo percibirá el color, sacada de este gráfico es la siguiente: amarillo, verde, cian, naranja, azul, rojo y violeta. La percepción de la luminancia de un determinado color es la consecuencia de estos dos fenómenos Para entender mejor lo que representa la luminancia, pensaremos por ejemplo en el caso de una fotografía en blanco y negro. No es necesario decir que cuando en el lenguaje corriente decimos blanco y negro nos referimos a una gradación de grises entre el blanco y el negro. Así pues se trata en realidad de una fotografía en tonos grises. Hay que entender entonces como se genera el “color” gris a partir de los tres componentes de los colores : tono, saturación y luminancia. El gris es una mezcla equitativa de todos los colores y por tanto lo que caracteriza su saturación es 0. Manteniendo eso, para generarlo podemos partir inicialmente de cualquier tono pues eso no influirá en el gris resultante. Sólo en en caso que aumentáramos la saturación comenzaría a verse el tono dominante. En estas condiciones (0% de saturación), con un brillo máximo de 100%, tendremos el blanco y con una mínima del 0% tendremos el negro con todos los niveles de grises en medio. Todas estas caracerísiticas del color gris quedan determinadas pues exclusivamente por su luminancia.

Cuando se hace una fotografía con película en blanco y negro los diversos colores se convierten en grises diferentes. Unos son más oscuros que otros: lo único que los distingue es la luminancia. Es el mismo caso del cine o la televisión en blanco y negro: para definir un nivel de gris es suficiente con su luminancia. Veremos en el caso de este último medio las implicaciones que eso tiene en la electrónica que lo sustenta.

De pasada podemos reflexionar sobre el hecho de que aunque la fotografía, el cine o la televisión representen a veces la realidad en blanco y negro, todos nosotros somos perfectamente capaces de reconocerla de manera automática y aparentemente instintiva. Ya antes de inventarse la fotografía la gente estaba acostumbrada a representaciones de la realidad en blanco y negro, como por ejemplo los grabados. Esto nos demuestra, que la imagen representa la realidad de una manera convencional, socialmente aceptable.

Diagrama cromático Es un intento, entre muchos otros, de cuantificar sensaciones de color para facilitar su estudio. Cuando la luz incide en un cuerpo, su energía se divide en un máximo de tres partes: una parte es reflejada, otra es absorvida y, si el cuerpo es transparente o translúcido, otra es transmitida. La importancia relativa de las tres partes depende tanto del cuerpo como de la longitud de onda de la luz incidente. La responsable del color aparente es evidentemente la parte reflejada. Si la superficie del cuerpo no está pulimentada, esta reflexión se produce igualmente en todas las direccciones y se llama luz difusa. Se llama poder difusor de una superficie a la fracción de luz incidente que es difusa. Igualemente se definen los poderes absorvente y trasmisor. Si hacemos la experiencia en una aparato llamado colorímetro de mezclar luces de colores sobreponiendo sobre una pantalla perfectamente difusora haces de luz procedente de tres proyectores de colores diversos como por ejemplo azul, verde y rojo, observamos que cambiando su intensidad vamos obteniendo colores diferentes. También se observa que el sentido de la vista es incapaz, a partir únicamente del color resultante, de distinguir cuales han sido los tres colores que la han formado. Eso no pasa con el oido humano ques en principio

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capaz de separar y apreciar las notas que intervienen en un sonido compuesto. También se observa qiue hay colores que no se pueden obtener mediante la mezcla de los tres proyectores. Pero , en cambio, sí se pueden hacer restando. Eso significa que si se mezcla el color incógnita que se quiere conseguir con uno de los otros tres y se van cambiando las intensidades de los otros dos al final se consigue igualarlos. Para conseguir que todos los solores puedan conseguirse como una suma de otros tres será necesario introducir tres colores básicos ideales a, b, c, que no existen en la realidad sino sólo matemáticamente pero si pueden generar teóricamente cualquier color real. El diagrama cromático, introducido experimentalmente y estadísticamente por el CIE (Comisión Internationale de Eclaierage) en 1931, es una forma muy clarificadora de representar los colores en un plano. Se hacer servir unas coordenadas x, y basadas en los colores imaginarios a, b, c. Entonces los colores reales se representan por puntos de este plano. El resultado es el diagrama cromático que se ve en la figura. Los colores espectrales puros se unen mediante un curva semejante a una parábola. Cerrándola por debajo con una recta queda dentro una zona del plano que representa todos los colores reales posibles. El punto L corresponde a la luz blanca. La proporción exacta para obtener la luz blanca a partir de los tres fundamentesles de los lados es de un 59% verde, un 30% de rojo y un 11% de azul. L= 0,59G +0,30R+0,11%B. Como veremos más adelante, eso se hará servir para definir la señal de luminancia de vídeo. Una propiedad muy importante del diagrama cromático es la manera que proporciona de visualizar gráfivamente la suma de colores. Si se suman dos colores A y B el resultadoserá un color situado sonre el segmento AB y más cerca del color que tenga más intensidad en la mezcla. Añadiendo un tercer color C se podrá obtener un nuevo color como por ejemplo el representado por el punto M. Está claro que mezclando los solores A; B; y C sólo se podrán conseguir los colores interiores del triángulo ABC.

Para obtener un color de fuera, como por ejemplo el punto M se puede añadir A con este M, hasta obtener un punto del segmento BC. Esto significa que se pueden encontrar proporciones de colores de manera que, expresando la igualdad prescindiendo de los valores cuantitativos de cada color: (M )+(A) = (B) +(C) y por tanto (M )= (B)+ (C)- (A) es decir que tiene sentido hablar, como habíamos hecho antes, de el resto de colores. Eso significa que, con sumas y restas de colores sí se puede obtener cualquier color a partir de tres primarios. A partir de lo que acabamos de ver en el diagrama es evidente que como primarios se pueden escoger tres cualesquiera que no estén alineados, pues en este caso no formarían un triángulo de verdad. Dicho de otra manera, los tres primarios han de tener la propiedad de que ninguno de ellos no se pueda obtener como suma de los otros dos. Veremos ahora en el diagrama una manera de caracterizar de manera única todos los colores reales posibles. Para hacer eso unimos el punto correspondiente al blanco con otro correspondiente a un color espectral puro como el punto S. Vemos como los puntos R del segmento LS se pueden obtener como una mezcla de blanco con el color espestral puro S. La longitud de onda λ fija unívocamente la posición del color S. Por otra parte, el parámetro p definido como p= LR/LS se denomina pureza del color y está claro que su valor está entre 0 y 1. Si vale 1 tenemos el color espectral puro S. Si p es pequeño tenemos un color pálido, poco saturado, cerca del blanco. λ y p se llaman coordenadas cromáticas de un color y caracterizan ce manera unívoca cualquiera de los diagramas de un color, pues un punto cualquiera en el interior de la zona de colores pertenece a un solo segmento de los que unen L con la curva decolores espectrales y su separación de L es también unívoca.

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En relación con lo que hemos visto antes como características cuantitativas del color, en las coordenadas cromáticas del diagrama cromático da idea cuantitativa de la saturación y lambda del tono.

Se denomina color complementario de otro a su opuesto respecto al blanco, es decir aquel que mezclado con el original da como resultado el blanco. Es decir si X es un color y X’ su complementario: (X) +(X’) = (L) ==> (X’) = (L) – (X)

El complementario del azul es el amarillo, el del rojo es el cian y el del verde es el magenta. En el diagrama cromático los colores complementarios ocupan puntos opuestos en una recta que pasa por L. Simplificando, es decir prescindindo de las proporciones reales en se puede expresar: Amarillo= Blanco – Azul = Azul’ Cian= Blanco – Verde = Verde’ Magenta = Blanco –Verde = Verde’

Composición aditiva de colores Es la que hemos estado considerando hasta ahora cuando tratabamos de la luz de tres proyectores de colores. Se mezclan directamente en el ojo luces de diversos colores. Si los rayos de luz son pequeños y muy cercanos el ojo no los distinguirá separadamente sino que hará una mezcla que podrá dar cualquier otro color en función de las intensidades de cada uno de los componentes. En este principio se basa por ejemplo la pintura puntillista: si el espectador se encuentra bastante lejos no percibe las pinceladas individuales sino su mezcla. La televisión en color hace servir un proceso semejante, mezclando en el tubo una cantidad enorme de minúsculos puntitos de color. Observando el diagrama cromático se ve que los primarios aditivos más adecuados son algunos colores en las zonas del rojo, verde y el azul, pues el triángulo que rodean tiene la superficie más grande posible y por tanto cubre la mayor parte de los colores reales. En la figura se ven posiciones en el diagrama cromático de los colores primarios en los sistemas de televisión americana (NTSC) y europea (PAL). También se ven las zonas del diagrama que ocupan algunos objetos más comunes en las imágenes televisivas como por ejemplo la piel, el cielo,la tierra o los árboles: son perfectamente restituibles a partir de una codificación RGB. Pero es interesante saber que no todos los colores reales pueden representarse de esta manera. A partir de la forma “triangular” del diagrama cromático se ve que combinando dos colores primarios obtenemos el complementario del tercer. Así pues, con rojo y azul se obtiene magenta, con azul y verde se obtiene cian y con verde y rojo se obtiene amarillo. Simplificando como antes podemos expresar estas sumas: Rojo + Azul= Magenta Azul + Verde = Cian Verde + Rojo = Amarillo

Composiciones sustractivas Es la que se da, por ejemplo, cuando sobre una superficie blanca, que por tanto refleja todos los colores, se van poniendo capas de pigmentos (pintura, emulsiones, etc.). Cada capa es un

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filtro que absorve unas longitudes de onda y deja pasar otras. Las que pasan después de aplicarle diversas capas dan el color resultante. A diferencia de antes, ahora se trata de una luz blanca a la que se le van sucesivamente diversos componentes de color. Por eso se denomina composición sustractiva. Los colores básicos que se hacen servir para este otro tipo de composiciones son los llamados primarios sustractivos: magenta, amarillo, cian. Como hemos visto se pueden obtener a partir de loa primeros adtivos. Sobreponiendo un filtro amarillo y uno magenta la luz que pasa es roja. Con un filtro amarillo y uno cian se obtiene un verde. Y con magenta y cian se obtiene azul. Es decir: Amarillo + Magenta = Rojo Amarillo + Cian = Verde Magenta + Cian = Azul Cualquier otro color se puede obtener cambiando la intensidad de los filtros básicos. A veces puede ser necesario añadir algún pigmento negro para obtener un color con más exactitud. Esta mezcla sustractiva es la que hace servir normalmente la pintura: añadir capas de pintura de gruesos diversos no es otra cosa que colocar filtros de colores de diversa intensidad al paso de la luz. También se hace servir en los procedimientos modernos de revelado de fotografía y cine en colores. Las teorías clásicas del color son sustractivas porque provienen de la experiencia de muchos siglos en la pintura. Las teorías aditivas proceden de la experiencia científica en física y fisiología. Para recordar estas sumas dde color se puede hacer servir la figura siguiente. Para ver en la práctica muchos de los conceptos que hemos visto de teoría del color es una buena idea trabajar con programas de ordenador de dibujo que permiten modificar la paleta de colores actuando alternativamente sobre tono, saturación y luminancia o sobre verde, rojo y azul. Así se puede ver como cambia el color cuando se modifican sus características. Se pueden plantear diversos ejercicios: por ejemplo, ver que aumentar la luminancia de un color equivale a aumentar, en las proporciones idénticas¸sus componentes RGB; o ver como al cambiar la saturación se van obteniendo colores del mismo tono pero más o menos blanquecinos; o ver que si ponemos la saturación al máximo y modificamos la luminancia obtendremos todos los grises entre el blanco y el negro, sea cual sea el tono de base, y comprobar que las composiciones RGB serán las tres iguales pero más grandes, por tanto más luminosas y energéticas cuanto más claro sea el gris. Etc.,etc.

Temperatura de color. Radicación del cuerpo negro Como hemos dicho antes, si la luz que ilumina una superficie no es blanca, su color aparente cambiará. El sistema visual esta preparado para procesar cambios bastante amplios en la composición de la luz incidente, de manera que un objeto nos parece del mismo color con luz de día o con una iluminación artificial no demasiado extremada (bombillas, fluorescentes, etc.). Ahora bien, los aparatos de grabación de imagen, fotográficos o electrónicos, no tienen esta maravillosa adaptabilidad del cerebro humano y, si no se controla la calidad cromática de la luz incidente, los resultados pueden ser desastrosos. La temperatura de color proporciona una manera objetiva de evaluar la composición de colores de una determinada luz.

El calor se puede transmitir de tres formas completamente diferentes: por conducción, por convección y por radiación. El calor se propaga por conducción cuando hay un contacto directo entre los dos

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cuerpos (caliente, frio) mediante un material continuo que va adquiriendo temperaturas intermedias entre los dos que une. Se propaga por convección , exclusivamente en líquidos y gases, mediante un movimiento de las partículas de estos desde las partes calientes (partículas con más energía) a las frias (partículas con menos energía) y al revés. La transmisión del calor por radiación es la única que actua cuando los cuerpos están separados por el vacío (pero actúan también en cualquier medio material). Cualquier cuerpo caliente ( por encima del cero absoluto = -273’15 º C) emite a su alrededor energía en forma de ondas electromagnéticas. Se llama radiación térmica o de temperatura de un cuerpo dado a la emisión de ondas electromagnéticas que se debe a la temperatura que posee. En general, la energía radiactiva emitida por un cuerpo corresponde a longitudes de onda superiores a las de los rayos rojos (infrarojos) y son por tanto invisibles al ojo humano. Si la temperatura aumenta ( a partir de un poco más de 500ºC) se comienza a percibir la radiación térmica en forma de luz. Por otro lado, es evidente que la cantidad de radiación que absorve un cuerpo depende extraordinariamente de las características de su superficie. todo el mundo sabe que si estamos expuestos al sol vestidos de blanco sentimos menos calor que si estamos vestidos de negro. Eso se debe a que un cuerpo se ve blanco precisamente porque refleja radiaciones de todos los colores del espectro visible mientras que el negro no refleja prácticamente ninguna y las absorve todas. Se denomina cuerpo negro a aquel que tiene la propiedad de absorver integramente todas las radiaciones que inciden en él, independientemente de su longitud de onda. Ninguna radiación electromagnética es reflejada por el cuerpo negro. Por tanto todas las radiaciones provinentes del cuerpo negro serán debidas exclusivamnete a su temperatura. Por eso es un instrumento idóneo para estudiar las relaciones entre las características de la radiación electromagnética y la temperatura del cuerpo que las produce. El cuerpo negro es una idealización que no existe en la naturaleza, pero que es muy adecuado para aproximaciones teóricas al estudio de las radiaciones incluso un cuerpo ennegrecido con betún absorve prácticamente todas las radiaciones visibles pero refleja de manera notable los infrarojos. Para hacer experimentos con el cuerpo negro se hace servir una cavidad con paredes muy absorventes e irregulares. Si se hace un pequeño agujero en esta cavidad, este se puede considerar como una buena aproximación del cuerpo negro.

Haciendo este estudio de la distribución espectral de la radiación emitida por el cuerpo negro a diferentes temperaturas se obtiene unas curvas como las de la fig. 30. Se observa que cuando aumenta la temperatura del cuerpo emisor la cantidad de energía emitida aumenta y que la radiación dominante, la intensidad máxima, tiene una longitud de onda más pequeña. La temperaturas acostumbran a medirse en la escala absoluta o de grados Kelvin, que toma su origen del 0 absoluto, el punto por debajo del cual ningún cuerpo material puede enfriarse. Como este punto es en la escala centígrada –273’15ºC se tiene la relación: T absoluta (ºK) = T centígrada (ºC) + 273’15 o aproximadamente T absoluta (ºK) = T centígrada (ºC) + 273 Para radiaciones de cuerpos a más temperaturas que antes y limitándonos a las radiaciones visibles que son las que nos interesan ahora, se tienen distribuciones como las de la figura.. Nuevamente se observa que al aumentar la temperatura disminuye la longitud de onda. Eso corresponde al hecho que observamos habitualmente de que cuando calentamos un trozo de

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hierro en la fragua, primero se pone rojo, después pasa a amarillo y cuando está al máximo de temperatura se ve de un azul blanquecino. Así pues, lo que se denomina temperatua del color es una manera de caracterizar la energía de una determinada radiación o luz y sobretodo su composición relativa en diversas longitudes de onda o colores. A continuación vemos una lista de las temperaturas de color de diversas iluminaciones empleadas en fotografía, cine y vídeo.

Todos los fabricantes de sistemas de iluminación indican la temperatura de color de sus productos. En fotografía y cine, las emulsiones indican también a qué temperatura de color están equilibradas, es decir para que composición de colores darán el resultado equilibrado. En general hay dos tipos de películas en color: las de luz solar y las de iluminación artificial. Como la temperatura del color de la luz del sol es de unos 5500 ºK, en fotografía se considera luz blanca o diurna a la que tiene estas características. Las películas de luz diurna están equilibradas para esta temperatura. Las de luz artificial de tipo A estan previstas para 3400 ºK, las de tipò b paraa 3200 ºK, que son las temperaturas de color de las dos lámparas artificiales más habituales. Las películas para luz artificial acostumbran a tener una sensibiliadad mayor que las de luz solar. Eso hace que algunos cineastas la hagan servir para todo con la correspondiente corrección a base de filtros. Si la luz con la que iluminamos el objeto no tiene la temperatura de color que necesita la emulsión, el resultado saldrá virado hacia un color determinado. Por ejemplo, si utilizamos una película de luz de día con una iluminación artificial de baja temperatura de color, el resultado tendrá un tono rojizo a causa del deficit en componentes azules de la luz artificial respecto la composición para la que la emulsión está equilibrada. Para corregirlo se puede intercalar un filtro azulado que aumente las componentes azules de lo que incide en la película. Por el contrario, para hacer servir película de luz artificial con luz diurna es necesario intercalar un filtro naranja para potenciar los componentes rojizos de la luz blanca y evitar un resultadfo excesivamente azulado. En cualquier caso, el resultado de emplear filtros acostumbra a ser una luz desequilibrada respecto a la situacióm ideal. En la cámara de video también es necesario ajustar la temperatura de color para equilibrar su electrónica con el tipo de luz incidente.

Nociones de óptica geométrica La velocidad de la luz es diferente en medios diferentes, como por ejemplo el aire y el agua. Eso hace que los rayos se desvíen al cambiar de medio y que, por ejemplo, cuando introducimos un bastón en el agua lo vemos doblado hacia la perpendicular. Este fenómeno se denomina refracción y se encuentra en el origen de los instrumentos ópticos y de las lentes empleadas en fotografía, cine y vídeo. Las propiedades de estas lentes e instrumentos pueden estudiarse admitiendeo unas pocas reglas sencillas referentes a la propagación de la luz, sin que sea necesario entrar en detalles

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sobre su naturaleza. La óptica geométrica estudia estos fenómenos con la intención de conseguir reglas prácticas para la construcción de instrumentos ópticos. La óptica geométrica se basa en el concepto de rayo luminoso y en las leyes de la refracción y la refexión. El concepto de rayo luminosos es la hipótesis de que cualquier rayo de luz está constituido por rayos luminosos rectilíneos e independientes: la óptica geométrica trabajará siempre con estos rayos. Leyes de la reflexión y refracción Supongamos un rayo de luz que pasa del aire al agua. La experiencia demuestra que una parte es reflejada hacia el aire y otra hacia el agua y se devía, es decir, se refracta. Eso pasa siempre que la luz atraviesa la superficie de separación de medios transparentes.Supondremos que estos medios son homogéneos (las mismas propiedades en cada punto) e isótropos ( las mismas propiedades en todas las direcciones). Entonces se cumplen las siguientes leyes: a) Los rayos incidente, reflejado y refractado están en un mismo plano llamado plano de incidencia. b) Los ángulos de incidencia y reflexión son iguales. c) A cada medio transparente, homogéneo e isótropo le corresponde un valor constante n lamado índice de refracción absoluto de manera que para que la luz que pasa del medio 1, con n índice n1 al medio 2, con índice n2 se cumple: sin i1 / sin i2 = n2 / n1

Dejando de lado los detalles numéricos, la importancia de esta última ley es que la desviación de la luz cuando pasa de un medio al otro es siempre la misma, para un ángulo determinado, y sólo depende de las dos constantes características de los medios que son n1 y n2 . En teoría ondulatoria se demuestra que hay una relación entre la velocidad de la propagación de la onda y el índice de refracción del medio. Es esta: n2 / n1 = c1 /c2

Donde c1 y c2 son las velocidades de la luz en los dos medios. Es decir, cuanto más grande es el índice de refracción, más pequeña es la velocidad de la luz en aquel medio. Al vacío se le hace corresponder el índice n = 1 y los otros se miden respecto de este. Como la luz tiene la máxima velocidad en el vacío, el ídice de refracción de cualquier otro medio es superior a la unidad. Algunos valores para otros medios son los siguientes: Aire Agua Vidrio de cuarzo Vidrio flint ligero Vidrio flint denso Vidrio crown Diamante

1,000294 1,33 1,46 1,56 1,75 1,52 2,42

También se demuestra que cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro más refringente, es decir con un índice de refracción más grande, se aproxima a la normal, a la perpendicular. Eso explica, por ejemplo, la forma como se ve el bastón introducido dentro del agua. En la figura se ha representado la desviación de un rayo de luz que entra en un vidrio procedente del aire. Este podría ser el caso de una lente. Las leyes de la refracción son simétricas respecto a los medios 1 y 2. Eso significa que si intervenimos el camino de rayo de luz (viene de 2 y entra por 1) las leyes serían las mismas. Por tanto, en óptica geométrica podemos invertir el camino de los rayos de luz y conservar las mismas leyes.

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Sistemas ópticos centrados: las lentes

Los sistemas ópticos que se hacen servir en fotografía, cine o vídeo acostumbran a ser una sucesión de diversos medios refringentes separados por trozos de superficies esféricas o casi esféricas. Por ejemplo, el caso más sencillo de un sistema óptico constituido por una sola lente son tres medios, aire, vidrio y nuevamente aire, separados por dos superficies esféricas. Los objetivos de las cámaras son asociaciones de diversas lentes diferentes. Normalmente estas lentes son suficientemente finas para poder admitir un tratamiento óptico sencillo. Una lente está constituida por un medio transparente limitado por dos superficies, una de las cuales, como mínimo,es aproximadamnete una parte de una esfera. Hay diversos tipos: biconvexas, bicóncavas, planoconvexas, cóncavo-convexas y convexo-cóncavas. Las cóncavo-convexas tiene los extremos más amplios que el centro; las convexo-cóncavas tienen el centro más grueso.

Características principales de las lentes Hay diversos conceptos interesantes de las lentes: El foco F es un punto situado sobre el eje que tiene la propiedad de que los rayos que inciden paralelos en la lente, como si procedieran del infinito o de un objeto bastante lejano, pasan todos por este punto. La distancia focal f es la distancia respecto al centro de la lente en que se encuentra el punto F. Se demuestra que la distancia focal de una lente sólo depende del índice de refracción del vidrio de que está hecha y de los radios de curvaturea o de sus superficies esféricas. Es por tanto una propiedad del tipo de vidrio del que esté hecha y de la forma en que esté tallada. El centro óptico O es un punto, situado normalmente donde uno espera encontrar el centro geométrico de la lente, que tiene la propiedad de que los rayos que pasan no sufren ninguna desviación. Dos puntos A y A’ se denominan conjuntados si uno es imagen del otro. Los puntos principales son dos puntos conjuntados O y O’ situados sobre el eje al cual corresponden un aumento lateral igual a 1, es decir, la imagen de un objeto situado sobre O tiene la misma medida que el objeto original.

Una lente convergente es aquella en la cual los rayos paralelos del eje, al salir del sistema se juntan y se cortan realmente en el foco F. Una lente divergente es aquella en la cual los rayos paralelos al eje, al salir del sitema se separan y no se cortan en el foco F. Las que se cortan son sus prolonganciones. El concepto intuitivo de lente convergente es bastante claro si pensamos en el ejemplo de la hipermitropia, en la cual la imagen se forma detrás de la retina porque los rayos de luz se cortan demasiado adelante. Para corregirla se coloca una lente convergente delante del ojo y que junta los rayos y hace que se corten antes, en el punto adeacuado de la retina. Por el contrario, para entender el efecto de las lentes divergentes podemos pensar en la miopía, en la cual el ojo es demasiado largo y la imagen se forma delante de la retina. Se corrige con una lente divergente que separa los rayos y hace que se junten un poco más atrás. Como las propiedades de las lentes sólo dependen de el material de que estén hechas y de su forma, se demuestra que cualquier lente biconvexa es convergente y cualquiera bicóncava es divergente. Potencia de una lente o de un sistema óptico es el valor recíproco de su distancia focal. Si la distancia focal se expresa en metros la potencia se expresa en diotrías. Ejemplos. Potencias de diversos objetivos empleados en fotografía por el formato 35mm “Ojo de pez” f = 6 mm = 0,006 m 1/f 166,7 diotrías Gran angular típico f= 28mm =0,028m 1/f 35,7 diotrías

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Normal f=50mm = 0,050m 1/f 20 diotrías Teleobjetivo típico f: 1000mm = 1m 1/f 1 diotría El ojo humano considerado como un sistema óptico tiene una potencia de 58 diotrías. Y unas distancias focales (tiene dos diferentes pues el medio trasero no es aire) de 1,7cm. y 2,3 cm.

La percepción de los colores Como habíamos avanzado cuando hablábamos del sistema visual humano, la teoría más antigua y sencilla sobre la percepción del color dice que hay tres tipos de conos sensibles básicamente (pero no exclusivamente) a los colores rojo, verde y azul-vileta. La percepción de un color cualquiera sería la suma de estímulos de los tres tipos de conos, cada uno de los cuales estaría unido por conexiones independientes con el cortex cerebral. Esta toería fue formulada por Thomas Young en 1860 y adaptada más tarde por Helmholtz. Más tarde Hering añadió un cuarto tipo de cono sensible al amarillo. Los descubrimientos actuales demuestran que las cosas no son tan sencillas y que estas teorías sólo son primeras aproximaciones a procesos mucho más complejos. De entrada se ha descubierto todo un conjunto de sustancias fotosensibles asociadas con los conos. Entre estas se encuentra la iodopsina y todo un conjunto de opsinas. Sus propiedades no se conocen suficientemente, pero sus diferencias reaccionando a diversas longitudes de onda parecen ser muy importantes en nuestros procesos de la percepción del color. No obstante esto, parecen poder agruparse en tres grupos diferentes sensibles al rojo, verde y azul, con lo cual la presencia de tres tipos de bastones parece justificarse. Pero las cosas se complican con el conocimiento de la fisiología del cortex cerebral: parece haber seis tipos de células en las que la estimulación luminosa produce efectos opuestos según las parejas de colores rojo/verde, azul/amarillo y según la luz/oscuridad. Esto parece dar soporte a la idea de Hering de que es necesario añadir un cuarto receptor sensible al amarillo. En el momento actual las teorías más aceptada separan las cosas por niveles combinando las dos aproximaciones: a nivel del ojo se acepta que hay tres tipos de conosensibles al rojo, verde y azul, pero si se incorporan los niveles de anatomía y fisiología cerebrales parece necesario acaeptar que hay procesos significativamente ligados a la radiación amarilla.

Bibliografía empleada en este capítulo.

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FRISBY; John. Del ojo a la visión. Madrid: Alianza 1987 DE LAURETIS, .HEAT, S. (Comps.) The cinematic Apparatus. Londres: Macmillan,1980 TORRES URGELL, Luis y otros. Sistemas analógicos y digitales de televisión. Barcelona: Edicions de la Universitat Politècnica de Barcelona, 1994 VIDAL, José Mª. Curso de fisica. Barcelona: Herder , 1969 LUXERAU, François. Principes et techniques. Paris: Editions Dujarric, 1989 AA.DD. Mocrosoft Encarte Multimedia Encyclopedia. Redmont (USA): Microsoft Corporation, 1994 DE GRANDIS, Luigiona. Teoría y uso del color. Madrid: Cátedra, 1985 BETHENCOURT MACHADO, Tomás. Sistemas de televisión. Clásicos y avanzados. Madrid: Depertamento de Publicaciones . Centro de formación RTVE, 1991 ITTEN, Johannes. The elements of color. New York: Van Nostrand Reinhold, 1970. La mayoría de ilustraciones son adaptaciones de los originales de esta bibliografía.

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