LA LUZ Y EL COLOR 1. DEFINICIONES Y CONCEPTOS PREVIOS

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1 LA LUZ Y EL COLOR 1. DEFINICIONES Y CONCEPTOS PREVIOS La luz es una forma de radiación electromagnética, como lo son el calor radiante, las ondas de radio o los rayos X. La luz es emitida por sus fuentes en línea recta, y se difunde en una superficie cada vez mayor a medida que avanza, por eso la cantidad de luz por unidad de área disminuye según el cuadrado de la distancia. Cuando la luz incide sobre un objeto es absorbida o reflejada. La luz está formada por campos eléctricos y magnéticos que oscilan perpendicularmente entre sí. La onda vibra perpendicularmente a la dirección de propagación. La distancia entre las crestas adyacentes de la onda se denomina longitud de onda. El producto de la longitud de onda por la frecuencia es igual a la velocidad de propagación de la luz. Lo que denominamos luz visible es el rango de frecuencias detectable por el ojo humano. Las diferentes sensaciones de color corresponden a luces con distintas frecuencias o a combinaciones de éstas, que van desde aproximadamente 4 x vibraciones por segundo en la luz roja hasta aproximadamente 7, vibraciones por segundo en la luz violeta. El espectro de la luz visible suele definirse por su longitud de onda, que es más pequeña en el violeta 400 nanómetros y máxima en el rojo 750 nanómetros ( m). Las frecuencias mayores, que corresponden a longitudes de onda más cortas, incluyen la radiación ultravioleta, por debajo de los 400 nanómetros, y las frecuencias aún más elevadas están asociadas con los rayos X. Las frecuencias menores, con longitudes de onda más altas, se denominan rayos infrarrojos, por encima de los 700 nanómetros, y las frecuencias todavía más bajas son características de las ondas de radio.

2 La definición de la naturaleza de la luz siempre ha sido un problema fundamental de la física. Newton describió la luz como una emisión de partículas, y Huygens desarrolló la teoría de que la luz se desplaza con un movimiento ondulatorio. En la actualidad se cree que estas dos teorías son complementarias, y el desarrollo de la teoría cuántica ha llevado al reconocimiento de que en algunos experimentos la luz se comporta como una corriente de partículas y en otros como una onda. A veces, la luz se comporta más como partícula que como onda, sobretodo si interacciona con átomos. Cuando un electrón pasa de un nivel de energía a otro, emite un fotón con una energía determinada. Estos fotones dan lugar a líneas de emisión en un espectroscopio. La mayoría de la luz procede de electrones que vibran a esas frecuencias al ser calentados a una temperatura elevada. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la frecuencia de vibración y más azul es la luz producida. Los átomos absorben cantidades de luz específicas denominadas cuantos de energía. Como la interacción necesita una cantidad de energía discreta, deducimos que la luz se comporta como una partícula denominada fotón. Midiendo las frecuencias de los fotones, los científicos pueden averiguar que tipo de átomos los emitieron, si fueron de la Tierra, del Sol o de alguna galaxia lejana. Todo en la naturaleza, está compuesto por elementos químicos. Estos elementos y sus posteriores combinaciones, están caracterizados por diversos grados de absorción y reflexión de luz. En función de los elementos contenidos en los diferentes objetos, cada uno de ellos tiene su diferente y distintivo color. Desde el punto de vista físico tradicional, el color es cada una de las bandas de luz en que la luz blanca se descompone al atravesar un prisma de cristal. Si hacemos pasar un rayo de luz a través de un prisma, cuando el rayo sale del mismo, se descompone en diferentes colores. El efecto que conocemos como arco iris se produce cuando la luz pasa a través de las gotas de agua de la lluvia, que hacen el efecto de un prisma y descompone la luz en lo que nosotros percibimos como el arco iris, cuando va cambiando la posición relativa solgota-ojo. Algunas frecuencias se reflejan más que otras, y esto da a los objetos su color característico. Las superficies blancas difunden todas las longitudes de onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz.

3 Sin luz no hay color. La oscuridad absoluta carece de color. Solamente podemos ver el color real de un objeto cuando está iluminado por luz natural exclusivamente. Todas las longitudes de onda y colores, están presentes en la luz natural, pero no todas ellas están presentes en la luz artificial. Todos hemos percibido en alguna ocasión, como ciertos colores, por ejemplo, de los automóviles, varían por la noche, bajo un determinado tipo de iluminación artificial. Cuando decimos que vemos el color de un objeto nos referimos a la impresión de los rayos de luz que refleja el objeto. La luz que percibimos como blanca o luz natural es una combinación, más o menos equilibrada, de luz de diferentes longitudes de onda. El color es producto de las longitudes de onda que son reflejadas o absorbidas por la superficie de un objeto. Cuando observamos un color, nos percatamos de que su tono varía en función de la iluminación y del tono de los objetos que rodean a éste. La iluminación cambia el color debido a que el color está (también) en la luz. Nuestra retina es sensible a esas longitudes de onda y ese estímulo es posteriormente comunicado al córtex, la parte del cerebro que nos permite distinguir un color de otro. Entendemos por color la expresión de la parte de percepción que recibimos y que es distinta de la mera presencia o ausencia de luz y de su cantidad. Longitudes de onda: - violeta a añil a azul a verde a amarillo a anaranjado a rojo a PERCEPCIÓN OCULAR: El ojo humano: Puede compararse a una máquina fotográfica aunque es mucho más perfecto y existen, por otro lado, diferencias fundamentales. 1. Una membrana transparente, en la parte anterior del ojo la córnea (1) que protege al ojo, junto con los órganos adyacentes (párpados, pestañas cejas, etc.). La córnea se prolonga hacia la parte interior del ojo, por medio de otra membrana, llamada esclerótica (2) que cierra el globo ocular. Fig. Constitución anatómica del ojo humano.

4 2. Detrás de la córnea, se encuentra el iris (3) que gradúa automáticamente la abertura de entrada de luz en el ojo y tiene una perforación circular por la que penetra la luz hacia el interior del ojo que se llama pupila (4). El iris y la pupila son análogos en su funcionamiento al diafragma de una máquina fotográfica, pero más perfectas puesto que se adaptan automáticamente a la cantidad de luz recibida. 3. Inmediatamente detrás del iris está el cristalino (5) que es una membrana también transparente, cuyo cometido es enfocar los rayos luminosos sobre la retina (6). O sea, que su misión es parecida al objetivo de una máquina fotográfica, pero está mucho más perfeccionado, puesto que, por medio de los músculos ciliares (7), puede variar su curvatura, acomodando automáticamente la visión para diferentes distancias. El cristalino se prolonga por la parte interior del ojo con una membrana llamada coroides (8), destinada a contener la parte más sensible a la luz, o sea la retina (6) que describimos a continuación. 4. Sobre la coroides se extiende una delgadísima membrana, denominada retina (6), que está muy sensibilizada; sobre ella se forman las imágenes luminosas que quedan impresionadas de forma semejante a las imágenes de una película fotográfica. Pero la retina es mucho más perfecta puesto que puede regenerarse continuamente y, además, puede recibir un mayor número de imágenes luminosas. 5. Las imágenes impresionadas en la retina pasan al nervio óptico (9) que las conduce al cerebro, donde tiene lugar la verdadera percepción luminosa; es decir que las imágenes se forman en el ojo, pero sólo el cerebro es capaz de interpretarlas. El espacio comprendido entre la córnea y el iris recibe el nombre de cámara anterior (10) y está lleno de un líquido transparente, denominado humor acuoso. El espacio comprendido entre el cristalino y la retina, recibe el nombre de cámara posterior (11) y está ocupado por un líquido de aspecto gelatinoso, al que se llama humor vítreo. El nervio óptico conduce hasta el globo del ojo un gran número de pequeñas fibras nerviosas que, al llegar a la retina se extienden sobre su superficie exterior, las terminaciones de estas fibras nerviosas son células nerviosas especiales, de dos tipos muy diferentes: bastones y conos. Los bastones y los conos son los órganos realmente sensibles a los estímulos luminosos y en ellos es donde se transforma la energía luminosa en sensación o energía nerviosa, que es conducida al cerebro por el nervio óptico. Pero ambos elementos tienen distinta misión: está demostrado que los bastones son muy sensibles a la energía luminosa propiamente dicha y casi insensibles al color, mientras que los conos son muy sensibles al color pero casi insensibles a la energía luminosa, es decir que con los bastones percibimos la mayor o menor claridad con que están iluminados los objetos, mientras que con los conos podemos apreciar el color de dichos objetos. Por lo tanto, en la visión a la luz de día o visión fotópica intervienen bastones y conos, mientras que en la visión nocturna o visión escotópica intervienen los bastones casi exclusivamente; recuérdese que, por la noche vemos los objetos de color gris.

5 A cada fibra nerviosa le corresponden, por término medio, unos 100 bastones y unos 8 conos. En toda la retina existen aproximadamente 130 millones de bastones y unos 8 millones de conos. Pero estas células se encuentran distribuidas muy irregularmente. En el borde exterior de la retina hay muchos bastones y apenas hay conos; en el punto de entrada del nervio óptico no hay ni bastones ni conos; y como este punto es insensible a las impresiones luminosas, se denomina punto ciego. En el centro de la retina existe una región llamada mancha amarilla, a causa de su color, donde el número de conos es mucho mayor que el de bastones; el centro de la mancha amarilla contiene unos conos y ningún bastón. Formación de las imágenes en el ojo. Cuando los objetos que nos rodean son luminosos por sí mismos o se hallan iluminados, parten de ellos rayos luminosos que atravesando la córnea, llegan al interior del ojo. El iris refleja una parte de los rayos percibidos y por eso se percibe el color de dicho órgano (cuando hablamos de ojos azules, ojos negros, etc...). Los rayos que llegan a la pupila, pasan al cristalino donde se refractan y se dirigen hacia la retina. Esta refracción se realiza tal como se indica en la figura, de manera que todos los rayos luminosos que proceden de un punto del espacio, se encuentran nuevamente en un punto de la retina; pero la imagen formada es mucho más pequeña, y además, invertida, tal como sucede en la cámara fotográfica. Esta imagen invertida, por medio del nervio óptico, pasa al cerebro, donde este órgano interpreta correctamente los datos recibidos. EL SISTEMA RETINA-CÓRTEX: La información que llega al nervio óptico es recogida por la región del cerebro denominada córtex, al objeto de sacar de ella la información fundamental y útil. Desde el punto de vista evolutivo-práctico, esta información básica no es la longitud de onda de la radiación recibida, sino la naturaleza del objeto visto, el color real del objeto. Para ello es fundamental, en primer lugar, establecer la naturaleza de la luz que ilumina el Cuadro, es decir, lo que se ve en su conjunto. En función de ello se corregirá la percepción objetiva, formada por una composición de las distintas sensaciones recogidas por los receptores y que depende del color de la luz y de los colores de los objetos, para transformarla en una impresión subjetiva, formada por corrección del color de la luz y percepción en consecuencia del color del objeto como si la luz fuera realmente blanca, para reconocer exactamente la naturaleza del objeto visto. Todo esto se hace de una forma automática en el denominado sistema retinacórtex, estableciéndose un espacio muestral suficiente, en su caso, de la gama cromática perceptible, para establecer, si es posible, la calidad de la luz incidente. Hecho esto, la impresión recibida se corrige de modo que si la luz fuera más rica en rojo de lo normal, se descuenta esto, como si se tiñera el resto del cuadro de sensaciones verde y azul de los otros conos, cuyo resultado es desplazar el conjunto hacia el cian, complementario del rojo.

6 Cuando en el cuadro faltan elementos suficientes de ponderación, (no hay nada de radiación roja, o verde, o azul), nuestro cerebro no puede determinar la calidad de la luz incidente, la sensación es de desasosiego, de inseguridad, deseo de abandonar un lugar poco seguro, en el que podríamos cometer un error de juicio sobre la naturaleza de lo que nos rodea, nuestra mente nos empuja a abandonar este lugar, a mirar hacia otro lado. Es suficiente a veces la inclusión en el cuadro de un pequeño detalle con un tono ausente hasta entonces, (lo que se denomina el complementario del color dominante), para que la sensación pase a ser la opuesta a la anterior, y un cuadro (pictórico o no), pase a ser agradable a la vista (por supuesto que esto puede no ser suficiente). Acomodación: Existe una diferencia fundamental entre la cámara fotográfica y el ojo. En la cámara fotográfica hay que modificar la distancia entre la pantalla y el objetivo, si se quieren obtener imágenes claras de los objetos fotografiados. El ojo se acomoda automáticamente a las diversas distancias en que se encuentran los objetos, de forma que éstos siempre se reciben en la retina bien enfocados. Esto se consigue por la acción involuntaria y automática de los músculos ciliares sobre el cristalino de tal manera que este órgano se hace más o menos convexo, según la distancia a la que estén los objetos que se desea percibir. Esta propiedad del ojo se denomina acomodación. Adaptación: Cuando el ojo se encuentra sometido a una luz muy intensa, la pupila se contrae, reduciendo el paso de los rayos luminosos. Por el contrario, en la oscuridad, la pupila se dilata con objeto de captar la mayor cantidad posible de energía luminosa. De esta manera se regula automáticamente la intensidad de las sensaciones luminosas sobre la retina, consiguiéndose que las imágenes se formen siempre con toda nitidez de forma semejante a como en la máquina fotográfica se obtiene el mismo efecto, mediante la regulación de la abertura del diafragma. A este fenómeno se le conoce con el nombre de adaptación. Ambas propiedades acomodación y adaptación se realizan simultáneamente y, dentro de los límites impuestos por la naturaleza, hacen posible la visión clara de los objetos que nos rodean, con lo que el ojo humano resulta la más maravillosa máquina óptica que se conoce. Agudeza visual. La agudeza visual es la facultad de distinguir los detalles de los objetos. Para entender mejor este concepto, vamos a considerar la siguiente figura. Las tres barras de la E mayúscula tienen el mismo grueso que los dos espacios blancos que las separan, por consiguiente, el observador en O, percibe las barras y los espacios blancos bajo el mismo ángulo. Si vamos aumentando la distancia de observación d, la letra acabará por hacerse confusa e ilegible, o sea, que no podrán distinguirse las barras. En condiciones normales, la distancia a la cual la letra se percibe confusamente es igual a veces la altura h de las barras.

7 Si esta altura es h = 3 cm, la letra completa tendrá una altura total H = 5 X 3 = 15 crn En estas condiciones, la distancia d a la cual es visible la barra de altura h es igual a 3 x = cm = 100 m Ahora bien, un triángulo cuya altura es de 100 m y la base de 3 cm subtiende un ángulo prácticamente igual a un minuto. Cualquier variación de la dimensión h produce también una variación en la distancia d que representa el límite de percepción, pero en todos los casos, el ángulo a sigue valiendo un minuto, o sea que tendremos h, / h = d, / d = constante Si las condiciones de observación son más desfavorables, para seguir viendo la letra E, necesitaremos que, el grueso h de las barras sea mayor; lo que quiere decir que habremos de aumentar también el ángulo a que, como hemos visto, es función de h. Dadas estas explicaciones previas llamaremos agudeza visual, por definición, al recíproco del ángulo a. Por ejemplo, si tenemos α = 1, la agudeza visual vale S = 1 / 1 = 1 Si hemos tenido que aumentar el ángulo a para que la visión sea precisa hasta un valor α = 4', la agudeza visual vale S = 1 / 4 Por regla general, se considera normal una agudeza visual igual a 1. Sin embargo, no es raro encontrar personas jóvenes con una agudeza visual superior a la unidad y, por otro lado, la agudeza visual disminuye con la edad, debido a que el cristalino pierde elasticidad con el tiempo y no enfoca una imagen bien definida sobre la retina, sobre todo en distancias cortas (por ejemplo, durante la lectura).

8 Además, la agudeza visual en una circunstancia dada depende de factores aleatorios, entre los que podemos citar: 1. La presencia o ausencia de factores perturbadores tales como el deslumbramiento o los fuertes contrastes de color en el fondo. 2. El contraste entre el objeto percibido y el fondo: un objeto se reconoce tanto más fácilmente cuanto más intenso es el contraste con el fondo. Por esta razón las letras escritas con tinta china sobre papel blanco se leen mucho más fácilmente que las escritas con lápiz o con tinta corriente. 3. Las condiciones de luminancia en el campo visual. En general, puede decirse que cuanto mayor sea la luminancia a la cual está adaptado el ojo, tanto mayor será la agudeza visual. Podemos comprender enseguida que la agudeza visual debe tenerse en cuenta en muchos proyectos de iluminación. Por ejemplo, una tarea que exija mucha agudeza visual, puede mejorarse en cantidad y calidad si se aumenta el contraste entre el objeto de la tarea y el lugar de trabajo. Otro ejemplo que podríamos citar es en el alumbrado publicitario, ya que para resaltar una frase o una marca de fábrica podemos situarla en un ambiente de gran luminancia. Para terminar, exponemos a continuación una serie de contrastes de colores, de mayor a menor y en el orden que se cita para reconocer el objeto sobre el fondo: 1. Negro sobre amarillo 2. Verde sobre blanco 3. Rojo sobre blanco 4. Azul sobre blanco 5. Blanco sobre azul 6. Negro sobre blanco 7. Amarillo sobre negro 8. Blanco sobre rojo 9. Blanco sobre verde 10. Blanco sobre negro Esta serie de contrastes se ha determinado experimentalmente y sorprende encontrar que el negro sobre blanco ocupa el lugar sexto de la lista, lo que quiere decir que, por ejemplo, un libro de páginas azules con letras blancas se leería más fácilmente que los libros normales de hojas blancas con letras negras y que, por lo tanto, nuestro imaginario libro de hojas azules produciría menos fatiga visual.