UNIVERSIDAD JUÁREZ AUTÓNOMA DE TABASCO.
DIVISIÓN ACADÉMICA DE CIENCIAS BÁSICAS.
FÍSICA ATÓMICA Y MOLECULAR.
PRESIÓN QUE EJERCE LA LUZ SOBRE LA
MATERIA.
PROFESOR:
Esteban Andrés Zárate.
ALUMNA:
Cassandra González Martínez.
LICENCIATURA EN FÍSICA.
TURNO:
Matutino
PRESIÓN QUE EJERCE LA LUZ SOBRE LA
MATERIA.
RESUMEN.
El objetivo de este ensayo es poder comprender si la presión de la luz (o espectro visible)
existe, se quiere averiguar tanto sus antecedentes, el origen de esta misma y en qué
consiste, en cómo se genera la presión de la luz y qué resultados se obtienen cuando se
ejerce en la materia. Esto se realizará por medio de dos conceptos clave para poder
entenderlo y que además se expondrán sus aplicaciones en cómo resulta la presión de
la luz en la materia y lo que ocasiona. Se definirá detalladamente lo que es la presión, la
luz y por supuesto la presión de radiación, ya que como se sabe, existen distintos tipos
de radiación, pero aquí sólo se hará uso de la presión del espectro visible que es la luz.
Se entenderá con mucha exactitud, sin embargo, este es un tema poco abordado, por lo
que seguirá existiendo incógnitas de este hecho. Al conocer las aplicaciones de éste se
pudo comprender demasiado el tema, ya que se fueron tomando ejemplos en donde se
hace el uso de la presión de la luz. Este ensayo es para toda persona que le interese o
que le llame la atención el hecho en que si llega a existir dicha presión de la luz y lo que
provoca ésta.
INTRODUCCIÓN.
Todos podemos ver la luz, pero, se han preguntado ¿el por qué la vemos? y ¿la luz aplica
alguna fuerza? Estas preguntas, tal vez no sean comunes y corrientes, sin embargo,
sabemos que la luz visible es de gran utilidad para nuestra vida diaria, sin embargo, no
le tomamos la debida importancia. La luz llega a tener grandes aplicaciones y utilidades
en muchos ámbitos de la ciencia, y eso es lo que se explicará. La luz efectivamente ejerce
fuerza, pero ¿cómo es eso posible? Y ¿qué tipo de fuerza es? ¿esto provoca algún
resultado? Pues esto es gracias por lo que se constituye la luz y de sus propiedades
físicas. A la luz la podemos ver desde una perspectiva de onda o de partículas (fotones),
por lo que significa que llega a ser dual y esto beneficia aún más su aplicación al igual
que es obvio que esto puede ser usado para distintas aplicaciones y ámbitos de la ciencia
que después se explicarán. De igual manera, la fuerza que aplica la luz es la presión y
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como se sabe, al tener presión origina el empuje, cual es el que se mueva la materia en
una determinada superficie. A medida que se van experimentando y desarrollando
instrumentos en esta área con la luz, vuelven a surgir más interrogantes y llegan aparecer
nuevas aplicaciones y de eso se abordará más adelante. A pesar de que en la actualidad
ha tenido más auge las aplicaciones de ésta misma, las interrogantes de si la luz ejerce
una presión, han existido desde hace siglos, aproximadamente en el siglo XVII, pero eso
explicará después.
DESARROLLO.
Para comenzar, se abarcará dos conceptos fundamentales para poder comprender lo
que es la presión que ejerce la luz. Principalmente ¿qué es la presión? Pues entendemos
a esta como una magnitud física de tipo escalar que llega a ser representada por el
símbolo p, donde apunta a una proyección de fuerza que se ejerce de manera
perpendicular en una superficie. De igual forma se le puede definir como el cociente entre
la componente normal de la fuerza sobre una superficie. En palabras más fáciles es
aquella fuerza aplicada por unidad de superficie, y matemáticamente es descrita como:
𝑝=
𝐹𝑛
𝑆
(1) (Franco. Sin mencionar; Raffino. 2020)
Por otro lado, tomando en cuenta el concepto de la luz, podemos comenzar que existe la
luz desde la antigüedad y se le llegaba a conceptuar una propiedad de la materia, se
entendía que provenía de los objetos. Pero mientras pasaron los siglos, este concepto
fue cambiando. (Raffino. 2020)
Desde que llegó Maxwell con su teoría, cambió la perspectiva de lo que se creía que era
la luz. Con la teoría de Maxwell a la luz se le llegó a denominar como una perturbación
de la longitud de onda en un campo electromagnético en forma de radiación que se
propaga a una velocidad establecida. Sin embargo, para comprender esto hay de que
definir a qué se refiere con campo magnético. Pues como es posible detectar un campo
eléctrico y magnético usando cargas eléctricas entonces, si una de estas experimenta
una fuerza en el espacio, es que hay un campo eléctrico, pero si una carga se mueve y
experimenta una fuerza, pero ocasionado por el movimiento, entonces, significa que hay
un campo magnético. Si se perturba alguna de estos dos campos, de igual manera se
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llega a perturbar el otro, dando a entender que la energía irá de uno al otro. Esto se ve
desde el punto donde consideramos a la luz como una onda y pues se entiende que una
onda es una perturbación que se programa de un punto a otro y que consiste en campos
vibratorios eléctricos y magnéticos, donde forman ángulos rectos con direcciones de
movimiento. Las ondas en el espacio se mueven a velocidad de la luz, e igual definiendo
esto sabemos que todas las radiaciones electromagnéticas están implicadas como luz
visible, se reflejan, se refractan y puede llegar a ser absorbidas. (Asselum.2017)
Entonces, teniendo en cuenta todo lo anteriormente mencionado, podemos definir en
palabras más claras que la luz es la parte del espectro electromagnético que puede ser
distinguido por el ojo humano, su radiación electromagnética, cual es cuando hay un
cuerpo emisor y otro que recibe la energía radiante, interaccionan o transfieren energía
de un cuerpo a otro, ésta, llega a ser visible y se manifiesta en un conjunto de colores y
tonalidades. El ojo humano puede percibir longitudes de ondas entre 400 y 700 nm, pero,
algunas personas pueden llegar a ver longitudes de onda de 380 a 780 nm.
(Luque.2012.26-27) La luz está compuesta por fotones que son partículas que no tienen
masa, sin embargo, se comportan de manera dual, haciendo que puedan ver ondas y
partículas a la vez, por esto mismo es que la luz se le denota como dual en sus
propiedades físicas. (Raffino.2020) De igual forma, como radiación no podemos percibir
a la luz, sino que vemos es la interacción que tiene ésta con la materia. Como la
absorción, cual es el fenómeno en el que el cuerpo absorbe la radiación de determinadas
longitudes de onda, la reflexión es la cual las superficies de los objetos hacen que rebote
la luz y por último la transmisión que es cuando la luz llega a traspasar los cuerpos.
(Sierra.2013) Dado a entender esto, si la materia no existiera, la luz viajaría sin ser
perturbada y en la misma dirección y con una velocidad constante, por consiguiente, no
lo podríamos detectar ya que, para poder apreciar a la luz, tiene que interaccionar con la
materia, por lo que básicamente sería invisible y a la materia se le aplicaría lo mismo con
la ausencia de la luz. (Cetto.1996)
Teniendo en cuenta, estas definiciones, donde podemos comprender en qué consiste la
luz y todas sus características más importantes y con relación a la presión que ejerce la
luz, se puede continuar, explicando la presión de la radiación, ya que como sabemos y
explicamos, la luz es radiación, sin embargo, ésta no es la única ya que existen otros
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distintos tipos como los rayos x y los ultravioleta, sin embargo sólo haremos énfasis en la
del espectro visible (la luz).
Como antecedentes, podemos decir que en 1619, Johannes Kepler propuso que era la
presión de la luz solar la que desviaba la cola de un cometa, ya que ésta apuntaba lejos
de Sol, sin embargo, ya anteriormente mencionado, Maxwell en 1873, estableció en su
teoría en que las ondas ejercen presión, Maxwell lo explicó de forma en que las ondas se
propagan por un medio y que en la dirección normal a las ondas, existe una presión que
numéricamente llega a ser igual a la energía en una unidad de volumen. Esto nos quiere
dar a entender que cuando una onda electromagnética choca con una superficie de la
materia, ésta llega a interactuar con las cargas que lo componen. Ya sea que a onda se
refleje, o se absorba, siempre ejercerá una fuerza sobre las cargas y por supuesto en la
superficie de la materia. (Padilla.2009.11) Por el lado de la cuántica, tenemos a Einstein
y Planck, que concluyeron que, en ciertas circunstancias, la luz se comporta como si
estuviera conformada de un flujo de partículas, cuáles son los fotones, por eso
anteriormente se mencionó que la luz es dual, ya que estos científicos, demostraron que
se puede comportar por ambas formas. (Volke, Ricárdez y Ramos. 2007. 18-19)
Entendiendo lo anteriormente explicado, decimos que la presión de radiación es la fuerza
que ejerce una onda electromagnética y que choca sobre la unidad de área de una
superficie. (Mendoza.2014.8)
De esta forma, definiendo que una onda electromagnética lleva una determinada cantidad
de movimiento p, por lo que la densidad de cantidad de movimiento es:
𝑑𝑝
𝑑𝑉
𝐸𝐵
=𝜇
2
0𝑐
𝑆
= 𝑐 2 (2)
La ecuación (2) es una propiedad del campo, a ésta no se le llega asociar con la masa
de una partícula en movimiento (como se había dicho anteriormente, el fotón no tiene
masa). De igual forma, el volumen dV que ocupa la energía electromagnética que se
desplaza a la rapidez de la luz c, y que pasa por un área A en el tiempo dt es:
𝑑𝑉 = 𝐴𝑐𝑑𝑡 (3)
Y sustituyendo la ecuación (3) en (2), obtenemos:
5
𝑑𝑝
𝑑𝑉
𝑑𝑝
𝐸𝐵
= 𝐴𝑐𝑑𝑡 = 𝜇
0𝑐
2
(4)
Por lo que de la ecuación (4), podemos deducir:
1 𝑑𝑝
𝐴 𝑑𝑡
𝐸𝐵
=𝜇
2
0𝑐
𝑆
= 𝑐 (5), cual ésta es la cantidad de movimiento que traslada por unidad de área
y por unidad de tiempo. Esto es explicado, ya que es responsable del fenómeno de la
presión de radiación, entonces, cuando una onda electromagnética llega a ser absorbida
por completo por una superficie de la materia, la cantidad de movimiento de la onda se
transmite a la superficie y si dicha superficie es perpendicular a la dirección de
propagación, la tasa con la que difiere la cantidad de movimiento a la superficie es igual
a la fuerza sobre la superficie, o matemáticamente descrito como:
𝑑𝑝
𝑑𝑡
= 𝐹 (6)
Y sustituyendo a la ecuación (6) en (5):
1 𝑑𝑝
𝐴 𝑑𝑡
=
𝐹
𝐴
(7), cual es igual a la ecuación (1), pero descrita con diferentes variables.
Ahora, la presión de radiación 𝑝𝑟𝑎𝑑 , es el valor medio de
𝑑𝑝
𝑑𝑡
sobre el área absorbente A.
Uniendo la ecuación (5) y (7), obtenemos:
1 𝑑𝑝
𝐴 𝑑𝑡
= 𝑝𝑟𝑎𝑑 =
𝑆𝑚𝑒𝑑
𝑐
𝐼
= 𝑐 (8)
Ahora, si la onda se refleja por completo, pues el cambio en la cantidad de movimiento
es dos veces más grande a la ecuación (8) y por consecuente su presión es:
1 𝑑𝑝
𝐴 𝑑𝑡
= 𝑝𝑟𝑎𝑑 =
𝑆𝑚𝑒𝑑
𝑐
𝐼
= 2 (𝑐) (9) (Fouchet. 2018. 27-28)
Dada las ecuaciones anteriormente dichas, podemos deducir que el flujo de fotones en
conjunto llega a ejercer presión cuando incide con la materia, independientemente de
cómo se comporte la luz, sea ondulatorio o corpuscular, pues se entiende que transporta
energía y momento lineal y se aplica la conservación en ambas cantidades en cualquier
transcurso de interacción con la materia y la radiación. (Volke, Ricárdez y Ramos.
2007.19)
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Ahora, sabiendo que la luz ejerce presión, ¿por qué no morimos aplastados bajo el sol?
Bueno, se puede explicar con un sencillo ejemplo, suponiendo que usando un haz de luz
de 100 watts, apenas sería capaz de ejercer una fuerza de 0.000001 N, pero sabemos
que ésta cantidad es muy pequeña, ahora, imaginando que esta pequeña fuerza se
llegara aplicar a una superficie de 1 por 1 mm, pues la cantidad sería igual de pequeña,
cual aproximadamente sería 0.00001 atm; a este valor sería casi despreciable si se llega
a comparar con la presión atmosférica que sostenemos normalmente. Pero si
destacamos que a esta misma fuerza se la aplicamos a una superficie aún más pequeña,
sería capaz de ocasionar aún más presión (aproximadamente 10 atm). Entendiendo esto,
pues si es más diminuto y ligero el objeto y le colocamos un haz de luz intenso, el
resultado sería mayor. (Wilke.2016.25-26)
Entendiendo esto, podemos decir que, en la década de 1970, Arthur Ashkin diseñó un
experimento que marcó un inicio en el área de la óptica, pues lo que él quería era medir
la presión de la radiación ejercida por un láser continuo. Utilizó esferas transparentes de
látex suspendidas en agua, con diámetro de fracciones de micra hasta unas cuántas
micras. No sólo encontró que la presión de radiación impulsaba a las partículas en
dirección de la propagación del láser, sino que éstas mismas partículas eran atraídas a
regiones donde había más intensidad de luz. Entonces, a Ashkin se le ocurrió la idea de
atrapar una partícula con dos haces de luz y estos haces estaban en direcciones
opuestas, por medio que la presión ejercida por cada uno de estos ponderaba entre sí en
algún punto. Gracias a esto, nació la manipulación de materia con luz y a lo que
conocemos como pinzas ópticas. (Miramontes y Volke.2013.139) Nuevamente Ashkin
experimentó con la levitación óptica con partículas micrométricas con distintos materiales
y propiedades ópticas. Esta misma levitación se consigue cuando la presión de la
radiación producida por un haz de luz se propaga de forma vertical hacia arriba y se nivela
a la fuerza de gravedad de tal forma en que la partícula queda cesada. (Volke, Ricárdez
y Ramos. 2007.20) Y básicamente como dice Natalia Wilke (2016.25), nos da a entender
que “Las pinzas ópticas consisten en atrapar un objeto, y eventualmente moverlo con
luz”. Para las pinzas ópticas se suele usar luz visible o infrarroja, ya que son de baja
energía y no provocan ningún daño a la muestra. (Wilke.2016.27)
7
Por último, se puede explicar que la presión de la radiación de la luz solar es mucho
mayor dentro del sol ya que en el interior de las estrellas su presión de radiación ayuda
a impedir que colapse ya que esto es bajo su propia gravedad. De igual manera la presión
de la radiación contribuye en la teoría de la formación y evolución de las estrellas, ya que
en su fase de transformación de hidrógeno en helio, pertenece a un equilibrio dinámico
en relación de la presión de la radiación y de la gravedad, esto sucede cuando la presión
de radiación disminuye, y por consecuente la gravedad origina una contracción llevando
a la presión del gas a que incremente la producción del fotón y que la misma presión de
radiación se reestablezca en equilibrio. (Fouchet.2018.28)
CONCLUSIÓN.
Se comprendió que la luz, efectivamente contiene una fuerza, cual es la presión y que
con ésta se pueden mover objetos de tamaño muy pequeño y en una superficie de igual
manera, pequeña. Existen distintas aplicaciones, como se mencionó, a las pinzas ópticas,
que aún siguen siendo muy poco conocidas y falta más investigación en esta técnica.
Gracias a las pinzas ópticas, hoy en día, con un haz de luz enfocado en una región con
diámetro mucho menor a un milímetro con una potencia ya sea de 10 watts o mucho
mayor, se puede mover partículas u objetivos demasiado diminutos o como se mencionó
se puede aplicar la levitación óptica, donde es que el objeto se mantenga en un punto de
manera precisa. Otro tipo de uso o derivado de esto, es que existen los micro-rotores,
que estos son a base de la presión de radiación asimétrica o por transferencia de espín
y esto ayuda a los estudios de microreología ya que se han usado como bombas en
sistemas LOC. (Miramontes y Volke.2013.146) Otra aplicación es el escalpelo óptico, que
es una herramienta muy poderosa que hace que separe células individuales de un tejido
sano o enfermo para que se estudien sus discrepancias a nivel molecular. De igual
manera este mismo escalpelo óptico ayuda a realizar la fertilización in vitro. Para ésta
última aplicación se usa la pinza óptica de igual manera (Volke, Ricárdez y
Ramos.2007.23) A pesar de que existan varias aplicaciones en relación a la presión de
la radiación de la luz (o de otro tipo de radiación), todavía faltan aún investigaciones por
hacer, como mejorar la tecnología de la vela solar, cual es un método de propulsión sin
motor para naves espaciales, eso se realizaría gracias a la presión de la radiación del Sol
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en la vela en vez de viento; o mejorar la construcción de las pinzas ópticas.(Androidzte.
2018)
REFERENCIAS.
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26/06/2021, de ANDROIDZTE Sitio web: https://www.androidzte.com/fisicos-lograncalcular-la-fuerza-que-la-luz-ejerce-sobre-la-materia/
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- Fouchet J. (2018). Cap 13. Ondas Electromagnéticas. 26/06/2021, de StuDocu Sitio
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- Franco A. (Sin mencionar). Concepto de presión. 26/06/2021, de Curso interactivo de
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