Reflexión (física)

Si la superficie reflectante es muy lisa, la reflexión de la luz que se produce se denomina reflexión especular o regular. Las leyes de la reflexión son las siguientes:

1. El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie de reflexión en el punto de incidencia se encuentran en el mismo plano .
2. El ángulo que forma el rayo incidente con la normal es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la misma normal.
3. El rayo reflejado y el rayo incidente se encuentran en lados opuestos de la normal.

Estas tres leyes se pueden derivar de las ecuaciones de Fresnel .

Cuando la luz incide sobre la superficie de un material (no metálico), rebota en todas direcciones debido a las múltiples reflexiones producidas por las irregularidades microscópicas internas del material (por ejemplo, los límites de grano de un material policristalino o los límites celulares o de fibra de un material orgánico) y por su superficie, si esta es rugosa. Por lo tanto, no se forma una "imagen". Esto se denomina reflexión difusa . La forma exacta de la reflexión depende de la estructura del material. Un modelo común para la reflexión difusa es la reflectancia lambertiana , en la que la luz se refleja con igual luminancia (en fotometría) o radiancia (en radiometría) en todas las direcciones, según lo define la ley del coseno de Lambert .

La luz que la mayoría de los objetos que vemos emiten hacia nuestros ojos se debe a la reflexión difusa de su superficie, por lo que este es nuestro principal mecanismo de observación física. ^{[ 2 ]}

Algunas superficies presentan retrorreflexión . La estructura de estas superficies es tal que la luz se refleja en la dirección de la que provino.

Al sobrevolar nubes iluminadas por la luz del sol, la zona que rodea la sombra de la aeronave se verá más brillante, y un efecto similar puede observarse en el rocío sobre la hierba. Esta retroreflexión parcial se produce por las propiedades refractivas de la superficie curva de la gota y las propiedades reflectantes de su parte posterior.

Las retinas de algunos animales actúan como retrorreflectores (véase tapetum lucidum para más detalles), lo que mejora eficazmente su visión nocturna. Dado que los cristalinos de sus ojos modifican recíprocamente las trayectorias de la luz incidente y saliente, el efecto es que los ojos actúan como un potente retrorreflector, algo que a veces se observa de noche al caminar por zonas silvestres con una linterna.

Un retroreflector simple se puede construir colocando tres espejos comunes perpendiculares entre sí (un reflector de esquina ). La imagen resultante es la inversa de la que produce un solo espejo. Una superficie puede hacerse parcialmente retroreflectante depositando una capa de diminutas esferas refractivas o creando pequeñas estructuras piramidales. En ambos casos, la reflexión interna hace que la luz se refleje de vuelta a su origen. Esto se utiliza para que las señales de tráfico y las matrículas de los automóviles reflejen la luz principalmente en la dirección de donde proviene. En esta aplicación, no se desea una retroreflexión perfecta, ya que la luz se dirigiría entonces hacia los faros de un coche que se aproxima en lugar de hacia los ojos del conductor.

Cuando la luz se refleja en un espejo , aparece una imagen. Dos espejos colocados exactamente uno frente al otro dan la apariencia de un número infinito de imágenes a lo largo de una línea recta. Las múltiples imágenes que se ven entre dos espejos que están colocados en ángulo entre sí se encuentran sobre un círculo. ^{[ 3 ]} El centro de ese círculo se encuentra en la intersección imaginaria de los espejos. Un cuadrado de cuatro espejos colocados uno frente al otro da la apariencia de un número infinito de imágenes dispuestas en un plano. Las múltiples imágenes que se ven entre cuatro espejos que forman una pirámide, en la que cada par de espejos está colocado en ángulo entre sí, se encuentran sobre una esfera. Si la base de la pirámide tiene forma rectangular, las imágenes se extienden sobre una sección de un toroide . ^{[ 4 ]}

Cabe señalar que se trata de ideales teóricos que requieren una alineación perfecta de reflectores perfectamente lisos y planos que no absorban nada de luz. En la práctica, estas situaciones solo pueden alcanzarse, ya que los efectos de cualquier imperfección superficial en los reflectores se propagan y magnifican, la absorción extingue gradualmente la imagen y cualquier equipo de observación (biológico o tecnológico) interferirá.

En este proceso (también conocido como conjugación de fase), la luz rebota exactamente en la dirección de donde provino debido a un proceso óptico no lineal. No solo se invierte la dirección de la luz, sino también los frentes de onda. Un reflector conjugado se puede usar para eliminar las aberraciones de un haz reflejándolo y luego haciendo pasar el reflejo a través de la óptica aberrante por segunda vez. Si uno mirara a través de un espejo conjugado complejo, se vería negro porque solo los fotones que salieron de la pupila llegarían a ella.

Los materiales que reflejan neutrones , como el berilio , se utilizan en reactores nucleares y armas nucleares . En las ciencias físicas y biológicas, la reflexión de neutrones en los átomos de un material se usa comúnmente para determinar su estructura interna.

Cuando una onda sonora longitudinal incide sobre una superficie plana, el sonido se refleja de forma coherente siempre que la dimensión de la superficie reflectante sea grande en comparación con la longitud de onda del sonido. Cabe destacar que el sonido audible tiene un rango de frecuencias muy amplio (de 20 a aproximadamente 17 000  Hz) y, por lo tanto, un rango de longitudes de onda muy amplio (de aproximadamente 20  mm a 17  m). Como resultado, la naturaleza general de la reflexión varía según la textura y la estructura de la superficie. Por ejemplo, los materiales porosos absorben parte de la energía, y los materiales rugosos (donde la rugosidad es relativa a la longitud de onda) tienden a reflejar en múltiples direcciones, dispersando la energía en lugar de reflejarla coherentemente. Esto nos lleva al campo de la acústica arquitectónica , ya que la naturaleza de estas reflexiones es fundamental para la percepción auditiva de un espacio. En la teoría de la mitigación del ruido exterior , el tamaño de la superficie reflectante reduce ligeramente la eficacia de una barrera acústica al reflejar parte del sonido en la dirección opuesta. La reflexión del sonido puede afectar el espacio acústico .

Las ondas sísmicas producidas por terremotos u otras fuentes (como explosiones ) pueden reflejarse en las capas internas de la Tierra . El estudio de las reflexiones profundas de las ondas generadas por terremotos ha permitido a los sismólogos determinar la estructura estratificada de la Tierra . Las reflexiones superficiales se utilizan en la sismología de reflexión para estudiar la corteza terrestre en general, y en particular para la prospección de yacimientos de petróleo y gas natural .

Los científicos han especulado sobre la posible existencia de reflexiones temporales. Investigadores del Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Posgrado de la CUNY informaron haber observado reflexiones temporales al enviar señales de banda ancha a una tira de metamaterial con interruptores electrónicos. ^{[ 5 ]} Las "reflexiones temporales" en ondas electromagnéticas se analizan en un artículo publicado en 2023 en la revista Nature Physics . ^{[ 6 ]}