Óptica Geométrica

La óptica geométrica se fundamenta en la teoría de los rayos de la luz, la cual considera que cualquier objeto visible emite rayos rectos de luz en cada punto de el y en todas direcciones a su alrededor. Cuando estos rayos inciden sobre otros cuerpos puede ser absorbidos, reflejados o desviados, pero si penetran en el ojo estimularan al sentido de la vista.

Propagación rectilínea de la luz

La luz se propaga en línea recta a una velocidad de 300 mil km/s en el vacío. Una demostración experimental de este principio es el hecho de los cuerpos produzcan sombras bien definidas.

Un cuerpo opaco es aquel que no permite el paso de luz a través de él, por tanto si recibe rayos luminosos proyectara una sombra definida. Un cuerpo transparente permite el paso de los rayos luminosos, por lo que se ve con claridad cualquier objeto colocado al otro lado de él. Un cuerpo translucido deja pasar la luz pero la difunde de tal manera que las cosas no pueden ser distinguidas claramente atreves de ellos.

Leyes de Reflexión

Se llama reflexión al rechazo que experimenta la luz cuando incide sobre una determinada superficie. Toda superficie que tenga la propiedad de rechazar la luz que incide en ella se llama superficie reflectora; lo contrario de una superficie reflectora es una superficie absorbente; estas superficies capturan la luz que incide sobre ellas transformándola en otras formas de energía, generalmente energía calorífica. La reflexión se produce de acuerdo con ciertas leyes que llamamos leyes de la reflexión.

El rayo incidente es un rayo luminoso que se dirige hacia la superficie reflectora.

La normal es una línea perpendicular a la superficie reflectora trazada en el punto en que ésta es intersectada por el rayo incidente (punto de incidencia).

El rayo reflejado es el rayo que emerge de la superficie reflectora.

Los ángulos de incidencia y de reflexión son los formados por el rayo incidente y el reflejado con la normal.

Entonces, las leyes de reflexión son:

1. El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano. 2. El ángulo que forma el rayo incidente con la normal (ángulo de incidencia)

es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la normal (ángulo de reflexión).

Espejos Planos

Se denomina espejo plano a una superficie reflectora que forma imágenes y está contenida en un plano.

Espejos Curvos

Cuando una superficie especular no puede estar contenida en un plano se denomina espejo curvo. El estudio de la formación de imágenes en espejos curvos es más laborioso. Sin embargo, debe tenerse presente que el fenómeno que interviene en este caso sigue siendo el de la reflexión y sus leyes se cumplen en todo momento.

Leyes de la Refracción

Cuando la luz pasa de un medio de propagación a otro sufre una desviación, a esa desviación se le llama refracción. Cuando en un medio la velocidad de propagación de la luz es menor, se dice que es más refringente; así, la refringencia está ligada a la velocidad de propagación de la luz. En ciertos casos se habla de densidad óptica del medio; naturalmente, en un medio más refringente la densidad óptica es mayor.

Entonces, las Leyes de la Refracción son:

1. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano.

2. El seno del ángulo de incidencia dividido por el seno del ángulo de refracción es una constante para cada medio y se llama índice de refracción.

Reflexión total

Como se ha dicho, la luz, al pasar de un medio de menor refringencia a otro más refringente, sufre una desviación acercándose a la normal. Usando el principio de reversibilidad de los caminos ópticos, es fácil darse cuenta de que si la luz pasa de un medio más refringente a otro menos refringente se desvía alejándose de la normal.

Dispersión

Como se ha dicho, la luz blanca es una mezcla de radiación electromagnética de varias longitudes de onda. En el vacío la velocidad de propagación de la luz no depende de su longitud de onda. Un medio de estas características se llama no dispersivo. Cuando la longitud de onda afecta muy poco la velocidad de propagación de la luz el medio se llama débilmente dispersivo. El aire es un medio

débilmente dispersivo.

Óptica Física

Es la parte de la óptica que estudia los fenómenos de interferencia, dispersión, difracción y la polarización de la luz.

Hemos dicho que la luz es una onda electromagnética. ¿Cómo es que no observamos, un fenómeno característico de las ondas, como es la interferencia?, ¿Cuál es la causa de que al encender dos bombillas de luz no aparezca el diagrama de máximos y mínimos característicos de este Fenómeno?

Si recordamos las ondas mecánicas, advertiremos que una de las condiciones fundamentales para que se produzca un diagrama de interferencias es que las fuentes de donde proceden las ondas sean coherentes, esto es, que emitan en fase o que su diferencia de fase sea constante; de no ocurrir esto, las líneas nodales del diagrama se desplazarían continuamente y no llegaría a observarse el diagrama, ya que el ojo humano es incapaz de seguir estas fluctuaciones.

La solución al problema de la coherencia la consiguió Young, utilizando dos haces de un mismo foco luminoso. En efecto, consideremos un frente de onda, al que hacemos pasar por dos ranuras sumamente estrechas (del orden de una longitud de onda) y próximas. Es sabido que, en este caso, cada ranura se comporta como una fuente puntual de acuerdo con el principio de Huygens y, como el frente de onda que llega a ambas ranuras es el mismo, es evidente que las dos fuentes así obtenidas están en fase.

Difracción

Los hechos principales observados en los fenómenos de difracción pueden predecirse con ayuda del principio de Huyggens. De acuerdo con él, cada punto del frente de onda puede considerarse como el origen de una onda secundaria que se propaga en todas direcciones y, para encontrar el nuevo frente de onda, debemos sumar la contribución de cada uno de los frentes de onda secundarios en cada punto.

En todos los puntos de cualquier plano Fijo en el espacio y perpendicular a la dirección de propagación de la luz el campo eléctrico oscila a lo largo de una línea vertical. Se dice, en este caso, que las ondas están linealmente polarizadas o simplemente que están polarizadas.

En la luz natural el campo eléctrico (y, por lo tanto, el campo magnético que actúa en dirección perpendicular) puede vibrar en todas las direcciones. Se dice que la luz natural no está polarizada.

Hay varios métodos para separar total o parcialmente de un haz de luz natural las vibraciones que tienen una dirección particular. Uno de ellos consiste en usar el conocido fenómeno de la reflexión. Cuando la luz natural incide sobre una superficie reflectante, se observa que existe reflexión preferente para aquellas ondas en las cuales el vector eléctrico vibra perpendicularmente al plano de incidencia (constituye una excepción el caso de incidencia normal, en el cual todas las direcciones de polarización se reflejan igualmente). Para un ángulo de incidencia particular, llamado ángulo de polarización, no se refleja más luz que aquella para la cual el vector eléctrico es perpendicular al plano de incidencia.

Existen cristales que presentan un fenómeno llamado birrefringencia. Cuando la luz atraviesa uno de estos cristales, el rayo luminoso incidente se divide en dos rayos que se llaman rayo ordinario y extraordinario, respectivamente.

Fotometría

La energía radiante tiene tres características matiz o tono, saturación y brillo. Las dos primeras son de las que nos hemos ocupado antes y hacen referencia al aspecto cualitativo de la radiación. La fotometría es pues la parte de la física que trata de la medida de la luz en su aspecto cuantitativo considerando dos factores, uno objetivo (el espectro visible) y otro subjetivo (el ojo).

Instrumentos Ópticos

Un instrumento óptico sirve para procesar ondas de luz con el fin de mejorar una imagen para su visualización, y para analizar las ondas de luz (o fotones) para determinar propiedades características.

Éstos se clasifican en:

Objetivos (o de Proyección): Proporcionan una imagen real del objeto observado. La imagen es recogida por un receptor físico como la película fotográfica o una matriz de fotorreceptores (CCD o retina).

Subjetivos (o de Visión Directa): Proporcionan al ojo una imagen, generalmente aumentada, a la que puede enfocar nítidamente.

Instrumentos Mecánicos

Son los instrumentos de medición que deben ser manipulados físicamente por el inspector. Los dispositivos mecánicos pueden ser de pasa-no pasa o variables. Los instrumentos mecánicos cada día son remplazados por electrónica que nos permite tener una mejor resolución y evitan errores de paralaje. Sin embargo hoy por hoy constituyen una alternativa económica en algunos casos.

Se clasifican en:

Calibres: Formado principalmente por una regla graduada y una abrazadera deslizante.

Micrómetros: Es un dispositivo que mide el desplazamiento del husillo

cuando este es movido mediante el giro de un tornillo, lo que convierte al movimiento giratorio del tambor en movimiento lineal del husillo. El desplazamiento de este lo amplifica la rotación del tornillo y el diámetro del tambor.

Comparadores: Son amplificadores que permiten efectuar la medición de una longitud por comparación, después de ser calibrada.

Medidores de Presión

La presión se define como fuerza ejercida sobre una superficie por unidad de área. En ingeniería, el término presión se restringe generalmente a la fuerza ejercida por un fluido por unidad de área de la superficie que lo encierra. De esta manera, la presión (P) de una fuerza (F) distribuida sobre un área (A), se define como:

P= FA

Los instrumentos para medir la presión son:

Instrumentos Mecánicos

Columnas de Líquido

Manómetro de Presión Absoluta. Manómetro de Tubo en U. Manómetro de Pozo. Manómetro de Tubo Inclinado. Manómetro Tipo Campana

Instrumentos Elásticos

Tubos Bourdon. Fuelles. Diagragmas.

Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos

Medidores de Esfuerzo (Strain Gages). Transductores de Presión Resistivos. Transductores de Presión Capacitivos. Transductores de Presión Magnéticos. Transductores de Presión Piezoeléctricos.

Medidores de Torsión

En ingeniería, torsión es la solicitación que se presenta cuando se aplica un momento sobre el eje longitudinal de un elemento constructivo o prisma mecánico, como pueden ser ejes o, en general, elementos donde una dimensión predomina sobre las otras dos, aunque es posible encontrarla en situaciones diversas. La torsión se caracteriza geométricamente porque cualquier curva paralela al eje de la pieza deja de estar contenida en el plano formado inicialmente por las dos curvas. En lugar de eso una curva paralela al eje se retuerce alrededor de él.

Los instrumentos para medir la torsión son:

Freno de Prony Medidores de Formación con Resistencia Eléctrica. Torquímetros.

Medidores de Esfuerzos Mecánicos

Hay distintas clases de fuerzas o esfuerzo que se representa al tratar las propiedades mecánicas de los materiales .En general, se define el esfuerzo como una fuerza que actúa sobre el área unitaria en la que se aplica.

Los instrumentos para medir los esfuerzos mecánicos son:

Elastómetros Dinamómetros Balanzas Manómetros Aros dinamométricos Celdas de carga Extensómetros

Medidores de Dureza

La dureza se define como la capacidad de los materiales para resistir ralladuras, cortes, abrasión y demás daños en su superficie. Todos los materiales tienen cierto nivel de dureza. Por ejemplo, un pedazo de madera tiene una dureza menor que un pedazo de metal, por lo tanto la madera se puede rayar o romper fácilmente mientras que el metal resiste más.

Conocer el nivel de dureza de un material es importante para darle el uso correcto en cualquier proceso, incluso en el caso de los metales.

Los metales suelen ser materiales duros, con excepción de metales como el mercurio que es un metal líquido, pero el hecho de que sean materiales duros no quiere decir que todos los metales puedan tener el mismo uso ni que tengan la misma resistencia a ser rayados o cortados.

Lo mismo sucede con las piedras. Se sabe que las piedras son duras, sin embargo, no tienen la misma resistencia a la tensión. Así podemos darnos cuenta que una piedra de calcio y una piedra de mármol no tiene la misma dureza y no pueden utilizarse para lo mismo.

Sin embargo, conocer la dureza exacta de los materiales para usarlos correctamente no es un proceso sencillo. Se requiere de la aplicación de pruebas específicas sobre los materiales y de instrumentos especiales que ofrecen mediciones exactas para conocer la dureza y las posibles aplicaciones que se les den a los materiales.

En campos como la arquitectura, metalurgia, la producción automotriz, entre otros se deben realizar pruebas que ayuden a elegir los materiales adecuados. Si en la construcción se llegara a utilizar un metal que no tenga la dureza suficiente para soportar la estructura podría producirse un derrumbe. Ahí reside la importancia de conocer exactamente el nivel de dureza de los materiales.

Métodos de medición de la dureza

Existen tres métodos principales para medir la dureza de los materiales: método Brinnel, método Rockwell y método Vickers.

Método Brinnel

Para llevar a cabo este método se utiliza un aparato conocido como penetrador que se encargará de imprimir una huella sobre el material analizado para conocer con mayor certeza su grado de dureza.

Una vez que se aplicó presión sobre el material para imprimir la huella se mide el diámetro de la impresión con un microscopio o un lector láser que arroje el resultado de la dureza. (Imagen, APARATO DE ENSAYO BRINELL )

Método Rockwell

En este método el penetrador es impulsado contra el material con una fuerza previamente establecida. Una vez que el aparato penetrado alcanza equilibrio y la fuerza inicial se ha alcanzado, se aplica una fuerza mayor y se mide la diferencia de penetración entre la primera fuerza y la segunda. El resultado de esa diferencia será el nivel de dureza del material.

Método Vickers

Este método es considerado como el método universal de medición de dureza y se le considera como una versión mejorada del método Brinnel.

Para llevar a cabo esta prueba se necesita la preparación previa del material a estudiar, se le aplica la presión para dejar la huella y una vez que esta se forma es observada en un microscopio, se hace la medición de sus diagonales y se obtiene un promedio que es el nivel de dureza.

Instrumento de medición de la dureza

El instrumento de medición de la dureza suele ser una máquina probadora de durezas universal o durómetro. Esta máquina probadora de dureza realiza uno o varios de los métodos de medición de la dureza y ofrece resultados exactos.

Máquina probadora de durezas universal de CONMED

El probador de durezas de CONMED puede realizar mediciones de materiales metálicos ferrosos, no ferrosos, metales duros, superficies carburizadas y superficies tratadas químicamente. La versión universal permite la ejecución del método Rockwell (150_60_100kgf) Brinell (31.25_62.5_187.5kgf) y Vickers (10_30_60_100kgf). El microscopio junto con el instrumento permite una medición rápida y confiable en pruebas en escala Brinell y Vickers, ambas pruebas se pueden realizar con el equipo en su versión análoga o digital. La versión digital permite determinar la dureza de una manera fácil y rápida.

Instrumentos de Medición por Coordenadas

La Máquina de Medición por Coordenadas (CMM) puede ser definida como "una máquina que emplea tres componentes móviles que se trasladan a lo largo de guías con recorridos ortogonales, para medir una pieza por determinación de las coordenadas X, Y y Z de los puntos de la misma con un palpador de contacto o sin él y sistema de medición del desplazamiento (escala), que se encuentran en cada uno de los ejes". Como las mediciones están representadas en el sistema tridimensional, la CMM puede efectuar diferentes tipos de medición como: dimensional, posicional, desviaciones geométricas y mediciones de contorno.

Los procedimientos de medición y procesamiento de datos de las CMM, poseen una serie de características que se describen a continuación: Primeramente se tiene un sistema de posicionamiento que provoca que el palpador alcance cualquier posición en X, Y o Z; este sistema de posicionamiento ser accionado a través de unos motores, que a su vez, poseen unos codificadores ópticos rotatorios, los que producirán una señal adecuada para activar un contador que incrementar su número en relación a la posición del eje con respecto de su origen.

Simplificado ..

Es la posición de un punto en el espacio está definido, en coordenadas cartesianas, por los valores relativos de los tres ejes X, Y y Z con respecto a un sistema de referencia. Usando series de puntos, es posible construir el elemento geométrico que pase por ellos o que se aproxime al máximo.

Una máquina de medir tridimensional es capaz de definir unívocamente y con extrema precisión la posición de estos puntos en un espacio tridimensional, y de calcular los parámetros significativos de las figuras geométricas sobre las que han sido tomados estos puntos.

Una máquina de medida por coordenadas es pues un instrumento de medida absoluta de precisión capaz de determinar la dimensión, forma, posición y "actitud" (perpendicularidad, planaridad, etc.) de un objeto midiendo la posición de distintos puntos de su propia superficie.

Aplicaciones de las máquinas de medir por coordenadas. Las máquinas de medir por coordenadas (MMC) se utilizan para las siguientes aplicaciones:

• Control de la correspondencia entre un objeto físico con sus especificaciones teóricas (expresadas en un dibujo o en un modelo matemático) en términos de dimensiones, forma, posición y actitud.

• Definición de características geométricas dimensionales (dimensiones, forma, posición y actitud) de un objeto, por ejemplo un molde cuyas características teóricas son desconocidas.