El lenguaje
de las neuronas
AUTORA: LOZANO,LORENA
Caracterice estructural y funcionalmente a las neuronas.
Las neuronas se caracterizan por sus intrincadas ramificaciones, que irradian desde el cuerpo celular o soma.
Existen dos tipos de prolongaciones: las denteritas y las axonas. Las primeras son muy numerosas y se extienden a distancias cortas del soma, conducen los impulsos nerviosos hacia el cuerpo celular. Las axonas son únicas. Hay un par para cada neurona y en algunos casos son muy largos. Conducen los impulsos nerviosos desde el cuerpo celular otras regiones.
En algunos casos el axon se recubre de una vaina de mielina constituida por la membrana de una célula glia. A lo largo del axón, la mielina suele tener intervalos que se denominan nódulos de Ranvier. Tanto la vaina como los nódulos permiten la conducción a alta velocidad de los impulsos nerviosos.
Funcionalmente tienen la capacidad de captar y transmitir los impulsos nerviosos dentro del sistema, mientras que las células de la neuroglia o glía tienen a su cargo las funciones de sostén, defensa, protección y aporte de material para el metabolismo de las neuronas.
Explique las funciones de las señales eléctricas y de las señales químicas que viajan (circulan) por las neuronas.
-Señales eléctricas o impulsos nerviosas o potencial de acción permiten generar un código basado en el numero de frecuencia y distribución de las señales individuales, los impulsos se propagan fielmente por decenas de metros y a velocidades de hasta 100 m/seg (360k/hs) a lo largo de una prolongación neuronal.
-Señales químicas: son mas lentas, locales y están dirigidas a comunicar las neuronas entre si en el nivel de la sinapsis.
3-Esquematice y explique un arco reflejo simple.
4-Explique el funcionamiento celular como generador de energía eléctrica (potencial de membrana)
-Cada célula esta separada por una membrana celular formada por una gran cantidad de moléculas de lípidos dispuesta en una doble capa, en la cual navegan o están ancladas las proteínas. Esta bicapa es permeable a ciertos gases y moléculas, pequeñas no cargadas y impermeable a la mayoría de moléculas solubles en agua (Ej.: azúcar e iones), pero existe una vía de comunicación entre todos los compartimientos internos de la célula, estos forman complejos transportadores que permiten que algunas sustancias atraviesen la membrana.
Las proteínas de la membrana exportadora son: las bombas que atrapan moléculas y las trasladan con gasto de energía (ATP), las transportadoras que trasladan moléculas sin gasto y los canales iónicos son proteína que generan un canal por donde difunden los iones.
Debido al desigual reparto de cargas eléctricas entre la superficie interna y externa la membrana plasmática está polarizada. Esta distribución desigual de iones produce el desequilibrio iónico entre sustancia ofreciendo un potencial de membrana, el ión potasio atraviesa la membrana fácilmente, la permeabilidad para el sodio es menor, esta dinámica establece el diferencial de potencial. La velocidad y el transporte iónico a través de la membrana resulta influido por: la concentración de iones a ambos a lados de la membrana, el potencial eléctrico que existe a través de la membrana y la permeabilidad o conductancia de la membrana al ión.
Tanto la química o gradiente de concentración y la eléctrica o gradiente de potencial pueden actuar en la misma dirección y sumarse, o actuar en dirección opuesta y en ocasiones cancelarse mutuamente.
Ejemplo: k+es 20-40 veces menor en sangre que en el interior celular, la concentración Ca 2+ es< en el interior de la célula que en el medio extracelular. Las bombas iónica de Na+/k son las que generan y mantiene este gradiente de concentración consumiendo ATP. Otras bombas transportan Ca2+ o intercambian el ca2+ por Na+ y este ultimo por k+, las bombas son proteínas de membrana con actividad enzimática formada por los segmentos intramembranales y largas asas de proteínas en el interior celular, hidrolizan el ATP y utilizan la energía liberada para trasladar los iones de Na+ pegados a la molécula hacia el interior y los de K+ unidos hacia el exterior. Por lo tanto la bomba genera una diferencia de potencial al mover acoplados dos iones de K+ al interior y sacar 3de Na+ al exterior. Se denomina electrogenitas, su función es mantener el gradiente iónico que al difundir genera el potencial de membrana.
En la bicapa lipídica del axón hay proteínas integrales de membrana que actúan como canales, por los que los iones K+ y Na+ se pueden desplazar entre el citosol de los axones y el líquido intersticial externo. Los distintos tipos de canales son el canal de escape de Na+ y el canal de escape de K+ permanecen siempre abiertos, y durante el estado de reposo permiten la difusión de los iones hacia adentro y hacia fuera del axón siguiendo su gradiente de concentración. Los canales de Na+ y los canales de K+ regulados por voltaje permanecen cerrados durante el estado de reposo. La bomba Na+/ K+ bombea 3 iones Na+ hacia fuera del axón por cada 2 iones K+ bombeados hacia adentro. La concentración de iones K+ es mucho mayor en el citosol que en el líquido intersticial. Por lo tanto, los iones K+ difunden hacia fuera del axón a través de los canales de escape de K+, a favor de su gradiente de concentración. Los iones más grandes, cargados negativamente, no pueden acompañar a los iones K+ en su camino hacia fuera del axón. En consecuencia, el interior del axón se carga negativamente en relación al exterior. La bomba Na+/ K+ extrae rápidamente iones Na+ del axón, a la vez que aumenta la concentración de iones K+ por el bombeo de esos iones hacia el interior. Con ello se mantienen las diferencias de concentración de las que depende el potencial de la célula en reposo.
Una porción de la membrana se vuelve momentáneamente muy permeable a los iones Na+ mediante la apertura de canales dependientes de voltaje. Cuando se abren los canales de Na+, los iones pasan precipitadamente al interior y la polaridad de la membrana se invierte. A continuación, aunque no se observa en esta figura, se abren los canales de potasio regulados por voltaje y se inactivan los de sodio regulados por voltaje, lo que lleva a una repolarización de la membrana y al eventual reestablecimiento del estado de reposo. b) Gráfico de un potencial de acción y los movimientos iónicos asociados.
5-Explique cómo se generan y propagan las señales por las neuronas (potenciales de acción)
Las células excitables como neuronas y fibras musculares son así denominadas por ser eléctricamente activas, sufre cambios repentinos por la permeabilidad de la membrana a algún ión, esto altera el potencial de reposo el cual se denomina potencia de acción o impulso nervioso.
Una neurona con un potencial estable cercano a los -70mv indica que está en reposo, el potencial de reacción es una explosión de actividad eléctrica por unos milisegundos respuesta de una señal eléctrica o química, el potencial de membrana pasa de su valor negativo a un valor positivo de aproximadamente +40mv. Para que se produzca el estímulo que desencadene este cambio debe afectar el potencial de reposo.
Ejemplo. Si la corriente es – la neurona es hiperpolarizada, si es + se despolariza. La despolarización alcanza acerca de -55mv, y la neurona lanza un potencial de acción. Si la neurona no alcanza este umbral crítico no se producirá este potencial de acción.
Una vez que la despolarización lleve el potencial de membrana al valor umbral se generará un potencial de acción que siempre alcanzará en el mismo valor+.
Por lo tanto o no alcanza el umbral en cuyo caso la despolarización subumbral desaparece o se produce un potencial de acción completo.
6-Explique la operación de los canales iónicos mediante el potencial de membrana
Los canales iónicos son proteínas estructurales de las membranas biológicas. Son la puerta de comunicación entre el medio extracelular y el intracelular.
Estos canales capaces de captar estímulos del medio ambiente permanecen la mayor parte del tiempo cerrados e impermeables a los iones. Cuando el estímulo se hace presente, la proteína sufre un cambio estructural para que el canal pase al estado abierto y permita el pasaje de los iones.
La apertura de los canales puede aumentar debido a: cambios en el potencial de membrana (canales iónicos sensibles a voltaje); unión de moléculas (neurotransmisores) a sitios específicos (canales activados por ligando); y estímulos físicos como la presión o la temperatura (mecano receptores o termo receptores).
Los canales sensibles a voltaje pueden asumir tres estados: abierto o activo; inactivo y cerrado.
En el estado activo el canal se cierra o se abre rápidamente mientras dure el estímulo que lo activó, en este caso la despolarización de la membrana.
El estado inactivo es el de un canal que se activo por el potencial de membrana y que en presencia del estímulo deja de pasar corriente, dado que una compuerta se introduce en el canal y lo bloquea.
Hay evidencia de que un segmento intracelular de la misma proteína es la que bloquea el canal. Para que este pueda ser activado nuevamente, debe primero cerrarse. Para ello, la membrana volver a su potencial original.
El potencial de membrana es establecido en su valor de reposo por un sistema electrónico, si mediante este sistema se despolariza la membrana, se registra en forma inmediata corrientes iónicas correspondientes a la apertura y cierre del canal.
7-Explique la propagación de los potenciales de acción
El potencial de membrana de la neurona fluctúa continuamente, debido a la apertura y cierre de numerosos y diferentes tipos de canales distribuidos en sus dendritas y en el cuerpo neuronal. Canales de k+ y de ca2+ voltaje dependiente, que se activa cerca del potencial de membrana, son responsables de la generación de potencial de acción en forma rítmica.
El potencial de acción se propaga sin perder sus características ni su grado de amplitud, igual en el Terminal axónico que en el sitio de iniciación.
Durante el potencial de acción, se genera un flujo de iones Na+ hacia el interior de la célula; produciendo una despolarización local de la membrana, cercana al sitio donde se produjo el influjo de Na+.
Un potencial de acción genera la despolarización necesaria para llevar el potencial de membrana al valor umbral en un área vecina y así generar un nuevo potencial de acción.
A partir del sitio de iniciación, el potencial de acción se propaga en todas direcciones, hacia delante por el axón hasta el terminal sináptico y hacia atrás, atravesando el soma e invadiendo las dendritas. La sinapsis que originó la actividad en primera instancia recibe información sobre el resultado de su actividad y a su vez, el potencial reacción retrógrado despolariza la membrana de todas las dendritas y modifica el funcionamiento de los receptores postsinápticos.
Dado este mecanismo, una vez que se llega al extremo de la neurona, no genera una nueva señal que se propague hacia su origen, durante el cual la membrana debe estar hiperpolarizada para volver a activarse. El tiempo en el que el axon permanece refractario impide que el potencial de acción se propagué de manera repetitiva. Sin embargo esta limitación es superada cuando el nervio esta mielinizado, en este caso, el potencial de acción se conduce a alta velocidad debido que a los sectores muy largos del axon se encuentran cubiertos por membrana de otra cédula, enrollado alrededor del axon como cinta aisladora sobre un cable eléctrico, la capa aislante se interrumpe en intervalos denominados nodo de Ranvier esto permite que el potencial de acción solo se genere en los nodos y es suficiente para que salte de nodo en nodo la señal llegue al otro extremo del axon a una velocidad de 100m/seg.
a) En una fibra sin vaina de mielina, toda la membrana del axón está en contacto con el líquido intersticial. Todas las partes de la membrana contienen canales y bombas de sodio-potasio. b) En una fibra mielinizada, en cambio, solo están en contacto con el líquido intersticial las zonas de la membrana axónica correspondientes a los nodos de Ranvier. Prácticamente todos los canales iónicos y bombas de sodio-potasio se concentran en estas zonas. Así, los potenciales de acción se pueden generar solo en los nodos y el impulso nervioso salta de nodo en nodo, acelerándose la conducción.
a) Cuando ambos electrodos están fuera de la membrana, no se registra ninguna diferencia de potencial. b) Cuando un electrodo se coloca dentro de la membrana, el interior de la neurona es negativo con respecto al exterior y la diferencia entre los dos es de aproximadamente 70 milivoltios. Este es el potencial de reposo. c) Al estimular un axón, el impulso nervioso se propaga a lo largo de él; cuando alcanza la región en donde se encuentran los microelectrodos, el osciloscopio muestra una breve inversión de la polaridad: el interior se hace positivo en relación con el exterior. Esta breve inversión en la polaridad es el potencial de acción.
8-Describa estructural y funcionalmente a la sinapsis neuronal
El cerebro contiene millones de neuronas que establecen contactos sinápticos, la cantidad de esto entre las células es variable, se pueden identificar los que provienen de cientos d neuronas diferentes sobre las dendritas y el soma de la neurona motora de la medula espinal o un solo contacto entre el axon de la neurona motora y la fibra muscular esquelética. La sinapsis es el punto de contacto funcional entre la neurona y otra (o célula muscular o glandular). De acuerdo con el mecanismo de transferencia de la información las sinapsis pueden dividirse en eléctrica y químicas.
Sinapsis eléctricas: el impulso nervioso de la primera neurona estimula directamente a la siguiente. La estructura muestra un grado de acercamiento entre la membrana pre y post sináptica. En uniones estrechas, las membranas, están prácticamente en contacto pero sin fusionarse. Allí hay puentes que resultan de la interacción de seis subunidades proteicas de una y otra neurona, las conexinas, que se ensamblan formado los conexones. Los canales de los conexones son muchos más grandes que los canales iónicos, lo cual permiten el paso de una gran variedad de moléculas como ATP, segundos mensajeros y metabolitos intracelulares de una célula a otra. En este tipo de sinapsis la transmisión resulta extrarápida ya que el pasaje de corriente de una célula a otra es prácticamente instantáneo, la comunicación puede ser bidireccional, pues depende de cual de las células en contacto reciba el potencial de acción inicial.
Sinapsis química: la comunicación se establece por medio de la secreción de un neurotransmisor, liberado por una neurona que actúa sobre la siguiente. La separación entre la membrana de las células pre-sinápticos o post-sináptico, es mucho mayor en la sinapsis eléctrica y deja un espacio o hendidura sináptica.
La parte distal del axon pre-sináptico se ensancha y forma un botón que contiene mitocondrias para la generación de energía y pequeñas vesículas, las vesículas sinápticas, que a su ves tienen moléculas de neurotransmisor. En la porción postsinaptica se encuentra una membrana celular engrosada que contiene proteínas receptoras para el neurotransmisor almacenado en las vesículas sinápticas- El sitio de contacto puede ser una dendrita, el soma y, en algunos casos, el axón de una neurona, la superficie de la fibra muscular o una célula glandular.
Proceso químico de una sinapsis
Sinapsis química: la estructura muestra la separación entre la membrana de las células pre-sinapticas o post-sinaáptica. Es mucho mayor en la sinapsis eléctrica y deja un espàcio o hendidura sináptica, la parte distal del axon pre-sinaptico se ensancha y forma un botón que contiene mitocondrias para la generación de energía de pequeñas vesículas, estas asu ves tienen moléculas de neuro transmisores. En la porción postsinaptica se encuentra una membrana celular engrosada que contiene proteínas receptoras para el neurotransmisor almacenado en las vesículas sinápticas, el sitio de contacto puede ser una dendrita, el soma y en algunos casos el axon de una neurona, la superficie de la fibra muscular o una célula glandular.
Micrografía electrónica de una sinapsis
Esta micrografía electrónica muestra una sinapsis en el cerebro humano. La sinapsis es una unión muy especializada, que se establece entre dos neuronas, a través de la cual se transmiten las señales nerviosas.
CNRI/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc.
9-Explique la importancia de los neurotransmisores y caracterice su ciclo
Las neuronas se comunican entre si por medio de la liberación de sustancias químicas llamadas neurotransmisores, estos son capaces de estimular, anular o inhibir el funcionamiento de otra célula de manera rápida o lenta, por medio de la ocupación de receptores específicos, puede actuar localmente o difundirse por sangre, como una hormona por los tejidos.
Los neurotransmisores cumplen un ciclo:
• Son sintetizadores y empaquetados en vesículas en las cedulas pre-sinápticas
• Son liberados de la célula pre-sináptica y se unen a receptores de una o mas células pot-sinápticas
• Son removidos o degradados rápidamente.
La síntesis de los neurotransmisores molecularmente pequeños se realiza en los terminales pre-sinápticas. Las enzimas para este proceso son sintetizadas en el cuerpo neuronal y transportadas por el axon hacia el Terminal.
Las enzimas sintetizadoras generan un reservorio de neurotransmisores en el citoplasma del Terminal para después ser incorporados a la vesícula sinaptica a través de un mecanismo de transporte La síntesis y empaquetamiento de los neuropéptidos se realiza en el cuerpo neuronal como polipéptidos más largos, que son procesados por el aparato de Golgi y empaquetados en vesículas, estas son trasportadas por un sistema rápido que utiliza la energía y las proteínas del citoesqueleto. La liberación del neurotransmisor se da por fusión de la membrana de la vesícula sináptica con la membrana plasmática, luego de ser liberado al espacio sináptico, el neurotransmisor se difunde y se une al receptor pot-sinóptico, generando la señal en la célula postsinaptica con el fin de limitar su acción. El neurotransmisor debe ser removido del espacio sináptico. Para ello hay mecanismos específicos. En algunos casos, una enzima destruye el neurotransmisor, y en otros un transportador lo incorpora al interior de la neurona pre-sináptica o a la célula de la glía que forma parte de la estructura sináptica. La combinatoria de estos mecanismos asegura que en pocos milisegundos el neurotransmisor desaparezca de la hendidura sináptica y así permita restablecer el ciclo de liberación.
10-¿Cómo se generan potenciales sinápticos en la placa neuromuscular?
Los potenciales sinápticos en la placa neuromuscular se generan a partir de la liberación de la acetilcolina por el terminal pre-sináptico que actúa sobre los receptores de la acetilcolina (RAc) de la membrana post-sináptica. Los RAc se encuentran densamente compactados en la membrana post-sináptica, enfrentando los sitios activos de la membrana pre-sináptica. Si la acetilcolina no encuentra la zona de sinápsis, no hay respuesta muscular.
Los RAc son inotrópicos sensibles a la nicotina. Los RAc metabotrópicos, llamados muscarínicos son bloqueados por la atropina.
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11-¿Cuál es la diferencia entre los potenciales excitatorios y los inhibitorios?
Los potenciales post-sinápticos alteran la probabilidad de que un potencial reacción pueda generarse en la célula post-sináptica. Si el potencial post-sináptico aumenta dicha probabilidad se lo llama: Potenciales excitatorios (PPSE) y si la disminuye potenciales post-sinópticos inhibitorios.(PPSI)
A veces la despolarización es insuficiente para generar un potencial de acción, pero la suma de varios estímulos excitatorios lo hace posible. En el caso de un PPSE por glutamato, la despolarización resulta, de corrientes de Na+ y K+.
12-Explique la contracción muscular en términos eléctricos
El estimulo inicial del arco reflejo genera una señal eléctrica que en sucesivos pasos se transforma en química y nuevamente en electricidad. Se genera un potencial de acción en la fibra muscular que induce la contracción muscular.
Las células musculares son células excitables altamente especializadas caracterizadas por poseer en su citoplasma fibras proteicas.
Para que la contracción se produzca deben ocurrir dos sucesos: el deslizamientos de los filamentos y el acoplamiento excitación -contracción.
El filamento fino está constituido por tres componentes diferentes: actina, tropomiosina y troponina cada cadena de actina fibrilar está formada por moléculas polimerizadas de actina globular, que con los sitios activos de los filamentos de actina, allí donde los puentes cruzados de los filamentos de miosina intervienen para generar la contracción muscular.
El acoplamiento es un mecanismo por el cual la señal despolarizante (potencial de acción) genera la contracción muscular, gracias a que las células tienen en las cisternas del retículo sarcoplásmico de Na2+ , el cual al ser liberado al mioplasma desencadena la contracción.
Las terminales nerviosas libres de la piel, cuando se estimulan de manera apropiada, transmiten señales a lo largo de la neurona sensorial a una interneurona en la médula espinal. La interneurona transmite la señal a una neurona motora. En consecuencia, las fibras musculares se contraen. Las neuronas de proyección, que no se muestran aquí, también son estimuladas por la neurona sensorial y llevan la información sensorial al cerebro.
miércoles, 21 de noviembre de 2007
FENOMENOS OPTICOS
AUTORA: LOZANO LORENA
OPTICA-LA LUZ-
….La luz, que llega a nuestros ojos y nos permite ver, es un pequeño conjunto de radiaciones electromagnéticas de longitudes de onda comprendidas entre los 380 nm y los 770 nm.
La energía radiante tiene una naturaleza dual, y obedece a leyes que pueden explicarse a partir de una corriente de partículas o paquetes de energía, los llamados fotones, o a partir de un tren de ondas transversales (Movimiento ondulatorio). El concepto de fotón se emplea para explicar las interacciones de la luz con la materia que producen un cambio en la forma de energía, como ocurre con el efecto fotoeléctrico o la luminiscencia. El concepto de onda suele emplearse para explicar la propagación de la luz y algunos de los fenómenos de formación de imágenes. En las ondas de luz, como en todas las ondas electromagnéticas, existen campos eléctricos y magnéticos en cada punto del espacio, que fluctúan con rapidez. Como estos campos tienen, además de una magnitud, una dirección determinada, son cantidades vectoriales. Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y también perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. La onda luminosa más sencilla es una onda senoidal pura, llamada así porque una gráfica de la intensidad del campo eléctrico o magnético trazada en cualquier momento a lo largo de la dirección de propagación sería la gráfica de un seno.
Podemos decir que la luz es toda radiación electromagnética capaz de ser percibida por nuestro sentido de la vista. El intervalo de frecuencias de las radiaciones que componen la luz solamente está delimitado por la capacidad del órgano de la visión.
La luz que nosotros percibimos será siempre formada por radiaciones correspondientes a grandes cantidades de frecuencias. El láser constituye la única radiación visible formada por radiaciones de la misma longitud de onda todas ella. La luz, en un medio homogéneo, se propaga en línea recta. Cada una de las direcciones de propagación de la luz es un rayo luminoso. Un conjunto de rayos que parten de un punto es un haz. Si el punto de donde proceden los rayos está muy alejado se consideran paralelos.
La velocidad de la luz en el vacío es de 3 . 108 m/s. Para comparar la velocidad de la luz en una sustancia con la del vacío se emplea el índice de refracción, obtenido como cociente entre la segunda y la primera:
n = c
v
c = velocidad de la luz en el vacío
v = velocidad de la luz en la sustancia
La luz blanca
La luz del Sol muestra las cosas, pero no es de ningún color. Aunque está compuesta por los distintos colores del espectro -rojo, naranja, amarillo, verde, azul, y violeta- nos parece que no tiene color. Y la llamamos luz "blanca".
Cada minúsculo rayo de sol contiene una banda compuesta por una tira de cada color. Las tiras se desplazan de lado y lo hacen tan deprisa que es imposible verlas por separado. Al mezclarse forman la luz "blanca".
La sombra
La sombra se forma porque la luz se mueve de una forma especial. Sale de la fuente que la produce y se mueve en ondas parecidas a las de las olas del mar. Mientras no encuentren nada en su camino, las ondas luminosas se mueven en una dirección. Pero cuando chocan contra algo, se paran. Entonces aparece un espacio oscuro: una sombra
El espectro electromagnético
La luz forma parte del espectro electromagnético que comprende tipos de ondas tan dispares como los rayos cósmicos, los rayos gamma, los ultravioletas, los infrarrojos y las ondas de radio o televisión entre otros. Cada uno de estos tipos de onda comprende un intervalo definido por una magnitud característica que puede ser la longitud de onda ( ) o la frecuencia (f). Recordemos que la relación entre ambas es:
donde c es la velocidad de la luz en el vacío (c = 3•108 m/s).
Espectro Electromagnético.
Longitud de onda y colores complementarios
La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. En el espectro visible, las diferencias en longitud de onda se manifiestan como diferencias de color. El rango visible va desde, aproximadamente, 350 nm (nanómetros) el violeta hasta unos 760 nm el rojo, (1 mm = 1.000.000 nanómetros). La luz blanca es una mezcla de todas las longitudes de onda visibles.
La velocidad de la luz en las sustancias materiales es menor que en el vacío, y varía para las distintas longitudes de onda; este efecto se denomina dispersión.
La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de una longitud de onda determinada en una sustancia se conoce como índice de
Refracción de la sustancia para dicha longitud de onda.
Cada color tiene una longitud de onda dentro de una amplia escala de ondas electromagnéticas que varían, según la intensidad de los mismos, entre 400
y 800 nanómetros.
Los colores
El análisis de los espectros luminosos permite asignar a la sensación de color valores de longitudes de onda. Una radiación electromagnética de 420 nm. Que llega al ojo produce la sensación que se denomina color violeta, y una de 580 nm. La sensación de amarillo.
La luz que llega al ojo después d ser emitida, reflejada o trasmitida por un objeto, lleva, entre otras cosas, la información del color de ese objeto.
La mayor parte de los objetos no son fuentes luminosas, si no cuerpos luminados; es decir que la luz de una fuente luminosa llega a ellos, se refleja y luego llega al ojo. El objeto modifica d alguna manera la luz incidente para trasmitir la información de su color.
Al iluminar un objeto con luz blanca, es decir una radiación que contiene todas las longitudes de onda del espectro visible, ocurre lo siguiente: según las características de la superficie, el cuerpo absorberá d manera selectiva algunas longitudes de onda y reflejara las restantes. Si el cuerpo se ve amarillo será por que refleja fundamentalmente ese color.
Durante el proceso de reflexión, el objeto iluminado no agrega longitudes de onda a las de la luz incidente, por lo que no podrían llegar al ojo radiaciones de longitudes de onda que no estaban en la radiación original.
Por ejemplo: si se ilumina un objeto con luz proveniente de una fuente que no contiene longitudes de onda superiores a los 600 nm (anaranjado y rojo), dicho objeto no se podrá ver de esos colores porque estas longitudes de onda tampoco estarán presentes en la luz que llega al ojo.
Al iluminar un cuerpo con luz blanca, se lo percibe de ese color si refleja una gran proporción de todas las longitudes de onda, como ocurre en el papel blanco. En cambio si un cuerpo absorbe una gran parte de las radiaciones de todas las longitudes de onda, se lo ve negro.
Si se mezclan dos pinturas, se obtiene un color formado por aquellas radiaciones que ambas reflejan. Las pinturas azules, además de reflejar l color azul, reflejan parte del color verde. Las pinturas amarillas, además d amarillo, reflejan parcialmente el verde. Al mezclar pintura azul y amarilla se obtiene color verde, que es el que ninguna de las dos absorbe.
Cuando se produce una superposición d ondas luminosas de diferentes longitudes de onda, se pueden obtener colores variados. De ese modo es posible obtener luz blanca adecuando la intensidad de la luz.
Si se proyectan sobre una pantalla los colores rojo, verde y azul, mediante luces de igual intensidad, se obtiene color blanco.
Cuando las luces de estos colores se combinan de a dos con igual intensidad, se obtienen los siguientes resultados:
• La iluminación mediante la luz roja y verde presenta la zona de color amarillo.
• La iluminación mediante luz roja y azul presenta la zona de color magenta, que es un rojo azulado.
• La iluminación con luz verde y azul presenta la zona de color cian, que es un azul verdoso.
La combinación del amarillo, el magenta y el cian, con intensidades adecuadas, forma una gran cantidad de colores diferentes. Esto es utilizado en los tubos de televisores de color o en los monitores de las computadoras. Los electrones emitidos desde la parte posterior del tubo de rayos catódicos (tubo de televisor), al impactar sobre la pantalla en diferentes puntos y con diferentes velocidades, forman puntos de colores e intensidad diferentes que integran la imagen.
Si se observa la pantalla de un televisor o la del monitor de una computadora con una lupa es posible observar los puntos de color rojo, verde y azul que forman la imagen, y producen en el ojo la sensación de sus colores.
Óptica
Es la parte de la física que comprende el estudio de la luz y los fenómenos de la visión. Generalmente, se divide en dos ramas principales:
• la física se ocupa de la naturaleza y propiedades de la luz;
• la geométrica del estudio del comportamiento de la luz en los distintos medios y en diversos instrumentos ópticos.
• Además, una tercera rama se ocupa del estudio del ojo desde el punto de vista óptico.
Óptica física.
El desarrollo de la óptica comenzó durante las primeras décadas del siglo XVII, cuando se inventaron el microscopio y el telescopio. En 1791, Newton publicó su tratado, que registraba cuidadosamente los fenómenos de refracción, dispersión, interferencia, difracción y polarización.
La teoría ondulatoria de la luz establece que ésta se propaga en forma de ondas, que vibran en ángulo recto a la dirección de su propagación. Faraday descubrió interrelaciones entre la luz, el magnetismo y la electricidad. Maxwell, tiempo después, postuló la teoría electromagnética de la luz. Según ella, la luz consiste en ondas eléctricas y magnéticas, que vibran sin diferencia de fases en ángulo recto unas con otras.
En el siglo XX, Planck publicó su famosa teoría de los cuantos, que sugiere que la luz se propaga en unidades indivisibles, "paquetes" o cuantos, de energía electromagnética. Cuando la luz incide sobre un objeto, parte de la misma es reflejada y parte absorbida.
Los espejos
Los espejos son cuerpos que reflejan un alto porcentaje de la luz que llega a ellos. Se denomina espejo ideal a aquel que refleja toda la luz que le llega.
Se clasifican en planos y esféricos.
Espejos planos: la imagen que se observa es de tipo virtual, tiene el mismo tamaño que el objeto y está ubicada por detrás del espejo a la misma distancia que lo está el objeto delante del espejo.
La imagen formada en un espejo cambia el sentido del objeto de izquierda a derecha (imagen especular).
1.- Trata de leer este texto con ayuda de un espejo.
Sitúa el espejo de manera que esta zona de la pantalla quede en el campo visual del espejo y mira el texto reflejado en él.
Firma de Leonardo Leonardo da Vinci, que era zurdo, no solo utilizó su facilidad para escribir de derecha a izquierda, sino que escribió crípticamente usando un espejo.
Sus textos pueden descifrarse fácilmente con ayuda de un espejo.
¿Cómo están escritos los rótulos que van en la parte delantera de las ambulancias para que puedan ser vistos fácilmente por el espejo retrovisor del coche que va delante de la ambulancia?
Si reflejamos la imagen de un objeto en el espejo plano, la parte derecha de la imagen corresponde a la parte izquierda del objeto y viceversa. Técnicamente esto se llama ver la imagen falseada.
Si tienes una persona frente a ti, su brazo izquierdo está a tu derecha, pero si tienes su imagen delante de ti, su brazo izquierdo estará a la izquierda.
Por lo tanto el espejo cambia el sentido izquierda-derecha: nos vemos delante de nosotros mismos como si se tratara de otra persona pero...su derecha está a nuestra derecha y no como cuando vemos las imágenes reales de nuestros semejantes.
Si queremos anular este efecto de los espejos podemos hacer lo siguiente:
Podemos colocar dos espejos con el frente plateado formando un ángulo de 90º.
La cara de casi todas las personas son ligeramente asimétricas. Vistas con espejos que formen un ángulo de 90 º estas peculiaridades normalmente inadvertidas aparecen muy marcadas.
Cuando dos espejos forman un ángulo el número de imágenes que podemos ver en ellos depende del ángulo y se calcula así:
¿Cual debe ser el tamaño mínimo de un espejo plano vertical y cómo debe estar colocado para que nos veamos de pies a cabeza?
En esta figura puedes ver la colocación y el tamaño: justo a la altura del extremo de nuestra cabeza y debe tener la mitad de nuestro tamaño.
Sabemos que AB = A'B (imagen en un espejo)
AA' = 2AB
Por el teorema de Tales las proporciones en los triángulos serán:
BP = 2 MA'
Experiencia:
Une dos espejos de modo que entre ellos formen un ángulo ligeramente inferior a 90º. En la parte interior de los espejos verás dos caras. Abre los espejos poco a poco y, exactamente cuando el ángulo es de 90º, las dos narices se superponen. Guiña un ojo y quedarás desconcertado ya que en el espejo verás cerrarse el ojo que no esperabas que fuera a hacerlo.
Además de esa imagen en la parte interior hay dos más, una a cada lado.
Espejos esféricos
Se utilizan en instrumentos ópticos como telescopio y linternas. Este espejo es un casquete esférico, es decir, el corte de una esfera hecho con un plano. Si está espejada la superficie interior del casquete, es cóncavo y si está espejada la superficie exterior es convexo.
Todos los rayos que inciden paralelos al eje convergen después de reflejarse en un punto llamado foco del espejo. La igualad de los ángulos de incidencia y reflexión indica que existe reversibilidad, es decir que si los rayos inciden por el foco, se reflejarán paralelamente al eje.
Si se consideran positivas las distancias medidas desde un espejo en el sentido en que se desplaza la luz, y negativas las medidas en sentido opuesto, entonces, siendo u la distancia del objeto, v la distancia de la imagen y f la distancia focal de un espejo esférico, cumple la ecuación:
1/v + 1/u = 1/f
La distancia focal de un espejo esférico es igual a la mitad de su radio de curvatura. Como se indica en la figura, los rayos que se desplazan en un haz estrecho en la dirección del eje óptico e inciden sobre un espejo cóncavo cuyo centro de curvatura está situado en C, se reflejan de modo que se cortan en B, a media distancia entre A y C. Si la distancia del objeto es mayor que la distancia AC, la imagen es real, reducida e invertida.
Si el objeto se encuentra entre el centro de curvatura y el foco, la imagen es real, aumentada e invertida. Si el objeto está situado entre la superficie del espejo y su foco, la imagen es virtual, aumentada y no invertida. Un espejo convexo sólo forma imágenes virtuales, reducidas y no invertidas, a a no ser que se utilice junto con otros componentes ópticos.
Reflexión en un espejo cóncavo
Espejo cóncavo
Espejo convexo
Situación
del objeto Tipo de la
imagen Posición de
la imagen Tamaño de
la imagen Orientación
de la imagen
Más allá de C Real Entre C y F Menor Invertida
En C Real En C Igual Invertida
Entre C y F Real Más allá de C Mayor Invertida
Entre F y A Virtual Destrás del espejo Mayor Derecha
Delante de A, para
espejos convexos Virtual Destrás del espejo Menor Derecha
Las lentes
Las lentes son objetos transparentes, limitados por dos superficies esféricas o por una superficie esférica y otra plana, que se hallan sumergidas en un medio, asimismo transparente, normalmente aire. Desempeñan un papel esencial como componentes de diferentes aparatos ópticos. Con lentes se corrigen los diferentes defectos visuales, se fabrican los microscopios, las máquinas fotográficas, los proyectores y muchos otros instrumentos ópticos.
De la combinación de los tres posibles tipos de superficies límites, cóncava, convexa y plana, resultan las diferentes clases de lentes. Según su geometría, las lentes pueden ser bicóncavas, biconvexas, plano-cóncavas, plano convexas y cóncavo-convexas.
Desde el punto de vista de sus efectos sobre la marcha de los rayos es posible agrupar los diferentes tipos de lentes en dos grandes categorías: lentes convergentes y lentes divergentes.
Las lentes convergentes se caracterizan porque hacen converger, en un punto denominado foco, cualquier haz de rayos paralelos que incidan sobre ellas. En cuanto a su forma, todas ellas son más gruesas en la zona central que en los bordes.
Las lentes divergentes, por su parte, separan o hacen diverger los rayos de cualquier haz paralelo que incida sobre ellas, siendo las prolongaciones de los rayos emergentes las que confluyen en el foco. Al contrario que las anteriores, las lentes divergentes son menos gruesas en la zona central que en los bordes.
Formación de imágenes.
Para estudiar la formación de imágenes por lentes, es necesario mencionar algunas de las características que permiten describir de forma sencilla la marcha de los rayos.
Plano óptico. Es el plano central de la lente.
Centro óptico O. Es el centro geométrico de la lente. Tiene la propiedad de que todo rayo que pasa por él no sufre desviación alguna.
Eje principal. Es la recta que pasa por el centro óptico y es perpendicular al plano óptico.
Focos principales F y F´ (foco objeto y foco imagen, respectivamente). Son un par de puntos, correspondientes uno a cada superficie, en donde se cruzan los rayos (o sus prolongaciones) que inciden sobre la lente paralelamente al eje principal.
Distancia focal f. Es la distancia entre el centro óptico O y el foco F.
Lentes convergentes.
Para proceder a la construcción de imágenes debidas a lentes convergentes, se deben tener presente las siguientes reglas:
Cuando un rayo incide sobre la lente paralelamente al eje, el rayo emergente pasa por el foco imagen F´. Inversamente, cuando un rayo incidente pasa por el foco objeto F, el rayo emergente discurre paralelamente al eje. Finalmente, cualquier rayo que se dirija a la lente pasando por el centro óptico se refracta sin sufrir ninguna desviación. Cuando se aplican estas reglas sencillas para determinar la imagen de un objeto por una lente convergente,se obtienen los siguientes resultados:
- Si el objeto está situado respecto del plano óptico a una distancia superior a dos veces la distancia focal, 2f = FO la imagen es real, invertida y de menor tamaño.
- Si el objeto está situado a una distancia del plano óptico igual a 2 f, la imagen es real, invertida y de igual tamaño.
- Si el objeto está situado a una distancia del plano óptico comprendida entre 2 f y f, la imagen es real, invertida y de mayor tamaño.
- Si el objeto está situado a una distancia del plano óptico inferior a f, la imagen es virtual, directa y de mayor tamaño.
Lentes divergentes.
La construcción de imágenes formadas por lentes divergentes se lleva a cabo de forma semejante, teniendo en cuenta que cuando un rayo incide sobre la lente paralelamente al eje, es la prolongación del rayo emergente la que pasa por el foco objeto F. Asimismo, cuando un rayo incidente se dirige hacia el foco imagen F´ de modo que su prolongación pase por él, el rayo emergente discurre paralelamente al eje. Finalmente y al igual que sucede en las lentes convergentes, cualquier rayo que se dirija a la lente pasando por el centro óptico se refracta sin sufrir desviación.
Aunque para lentes divergentes se tiene siempre que la imagen resultante es virtual, derecha y de menor tamaño, la aplicación de estas reglas permite obtener fácilmente la imagen de un objeto situado a cualquier distancia de la lente.
La cantidad de luz que puede admitir una lente aumenta con su diámetro. Como la superficie que ocupa una imagen es proporcional al cuadrado de la distancia focal de la lente, la intensidad luminosa de la superficie de la imagen es directamente proporcional al diámetro de la lente e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia focal. La relación entre la distancia focal y el diámetro efectivo de una lente es su relación focal, llamada también número f. Dos lentes con la misma abertura relativa tienen la misma luminosidad, independientemente de sus diámetros y distancias focales.
El instrumento óptico más sencillo es la lupa, constituida por una lente biconvexa, es decir, con dos superficies convexas. Cada una de éstas tiene una curvatura esférica y la distancia de cada una al centro de su respectiva esfera representa el radio de curvatura de cada una. La línea que atraviesa el centro de ambas superficies de la lente se llama eje. Sobre éste se encuentra el radio de curvatura.
Si tomamos una fuente de luz y la colocamos sobre el eje de la lente a gran distancia, toda la luz de dicha fuente que pase por la lente, puede considerarse paralela al eje. Estos rayos, salvo los del eje mismo, se refractarán hacia el eje al atravesar la lente y se unirán en un punto del otro lado.
Este punto se llama foco. La imagen de la fuente de luz que se forma se denomina imagen real, pues puede recibirse sobre una pantalla, situada en ese punto. Si acercamos la luz a la lente, deslizándola sobre el eje, la imagen del otro lado de la lente se aleja. Cuando la fuente haya llegado al centro de curvatura, la imagen estará en el otro centro.
Si la fuente se coloca sobre el foco, todos los rayos que de ella emanan y atraviesan la lente resultarán paralelos, y la imagen se formará en el infinito. Esto representa exactamente lo opuesto a lo que sucede con una fuente situada en el infinito (en la práctica a gran distancia de la lente) que da una imagen en el foco.
Si la fuente se acerca mas a la lente de lo que está el foco, los rayos que la atraviesan divergen. Dan la impresión de provenir de una imagen del mismo lado que la fuente, pero desde más lejos. Esto se llama imagen virtual, pues no puede recibírsela en una pantalla.
Las lentes sufren varias imperfecciones o aberraciones, distorsionan las imágenes. Si su superficie es esférica, los rayos refractados cerca de su borde tendrán su foco en otro plano que los del foco principal. La imagen se verá borrosa (aberración esférica).
La cromática consiste en la dispersión de la luz blanca por el vidrio de la lente. Otorga a la imagen contornos coloreados. Otros defectos se producen cerca de los bordes de una lente esférica.
La "coma" produce imágenes de fuentes puntuales con cola de cometa.
El astigmatismo constituye una aberración que se traduce en una diferencia de nitidez entre las líneas verticales y las horizontales de la imagen. Estos defectos pueden corregirse utilizando sistemas de varias lentes con distintas curvaturas, separaciones e índices de refracción
La interferencia luminosa
La interferencia de ondas requiere que se cumpla la condición de coherencia, que la diferencia de fases entre dos ondas se mantenga constante.
Esta es una condición difícil d lograr con luz natural y se requieren de experimentos cuidadosos, lo que en realidad se observa son procesos de interferencia provocados por una misma onda que llega a un mismo lugar por caminos diferentes.
La condición para que en un punto haya interferencia constructiva es :
∆D=n•ﮑ
Donde n es un número entero.
La condición para que en un punto haya interferencia destructiva es:
∆D = m • ﮑ
2
Donde m es un número impar.
Un punto como el A es brillante, por que la interferencia entre los caminos seguidos por las ondas desde ambas ranuras es un número entero de longitudes de onda.
Interferencia de la luz en películas delgadas
La parte de la onda que se refleja en la superficie delgada interfiere con lo que se refracta. La diferencia de recorrido entre ambas puede producir máximos o mínimos de interferencia.
Si se derrama aceite o querosén sobre agua se observa un fenómeno de interferencia. El agua no se mezcla con el aceite por tener densidades distintas, formando una capa delgada de espesor algo variable.
Al ser iluminada la capa con luz solar, se observan figuras de interferencia de diversos colores.
Este fenómeno también se puede observar en pompas de jabón
Cuando un haz de rayos llega a una de estas superficies, se produce una diferencia de fases entre dos de ellos debido a la diferencia de caminos recorridos por el rayo que se refleja directamente (1) y el que se refracta (2) y a los índices de refracción de las sustancias que determinan la superficie en la que se produce la segunda reflexión, por ejemplo el querosén o el agua.
El la película delgada se produce un máximo de interferencia cuando el espesor de la película cumple con la condición de ser un múltiplo impar de la cuarta parte de una longitud de onda.
Cuando se producen mínimos de interferencia, esto genera figuras de diversos colores sobre la superficie de la película.
En la interferencia luminosa, los máximos y mínimos se producen por la llegada a un mismo punto de dos partes del mismo frente de onda para asegurar la coherencia de ambas señales.
Óptica geométrica
La óptica geométrica estudia el comportamiento de la luz al reflejarse o refractarse en objetos de un tamaño mucho mayor que la longitud de onda de la luz. La óptica geométrica está gobernada por dos leyes generales muy simples: la Ley de Reflexión de la Luz y la Ley de Refracción de la Luz o Ley de Snell.
La Ley de Reflexión de la Luz dice que cuando un rayo de luz incide sobre una superficie reflejante plana el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Se llama ángulo de incidencia al que forma el rayo incidente con la (recta) normal al plano reflejante y se llama ángulo de reflexión al que forma el rayo reflejado con la normal al plano reflejante. La siguiente escena ilustra esta ley.
La Ley de Refracción de la Luz o Ley de Snell dice que cuando un rayo incide sobre una superficie refractante plana (es decir que separa dos medios transparentes como aire y vidrio o aire y agua en reposo), entonces el seno del ángulo de incidencia entre el seno del ángulo de refracción es una constante.
Al atravesar medios transparentes de distinta densidad, la luz cambia su velocidad y se desvía, provocando que el objeto observado parezca quebrarse por esa desviación. Una observación interesante desde el campo que nos ocupa, es comprobar como los rayos incidentes de 90º no producen refracción, mientras lo muy oblicuos tienen tal desviación que la refracción es absoluta. Este curioso fenómeno permite que la luz introducida en un tubo de alto índice de refracción, no atraviese el diámetro del tubo, sino que, rebotando en las paredes interiores, permite la reflexión hasta salir por el otro extremo; lo que nos permite conducir la luz por una trayectoria que no es la línea recta.
En un arco iris observamos el fenómeno de la refracción de la luz. La luz blanca es un "haz" de rayos que vibran con distintas frecuencias, cada una de las cuales corresponde a un color en particular. Cuando los rayos del sol pasan a través de una gota de agua de lluvia en un ángulo cualquiera, los rayos de distintas frecuencias se refractan en diferentes ángulos. La luz solar, descompuesta en su espectro de colores, se dispersa aún más al salir de la gota y vemos así la gama de colores del arco iris.
Luz blanca incidente sobre una gota de lluvia, y su posterior descomposición espectral.
Algunos índices de refracción para λ = 5890 angstrom , medidos con respecto al vacío .
Medio Índice de refracción
Agua 1.33
Alcohol etílico 1.36
Bisulfuro de carbono 1.63
Aire (1 atm y 20°C) 1.0003
Yoduro de metileno 1.74
Cuarzo fundido 1.46
Cristal (crown) 1.52
Cristal (flint denso) 1.66
Cloruro de sodio 1.53
Polietileno 1.50 - 1.54
Fluorita 1.43
Prisma
Bloque de vidrio o cristal transparente que tiene la misma sección transversal (generalmente un triángulo) en toda su longitud. Se usa para producir la reflexión, la refracción y la descomposición de la luz.
Los dos tipos más frecuentes tienen secciones transversales triangulares con ángulos de 60 o de 45º. Los prismas tienen diversos efectos sobre la luz que pasa a través de ellos.
Cuando Newton hizo pasar un rayo de luz blanca a través de un prisma cristalino, descomponiéndolo en una serie de colores, se descubrió que los distintos colores forman diferente ángulo de refracción y, por lo tanto, éste no depende solo del índice de refracción de la sustancia que atraviesa, sino también del "color" de la luz que lo produce.
Los fenómenos del arco iris, las tonalidades de las nubes, el cromatismo de muchos atardeceres, espejismos en días de calor, etc., son atribuibles en gran parte a los efectos de la refracción que imponen muchos agentes naturales o artificiales a la incidencia de los rayos solares.
Difracción de la luz
La figura es la descripción habitual de la experiencia de Young, donde se aprecian las interferencias por la difracción, en virtud de la teoría ondulatoria de la luz.
Como en todo proceso ondulatorio, cuando la luz llega a la ranura, un borde o un obstáculo se difracta. Este efecto es notorio si el obstáculo o la ranura tienen un tamaño similar a la longitud de onda.
Si una onda de luz monocromática llega a una ranura cuyo ancho sea algo mayor que la longitud de onda; se produce un proceso de difracción por el cual se observan en una pantalla zonas claras y oscuras.
La zona de la pantalla frente a la red es muy brillante y las restantes zonas iluminadas van decreciendo en intensidad a medida que el ángulo aumenta.
Es decir que para una misma red, la posición de los máximos secundarios depende de la longitud de onda.
Teniendo en cuenta lo anterior, si se ilumina una red con luz policromatica , se obtendrá un máximo central brillante, del mismo color que la luz incidente, y máximos secundarios para cada color, por lo que se obtiene un espectro de luz incidente. Existen espectroscopios que funcionan de esta manera y también es posible observar efectos similares cuando la luz incide sobre un disco compacto o sobre las plumas de ciertas aves, como por ejemplo la paloma.
Ese fenómeno también es notorio en el ojo humano. La luz proveniente de un auto que se acerca se ve primero como única luz, si el vehiculo esta lejos y cuando se acerca, se pueden distinguir los dos faros.
Polarización de la luz
La polarización de la luz se obtiene al reflejarse ésta en una superficie en un ángulo determinado (ángulo de Brewster) o cuando atraviesa una sustancia tal, como la turmalina. Las vibraciones de la luz ocurren en todos los planos que se hallen en ángulos rectos a la dirección de su propagación. Cuando la luz está polarizada, las vibraciones se producen en un solo plano.La luz natural se propaga como una onda trasversal en la que el plano de perturbación cambia constantemente: esta luz no esta polarizada.
Si a un haz natural se lo hace pasar por un sistema polarizador, ese actúa de reja de modo que la luz trasmitida solo tiene perturbaciones en un plano: se dice que esta polarizada. Es decir que la luz totalmente polarizada es aquella en la que la perturbación se produce en un único plano.
El ojo humano no detecta esta diferencia entre luz natural y polarizada. La luz no puede atravesar dos sistemas perfectamente transparente, permite decidir que la luz que llega al segundo sistema estaba polarizada.
La luz no solo se polariza por transmisión a través de ciertos materiales: tamben se puede produce una polarización parcial por reflexión: la luz incidente sobre una superficie es no polarizada, y la reflejada esta parcialmente polarizada. Se produce también por dispersión por ejemplo, al llegar la luz solar no polarizada a la atmósfera es dispersada por polvo atmosférico y es parcialmente polarizada. Los anteojos llamados solares actúan filtrando parte d la luz solar y impidiendo el pasaje de luz polarizada en determinados planos.
OPTICA-LA LUZ-
….La luz, que llega a nuestros ojos y nos permite ver, es un pequeño conjunto de radiaciones electromagnéticas de longitudes de onda comprendidas entre los 380 nm y los 770 nm.
La energía radiante tiene una naturaleza dual, y obedece a leyes que pueden explicarse a partir de una corriente de partículas o paquetes de energía, los llamados fotones, o a partir de un tren de ondas transversales (Movimiento ondulatorio). El concepto de fotón se emplea para explicar las interacciones de la luz con la materia que producen un cambio en la forma de energía, como ocurre con el efecto fotoeléctrico o la luminiscencia. El concepto de onda suele emplearse para explicar la propagación de la luz y algunos de los fenómenos de formación de imágenes. En las ondas de luz, como en todas las ondas electromagnéticas, existen campos eléctricos y magnéticos en cada punto del espacio, que fluctúan con rapidez. Como estos campos tienen, además de una magnitud, una dirección determinada, son cantidades vectoriales. Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y también perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. La onda luminosa más sencilla es una onda senoidal pura, llamada así porque una gráfica de la intensidad del campo eléctrico o magnético trazada en cualquier momento a lo largo de la dirección de propagación sería la gráfica de un seno.
Podemos decir que la luz es toda radiación electromagnética capaz de ser percibida por nuestro sentido de la vista. El intervalo de frecuencias de las radiaciones que componen la luz solamente está delimitado por la capacidad del órgano de la visión.
La luz que nosotros percibimos será siempre formada por radiaciones correspondientes a grandes cantidades de frecuencias. El láser constituye la única radiación visible formada por radiaciones de la misma longitud de onda todas ella. La luz, en un medio homogéneo, se propaga en línea recta. Cada una de las direcciones de propagación de la luz es un rayo luminoso. Un conjunto de rayos que parten de un punto es un haz. Si el punto de donde proceden los rayos está muy alejado se consideran paralelos.
La velocidad de la luz en el vacío es de 3 . 108 m/s. Para comparar la velocidad de la luz en una sustancia con la del vacío se emplea el índice de refracción, obtenido como cociente entre la segunda y la primera:
n = c
v
c = velocidad de la luz en el vacío
v = velocidad de la luz en la sustancia
La luz blanca
La luz del Sol muestra las cosas, pero no es de ningún color. Aunque está compuesta por los distintos colores del espectro -rojo, naranja, amarillo, verde, azul, y violeta- nos parece que no tiene color. Y la llamamos luz "blanca".
Cada minúsculo rayo de sol contiene una banda compuesta por una tira de cada color. Las tiras se desplazan de lado y lo hacen tan deprisa que es imposible verlas por separado. Al mezclarse forman la luz "blanca".
La sombra
La sombra se forma porque la luz se mueve de una forma especial. Sale de la fuente que la produce y se mueve en ondas parecidas a las de las olas del mar. Mientras no encuentren nada en su camino, las ondas luminosas se mueven en una dirección. Pero cuando chocan contra algo, se paran. Entonces aparece un espacio oscuro: una sombra
El espectro electromagnético
La luz forma parte del espectro electromagnético que comprende tipos de ondas tan dispares como los rayos cósmicos, los rayos gamma, los ultravioletas, los infrarrojos y las ondas de radio o televisión entre otros. Cada uno de estos tipos de onda comprende un intervalo definido por una magnitud característica que puede ser la longitud de onda ( ) o la frecuencia (f). Recordemos que la relación entre ambas es:
donde c es la velocidad de la luz en el vacío (c = 3•108 m/s).
Espectro Electromagnético.
Longitud de onda y colores complementarios
La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. En el espectro visible, las diferencias en longitud de onda se manifiestan como diferencias de color. El rango visible va desde, aproximadamente, 350 nm (nanómetros) el violeta hasta unos 760 nm el rojo, (1 mm = 1.000.000 nanómetros). La luz blanca es una mezcla de todas las longitudes de onda visibles.
La velocidad de la luz en las sustancias materiales es menor que en el vacío, y varía para las distintas longitudes de onda; este efecto se denomina dispersión.
La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de una longitud de onda determinada en una sustancia se conoce como índice de
Refracción de la sustancia para dicha longitud de onda.
Cada color tiene una longitud de onda dentro de una amplia escala de ondas electromagnéticas que varían, según la intensidad de los mismos, entre 400
y 800 nanómetros.
Los colores
El análisis de los espectros luminosos permite asignar a la sensación de color valores de longitudes de onda. Una radiación electromagnética de 420 nm. Que llega al ojo produce la sensación que se denomina color violeta, y una de 580 nm. La sensación de amarillo.
La luz que llega al ojo después d ser emitida, reflejada o trasmitida por un objeto, lleva, entre otras cosas, la información del color de ese objeto.
La mayor parte de los objetos no son fuentes luminosas, si no cuerpos luminados; es decir que la luz de una fuente luminosa llega a ellos, se refleja y luego llega al ojo. El objeto modifica d alguna manera la luz incidente para trasmitir la información de su color.
Al iluminar un objeto con luz blanca, es decir una radiación que contiene todas las longitudes de onda del espectro visible, ocurre lo siguiente: según las características de la superficie, el cuerpo absorberá d manera selectiva algunas longitudes de onda y reflejara las restantes. Si el cuerpo se ve amarillo será por que refleja fundamentalmente ese color.
Durante el proceso de reflexión, el objeto iluminado no agrega longitudes de onda a las de la luz incidente, por lo que no podrían llegar al ojo radiaciones de longitudes de onda que no estaban en la radiación original.
Por ejemplo: si se ilumina un objeto con luz proveniente de una fuente que no contiene longitudes de onda superiores a los 600 nm (anaranjado y rojo), dicho objeto no se podrá ver de esos colores porque estas longitudes de onda tampoco estarán presentes en la luz que llega al ojo.
Al iluminar un cuerpo con luz blanca, se lo percibe de ese color si refleja una gran proporción de todas las longitudes de onda, como ocurre en el papel blanco. En cambio si un cuerpo absorbe una gran parte de las radiaciones de todas las longitudes de onda, se lo ve negro.
Si se mezclan dos pinturas, se obtiene un color formado por aquellas radiaciones que ambas reflejan. Las pinturas azules, además de reflejar l color azul, reflejan parte del color verde. Las pinturas amarillas, además d amarillo, reflejan parcialmente el verde. Al mezclar pintura azul y amarilla se obtiene color verde, que es el que ninguna de las dos absorbe.
Cuando se produce una superposición d ondas luminosas de diferentes longitudes de onda, se pueden obtener colores variados. De ese modo es posible obtener luz blanca adecuando la intensidad de la luz.
Si se proyectan sobre una pantalla los colores rojo, verde y azul, mediante luces de igual intensidad, se obtiene color blanco.
Cuando las luces de estos colores se combinan de a dos con igual intensidad, se obtienen los siguientes resultados:
• La iluminación mediante la luz roja y verde presenta la zona de color amarillo.
• La iluminación mediante luz roja y azul presenta la zona de color magenta, que es un rojo azulado.
• La iluminación con luz verde y azul presenta la zona de color cian, que es un azul verdoso.
La combinación del amarillo, el magenta y el cian, con intensidades adecuadas, forma una gran cantidad de colores diferentes. Esto es utilizado en los tubos de televisores de color o en los monitores de las computadoras. Los electrones emitidos desde la parte posterior del tubo de rayos catódicos (tubo de televisor), al impactar sobre la pantalla en diferentes puntos y con diferentes velocidades, forman puntos de colores e intensidad diferentes que integran la imagen.
Si se observa la pantalla de un televisor o la del monitor de una computadora con una lupa es posible observar los puntos de color rojo, verde y azul que forman la imagen, y producen en el ojo la sensación de sus colores.
Óptica
Es la parte de la física que comprende el estudio de la luz y los fenómenos de la visión. Generalmente, se divide en dos ramas principales:
• la física se ocupa de la naturaleza y propiedades de la luz;
• la geométrica del estudio del comportamiento de la luz en los distintos medios y en diversos instrumentos ópticos.
• Además, una tercera rama se ocupa del estudio del ojo desde el punto de vista óptico.
Óptica física.
El desarrollo de la óptica comenzó durante las primeras décadas del siglo XVII, cuando se inventaron el microscopio y el telescopio. En 1791, Newton publicó su tratado, que registraba cuidadosamente los fenómenos de refracción, dispersión, interferencia, difracción y polarización.
La teoría ondulatoria de la luz establece que ésta se propaga en forma de ondas, que vibran en ángulo recto a la dirección de su propagación. Faraday descubrió interrelaciones entre la luz, el magnetismo y la electricidad. Maxwell, tiempo después, postuló la teoría electromagnética de la luz. Según ella, la luz consiste en ondas eléctricas y magnéticas, que vibran sin diferencia de fases en ángulo recto unas con otras.
En el siglo XX, Planck publicó su famosa teoría de los cuantos, que sugiere que la luz se propaga en unidades indivisibles, "paquetes" o cuantos, de energía electromagnética. Cuando la luz incide sobre un objeto, parte de la misma es reflejada y parte absorbida.
Los espejos
Los espejos son cuerpos que reflejan un alto porcentaje de la luz que llega a ellos. Se denomina espejo ideal a aquel que refleja toda la luz que le llega.
Se clasifican en planos y esféricos.
Espejos planos: la imagen que se observa es de tipo virtual, tiene el mismo tamaño que el objeto y está ubicada por detrás del espejo a la misma distancia que lo está el objeto delante del espejo.
La imagen formada en un espejo cambia el sentido del objeto de izquierda a derecha (imagen especular).
1.- Trata de leer este texto con ayuda de un espejo.
Sitúa el espejo de manera que esta zona de la pantalla quede en el campo visual del espejo y mira el texto reflejado en él.
Firma de Leonardo Leonardo da Vinci, que era zurdo, no solo utilizó su facilidad para escribir de derecha a izquierda, sino que escribió crípticamente usando un espejo.
Sus textos pueden descifrarse fácilmente con ayuda de un espejo.
¿Cómo están escritos los rótulos que van en la parte delantera de las ambulancias para que puedan ser vistos fácilmente por el espejo retrovisor del coche que va delante de la ambulancia?
Si reflejamos la imagen de un objeto en el espejo plano, la parte derecha de la imagen corresponde a la parte izquierda del objeto y viceversa. Técnicamente esto se llama ver la imagen falseada.
Si tienes una persona frente a ti, su brazo izquierdo está a tu derecha, pero si tienes su imagen delante de ti, su brazo izquierdo estará a la izquierda.
Por lo tanto el espejo cambia el sentido izquierda-derecha: nos vemos delante de nosotros mismos como si se tratara de otra persona pero...su derecha está a nuestra derecha y no como cuando vemos las imágenes reales de nuestros semejantes.
Si queremos anular este efecto de los espejos podemos hacer lo siguiente:
Podemos colocar dos espejos con el frente plateado formando un ángulo de 90º.
La cara de casi todas las personas son ligeramente asimétricas. Vistas con espejos que formen un ángulo de 90 º estas peculiaridades normalmente inadvertidas aparecen muy marcadas.
Cuando dos espejos forman un ángulo el número de imágenes que podemos ver en ellos depende del ángulo y se calcula así:
¿Cual debe ser el tamaño mínimo de un espejo plano vertical y cómo debe estar colocado para que nos veamos de pies a cabeza?
En esta figura puedes ver la colocación y el tamaño: justo a la altura del extremo de nuestra cabeza y debe tener la mitad de nuestro tamaño.
Sabemos que AB = A'B (imagen en un espejo)
AA' = 2AB
Por el teorema de Tales las proporciones en los triángulos serán:
BP = 2 MA'
Experiencia:
Une dos espejos de modo que entre ellos formen un ángulo ligeramente inferior a 90º. En la parte interior de los espejos verás dos caras. Abre los espejos poco a poco y, exactamente cuando el ángulo es de 90º, las dos narices se superponen. Guiña un ojo y quedarás desconcertado ya que en el espejo verás cerrarse el ojo que no esperabas que fuera a hacerlo.
Además de esa imagen en la parte interior hay dos más, una a cada lado.
Espejos esféricos
Se utilizan en instrumentos ópticos como telescopio y linternas. Este espejo es un casquete esférico, es decir, el corte de una esfera hecho con un plano. Si está espejada la superficie interior del casquete, es cóncavo y si está espejada la superficie exterior es convexo.
Todos los rayos que inciden paralelos al eje convergen después de reflejarse en un punto llamado foco del espejo. La igualad de los ángulos de incidencia y reflexión indica que existe reversibilidad, es decir que si los rayos inciden por el foco, se reflejarán paralelamente al eje.
Si se consideran positivas las distancias medidas desde un espejo en el sentido en que se desplaza la luz, y negativas las medidas en sentido opuesto, entonces, siendo u la distancia del objeto, v la distancia de la imagen y f la distancia focal de un espejo esférico, cumple la ecuación:
1/v + 1/u = 1/f
La distancia focal de un espejo esférico es igual a la mitad de su radio de curvatura. Como se indica en la figura, los rayos que se desplazan en un haz estrecho en la dirección del eje óptico e inciden sobre un espejo cóncavo cuyo centro de curvatura está situado en C, se reflejan de modo que se cortan en B, a media distancia entre A y C. Si la distancia del objeto es mayor que la distancia AC, la imagen es real, reducida e invertida.
Si el objeto se encuentra entre el centro de curvatura y el foco, la imagen es real, aumentada e invertida. Si el objeto está situado entre la superficie del espejo y su foco, la imagen es virtual, aumentada y no invertida. Un espejo convexo sólo forma imágenes virtuales, reducidas y no invertidas, a a no ser que se utilice junto con otros componentes ópticos.
Reflexión en un espejo cóncavo
Espejo cóncavo
Espejo convexo
Situación
del objeto Tipo de la
imagen Posición de
la imagen Tamaño de
la imagen Orientación
de la imagen
Más allá de C Real Entre C y F Menor Invertida
En C Real En C Igual Invertida
Entre C y F Real Más allá de C Mayor Invertida
Entre F y A Virtual Destrás del espejo Mayor Derecha
Delante de A, para
espejos convexos Virtual Destrás del espejo Menor Derecha
Las lentes
Las lentes son objetos transparentes, limitados por dos superficies esféricas o por una superficie esférica y otra plana, que se hallan sumergidas en un medio, asimismo transparente, normalmente aire. Desempeñan un papel esencial como componentes de diferentes aparatos ópticos. Con lentes se corrigen los diferentes defectos visuales, se fabrican los microscopios, las máquinas fotográficas, los proyectores y muchos otros instrumentos ópticos.
De la combinación de los tres posibles tipos de superficies límites, cóncava, convexa y plana, resultan las diferentes clases de lentes. Según su geometría, las lentes pueden ser bicóncavas, biconvexas, plano-cóncavas, plano convexas y cóncavo-convexas.
Desde el punto de vista de sus efectos sobre la marcha de los rayos es posible agrupar los diferentes tipos de lentes en dos grandes categorías: lentes convergentes y lentes divergentes.
Las lentes convergentes se caracterizan porque hacen converger, en un punto denominado foco, cualquier haz de rayos paralelos que incidan sobre ellas. En cuanto a su forma, todas ellas son más gruesas en la zona central que en los bordes.
Las lentes divergentes, por su parte, separan o hacen diverger los rayos de cualquier haz paralelo que incida sobre ellas, siendo las prolongaciones de los rayos emergentes las que confluyen en el foco. Al contrario que las anteriores, las lentes divergentes son menos gruesas en la zona central que en los bordes.
Formación de imágenes.
Para estudiar la formación de imágenes por lentes, es necesario mencionar algunas de las características que permiten describir de forma sencilla la marcha de los rayos.
Plano óptico. Es el plano central de la lente.
Centro óptico O. Es el centro geométrico de la lente. Tiene la propiedad de que todo rayo que pasa por él no sufre desviación alguna.
Eje principal. Es la recta que pasa por el centro óptico y es perpendicular al plano óptico.
Focos principales F y F´ (foco objeto y foco imagen, respectivamente). Son un par de puntos, correspondientes uno a cada superficie, en donde se cruzan los rayos (o sus prolongaciones) que inciden sobre la lente paralelamente al eje principal.
Distancia focal f. Es la distancia entre el centro óptico O y el foco F.
Lentes convergentes.
Para proceder a la construcción de imágenes debidas a lentes convergentes, se deben tener presente las siguientes reglas:
Cuando un rayo incide sobre la lente paralelamente al eje, el rayo emergente pasa por el foco imagen F´. Inversamente, cuando un rayo incidente pasa por el foco objeto F, el rayo emergente discurre paralelamente al eje. Finalmente, cualquier rayo que se dirija a la lente pasando por el centro óptico se refracta sin sufrir ninguna desviación. Cuando se aplican estas reglas sencillas para determinar la imagen de un objeto por una lente convergente,se obtienen los siguientes resultados:
- Si el objeto está situado respecto del plano óptico a una distancia superior a dos veces la distancia focal, 2f = FO la imagen es real, invertida y de menor tamaño.
- Si el objeto está situado a una distancia del plano óptico igual a 2 f, la imagen es real, invertida y de igual tamaño.
- Si el objeto está situado a una distancia del plano óptico comprendida entre 2 f y f, la imagen es real, invertida y de mayor tamaño.
- Si el objeto está situado a una distancia del plano óptico inferior a f, la imagen es virtual, directa y de mayor tamaño.
Lentes divergentes.
La construcción de imágenes formadas por lentes divergentes se lleva a cabo de forma semejante, teniendo en cuenta que cuando un rayo incide sobre la lente paralelamente al eje, es la prolongación del rayo emergente la que pasa por el foco objeto F. Asimismo, cuando un rayo incidente se dirige hacia el foco imagen F´ de modo que su prolongación pase por él, el rayo emergente discurre paralelamente al eje. Finalmente y al igual que sucede en las lentes convergentes, cualquier rayo que se dirija a la lente pasando por el centro óptico se refracta sin sufrir desviación.
Aunque para lentes divergentes se tiene siempre que la imagen resultante es virtual, derecha y de menor tamaño, la aplicación de estas reglas permite obtener fácilmente la imagen de un objeto situado a cualquier distancia de la lente.
La cantidad de luz que puede admitir una lente aumenta con su diámetro. Como la superficie que ocupa una imagen es proporcional al cuadrado de la distancia focal de la lente, la intensidad luminosa de la superficie de la imagen es directamente proporcional al diámetro de la lente e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia focal. La relación entre la distancia focal y el diámetro efectivo de una lente es su relación focal, llamada también número f. Dos lentes con la misma abertura relativa tienen la misma luminosidad, independientemente de sus diámetros y distancias focales.
El instrumento óptico más sencillo es la lupa, constituida por una lente biconvexa, es decir, con dos superficies convexas. Cada una de éstas tiene una curvatura esférica y la distancia de cada una al centro de su respectiva esfera representa el radio de curvatura de cada una. La línea que atraviesa el centro de ambas superficies de la lente se llama eje. Sobre éste se encuentra el radio de curvatura.
Si tomamos una fuente de luz y la colocamos sobre el eje de la lente a gran distancia, toda la luz de dicha fuente que pase por la lente, puede considerarse paralela al eje. Estos rayos, salvo los del eje mismo, se refractarán hacia el eje al atravesar la lente y se unirán en un punto del otro lado.
Este punto se llama foco. La imagen de la fuente de luz que se forma se denomina imagen real, pues puede recibirse sobre una pantalla, situada en ese punto. Si acercamos la luz a la lente, deslizándola sobre el eje, la imagen del otro lado de la lente se aleja. Cuando la fuente haya llegado al centro de curvatura, la imagen estará en el otro centro.
Si la fuente se coloca sobre el foco, todos los rayos que de ella emanan y atraviesan la lente resultarán paralelos, y la imagen se formará en el infinito. Esto representa exactamente lo opuesto a lo que sucede con una fuente situada en el infinito (en la práctica a gran distancia de la lente) que da una imagen en el foco.
Si la fuente se acerca mas a la lente de lo que está el foco, los rayos que la atraviesan divergen. Dan la impresión de provenir de una imagen del mismo lado que la fuente, pero desde más lejos. Esto se llama imagen virtual, pues no puede recibírsela en una pantalla.
Las lentes sufren varias imperfecciones o aberraciones, distorsionan las imágenes. Si su superficie es esférica, los rayos refractados cerca de su borde tendrán su foco en otro plano que los del foco principal. La imagen se verá borrosa (aberración esférica).
La cromática consiste en la dispersión de la luz blanca por el vidrio de la lente. Otorga a la imagen contornos coloreados. Otros defectos se producen cerca de los bordes de una lente esférica.
La "coma" produce imágenes de fuentes puntuales con cola de cometa.
El astigmatismo constituye una aberración que se traduce en una diferencia de nitidez entre las líneas verticales y las horizontales de la imagen. Estos defectos pueden corregirse utilizando sistemas de varias lentes con distintas curvaturas, separaciones e índices de refracción
La interferencia luminosa
La interferencia de ondas requiere que se cumpla la condición de coherencia, que la diferencia de fases entre dos ondas se mantenga constante.
Esta es una condición difícil d lograr con luz natural y se requieren de experimentos cuidadosos, lo que en realidad se observa son procesos de interferencia provocados por una misma onda que llega a un mismo lugar por caminos diferentes.
La condición para que en un punto haya interferencia constructiva es :
∆D=n•ﮑ
Donde n es un número entero.
La condición para que en un punto haya interferencia destructiva es:
∆D = m • ﮑ
2
Donde m es un número impar.
Un punto como el A es brillante, por que la interferencia entre los caminos seguidos por las ondas desde ambas ranuras es un número entero de longitudes de onda.
Interferencia de la luz en películas delgadas
La parte de la onda que se refleja en la superficie delgada interfiere con lo que se refracta. La diferencia de recorrido entre ambas puede producir máximos o mínimos de interferencia.
Si se derrama aceite o querosén sobre agua se observa un fenómeno de interferencia. El agua no se mezcla con el aceite por tener densidades distintas, formando una capa delgada de espesor algo variable.
Al ser iluminada la capa con luz solar, se observan figuras de interferencia de diversos colores.
Este fenómeno también se puede observar en pompas de jabón
Cuando un haz de rayos llega a una de estas superficies, se produce una diferencia de fases entre dos de ellos debido a la diferencia de caminos recorridos por el rayo que se refleja directamente (1) y el que se refracta (2) y a los índices de refracción de las sustancias que determinan la superficie en la que se produce la segunda reflexión, por ejemplo el querosén o el agua.
El la película delgada se produce un máximo de interferencia cuando el espesor de la película cumple con la condición de ser un múltiplo impar de la cuarta parte de una longitud de onda.
Cuando se producen mínimos de interferencia, esto genera figuras de diversos colores sobre la superficie de la película.
En la interferencia luminosa, los máximos y mínimos se producen por la llegada a un mismo punto de dos partes del mismo frente de onda para asegurar la coherencia de ambas señales.
Óptica geométrica
La óptica geométrica estudia el comportamiento de la luz al reflejarse o refractarse en objetos de un tamaño mucho mayor que la longitud de onda de la luz. La óptica geométrica está gobernada por dos leyes generales muy simples: la Ley de Reflexión de la Luz y la Ley de Refracción de la Luz o Ley de Snell.
La Ley de Reflexión de la Luz dice que cuando un rayo de luz incide sobre una superficie reflejante plana el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Se llama ángulo de incidencia al que forma el rayo incidente con la (recta) normal al plano reflejante y se llama ángulo de reflexión al que forma el rayo reflejado con la normal al plano reflejante. La siguiente escena ilustra esta ley.
La Ley de Refracción de la Luz o Ley de Snell dice que cuando un rayo incide sobre una superficie refractante plana (es decir que separa dos medios transparentes como aire y vidrio o aire y agua en reposo), entonces el seno del ángulo de incidencia entre el seno del ángulo de refracción es una constante.
Al atravesar medios transparentes de distinta densidad, la luz cambia su velocidad y se desvía, provocando que el objeto observado parezca quebrarse por esa desviación. Una observación interesante desde el campo que nos ocupa, es comprobar como los rayos incidentes de 90º no producen refracción, mientras lo muy oblicuos tienen tal desviación que la refracción es absoluta. Este curioso fenómeno permite que la luz introducida en un tubo de alto índice de refracción, no atraviese el diámetro del tubo, sino que, rebotando en las paredes interiores, permite la reflexión hasta salir por el otro extremo; lo que nos permite conducir la luz por una trayectoria que no es la línea recta.
En un arco iris observamos el fenómeno de la refracción de la luz. La luz blanca es un "haz" de rayos que vibran con distintas frecuencias, cada una de las cuales corresponde a un color en particular. Cuando los rayos del sol pasan a través de una gota de agua de lluvia en un ángulo cualquiera, los rayos de distintas frecuencias se refractan en diferentes ángulos. La luz solar, descompuesta en su espectro de colores, se dispersa aún más al salir de la gota y vemos así la gama de colores del arco iris.
Luz blanca incidente sobre una gota de lluvia, y su posterior descomposición espectral.
Algunos índices de refracción para λ = 5890 angstrom , medidos con respecto al vacío .
Medio Índice de refracción
Agua 1.33
Alcohol etílico 1.36
Bisulfuro de carbono 1.63
Aire (1 atm y 20°C) 1.0003
Yoduro de metileno 1.74
Cuarzo fundido 1.46
Cristal (crown) 1.52
Cristal (flint denso) 1.66
Cloruro de sodio 1.53
Polietileno 1.50 - 1.54
Fluorita 1.43
Prisma
Bloque de vidrio o cristal transparente que tiene la misma sección transversal (generalmente un triángulo) en toda su longitud. Se usa para producir la reflexión, la refracción y la descomposición de la luz.
Los dos tipos más frecuentes tienen secciones transversales triangulares con ángulos de 60 o de 45º. Los prismas tienen diversos efectos sobre la luz que pasa a través de ellos.
Cuando Newton hizo pasar un rayo de luz blanca a través de un prisma cristalino, descomponiéndolo en una serie de colores, se descubrió que los distintos colores forman diferente ángulo de refracción y, por lo tanto, éste no depende solo del índice de refracción de la sustancia que atraviesa, sino también del "color" de la luz que lo produce.
Los fenómenos del arco iris, las tonalidades de las nubes, el cromatismo de muchos atardeceres, espejismos en días de calor, etc., son atribuibles en gran parte a los efectos de la refracción que imponen muchos agentes naturales o artificiales a la incidencia de los rayos solares.
Difracción de la luz
La figura es la descripción habitual de la experiencia de Young, donde se aprecian las interferencias por la difracción, en virtud de la teoría ondulatoria de la luz.
Como en todo proceso ondulatorio, cuando la luz llega a la ranura, un borde o un obstáculo se difracta. Este efecto es notorio si el obstáculo o la ranura tienen un tamaño similar a la longitud de onda.
Si una onda de luz monocromática llega a una ranura cuyo ancho sea algo mayor que la longitud de onda; se produce un proceso de difracción por el cual se observan en una pantalla zonas claras y oscuras.
La zona de la pantalla frente a la red es muy brillante y las restantes zonas iluminadas van decreciendo en intensidad a medida que el ángulo aumenta.
Es decir que para una misma red, la posición de los máximos secundarios depende de la longitud de onda.
Teniendo en cuenta lo anterior, si se ilumina una red con luz policromatica , se obtendrá un máximo central brillante, del mismo color que la luz incidente, y máximos secundarios para cada color, por lo que se obtiene un espectro de luz incidente. Existen espectroscopios que funcionan de esta manera y también es posible observar efectos similares cuando la luz incide sobre un disco compacto o sobre las plumas de ciertas aves, como por ejemplo la paloma.
Ese fenómeno también es notorio en el ojo humano. La luz proveniente de un auto que se acerca se ve primero como única luz, si el vehiculo esta lejos y cuando se acerca, se pueden distinguir los dos faros.
Polarización de la luz
La polarización de la luz se obtiene al reflejarse ésta en una superficie en un ángulo determinado (ángulo de Brewster) o cuando atraviesa una sustancia tal, como la turmalina. Las vibraciones de la luz ocurren en todos los planos que se hallen en ángulos rectos a la dirección de su propagación. Cuando la luz está polarizada, las vibraciones se producen en un solo plano.La luz natural se propaga como una onda trasversal en la que el plano de perturbación cambia constantemente: esta luz no esta polarizada.
Si a un haz natural se lo hace pasar por un sistema polarizador, ese actúa de reja de modo que la luz trasmitida solo tiene perturbaciones en un plano: se dice que esta polarizada. Es decir que la luz totalmente polarizada es aquella en la que la perturbación se produce en un único plano.
El ojo humano no detecta esta diferencia entre luz natural y polarizada. La luz no puede atravesar dos sistemas perfectamente transparente, permite decidir que la luz que llega al segundo sistema estaba polarizada.
La luz no solo se polariza por transmisión a través de ciertos materiales: tamben se puede produce una polarización parcial por reflexión: la luz incidente sobre una superficie es no polarizada, y la reflejada esta parcialmente polarizada. Se produce también por dispersión por ejemplo, al llegar la luz solar no polarizada a la atmósfera es dispersada por polvo atmosférico y es parcialmente polarizada. Los anteojos llamados solares actúan filtrando parte d la luz solar y impidiendo el pasaje de luz polarizada en determinados planos.
EL LENGUAJE DE LAS NEURONAS
I.S.F.D Nº 78
AUTORES:Campiutti, Ezequiel García; Carla Estefanía
Trabajo Práctico: “El lenguaje de las neuronas”
Profesorado de Biología.
Docente a cargo: María Marta Belamendia
Trabajo Práctico: “El lenguaje de las neuronas”
1) Caracterice estructural y funcionalmente a las neuronas.
2) Explique las funciones de las señales eléctricas y de las señales químicas que viajan (circulan) por las neuronas.
3) Esquematice y explique un arco reflejo simple.
4) Explique el funcionamiento celular como generador de energía eléctrica (potencial de membrana).
5) Explique cómo se generan y propagan las señales por las neuronas (potenciales de acción).
6) Explique la operación de los canales iónicos mediante el potencial de membrana.
7) Explique la propagación de los potenciales de acción.
8) Describa estructural y funcionalmente a la sinapsis neuronal.
9) Explique la importancia de los neurotransmisores y caracterice su ciclo.
10) ¿Cómo se generan potenciales sinápticos en la placa neuromuscular?
11) ¿Cuál es la diferencia entre los potenciales excitatorios y los inhibitorios?
12) Explique la contracción muscular en términos eléctricos.
1) Como sabemos, todo órgano se encuentra formado por tejidos, los cuales a su vez están constituidos por células. Dado que los diferentes órganos cumplen funciones específicas será necesario que las células que forman cada uno tengan una determinada estructura y características que se adapten a la función en cuestión.
La neurona es un típico ejemplo de esta relación entre estructura y función.
Estas células tienen a cargo la función de captar y transmitir los impulsos nerviosos dentro del sistema.
Las neuronas se caracterizan por sus intrincadas ramificaciones, que irradian desde el cuerpo celular o soma. Existen dos tipos de ramificaciones, las dendritas y los axones. Las dendritas son muy numerosas y se extienden a distancias cortas del soma, son las encargadas de conducir el impulso nervioso al cuerpo celular. Por otro lado encontramos a los axones que, a diferencia de las dendritas, son más largos, están recubiertos por vainas de mielina (Lipoproteína) y sólo hay uno en cada célula. La mielina puede presentar constricciones a intervalos regulares los cuales se denominan nódulos de Ranvier.
Los axones cumplen la función de transmitir el impulso nervioso desde el cuerpo celular hasta otras regiones.
Si bien la función primordial de las neuronas es transmitir el impulso nervioso, podemos encontrar una clasificación de acuerdo al lugar que transporte ese mismo impulso:
• Neuronas sensitivas: Transportan la información de los receptores sensoriales hacia el sistema nervioso central.
• Neuronas motoras: Llevan la respuesta del sistema nervioso central a los órganos efectores.
• Neuronas de asociación: Conectan a las neuronas entre sí.
Las neuronas forman cadenas o redes, a lo largo de los cuales viajan los impulsos nerviosos, aquellos puntos en los cuales una neurona se relaciona con otra se denomina sinapsis. Este hecho tiene gran importancia funcional ya que determina la dirección del impulso nervioso y permite la integración de señales inhibitorias y excitatorias.
2) En el procesamiento de las señales nerviosas están implicados dos tipos de fenómenos: eléctricos y químicos. El proceso eléctrico propaga una señal en el interior de la neurona, y el proceso químico trasmite la señal desde una neurona a otra, o a una célula muscular.
Para entender mejor este fenómeno tomemos un ejemplo, supongamos que un estímulo llega a una de las prolongaciones de una determinada neurona sensitiva. Este estímulo constituye una señal eléctrica, la cual se propaga a toda la neurona y, en el extremo opuesto de la misma, libera una sustancia química o neurotransmisora. Las neuronas que reciben esta sustancia generan nuevamente una señal eléctrica que también es propagada a las ramificaciones y se contacta con las neuronas motoras, enviándoles señales químicas inhibitorias o excitatorias. Este tipo de neurona forma una determinada señal eléctrica que finalmente es transformada en una señal química y al ser liberada, por ejemplo en un músculo, induce a la formación de una nueva señal eléctrica en cada célula del órgano efector, teniendo como resultado final, en este caso, la contracción muscular.
3) El arco reflejo es un ejemplo de la forma en que las neuronas actúan en conjunto para cumplir una determinada función. Lo experimentamos por ejemplo cuando retiramos la mano ante un determinado estímulo de dolor. Para realizar esta tarea el sistema nervioso necesita tanto de las señales químicas como de las señales eléctricas ya explicadas en la consigna anterior. Estos dos tipos de señales son universales y son la base del funcionamiento del sistema nervioso de vertebrados e invertebrados.
4) Para la transmisión de un impulso nervioso, es necesario la electricidad y el fenómeno por el cual las células la produce se denomina bioelectricidad. Sin embargo antes de explicar la manera en que se genera necesitamos reconocer a la membrana plasmática como elemento esencial en este proceso.
La membrana es a encargada de separar a la célula del medio externo, se encuentra formada por proteínas y una doble capa de lípidos.
La membrana tiene ciertas propiedades como la de ser semipermeable, es decir solo deja entrar o salir ciertas sustancias, entre las sustancias que no son permeables encontramos a los iones (Na+, Cl-, K+). Para resolver este problema la membrana cuenta con ciertas proteínas que permiten el paso de iones, hablamos entonces de los canales iónicos.
Estos canales transportan agua e iones específicos a favor de su gradiente concentración; de esta forma se permite el movimiento de moléculas a gran velocidad.
El transporte de iones a través de la membrana genera una desigualdad de cargas, lo que produce a su vez una diferencia de potencial en la membrana, siendo el exterior positivo y el interior negativo.
Previamente al movimiento de cargas las concentraciones son diferentes, sin embargo no hay diferencia de potencial.
• Aniones: hay más concentración de Cl - en el medio extracelular, mientras que en el intracelular la carga negativa se produce gracias a las proteínas.
• Cationes: El sodio es mayor en el medio extracelular y el potasio en el intracelular.
El desequilibrio iónico que produce la polarización de la membrana se debe a los distintos grados de permeabilidad que se ofrecen a los iones. A concentración se muestra como se da esta dinámica de cargas:
Na+:100mM
Cl-:110mM
K+:10mM
Na+:10mM
Cl-:110mM
K+:100M
Na+:100mM
Cl-:110mM
K+:10mM
Na+:10mM
Cl-:110mM
K+:100M
Na+:100mM
Cl-:110mM
K+:10mM
Na+:10mM
Cl-:110mM
K+:100M
Impermeable Permeable al Na+ Permeable al K+
Modelo 1: La membrana es impermeable a todos los iones. No hay flujo de iones, por lo tanto, a pesar de existir una diferencia de concentración, no se genera una diferencia de potencial a lo largo de la membrana.
Modelo 2: La membrana es permeable al Na+ pero no al resto de los iones. Se produce entonces un exceso de iones Na+ a un lado de la membrana y de iones cloruro por otro. Por lo tanto se genera una diferencia de potencial que va aumentan hasta que el movimiento de Na+ es inhibido por la gran concentración de cargas positivas y por la atracción del ión Cl-. El sodio al difundir a favor de su gradiente, genera una diferencia de carga que lo frena y establece su equilibrio. En este caso no hay movimiento neto de Na+ y la membrana actuará guardando esa carga.
Modelo 3: Es igual al modelo anterior pero se reemplazan los canales de Na+ por los de K+.
Debemos aclarar que luego de lo sucedido en el modelo 3 la membrana queda cargada negativamente debido a la abertura permanente de los canales K+ y a la distribución desigual de iones que surge de la existencia de aniones impermeables en el interior de la célula.
En definitiva la presencia de aniones impermeables y la de las bombas sodio-potasio permite generar y mantener una diferencia de concentración iónica, que a su vez produce una diferencia de potencial, factor imprescindible en el impulso eléctrico.
5 y 6) Muchas células eléctricamente activas sufren cambios ante la permeabilidad de la membrana de algún ión, lo cual altera el potencial de membrana, alejándolo del valor de reposo. A esta alteración se la denomina potencial en acción o impulso nervioso.
El potencial en acción es una explosión de actividad eléctrica en un corto tiempo.
Se ha demostrado que los cambios transitorios en la permeabilidad de la membrana del axón respecto a los iones K+ y Na+ provocan el impulso el eléctrico. Este cambio en la permeabilidad se debe a la existencia de dos tipos de conductos o canales, que en reposo, están cerrados pero cuando la célula se despolariza, se abren como consecuencia del cambio del entorno eléctrico. Por ello estos canales reciben el nombre de canales iónicos dependientes del voltaje.
Para que la despolarización produzca un potencial en acción es necesario que esta tenga un valor de, aproximadamente, -55mV.
En síntesis podemos expresar al proceso de la siguiente forma:
1. La despolarización inicial generada por un agente estimulante permite la abertura de canales Na+.
2. Los iones Na+ fluyen a través de la membrana, lo que genera una despolarización aun mayor.
3. Se repiten los pasos anteriores y como resultado se obtiene un cambio brusco en el potencial de la membrana (de -55mV a +40mV) Este ciclo por el cual aumenta la corriente de sodio y la despolarización es llamado ciclo positivo rápido debido a la gran velocidad con que se lleva a cabo.
4. La despolarización activa también los canales K+, pero de manera más lenta. Los iones se mueven hacia el exterior y el potencial de membrana vuelve a tener un valor negativo (-75 mV). El potencial negativo cierra los canales K+. Llamamos a este proceso de hiperpolarización, junto con la salida de iones potasio, ciclo negativo lento, debido al tiempo en que tarda en realizarse.
5. La despolarización de la membrana se ve favorecida por el cierre de los canales Na+.
Este intercambio iónico junto con la llegada de una señal química o eléctrica constituyen los procesos fundamentales para la producción del potencial en acción.
7) El potencial de acción se propaga en todas las direcciones, hacia delante por el axón hasta el terminal sináptico y hacia atrás, atravesando el soma e invadiendo las dendritas.
La invasión del potencial de acción a las dendritas es interpretada como un mecanismo de información retrógrado de la actividad de la neurona.
A. Sitio de iniciación del potencial de acción
B. Propagación del potencial de acción hacia el axón y hacia atrás, el cuerpo y las dendritas.
También puede suceder que el potencial de acción una vez que llega al extremo de la neurona, no genera una señal que se propague hacia el origen. Esto puede suceder de forma patológica, pero en condiciones fisiológicas normales la inactivación de los canales de Na+, durante el cual la membrana debe estar hiperpolarizada para volver a activarse.
Este proceso se observa los nervios amielínicos y en las fibras musculares
8) El cerebro contiene millones de neuronas que establecen contactos sinápticos. La cantidad de contactos sinápticos puede variar entre las células; se puede identificar miles de contactos que proviene de cientos de neuronas diferentes sobre las dendritas y el soma de una neurona motora de la médula espinal, o un solo contacto entre el axón de la neurona motora y la fibra muscular esquelética, al formar la placa neuromuscular.
Al sitio de comunicación entre dos neuronas se le conoce como sinapsis. No se trata de un contacto directo, puesto que existe una separación infinitesimal entre las dos células, sino del punto en el que las dos células muestran, con el microscopio electrónico, áreas especializadas identificables tanto a nivel de la membrana celular como del interior y donde ocurre la transferencia de información entre dos células nerviosas. En el caso de la célula que "envía" la señal, nos referimos a la terminación presináptica (axonal). La neurona que recibe esa información representa la porción post-sináptica (dendrítica). La parte distal del axón muestra un engrosamiento en forma de botón, en cuyo interior podemos encontrar mitocondrias (para el aporte de energía) y pequeñas vesículas que contienen moléculas de neurotransmisor.
Al otro lado hay dendritas con forma de espina, a las que la terminación axónica que puede asociarse, ya sea en su parte terminal (cabeza) o en la unión con la dendrita principal (cuello). En muchos casos podemos identificar esta porción post-sináptica por la presencia de una capa más densa localizada justo al lado opuesto de la presinapsis, como veremos más adelante. Este espesamiento o densidad post-sináptica puede contener las sustancias receptoras que interactúan con los neurotransmisores liberados desde la presinapsis.
9) El cuerpo neuronal produce ciertas enzimas que están implicadas en la síntesis de la mayoría de los neurotransmisores (NT). Estas enzimas actúan sobre determinadas moléculas precursoras captadas por la neurona para formar el correspondiente NT. Éste se almacena en la terminación nerviosa dentro de vesículas. El contenido de los NT en cada vesícula es cuántico. Algunas moléculas neurotransmisoras se liberan de forma constante en la terminación, pero en cantidad insuficiente para producir una respuesta fisiológica significativa. Un potencial activo que alcanza la terminación puede activar una corriente de calcio y precipitar simultáneamente la liberación del NT desde las vesículas mediante la fusión de la membrana de las mismas a la de la terminación neuronal. Así, las moléculas del NT son expulsadas a la hendidura sináptica mediante exocitosis.
La cantidad de NT en las terminaciones se mantiene relativamente constante e independiente de la actividad nerviosa mediante una regulación estrecha de su síntesis. Este control varía de unas neuronas a otras y depende de la modificación en la captación de sus precursores y de la actividad enzimática encargada de su formación y catabolismo. La estimulación o el bloqueo de los receptores post-sinápticos pueden aumentar o disminuir la síntesis presináptica del NT.
Los NT difunden a través de la hendidura sináptica, se unen inmediatamente a sus receptores y los activan induciendo una respuesta fisiológica. Dependiendo del receptor, la respuesta puede ser excitatoria o inhibitoria.
La interacción NT-receptor debe concluir también de forma inmediata para que el mismo receptor pueda ser activado repetidamente. Para ello, el NT es captado rápidamente por la terminación postsináptica mediante un proceso activo (recaptación) y es destruido por enzimas próximas a los receptores, o bien difunde en la zona adyacente.
Las alteraciones de la síntesis, el almacenamiento, la liberación o la degradación de los NT, o el cambio en el número o actividad de los receptores, pueden afectar a la neurotransmisión y producir ciertos trastornos clínicos.
10)
Se entiende por unidad motora (o placa neuromuscular) al conjunto de fibras musculares esqueléticas inervadas por ramificaciones del axón de una misma neurona motora y que, en consecuencia, son estimuladas simultáneamente a contraerse.
Ramas de una misma motoneurona pueden llegar a inervar hasta 500 fibras musculares. Sin embargo, mientras más fino el movimiento que debe efectuar el músculo, menor es el tamaño de la unidad motora, existiendo situaciones en que cada fibra nerviosa inerva sólo una fibra muscular.
La membrana plasmática de la célula muscular está electricamente polarizada. Un estímulo apropiado depolariza la membrana y produce la contracción. Generalmente, la depolarización es producida por un estímulo nervioso. El músculo está inervado por terminales nerviosas de neuronas motoras de la médula espinal. En el punto de inervación, el nervio pierde su vaina de mielina, y se asocia a una región especializada de la superficie de la fibra muscular, para formar la placa motora. En una fibra muscular esquelética, cada terminal axónico motor forma sólo una placa motora.
En la zona de contacto, la terminal axónica forma una dilatación que se aloja en una depresión poco profunda de la superficie de la fibra llamada hendidura sináptica primaria
El sarcolema (el sarcolema es el nombre que se le da a la membrana citoplasmática de las células musculares) que reviste la hendidura sináptica primaria muestra numerosos pliegues que constituyen las hendiduras sinápticas secundarias.
Cuando el potencial de acción alcanza a la placa motora, el neurotransmisor acetilcolina, contenido en las vesículas sinápticas, se libera y difunde a través de la hendidura. Este mediador se une a receptores de acetilcolina presentes en la membrana postsináptica, concentrados principalmente en la entrada de los pliegues sinápticos secundarios, e induce la depolarización del sarcolema.
11) Un potencial excitatorio postsináptico (PEPS) es un incremento temporal en el potencial de membrana postsináptico causado por el flujo de iones cargados positivamente hacia dentro de la célula postsináptica. Existen los potenciales inhibitorios postsinápticos (PIPS), que normalmente se originan con el flujo de iones negativos hacia el lúmen celular. Los PEPS pueden también originarse por un descenso en el flujo de salida de cargas positivas, mientras que los PIPS pueden ser causa de un incremento en la salida de cargas positivas. El flujo iónico que produce un PEPS es un flujo excitatorio postsináptico (FEPS).
Al igual que los PIPS, los PEPS son aditivos. Cuando se producen múltiples PEPS en un mismo trozo de membrana post-sináptica, sus efectos combinados son la suma de los PEPS individuales. Los PEPS mayores implican mayor despolarización de la membrana y así se aumenta la probabilidad de que en la célula postsináptica se alcance el umbral para genera un potencial de acción.
La transmisión sináptica de una neurona brinda la posibilidad de comprender la biodiversidad de mecanismos que, en conjunto, permiten modular la actividad neuronal.
Se puede decir que los potenciales psicosinápticos alteran la probabilidad de que un potencial de acción pueda generarse en la célula postsináptico. Si el potencial postsináptico aumenta dicha probabilidad, se lo denomina potenciales excitatotrios, si disminuyen la probabilidad son potenciales inmibitorios
12) La contracción muscular es el proceso fisiológico en el que los músculos desarrollan tensión y se acortan o estiran (o bien pueden permanecer de la misma longitud) por razón de un previo estímulo de excitación. Estas contracciones producen la fuerza motora de casi todos los animales superiores, por ejemplo, para desplazar el contenido de la cavidad a la que recubren (músculo liso) o mueven el organismo a través del medio o para mover otros objetos (músculo estriado).Las contracciones son controladas por el sistema nervioso central, el cerebro controla las contracciones voluntarias, mientras que la médula espinal controla los reflejos involuntarios.
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AUTORES:Campiutti, Ezequiel García; Carla Estefanía
Trabajo Práctico: “El lenguaje de las neuronas”
Profesorado de Biología.
Docente a cargo: María Marta Belamendia
Trabajo Práctico: “El lenguaje de las neuronas”
1) Caracterice estructural y funcionalmente a las neuronas.
2) Explique las funciones de las señales eléctricas y de las señales químicas que viajan (circulan) por las neuronas.
3) Esquematice y explique un arco reflejo simple.
4) Explique el funcionamiento celular como generador de energía eléctrica (potencial de membrana).
5) Explique cómo se generan y propagan las señales por las neuronas (potenciales de acción).
6) Explique la operación de los canales iónicos mediante el potencial de membrana.
7) Explique la propagación de los potenciales de acción.
8) Describa estructural y funcionalmente a la sinapsis neuronal.
9) Explique la importancia de los neurotransmisores y caracterice su ciclo.
10) ¿Cómo se generan potenciales sinápticos en la placa neuromuscular?
11) ¿Cuál es la diferencia entre los potenciales excitatorios y los inhibitorios?
12) Explique la contracción muscular en términos eléctricos.
1) Como sabemos, todo órgano se encuentra formado por tejidos, los cuales a su vez están constituidos por células. Dado que los diferentes órganos cumplen funciones específicas será necesario que las células que forman cada uno tengan una determinada estructura y características que se adapten a la función en cuestión.
La neurona es un típico ejemplo de esta relación entre estructura y función.
Estas células tienen a cargo la función de captar y transmitir los impulsos nerviosos dentro del sistema.
Las neuronas se caracterizan por sus intrincadas ramificaciones, que irradian desde el cuerpo celular o soma. Existen dos tipos de ramificaciones, las dendritas y los axones. Las dendritas son muy numerosas y se extienden a distancias cortas del soma, son las encargadas de conducir el impulso nervioso al cuerpo celular. Por otro lado encontramos a los axones que, a diferencia de las dendritas, son más largos, están recubiertos por vainas de mielina (Lipoproteína) y sólo hay uno en cada célula. La mielina puede presentar constricciones a intervalos regulares los cuales se denominan nódulos de Ranvier.
Los axones cumplen la función de transmitir el impulso nervioso desde el cuerpo celular hasta otras regiones.
Si bien la función primordial de las neuronas es transmitir el impulso nervioso, podemos encontrar una clasificación de acuerdo al lugar que transporte ese mismo impulso:
• Neuronas sensitivas: Transportan la información de los receptores sensoriales hacia el sistema nervioso central.
• Neuronas motoras: Llevan la respuesta del sistema nervioso central a los órganos efectores.
• Neuronas de asociación: Conectan a las neuronas entre sí.
Las neuronas forman cadenas o redes, a lo largo de los cuales viajan los impulsos nerviosos, aquellos puntos en los cuales una neurona se relaciona con otra se denomina sinapsis. Este hecho tiene gran importancia funcional ya que determina la dirección del impulso nervioso y permite la integración de señales inhibitorias y excitatorias.
2) En el procesamiento de las señales nerviosas están implicados dos tipos de fenómenos: eléctricos y químicos. El proceso eléctrico propaga una señal en el interior de la neurona, y el proceso químico trasmite la señal desde una neurona a otra, o a una célula muscular.
Para entender mejor este fenómeno tomemos un ejemplo, supongamos que un estímulo llega a una de las prolongaciones de una determinada neurona sensitiva. Este estímulo constituye una señal eléctrica, la cual se propaga a toda la neurona y, en el extremo opuesto de la misma, libera una sustancia química o neurotransmisora. Las neuronas que reciben esta sustancia generan nuevamente una señal eléctrica que también es propagada a las ramificaciones y se contacta con las neuronas motoras, enviándoles señales químicas inhibitorias o excitatorias. Este tipo de neurona forma una determinada señal eléctrica que finalmente es transformada en una señal química y al ser liberada, por ejemplo en un músculo, induce a la formación de una nueva señal eléctrica en cada célula del órgano efector, teniendo como resultado final, en este caso, la contracción muscular.
3) El arco reflejo es un ejemplo de la forma en que las neuronas actúan en conjunto para cumplir una determinada función. Lo experimentamos por ejemplo cuando retiramos la mano ante un determinado estímulo de dolor. Para realizar esta tarea el sistema nervioso necesita tanto de las señales químicas como de las señales eléctricas ya explicadas en la consigna anterior. Estos dos tipos de señales son universales y son la base del funcionamiento del sistema nervioso de vertebrados e invertebrados.
4) Para la transmisión de un impulso nervioso, es necesario la electricidad y el fenómeno por el cual las células la produce se denomina bioelectricidad. Sin embargo antes de explicar la manera en que se genera necesitamos reconocer a la membrana plasmática como elemento esencial en este proceso.
La membrana es a encargada de separar a la célula del medio externo, se encuentra formada por proteínas y una doble capa de lípidos.
La membrana tiene ciertas propiedades como la de ser semipermeable, es decir solo deja entrar o salir ciertas sustancias, entre las sustancias que no son permeables encontramos a los iones (Na+, Cl-, K+). Para resolver este problema la membrana cuenta con ciertas proteínas que permiten el paso de iones, hablamos entonces de los canales iónicos.
Estos canales transportan agua e iones específicos a favor de su gradiente concentración; de esta forma se permite el movimiento de moléculas a gran velocidad.
El transporte de iones a través de la membrana genera una desigualdad de cargas, lo que produce a su vez una diferencia de potencial en la membrana, siendo el exterior positivo y el interior negativo.
Previamente al movimiento de cargas las concentraciones son diferentes, sin embargo no hay diferencia de potencial.
• Aniones: hay más concentración de Cl - en el medio extracelular, mientras que en el intracelular la carga negativa se produce gracias a las proteínas.
• Cationes: El sodio es mayor en el medio extracelular y el potasio en el intracelular.
El desequilibrio iónico que produce la polarización de la membrana se debe a los distintos grados de permeabilidad que se ofrecen a los iones. A concentración se muestra como se da esta dinámica de cargas:
Na+:100mM
Cl-:110mM
K+:10mM
Na+:10mM
Cl-:110mM
K+:100M
Na+:100mM
Cl-:110mM
K+:10mM
Na+:10mM
Cl-:110mM
K+:100M
Na+:100mM
Cl-:110mM
K+:10mM
Na+:10mM
Cl-:110mM
K+:100M
Impermeable Permeable al Na+ Permeable al K+
Modelo 1: La membrana es impermeable a todos los iones. No hay flujo de iones, por lo tanto, a pesar de existir una diferencia de concentración, no se genera una diferencia de potencial a lo largo de la membrana.
Modelo 2: La membrana es permeable al Na+ pero no al resto de los iones. Se produce entonces un exceso de iones Na+ a un lado de la membrana y de iones cloruro por otro. Por lo tanto se genera una diferencia de potencial que va aumentan hasta que el movimiento de Na+ es inhibido por la gran concentración de cargas positivas y por la atracción del ión Cl-. El sodio al difundir a favor de su gradiente, genera una diferencia de carga que lo frena y establece su equilibrio. En este caso no hay movimiento neto de Na+ y la membrana actuará guardando esa carga.
Modelo 3: Es igual al modelo anterior pero se reemplazan los canales de Na+ por los de K+.
Debemos aclarar que luego de lo sucedido en el modelo 3 la membrana queda cargada negativamente debido a la abertura permanente de los canales K+ y a la distribución desigual de iones que surge de la existencia de aniones impermeables en el interior de la célula.
En definitiva la presencia de aniones impermeables y la de las bombas sodio-potasio permite generar y mantener una diferencia de concentración iónica, que a su vez produce una diferencia de potencial, factor imprescindible en el impulso eléctrico.
5 y 6) Muchas células eléctricamente activas sufren cambios ante la permeabilidad de la membrana de algún ión, lo cual altera el potencial de membrana, alejándolo del valor de reposo. A esta alteración se la denomina potencial en acción o impulso nervioso.
El potencial en acción es una explosión de actividad eléctrica en un corto tiempo.
Se ha demostrado que los cambios transitorios en la permeabilidad de la membrana del axón respecto a los iones K+ y Na+ provocan el impulso el eléctrico. Este cambio en la permeabilidad se debe a la existencia de dos tipos de conductos o canales, que en reposo, están cerrados pero cuando la célula se despolariza, se abren como consecuencia del cambio del entorno eléctrico. Por ello estos canales reciben el nombre de canales iónicos dependientes del voltaje.
Para que la despolarización produzca un potencial en acción es necesario que esta tenga un valor de, aproximadamente, -55mV.
En síntesis podemos expresar al proceso de la siguiente forma:
1. La despolarización inicial generada por un agente estimulante permite la abertura de canales Na+.
2. Los iones Na+ fluyen a través de la membrana, lo que genera una despolarización aun mayor.
3. Se repiten los pasos anteriores y como resultado se obtiene un cambio brusco en el potencial de la membrana (de -55mV a +40mV) Este ciclo por el cual aumenta la corriente de sodio y la despolarización es llamado ciclo positivo rápido debido a la gran velocidad con que se lleva a cabo.
4. La despolarización activa también los canales K+, pero de manera más lenta. Los iones se mueven hacia el exterior y el potencial de membrana vuelve a tener un valor negativo (-75 mV). El potencial negativo cierra los canales K+. Llamamos a este proceso de hiperpolarización, junto con la salida de iones potasio, ciclo negativo lento, debido al tiempo en que tarda en realizarse.
5. La despolarización de la membrana se ve favorecida por el cierre de los canales Na+.
Este intercambio iónico junto con la llegada de una señal química o eléctrica constituyen los procesos fundamentales para la producción del potencial en acción.
7) El potencial de acción se propaga en todas las direcciones, hacia delante por el axón hasta el terminal sináptico y hacia atrás, atravesando el soma e invadiendo las dendritas.
La invasión del potencial de acción a las dendritas es interpretada como un mecanismo de información retrógrado de la actividad de la neurona.
A. Sitio de iniciación del potencial de acción
B. Propagación del potencial de acción hacia el axón y hacia atrás, el cuerpo y las dendritas.
También puede suceder que el potencial de acción una vez que llega al extremo de la neurona, no genera una señal que se propague hacia el origen. Esto puede suceder de forma patológica, pero en condiciones fisiológicas normales la inactivación de los canales de Na+, durante el cual la membrana debe estar hiperpolarizada para volver a activarse.
Este proceso se observa los nervios amielínicos y en las fibras musculares
8) El cerebro contiene millones de neuronas que establecen contactos sinápticos. La cantidad de contactos sinápticos puede variar entre las células; se puede identificar miles de contactos que proviene de cientos de neuronas diferentes sobre las dendritas y el soma de una neurona motora de la médula espinal, o un solo contacto entre el axón de la neurona motora y la fibra muscular esquelética, al formar la placa neuromuscular.
Al sitio de comunicación entre dos neuronas se le conoce como sinapsis. No se trata de un contacto directo, puesto que existe una separación infinitesimal entre las dos células, sino del punto en el que las dos células muestran, con el microscopio electrónico, áreas especializadas identificables tanto a nivel de la membrana celular como del interior y donde ocurre la transferencia de información entre dos células nerviosas. En el caso de la célula que "envía" la señal, nos referimos a la terminación presináptica (axonal). La neurona que recibe esa información representa la porción post-sináptica (dendrítica). La parte distal del axón muestra un engrosamiento en forma de botón, en cuyo interior podemos encontrar mitocondrias (para el aporte de energía) y pequeñas vesículas que contienen moléculas de neurotransmisor.
Al otro lado hay dendritas con forma de espina, a las que la terminación axónica que puede asociarse, ya sea en su parte terminal (cabeza) o en la unión con la dendrita principal (cuello). En muchos casos podemos identificar esta porción post-sináptica por la presencia de una capa más densa localizada justo al lado opuesto de la presinapsis, como veremos más adelante. Este espesamiento o densidad post-sináptica puede contener las sustancias receptoras que interactúan con los neurotransmisores liberados desde la presinapsis.
9) El cuerpo neuronal produce ciertas enzimas que están implicadas en la síntesis de la mayoría de los neurotransmisores (NT). Estas enzimas actúan sobre determinadas moléculas precursoras captadas por la neurona para formar el correspondiente NT. Éste se almacena en la terminación nerviosa dentro de vesículas. El contenido de los NT en cada vesícula es cuántico. Algunas moléculas neurotransmisoras se liberan de forma constante en la terminación, pero en cantidad insuficiente para producir una respuesta fisiológica significativa. Un potencial activo que alcanza la terminación puede activar una corriente de calcio y precipitar simultáneamente la liberación del NT desde las vesículas mediante la fusión de la membrana de las mismas a la de la terminación neuronal. Así, las moléculas del NT son expulsadas a la hendidura sináptica mediante exocitosis.
La cantidad de NT en las terminaciones se mantiene relativamente constante e independiente de la actividad nerviosa mediante una regulación estrecha de su síntesis. Este control varía de unas neuronas a otras y depende de la modificación en la captación de sus precursores y de la actividad enzimática encargada de su formación y catabolismo. La estimulación o el bloqueo de los receptores post-sinápticos pueden aumentar o disminuir la síntesis presináptica del NT.
Los NT difunden a través de la hendidura sináptica, se unen inmediatamente a sus receptores y los activan induciendo una respuesta fisiológica. Dependiendo del receptor, la respuesta puede ser excitatoria o inhibitoria.
La interacción NT-receptor debe concluir también de forma inmediata para que el mismo receptor pueda ser activado repetidamente. Para ello, el NT es captado rápidamente por la terminación postsináptica mediante un proceso activo (recaptación) y es destruido por enzimas próximas a los receptores, o bien difunde en la zona adyacente.
Las alteraciones de la síntesis, el almacenamiento, la liberación o la degradación de los NT, o el cambio en el número o actividad de los receptores, pueden afectar a la neurotransmisión y producir ciertos trastornos clínicos.
10)
Se entiende por unidad motora (o placa neuromuscular) al conjunto de fibras musculares esqueléticas inervadas por ramificaciones del axón de una misma neurona motora y que, en consecuencia, son estimuladas simultáneamente a contraerse.
Ramas de una misma motoneurona pueden llegar a inervar hasta 500 fibras musculares. Sin embargo, mientras más fino el movimiento que debe efectuar el músculo, menor es el tamaño de la unidad motora, existiendo situaciones en que cada fibra nerviosa inerva sólo una fibra muscular.
La membrana plasmática de la célula muscular está electricamente polarizada. Un estímulo apropiado depolariza la membrana y produce la contracción. Generalmente, la depolarización es producida por un estímulo nervioso. El músculo está inervado por terminales nerviosas de neuronas motoras de la médula espinal. En el punto de inervación, el nervio pierde su vaina de mielina, y se asocia a una región especializada de la superficie de la fibra muscular, para formar la placa motora. En una fibra muscular esquelética, cada terminal axónico motor forma sólo una placa motora.
En la zona de contacto, la terminal axónica forma una dilatación que se aloja en una depresión poco profunda de la superficie de la fibra llamada hendidura sináptica primaria
El sarcolema (el sarcolema es el nombre que se le da a la membrana citoplasmática de las células musculares) que reviste la hendidura sináptica primaria muestra numerosos pliegues que constituyen las hendiduras sinápticas secundarias.
Cuando el potencial de acción alcanza a la placa motora, el neurotransmisor acetilcolina, contenido en las vesículas sinápticas, se libera y difunde a través de la hendidura. Este mediador se une a receptores de acetilcolina presentes en la membrana postsináptica, concentrados principalmente en la entrada de los pliegues sinápticos secundarios, e induce la depolarización del sarcolema.
11) Un potencial excitatorio postsináptico (PEPS) es un incremento temporal en el potencial de membrana postsináptico causado por el flujo de iones cargados positivamente hacia dentro de la célula postsináptica. Existen los potenciales inhibitorios postsinápticos (PIPS), que normalmente se originan con el flujo de iones negativos hacia el lúmen celular. Los PEPS pueden también originarse por un descenso en el flujo de salida de cargas positivas, mientras que los PIPS pueden ser causa de un incremento en la salida de cargas positivas. El flujo iónico que produce un PEPS es un flujo excitatorio postsináptico (FEPS).
Al igual que los PIPS, los PEPS son aditivos. Cuando se producen múltiples PEPS en un mismo trozo de membrana post-sináptica, sus efectos combinados son la suma de los PEPS individuales. Los PEPS mayores implican mayor despolarización de la membrana y así se aumenta la probabilidad de que en la célula postsináptica se alcance el umbral para genera un potencial de acción.
La transmisión sináptica de una neurona brinda la posibilidad de comprender la biodiversidad de mecanismos que, en conjunto, permiten modular la actividad neuronal.
Se puede decir que los potenciales psicosinápticos alteran la probabilidad de que un potencial de acción pueda generarse en la célula postsináptico. Si el potencial postsináptico aumenta dicha probabilidad, se lo denomina potenciales excitatotrios, si disminuyen la probabilidad son potenciales inmibitorios
12) La contracción muscular es el proceso fisiológico en el que los músculos desarrollan tensión y se acortan o estiran (o bien pueden permanecer de la misma longitud) por razón de un previo estímulo de excitación. Estas contracciones producen la fuerza motora de casi todos los animales superiores, por ejemplo, para desplazar el contenido de la cavidad a la que recubren (músculo liso) o mueven el organismo a través del medio o para mover otros objetos (músculo estriado).Las contracciones son controladas por el sistema nervioso central, el cerebro controla las contracciones voluntarias, mientras que la médula espinal controla los reflejos involuntarios.
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ENFOQUE FISICO DE LOS MATERIALES BIODEGRADABLES
AUTORAS: Baldemars, Sonia. Cardoso Paola. Estremera, Gladys. Salvo Carina.
Proyecto preparado para la productora frutihortícola “Cooperativa de Villa Regina”
Investigación y selección de materiales biodegradables para uso alimenticio, orientando la búsqueda hacia sus propiedades físicas.
Materiales biodegradables.
Problemática: las nuevas reglamentaciones de la Comunidad Europea, de las cuales España es miembro, solicita a partir del año próximo la utilización de envases biodegradables para el envasado de frutas. Planteando un desafío a los productores ya que deberán buscar un biólogo, un físico y un químico que puedan presentar un plan de trabajo e investigación para desarrollar y fabricar envases con materiales biodegradables y biocompatibles con el fin de continuar las exportaciones de fruta a España.
Fundamentación.
Con el propósito de atenuar los problemas de la contaminación, se han realizado numerosos estudios para valorar algunos materiales alternativos. En ese sentido, surgió el concepto de plástico biodegradable asociado al uso de materias primas renovables que ofrecen un buen control en el medio ambiente después de diversos usos. Los biopolímeros, como también se llama a esas materias primas, son macromoléculas sintetizadas por procesos biológicos o por vía química a partir de monómeros naturales o idénticos a los artificiales.
El proceso tecnológico más apropiado para la industrialización de los biopolímeros es por extrusión. Este proceso térmico se ha aplicado con éxito en la obtención de diversos materiales manufacturados a base de polímeros de almidón (provenientes de cereales, raíces, tubérculos, etc.) mezclados con otros materiales orgánicos vegetales y animales, lo que ha generado productos termoplásticos, expandidos, texturizados, espumados, acolchados y otros muchos.
Los polímeros naturales también son biodegradables en estado nativo, aunque el ciclo de vida de algunos de ellos es relativamente corto, como en el caso de las ligninas. A manera de ejemplo, podemos citar a los poliosídeos y sus derivados (celulosa, hemicelulosa, almidón, gomas, lignina, quitina, etc.), las proteínas (colágeno, gelatina, y caseína) y el hule natural, todos los cuales se están probando hoy en día en la fabricación de diferentes embalajes y papel.
Por fortuna, en estos momentos diversos investigadores de algunos países están preocupados por evitar la contaminación ambiental y tratan de desarrollar materiales plásticos biodegradables para reducir la basura provocada por los terribles plásticos sintéticos y eliminarlos en un tiempo no muy lejano.
• La Biodegradación.
Producto o elemento orgánico es aquel que está constituido por sustancias procedentes de organismos vivos, ya sean animales o vegetales.
La biodegradación, a la que también se conoce por descomposición, consiste en la destrucción de un elemento orgánico, gracias a la acción de bacterias y otros microorganismos, que transforman la sustancia compleja que lo forma en componentes sencillos, habitualmente presentes en el Medio Ambiente. Como son el Dióxido de Carbono (CO2), Agua (H2O) y Amoniaco (NH3).
Aunque, la mayoría de los elementos presentes en la naturaleza son biodegradables, existe un gran número de sustancias introducidas por el hombre que no lo son, por ejemplo los pesticidas, los metales pesados (mercurio entre otros), los herbicidas, los plásticos, etc. Estos productos tóxicos persistentes entran en las cadenas tróficas o alimentarias de los ecosistemas naturales, desencadenando una acumulación biológica de toxinas peligrosa para la vida.
Algunos materiales biodegradables que existen en el mercado:
Plásticos a partir de polímeros naturales de plantas
El almidón es un polímero natural. Se trata de un tipo de hidrato de carbono constituido por moléculas grandes que la planta sintetiza durante la fotosíntesis y le sirve como reserva de energía. Cereales, como el maíz y tubérculos, como la papa, contienen gran cantidad de almidón.
El almidón puede ser procesado y convertido en plástico, pero como es soluble en agua se ablanda y deforma cuando entra en contacto con la humedad, limitando su uso para algunas aplicaciones. Esto puede ser solucionado modificando químicamente el almidón que se extrae del maíz, trigo o papa. En presencia de microorganismos el almidón es transformado en una molécula más pequeña (un monómero), el ácido láctico. Luego, el ácido láctico es tratado químicamente de manera de formar cadenas o polímeros, los que se unen entre sí para formar un polímero llamado PLA (poliláctido). El PLA puede ser usado para fabricar macetas que se plantan directamente en la tierra y se degradan con el tiempo, y pañales descartables. Se encuentra disponible en el mercado desde 1990 y algunas preparaciones han demostrado ser muy buenas en medicina, en particular, en implantes, suturas y cápsulas de remedios, debido a la capacidad del PLA de disolverse al cabo de un tiempo.
Películas Nature Flex: esta película es transparente, de alto brillo, tiene propiedades antiestáticas, es semipermeable a la humedad y ofrece propiedades anti-vaho, y una barrera eficaz a gases y aromas. Además, este film realza la impresión y las propiedades de deslizamiento controlado, asegurando una conversión más sencilla.
Las películas NatureFlex con base de celulosa, derivadas de pasta de madera renovable, están certificadas para cumplir los estándares de la normativa europea EN13432, así como de la americana ASTM D6400, sobre envasado compostable. La pasta de papel proviene de plantaciones que operan con principios forestales sostenibles (FSC o equivalentes).
La película NatureFlex es también apropiada para el compostaje casero y actualmente se comercializa en espesores de 23 y 30 micras.
Plásticos a partir de bacterias
En respuesta a situaciones de estrés nutricional, muchas bacterias almacenan compuestos que utilizan como fuente de carbón y energía, y que se denominan Polihidroxialcanoatos (PHA). Estos son polímeros que pueden ser procesados en plásticos biodegradables. Una ventaja de esos polímeros es su rápida degradación en el ambiente al compararla con los plásticos sintéticos. Eso se debe a que muchos hongos y bacterias presentes en el ambiente (suelo, agua, aire) pueden utilizar esos polímeros como alimento. Además, estos bioplásticos presentan propiedades fisicoquímicas similares a las de los polímeros utilizados comúnmente, ya que pueden ser moldeados, inyectados y laminados.
Las bacterias pueden producir diferentes tipos de PHA, dependiendo del tipo y cantidad del sustrato (alimento) que se les proporcione. Ello es una gran ventaja, ya que permite a los científicos manipular la producción de PHA, dependiendo del uso que se le vaya a dar al plástico. Por ejemplo, se pueden producir plásticos rígidos o maleables, plásticos resistentes a temperaturas altas, ácidos o bases, plásticos cristalinos, impermeables al oxígeno, y hasta fibras plásticas para suturar heridas o tejidos internos.
Una forma de obtener estos bioplásticos es a partir de células de Azotobacter, una bacteria muy común en los campos argentinos. Para su fabricación se utiliza como sustrato melaza de caña de azúcar, un residuo agroindustrial que resulta barato en relación con otras fuentes carbonadas. Las bacterias se alimentan de esta sustancia orgánica y crecen en fermentadores. Cuando disminuye la cantidad de nitrógeno en los tanques de fermentación (situación de estrés), comienzan a acumular plástico como reserva dentro de su célula, de un modo análogo a como los mamíferos almacenan grasas o los vegetales, como la papa, guarda almidón. A los pocos días de fermentación, producen el equivalente al 80% de su peso seco en plástico (o polímero). Luego, se centrifugan y se rompen para extraer el poliéster.
PHB: se pueden producir por una fermentación limitada en nutrientes de material alimenticio azucarado. Mediante la manipulación del medio de cultivo, se obtiene un copolímero aleatorio que contiene tanto el hidroxivalerato (HV) e hidroxibutirato (HB). El copolímero restante poli-3-hidroxibutirato-CO-3-Hidroxi/valerato (PHB/V) el cual es termoplástico y completamente biodegradable. Mediante el cambio de la relación HV/HB, el copolímero resultante puede fabricarse para que se asemeje bien sea al polipropileno o al polietileno con relación a la flexibilidad, fuerza de tensión y punto de presión.
El polihidroxibutirato (PHB) es fuerte, rígido y quebradizo, pero el contenido de HV mejora la flexibilidad y la dureza. El PHB/V posee una buena resistencia química y a la humedad, posee buenas propiedades como barreras al O2, humedad y aromas.
Los usos que han sido considerados para el PHB/V incluyen botellas de bebidas, cajas de papel cubierto para leches y películas.
Criterios para la selección del material biodegradable
El criterio general para seleccionar un polímero como material biodegradable considera tanto las propiedades mecánicas requeridas como el tiempo de degradación necesario para la aplicación particular.
Propiedades mecánicas: Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas temperaturas. A continuación, se definen las que mencionaremos más adelante:
- Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.
- Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación.
- Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración.
- Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque.
- Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura.
- Ductibilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos.
- Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas.
Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos:
- Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un material.
- Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.
- Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material.
- Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad que posee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.
Propiedades físicas: Dependen de la estructura y procesamiento del material. Describen características como color, conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerza que actúan sobre el material. Pueden dividirse en: eléctricas, magnéticas y ópticas:
Propiedades eléctricas: Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cual en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico. Existe también el comportamiento dieléctrico, propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica, que va más allá de simplemente proporcionar aislamiento.
Los electrones son los portadores de carga en los materiales conductores, semiconductores y muchos de los aislantes; en los compuestos iónicos son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. La movilidad de los portadores depende de los enlaces atómicos, de las imperfecciones de la red, de la microestructura y, en los compuestos iónicos, de las velocidades de difusión.
La aplicación de un campo magnético genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en el material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada. Dentro de un campo eléctrico aplicado los dipolos se alinean causando polarización. Existen cuatro mecanismos de polarización:
- Polarización electrónica. Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto implica una distorsión del arreglo electrónico, en la que el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.
- Polarización iónica. Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico. En consecuencia la carga se redistribuye minúsculamente dentro del material. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo. Estos dipolos temporalmente inducidos causan polarización y también pueden modificar las dimensiones generales del material.
- Polarización molecular. Algunos materiales contienen dipolos naturales, que, al aplicárseles un campo giran, hasta alinearse con él. En algunos materiales, como el titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.
Anteriormente, al hablar de polarización iónica, mencionamos la posibilidad de que hubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se conoce como electrostricción, además de darse por cambios en la longitud de los enlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los átomos como partículas en forma oval en vez de esférica o por distorsión debida a la orientación de los dipolos permanentes del material
Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional: cuando se les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltaje o un campo. Los materiales que presentan este comportamiento son piezoeléctricos.
Cuando se encuentran entre capas de material conductor, los materiales dieléctricos que se polarizan son capaces de almacenar cargas, esta propiedad se describe mediante:
- Constante dieléctrica, que es la relación de la permisividad del material con la permisividad en el vacío.
- Resistencia dieléctrica. Es el campo dieléctrico máximo que puede mantener un material entre conductores.
La presencia de polarización en un material después de que se retira el campo eléctrico se puede explicar en función de una alineación residual de dipolos permanentes. Esto sucede de la siguiente forma: se toma un cristal cuyos dipolos se encuentran orientados de forma aleatoria, de forma que no hay polarización neta; al aplicar un campo, los dipolos comienzan a alinearse con dicho campo; finalmente, el campo alinea todos los dipolos y se obtiene la polarización máxima o de saturación; cuando posteriormente se retira el campo, queda una polarización remanente, debida al acoplamiento de dipolos y el material ha quedado permanentemente polarizado. Los materiales que retienen una polarización neta, una vez retirado el campo se conocen como ferroeléctricos.
Para que el material dieléctrico almacene energía, se debe impedir que los portadores de carga como iones y electrones se muevan de un conductor a otro a través de él, en consecuencia, los materiales dieléctricos tienen siempre una alta resistividad eléctrica.
Materiales utilizados para aislar el campo eléctrico deben poseer alta resistividad eléctrica, alta resistencia dieléctrica y un bajo factor de pérdida. Sin embargo, una constante dieléctrica alta no es necesaria e incluso puede llegar a ser indeseable. Una constante dieléctrica pequeña impide la polarización, por lo que no se almacena carga localmente en el aislante.
Esto es lo esencial respecto a las propiedades eléctrico de los materiales. En nuestra próxima entrega, estudiaremos las propiedades magnéticas.
Propiedades magnéticas: El comportamiento magnético esta determinado por las interacciones entre dipolos magnéticos, estos dipolos a su vez están dados por la estructura electrónica del material. Por lo tanto, al modificar la microestructura, la composición o el procesamiento se pueden alterar las propiedades magnéticas.
Los conceptos que definen los efectos de un campo magnético en un material son:
Concepto Definición
Momento magnético. Intensidad de campo magnético asociado con el electrón.
Permeabilidad magnética. El material amplifica o debilita el efecto del campo magnético.
Magnetización. Representa el incremento en la inducción magnética debida al material del núcleo.
Susceptibilidad magnética. Es la relación entre la magnetización y el campo aplicado, proporciona la amplificación dada por el material.
Así, cuando se acerca un campo magnético a un conjunto de átomos es posible observar diversas reacciones:
- Diamagnetismo: El campo magnético influye en los momentos magnéticos de los electrones dentro del átomo y produce un dipolo para todo los átomos. Estos dipolos se oponen al campo magnético, haciendo que la magnetización sea menor a cero.
- Paramagnetismo: Debido a la existencia de electrones no apareados, a cada átomo se le asocia un momento magnético neto, causado por el giro de los electrones. Cuando se aplica un campo magnético, los dipolos se alinean con él, resultando una magnetización positiva. Pero, dado que los dipolos no interactúan, para alinearlos se requieren campos magnéticos extremadamente grandes. Además, en cuanto se elimina el campo, el efecto se pierde.
- Ferromagnetismo: Es causado por los niveles de energía parcialmente ocupados del nivel 3d del hierro, el níquel y el cobalto. Consiste en la fácil alineación de los dipolos permanente no apareado con el campo magnético aplicado, debido a la interacción de intercambio o al refuerzo mutuo de los dipolos. Esto significa que aún con campos magnéticos pequeños se obtienen magnetizaciones importantes, con permeabilidad relativa de hasta 106.
- Antiferromagnetismo: Los momentos magnéticos producidos en dipolos vecinos se alinean en el campo magnético oponiéndose unos a otros, aún cuando la intensidad de cada dipolo sea muy alta. Esto produce una magnetización nula.
- Ferrimagnetismo: Se da principalmente en materiales cerámicos, donde diferentes iones crean momentos magnéticos distintos, causando que, en un campo magnético los dipolos de ion A pueden alinearse con el campo, en tanto que los dipolos del ion B pueden oponérsele. Como las intensidades de los dipolos son distintas, el resultado será una magnetización neta. Así, los materiales con este tipo de comportamiento pueden dar una buena intensificación del campo aplicado.
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Propiedades ópticas: Se relacionan con la interrelación entre un material y las radiaciones electromagnéticas en forma de ondas o partículas de energía, conocidas como fotones. Estas radiaciones pueden tener características que entren en nuestro espectro de luz visible, o ser invisibles para el ojo humano. Esta interacción produce una diversidad de efectos, como absorción, transmisión, reflexión, refracción y un comportamiento electrónico.
Fenómenos Ópticos. Al interactuar con la estructura electrónica o cristalina de un material, los fotones de una fuente externa crean varios fenómenos ópticos. Si los fotones incidentes interactúan con los electrones de valencia pueden ocurrir varias cosas: los fotones ceden energía al material, en cuyo caso hay absorción; o puede ser que cuando los fotones aportan energía, de inmediato el material emite electrones de idéntica energía, de forma que se produce reflexión. También puede que los fotones no interactúen con la estructura electrónica del material, en ese caso ocurre la transmisión. En cualquiera de estos tres casos, la velocidad de los fotones cambia; este cambio propicia la refracción.
Un rayo incidente de intensidad I0 parcialmente puede reflejarse, absorberse y transmitirse. Esta intensidad I0 se puede expresar como:
I0 = Ir + Ia + It
Donde Ir es la porción reflejada, Ia es la parte absorbida e It es la porción transmitida a través del material. Determinar el comportamiento de los fotones respecto al material es necesario conocer varios factores internos de este, particularmente la energía requerida para excitar un electrón hacia un estado de energía más elevado.
Ahora examinaremos cada uno de estos cuatro fenómenos:
- Refracción. Cuando un fotón es transmitido provoca la polarización de electrones en el material y, al interactuar con el material polarizado, pierde parte de su energía. La velocidad de la luz se puede relacionar con la facilidad con la cual un material se polariza tanto eléctricamente (permisividad) como magnéticamente (permeabilidad).
Sin embargo, los materiales ópticos no son magnéticos, por tanto la permeabilidad puede no tomarse en cuenta.
Dado que la velocidad de los fotones disminuye, cuando el haz entra al material cambia de dirección. Suponiendo que un haz de fotones viaja en el vacío e incide sobre un material, a y b son los ángulos que los haces incidentes y refractados tienen con el plano de la superficie del material, entonces:
n = c = l vacío= sen a
v l sen b
La relación es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío y v la velocidad de la luz dentro del material. Si los fotones viajan en el material 1 y de ahí pasan al material 2, las velocidades de los haces incidentes y refractados dependen de la relación entre sus índices de refracción.
v1 = n1 = sen a
v2 n2 sen b
Con la última expresión de esta igualdad podemos determinar si el haz será transmitido como un haz refractado o si se reflejará. Si el ángulo b es igual a 90°, el haz que viajaba a través del material se refleja.
Cuando el material ser polariza fácilmente habrá más interacción de fotones con la estructura electrónica del mismo. Entonces, es de esperarse una relación entre el índice de refracción y la constante dieléctrica del material.
- Reflexión. Cuando un haz de fotones golpea un material, éstos interactúan con los electrones de valencia y ceden su energía. Cuando las bandas de valencia no están totalmente ocupadas, cualquier radiación, de casi cualquier longitud de onda, excita a los electrones hacia niveles superiores de energía. Podría esperarse que, si los fotones son totalmente absorbidos, no se reflejara luz y el material aparecería de color negro. Sin embargo, cuando fotones de longitud casi idéntica vuelven a ser emitidos, mientras que los electrones excitados regresan a sus niveles inferiores de energía, ocurre la reflexión. Dado que la totalidad del espectro visible se refleja, los materiales con esta propiedad tienen un color blanco o plateado (en los metales).La reflectividad R da la fracción del haz incidente que se refleja y está relacionada con el índice de refracción. Si el material esta en el vacío o en el aire:
R= n-1
n+1
Si el material está en algún otro medio, con un índice de refracción ni entonces:
R= n- ni
n+ni
Los materiales con alto índice de refracción tienen mayor reflectividad que aquellos cuyo índice es bajo. La reflectividad y el índice de refracción varían con la longitud de onda de los fotones.
- Absorción. La porción de haz incidente que no es reflejada por el material es absorbida o transmitida a través del mismo. La fracción de luz absorbida está relacionada con el espesor del material y la forma en la cual los fotones interactúan con su estructura. La intensidad del haz, después de pasar a través del material, está dada por:
I = I0 exp (-m x)
Donde x es la trayectoria a través de la cual se mueven los fotones (por lo general, el espesor del material), m es el coeficiente lineal de absorción del material para los fotones, I0 es la intensidad del haz, después de reflejarse en la superficie delantera, e I es la intensidad del haz cuando llega a la superficie trasera.
La absorción ocurre debido a varios mecanismos. En la dispersión de Raleigh, el fotón interactúa con electrones en órbita y sufre una deflexión sin cambios de energía; este resultado es más significativo para átomos con alto número atómico y para fotones de baja energía. La dispersión Compton es causada por la interacción entre electrones en órbita y fotones; así, el electrón es expulsado del átomo y, por tanto, consume parte de la energía del fotón. De nuevo, átomos con números atómicos más altos y energías de fotón menores causan mayor dispersión. El efecto fotoeléctrico se presentará cuando a la energía del fotón se consuma al romperse la unión entre el electrón y su núcleo. Conforme la energía del fotón aumenta (reduciendo la longitud de onda), ocurrirá menos absorción, hasta que el fotón tenga una energía igual a la de la unión. A este nivel de energía, el coeficiente de absorción se incrementa de manera significativa. La energía o longitud de onda a la que esto ocurre se conoce como margen de absorción. Cuando los fotones no interactúan con imperfecciones de la materia, se dice que éste es transparente. Éste es el caso del vidrio, cerámicos cristalinos de alta pureza y de polímeros amorfos como acrílicos, policarbonatos y polisulfones.
- Transmisión. La fracción del haz que no ha sido reflejada ni absorbida se transmite a través del material. Podemos determinar la fracción del haz que se ha transmitido por medio de la siguiente ecuación.
It= I0 (1- R)2 exp (-m x)
De nuevo observamos que la intensidad del haz transmitido dependerá de la longitud de onda de los fotones dentro del haz. Si sobre un material incide un haz de luz blanca y se absorben, se reflejan y se transmiten fracciones equivalentes de fotones con longitudes de onda diferentes, el haz transmitido también será de luz blanca. Pero, si los fotones de longitud de onda más larga son absorbidos en mayor proporción que los de longitud de onda más corta, la luz transmitida aparecerá del color de la longitud de onda corta cuya absorción haya sido menor. La transparencia no es otra cosa que la transmisión íntegra de los haces de luz que inciden sobre el material y la intensidad del haz también depende de características microestructurales.
Cuando cualquiera de estos tres fenómenos ópticos se da de forma que solo fotones con un intervalo específico de longitud de onda son absorbidos, reflejados o transmitidos, se producen propiedades ópticas poco comunes, que se traducen en cambios de color (policromía), colores característicos (como el rojo del láser de rubí dopado), etc.
Tiempo de degradación
La degradación de un plástico puede definirse como un cambio en su estructura química que conlleva a una modificación de sus propiedades. Actualmente se aceptan cinco mecanismos básicos de degradación que pueden interactuar entre si produciendo un efecto sinergético.
-fotodegradación
-oxidación mediante aditivos químicos
-degradación térmica
-degradación mecánica
-degradación mediante microorganismo (hongos, bacterias y algas)
Otros aspectos a tener en cuenta al elegir un material para uso alimenticio.
Un envase plástico para alimentos es apto sanitariamente cuando:
- Está fabricado con polímeros y aditivos que están incluidos en listas positivas, que son enumeraciones taxativas de las sustancias que han probado ser fisiológicamente inocuas en ensayos toxicológicos con animales, cuyo uso está autorizado para la fabricación de materiales plásticos en contacto con alimentos, y que figuran en las principales legislaciones sobre aptitud sanitaria de materiales en contacto con alimentos (Código Alimentario Argentino, MERCOSUR, Unión Europea, FDA (Food and Drug Administration)-USA, etc.).
- Cumple el límite de migración total. La migración es la transferencia de componentes no poliméricos desde el plástico hacia el alimento o sus simulantes, en condiciones reales de elaboración, almacenamiento y uso del producto, o en las condiciones equivalentes de ensayo en laboratorio. La migración total o global cuantifica la masa de todos los componentes no poliméricos transferidos.
- Cumple el o los límites de migración específica. La migración específica cuantifica la masa de un componente (monómeros, aditivos o metales pesados) de especial interés toxicológico, transferida desde el material plástico a los alimentos o sus simulantes.
- Cumple el o los límites de composición, que son las máximas cantidades de componentes de los plásticos (básicamente monómeros, aditivos y metales pesados) permitidas en la masa de los mismos.
- No produce una variación inaceptable de los caracteres sensoriales del producto que contiene.
CONCLUSIÓN:
Teniendo en cuenta las propiedades físicas, mecánicas, las disposiciones del Código Alimentario Argentino y el tipo de degradación consideramos que el material biodegradable y biocompatible más apto para el envasado de frutas es el Polihidroxialcanoatos (PHA).
Algunas recomendaciones finales
Es preferible adquirir alimentos que tengan envases de materiales que sean fáciles de reciclar y que proporcionen al alimento una vida larga de anaquel.
Es importante leer en las etiquetas de los envases y empaques las condiciones en las cuales debe ser almacenado el alimento y las temperaturas aptas para una mejor conservación del mismo, según el tipo de material con el que se ha fabricado su envoltura.
Se debe buscar materiales como el aluminio y el plástico en los envases de alimentos que van a ser sometidos a congelación ya que conservan mejor sus propiedades naturales por más tiempo.
Hay que preferir todos aquellos alimentos en los cuales el empaque y envase contengan etiquetas con información acerca del producto y su composición nutricional.
Es necesario considerar el grave problema ecológico que causan a la naturaleza algunos materiales de los envases, embalajes y empaques para que así nosotros, como consumidores, no contribuyamos más al deterioro de nuestro medio ambiente y seamos capaces de reciclar todos aquellos materiales empleados en la gran industria del envase.
Es preciso apoyar la investigación que se lleve a cabo con la intención de obtener productos plásticos biodegradables, y evitar así la basura generada por los plásticos obtenidos de los derivados del petróleo.
BIBLIOGRAFIA
http://www.elempaque.com/ee/secciones/EE/ES/MAIN/N/NOTICIAS1/doc_52642_HTML.html?idDocumento=52642GRAFIA
http://materiales.eia.edu.co/ciencia%20de%20los%20materiales/articulo-matreiales%20biodegradables.htm
http://www.inti.gov.ar/hilo/h9/h9-1.php
http://www.mailxmail.com/curso/excelencia/cienciamateriales/capitulo1.htm
http://www.uv.mx/cienciahombre/revistae/vol17num2/articulos/clima/index.htm
Proyecto preparado para la productora frutihortícola “Cooperativa de Villa Regina”
Investigación y selección de materiales biodegradables para uso alimenticio, orientando la búsqueda hacia sus propiedades físicas.
Materiales biodegradables.
Problemática: las nuevas reglamentaciones de la Comunidad Europea, de las cuales España es miembro, solicita a partir del año próximo la utilización de envases biodegradables para el envasado de frutas. Planteando un desafío a los productores ya que deberán buscar un biólogo, un físico y un químico que puedan presentar un plan de trabajo e investigación para desarrollar y fabricar envases con materiales biodegradables y biocompatibles con el fin de continuar las exportaciones de fruta a España.
Fundamentación.
Con el propósito de atenuar los problemas de la contaminación, se han realizado numerosos estudios para valorar algunos materiales alternativos. En ese sentido, surgió el concepto de plástico biodegradable asociado al uso de materias primas renovables que ofrecen un buen control en el medio ambiente después de diversos usos. Los biopolímeros, como también se llama a esas materias primas, son macromoléculas sintetizadas por procesos biológicos o por vía química a partir de monómeros naturales o idénticos a los artificiales.
El proceso tecnológico más apropiado para la industrialización de los biopolímeros es por extrusión. Este proceso térmico se ha aplicado con éxito en la obtención de diversos materiales manufacturados a base de polímeros de almidón (provenientes de cereales, raíces, tubérculos, etc.) mezclados con otros materiales orgánicos vegetales y animales, lo que ha generado productos termoplásticos, expandidos, texturizados, espumados, acolchados y otros muchos.
Los polímeros naturales también son biodegradables en estado nativo, aunque el ciclo de vida de algunos de ellos es relativamente corto, como en el caso de las ligninas. A manera de ejemplo, podemos citar a los poliosídeos y sus derivados (celulosa, hemicelulosa, almidón, gomas, lignina, quitina, etc.), las proteínas (colágeno, gelatina, y caseína) y el hule natural, todos los cuales se están probando hoy en día en la fabricación de diferentes embalajes y papel.
Por fortuna, en estos momentos diversos investigadores de algunos países están preocupados por evitar la contaminación ambiental y tratan de desarrollar materiales plásticos biodegradables para reducir la basura provocada por los terribles plásticos sintéticos y eliminarlos en un tiempo no muy lejano.
• La Biodegradación.
Producto o elemento orgánico es aquel que está constituido por sustancias procedentes de organismos vivos, ya sean animales o vegetales.
La biodegradación, a la que también se conoce por descomposición, consiste en la destrucción de un elemento orgánico, gracias a la acción de bacterias y otros microorganismos, que transforman la sustancia compleja que lo forma en componentes sencillos, habitualmente presentes en el Medio Ambiente. Como son el Dióxido de Carbono (CO2), Agua (H2O) y Amoniaco (NH3).
Aunque, la mayoría de los elementos presentes en la naturaleza son biodegradables, existe un gran número de sustancias introducidas por el hombre que no lo son, por ejemplo los pesticidas, los metales pesados (mercurio entre otros), los herbicidas, los plásticos, etc. Estos productos tóxicos persistentes entran en las cadenas tróficas o alimentarias de los ecosistemas naturales, desencadenando una acumulación biológica de toxinas peligrosa para la vida.
Algunos materiales biodegradables que existen en el mercado:
Plásticos a partir de polímeros naturales de plantas
El almidón es un polímero natural. Se trata de un tipo de hidrato de carbono constituido por moléculas grandes que la planta sintetiza durante la fotosíntesis y le sirve como reserva de energía. Cereales, como el maíz y tubérculos, como la papa, contienen gran cantidad de almidón.
El almidón puede ser procesado y convertido en plástico, pero como es soluble en agua se ablanda y deforma cuando entra en contacto con la humedad, limitando su uso para algunas aplicaciones. Esto puede ser solucionado modificando químicamente el almidón que se extrae del maíz, trigo o papa. En presencia de microorganismos el almidón es transformado en una molécula más pequeña (un monómero), el ácido láctico. Luego, el ácido láctico es tratado químicamente de manera de formar cadenas o polímeros, los que se unen entre sí para formar un polímero llamado PLA (poliláctido). El PLA puede ser usado para fabricar macetas que se plantan directamente en la tierra y se degradan con el tiempo, y pañales descartables. Se encuentra disponible en el mercado desde 1990 y algunas preparaciones han demostrado ser muy buenas en medicina, en particular, en implantes, suturas y cápsulas de remedios, debido a la capacidad del PLA de disolverse al cabo de un tiempo.
Películas Nature Flex: esta película es transparente, de alto brillo, tiene propiedades antiestáticas, es semipermeable a la humedad y ofrece propiedades anti-vaho, y una barrera eficaz a gases y aromas. Además, este film realza la impresión y las propiedades de deslizamiento controlado, asegurando una conversión más sencilla.
Las películas NatureFlex con base de celulosa, derivadas de pasta de madera renovable, están certificadas para cumplir los estándares de la normativa europea EN13432, así como de la americana ASTM D6400, sobre envasado compostable. La pasta de papel proviene de plantaciones que operan con principios forestales sostenibles (FSC o equivalentes).
La película NatureFlex es también apropiada para el compostaje casero y actualmente se comercializa en espesores de 23 y 30 micras.
Plásticos a partir de bacterias
En respuesta a situaciones de estrés nutricional, muchas bacterias almacenan compuestos que utilizan como fuente de carbón y energía, y que se denominan Polihidroxialcanoatos (PHA). Estos son polímeros que pueden ser procesados en plásticos biodegradables. Una ventaja de esos polímeros es su rápida degradación en el ambiente al compararla con los plásticos sintéticos. Eso se debe a que muchos hongos y bacterias presentes en el ambiente (suelo, agua, aire) pueden utilizar esos polímeros como alimento. Además, estos bioplásticos presentan propiedades fisicoquímicas similares a las de los polímeros utilizados comúnmente, ya que pueden ser moldeados, inyectados y laminados.
Las bacterias pueden producir diferentes tipos de PHA, dependiendo del tipo y cantidad del sustrato (alimento) que se les proporcione. Ello es una gran ventaja, ya que permite a los científicos manipular la producción de PHA, dependiendo del uso que se le vaya a dar al plástico. Por ejemplo, se pueden producir plásticos rígidos o maleables, plásticos resistentes a temperaturas altas, ácidos o bases, plásticos cristalinos, impermeables al oxígeno, y hasta fibras plásticas para suturar heridas o tejidos internos.
Una forma de obtener estos bioplásticos es a partir de células de Azotobacter, una bacteria muy común en los campos argentinos. Para su fabricación se utiliza como sustrato melaza de caña de azúcar, un residuo agroindustrial que resulta barato en relación con otras fuentes carbonadas. Las bacterias se alimentan de esta sustancia orgánica y crecen en fermentadores. Cuando disminuye la cantidad de nitrógeno en los tanques de fermentación (situación de estrés), comienzan a acumular plástico como reserva dentro de su célula, de un modo análogo a como los mamíferos almacenan grasas o los vegetales, como la papa, guarda almidón. A los pocos días de fermentación, producen el equivalente al 80% de su peso seco en plástico (o polímero). Luego, se centrifugan y se rompen para extraer el poliéster.
PHB: se pueden producir por una fermentación limitada en nutrientes de material alimenticio azucarado. Mediante la manipulación del medio de cultivo, se obtiene un copolímero aleatorio que contiene tanto el hidroxivalerato (HV) e hidroxibutirato (HB). El copolímero restante poli-3-hidroxibutirato-CO-3-Hidroxi/valerato (PHB/V) el cual es termoplástico y completamente biodegradable. Mediante el cambio de la relación HV/HB, el copolímero resultante puede fabricarse para que se asemeje bien sea al polipropileno o al polietileno con relación a la flexibilidad, fuerza de tensión y punto de presión.
El polihidroxibutirato (PHB) es fuerte, rígido y quebradizo, pero el contenido de HV mejora la flexibilidad y la dureza. El PHB/V posee una buena resistencia química y a la humedad, posee buenas propiedades como barreras al O2, humedad y aromas.
Los usos que han sido considerados para el PHB/V incluyen botellas de bebidas, cajas de papel cubierto para leches y películas.
Criterios para la selección del material biodegradable
El criterio general para seleccionar un polímero como material biodegradable considera tanto las propiedades mecánicas requeridas como el tiempo de degradación necesario para la aplicación particular.
Propiedades mecánicas: Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas temperaturas. A continuación, se definen las que mencionaremos más adelante:
- Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.
- Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación.
- Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración.
- Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque.
- Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura.
- Ductibilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos.
- Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas.
Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos:
- Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un material.
- Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.
- Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material.
- Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad que posee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.
Propiedades físicas: Dependen de la estructura y procesamiento del material. Describen características como color, conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerza que actúan sobre el material. Pueden dividirse en: eléctricas, magnéticas y ópticas:
Propiedades eléctricas: Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cual en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico. Existe también el comportamiento dieléctrico, propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica, que va más allá de simplemente proporcionar aislamiento.
Los electrones son los portadores de carga en los materiales conductores, semiconductores y muchos de los aislantes; en los compuestos iónicos son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. La movilidad de los portadores depende de los enlaces atómicos, de las imperfecciones de la red, de la microestructura y, en los compuestos iónicos, de las velocidades de difusión.
La aplicación de un campo magnético genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en el material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada. Dentro de un campo eléctrico aplicado los dipolos se alinean causando polarización. Existen cuatro mecanismos de polarización:
- Polarización electrónica. Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto implica una distorsión del arreglo electrónico, en la que el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.
- Polarización iónica. Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico. En consecuencia la carga se redistribuye minúsculamente dentro del material. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo. Estos dipolos temporalmente inducidos causan polarización y también pueden modificar las dimensiones generales del material.
- Polarización molecular. Algunos materiales contienen dipolos naturales, que, al aplicárseles un campo giran, hasta alinearse con él. En algunos materiales, como el titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.
Anteriormente, al hablar de polarización iónica, mencionamos la posibilidad de que hubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se conoce como electrostricción, además de darse por cambios en la longitud de los enlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los átomos como partículas en forma oval en vez de esférica o por distorsión debida a la orientación de los dipolos permanentes del material
Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional: cuando se les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltaje o un campo. Los materiales que presentan este comportamiento son piezoeléctricos.
Cuando se encuentran entre capas de material conductor, los materiales dieléctricos que se polarizan son capaces de almacenar cargas, esta propiedad se describe mediante:
- Constante dieléctrica, que es la relación de la permisividad del material con la permisividad en el vacío.
- Resistencia dieléctrica. Es el campo dieléctrico máximo que puede mantener un material entre conductores.
La presencia de polarización en un material después de que se retira el campo eléctrico se puede explicar en función de una alineación residual de dipolos permanentes. Esto sucede de la siguiente forma: se toma un cristal cuyos dipolos se encuentran orientados de forma aleatoria, de forma que no hay polarización neta; al aplicar un campo, los dipolos comienzan a alinearse con dicho campo; finalmente, el campo alinea todos los dipolos y se obtiene la polarización máxima o de saturación; cuando posteriormente se retira el campo, queda una polarización remanente, debida al acoplamiento de dipolos y el material ha quedado permanentemente polarizado. Los materiales que retienen una polarización neta, una vez retirado el campo se conocen como ferroeléctricos.
Para que el material dieléctrico almacene energía, se debe impedir que los portadores de carga como iones y electrones se muevan de un conductor a otro a través de él, en consecuencia, los materiales dieléctricos tienen siempre una alta resistividad eléctrica.
Materiales utilizados para aislar el campo eléctrico deben poseer alta resistividad eléctrica, alta resistencia dieléctrica y un bajo factor de pérdida. Sin embargo, una constante dieléctrica alta no es necesaria e incluso puede llegar a ser indeseable. Una constante dieléctrica pequeña impide la polarización, por lo que no se almacena carga localmente en el aislante.
Esto es lo esencial respecto a las propiedades eléctrico de los materiales. En nuestra próxima entrega, estudiaremos las propiedades magnéticas.
Propiedades magnéticas: El comportamiento magnético esta determinado por las interacciones entre dipolos magnéticos, estos dipolos a su vez están dados por la estructura electrónica del material. Por lo tanto, al modificar la microestructura, la composición o el procesamiento se pueden alterar las propiedades magnéticas.
Los conceptos que definen los efectos de un campo magnético en un material son:
Concepto Definición
Momento magnético. Intensidad de campo magnético asociado con el electrón.
Permeabilidad magnética. El material amplifica o debilita el efecto del campo magnético.
Magnetización. Representa el incremento en la inducción magnética debida al material del núcleo.
Susceptibilidad magnética. Es la relación entre la magnetización y el campo aplicado, proporciona la amplificación dada por el material.
Así, cuando se acerca un campo magnético a un conjunto de átomos es posible observar diversas reacciones:
- Diamagnetismo: El campo magnético influye en los momentos magnéticos de los electrones dentro del átomo y produce un dipolo para todo los átomos. Estos dipolos se oponen al campo magnético, haciendo que la magnetización sea menor a cero.
- Paramagnetismo: Debido a la existencia de electrones no apareados, a cada átomo se le asocia un momento magnético neto, causado por el giro de los electrones. Cuando se aplica un campo magnético, los dipolos se alinean con él, resultando una magnetización positiva. Pero, dado que los dipolos no interactúan, para alinearlos se requieren campos magnéticos extremadamente grandes. Además, en cuanto se elimina el campo, el efecto se pierde.
- Ferromagnetismo: Es causado por los niveles de energía parcialmente ocupados del nivel 3d del hierro, el níquel y el cobalto. Consiste en la fácil alineación de los dipolos permanente no apareado con el campo magnético aplicado, debido a la interacción de intercambio o al refuerzo mutuo de los dipolos. Esto significa que aún con campos magnéticos pequeños se obtienen magnetizaciones importantes, con permeabilidad relativa de hasta 106.
- Antiferromagnetismo: Los momentos magnéticos producidos en dipolos vecinos se alinean en el campo magnético oponiéndose unos a otros, aún cuando la intensidad de cada dipolo sea muy alta. Esto produce una magnetización nula.
- Ferrimagnetismo: Se da principalmente en materiales cerámicos, donde diferentes iones crean momentos magnéticos distintos, causando que, en un campo magnético los dipolos de ion A pueden alinearse con el campo, en tanto que los dipolos del ion B pueden oponérsele. Como las intensidades de los dipolos son distintas, el resultado será una magnetización neta. Así, los materiales con este tipo de comportamiento pueden dar una buena intensificación del campo aplicado.
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Propiedades ópticas: Se relacionan con la interrelación entre un material y las radiaciones electromagnéticas en forma de ondas o partículas de energía, conocidas como fotones. Estas radiaciones pueden tener características que entren en nuestro espectro de luz visible, o ser invisibles para el ojo humano. Esta interacción produce una diversidad de efectos, como absorción, transmisión, reflexión, refracción y un comportamiento electrónico.
Fenómenos Ópticos. Al interactuar con la estructura electrónica o cristalina de un material, los fotones de una fuente externa crean varios fenómenos ópticos. Si los fotones incidentes interactúan con los electrones de valencia pueden ocurrir varias cosas: los fotones ceden energía al material, en cuyo caso hay absorción; o puede ser que cuando los fotones aportan energía, de inmediato el material emite electrones de idéntica energía, de forma que se produce reflexión. También puede que los fotones no interactúen con la estructura electrónica del material, en ese caso ocurre la transmisión. En cualquiera de estos tres casos, la velocidad de los fotones cambia; este cambio propicia la refracción.
Un rayo incidente de intensidad I0 parcialmente puede reflejarse, absorberse y transmitirse. Esta intensidad I0 se puede expresar como:
I0 = Ir + Ia + It
Donde Ir es la porción reflejada, Ia es la parte absorbida e It es la porción transmitida a través del material. Determinar el comportamiento de los fotones respecto al material es necesario conocer varios factores internos de este, particularmente la energía requerida para excitar un electrón hacia un estado de energía más elevado.
Ahora examinaremos cada uno de estos cuatro fenómenos:
- Refracción. Cuando un fotón es transmitido provoca la polarización de electrones en el material y, al interactuar con el material polarizado, pierde parte de su energía. La velocidad de la luz se puede relacionar con la facilidad con la cual un material se polariza tanto eléctricamente (permisividad) como magnéticamente (permeabilidad).
Sin embargo, los materiales ópticos no son magnéticos, por tanto la permeabilidad puede no tomarse en cuenta.
Dado que la velocidad de los fotones disminuye, cuando el haz entra al material cambia de dirección. Suponiendo que un haz de fotones viaja en el vacío e incide sobre un material, a y b son los ángulos que los haces incidentes y refractados tienen con el plano de la superficie del material, entonces:
n = c = l vacío= sen a
v l sen b
La relación es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío y v la velocidad de la luz dentro del material. Si los fotones viajan en el material 1 y de ahí pasan al material 2, las velocidades de los haces incidentes y refractados dependen de la relación entre sus índices de refracción.
v1 = n1 = sen a
v2 n2 sen b
Con la última expresión de esta igualdad podemos determinar si el haz será transmitido como un haz refractado o si se reflejará. Si el ángulo b es igual a 90°, el haz que viajaba a través del material se refleja.
Cuando el material ser polariza fácilmente habrá más interacción de fotones con la estructura electrónica del mismo. Entonces, es de esperarse una relación entre el índice de refracción y la constante dieléctrica del material.
- Reflexión. Cuando un haz de fotones golpea un material, éstos interactúan con los electrones de valencia y ceden su energía. Cuando las bandas de valencia no están totalmente ocupadas, cualquier radiación, de casi cualquier longitud de onda, excita a los electrones hacia niveles superiores de energía. Podría esperarse que, si los fotones son totalmente absorbidos, no se reflejara luz y el material aparecería de color negro. Sin embargo, cuando fotones de longitud casi idéntica vuelven a ser emitidos, mientras que los electrones excitados regresan a sus niveles inferiores de energía, ocurre la reflexión. Dado que la totalidad del espectro visible se refleja, los materiales con esta propiedad tienen un color blanco o plateado (en los metales).La reflectividad R da la fracción del haz incidente que se refleja y está relacionada con el índice de refracción. Si el material esta en el vacío o en el aire:
R= n-1
n+1
Si el material está en algún otro medio, con un índice de refracción ni entonces:
R= n- ni
n+ni
Los materiales con alto índice de refracción tienen mayor reflectividad que aquellos cuyo índice es bajo. La reflectividad y el índice de refracción varían con la longitud de onda de los fotones.
- Absorción. La porción de haz incidente que no es reflejada por el material es absorbida o transmitida a través del mismo. La fracción de luz absorbida está relacionada con el espesor del material y la forma en la cual los fotones interactúan con su estructura. La intensidad del haz, después de pasar a través del material, está dada por:
I = I0 exp (-m x)
Donde x es la trayectoria a través de la cual se mueven los fotones (por lo general, el espesor del material), m es el coeficiente lineal de absorción del material para los fotones, I0 es la intensidad del haz, después de reflejarse en la superficie delantera, e I es la intensidad del haz cuando llega a la superficie trasera.
La absorción ocurre debido a varios mecanismos. En la dispersión de Raleigh, el fotón interactúa con electrones en órbita y sufre una deflexión sin cambios de energía; este resultado es más significativo para átomos con alto número atómico y para fotones de baja energía. La dispersión Compton es causada por la interacción entre electrones en órbita y fotones; así, el electrón es expulsado del átomo y, por tanto, consume parte de la energía del fotón. De nuevo, átomos con números atómicos más altos y energías de fotón menores causan mayor dispersión. El efecto fotoeléctrico se presentará cuando a la energía del fotón se consuma al romperse la unión entre el electrón y su núcleo. Conforme la energía del fotón aumenta (reduciendo la longitud de onda), ocurrirá menos absorción, hasta que el fotón tenga una energía igual a la de la unión. A este nivel de energía, el coeficiente de absorción se incrementa de manera significativa. La energía o longitud de onda a la que esto ocurre se conoce como margen de absorción. Cuando los fotones no interactúan con imperfecciones de la materia, se dice que éste es transparente. Éste es el caso del vidrio, cerámicos cristalinos de alta pureza y de polímeros amorfos como acrílicos, policarbonatos y polisulfones.
- Transmisión. La fracción del haz que no ha sido reflejada ni absorbida se transmite a través del material. Podemos determinar la fracción del haz que se ha transmitido por medio de la siguiente ecuación.
It= I0 (1- R)2 exp (-m x)
De nuevo observamos que la intensidad del haz transmitido dependerá de la longitud de onda de los fotones dentro del haz. Si sobre un material incide un haz de luz blanca y se absorben, se reflejan y se transmiten fracciones equivalentes de fotones con longitudes de onda diferentes, el haz transmitido también será de luz blanca. Pero, si los fotones de longitud de onda más larga son absorbidos en mayor proporción que los de longitud de onda más corta, la luz transmitida aparecerá del color de la longitud de onda corta cuya absorción haya sido menor. La transparencia no es otra cosa que la transmisión íntegra de los haces de luz que inciden sobre el material y la intensidad del haz también depende de características microestructurales.
Cuando cualquiera de estos tres fenómenos ópticos se da de forma que solo fotones con un intervalo específico de longitud de onda son absorbidos, reflejados o transmitidos, se producen propiedades ópticas poco comunes, que se traducen en cambios de color (policromía), colores característicos (como el rojo del láser de rubí dopado), etc.
Tiempo de degradación
La degradación de un plástico puede definirse como un cambio en su estructura química que conlleva a una modificación de sus propiedades. Actualmente se aceptan cinco mecanismos básicos de degradación que pueden interactuar entre si produciendo un efecto sinergético.
-fotodegradación
-oxidación mediante aditivos químicos
-degradación térmica
-degradación mecánica
-degradación mediante microorganismo (hongos, bacterias y algas)
Otros aspectos a tener en cuenta al elegir un material para uso alimenticio.
Un envase plástico para alimentos es apto sanitariamente cuando:
- Está fabricado con polímeros y aditivos que están incluidos en listas positivas, que son enumeraciones taxativas de las sustancias que han probado ser fisiológicamente inocuas en ensayos toxicológicos con animales, cuyo uso está autorizado para la fabricación de materiales plásticos en contacto con alimentos, y que figuran en las principales legislaciones sobre aptitud sanitaria de materiales en contacto con alimentos (Código Alimentario Argentino, MERCOSUR, Unión Europea, FDA (Food and Drug Administration)-USA, etc.).
- Cumple el límite de migración total. La migración es la transferencia de componentes no poliméricos desde el plástico hacia el alimento o sus simulantes, en condiciones reales de elaboración, almacenamiento y uso del producto, o en las condiciones equivalentes de ensayo en laboratorio. La migración total o global cuantifica la masa de todos los componentes no poliméricos transferidos.
- Cumple el o los límites de migración específica. La migración específica cuantifica la masa de un componente (monómeros, aditivos o metales pesados) de especial interés toxicológico, transferida desde el material plástico a los alimentos o sus simulantes.
- Cumple el o los límites de composición, que son las máximas cantidades de componentes de los plásticos (básicamente monómeros, aditivos y metales pesados) permitidas en la masa de los mismos.
- No produce una variación inaceptable de los caracteres sensoriales del producto que contiene.
CONCLUSIÓN:
Teniendo en cuenta las propiedades físicas, mecánicas, las disposiciones del Código Alimentario Argentino y el tipo de degradación consideramos que el material biodegradable y biocompatible más apto para el envasado de frutas es el Polihidroxialcanoatos (PHA).
Algunas recomendaciones finales
Es preferible adquirir alimentos que tengan envases de materiales que sean fáciles de reciclar y que proporcionen al alimento una vida larga de anaquel.
Es importante leer en las etiquetas de los envases y empaques las condiciones en las cuales debe ser almacenado el alimento y las temperaturas aptas para una mejor conservación del mismo, según el tipo de material con el que se ha fabricado su envoltura.
Se debe buscar materiales como el aluminio y el plástico en los envases de alimentos que van a ser sometidos a congelación ya que conservan mejor sus propiedades naturales por más tiempo.
Hay que preferir todos aquellos alimentos en los cuales el empaque y envase contengan etiquetas con información acerca del producto y su composición nutricional.
Es necesario considerar el grave problema ecológico que causan a la naturaleza algunos materiales de los envases, embalajes y empaques para que así nosotros, como consumidores, no contribuyamos más al deterioro de nuestro medio ambiente y seamos capaces de reciclar todos aquellos materiales empleados en la gran industria del envase.
Es preciso apoyar la investigación que se lleve a cabo con la intención de obtener productos plásticos biodegradables, y evitar así la basura generada por los plásticos obtenidos de los derivados del petróleo.
BIBLIOGRAFIA
http://www.elempaque.com/ee/secciones/EE/ES/MAIN/N/NOTICIAS1/doc_52642_HTML.html?idDocumento=52642GRAFIA
http://materiales.eia.edu.co/ciencia%20de%20los%20materiales/articulo-matreiales%20biodegradables.htm
http://www.inti.gov.ar/hilo/h9/h9-1.php
http://www.mailxmail.com/curso/excelencia/cienciamateriales/capitulo1.htm
http://www.uv.mx/cienciahombre/revistae/vol17num2/articulos/clima/index.htm
jueves, 20 de septiembre de 2007
EL LENGUAJE DE LAS NEURONAS
1-caracterice estructural y funcionalmente a las neuronas.
2-Explique las funciones de las señales eléctricas y de las señales químicas que viajan(circulan) por las neuronas
3-Esquematice y explique un arco reflejo simple.
4-Explique el funcionamiento celular como generador de energía eléctrica(potencial de membrana)
5-Explique cómo se generan y propagan las señales por las neuronas(potenciales de acción)
6-Explique la operación de los canales ionicos mediante el potencial de membrana
7-Explique la propagación de los potenciales de acción
8-Describa estructural y funcionalmente a la sinapsis neuronal
9-Explique la importancia de los neurotransmisores y caracterice su ciclo
10-¿Cómo se generan potenciales sinápticos en la placa neuromuscular?
11-¿Cuál es la diferencia entre los potenciales excitatorios y los inhibitorios?
12-Explique la contracción muscular en términos eléctricos
2-Explique las funciones de las señales eléctricas y de las señales químicas que viajan(circulan) por las neuronas
3-Esquematice y explique un arco reflejo simple.
4-Explique el funcionamiento celular como generador de energía eléctrica(potencial de membrana)
5-Explique cómo se generan y propagan las señales por las neuronas(potenciales de acción)
6-Explique la operación de los canales ionicos mediante el potencial de membrana
7-Explique la propagación de los potenciales de acción
8-Describa estructural y funcionalmente a la sinapsis neuronal
9-Explique la importancia de los neurotransmisores y caracterice su ciclo
10-¿Cómo se generan potenciales sinápticos en la placa neuromuscular?
11-¿Cuál es la diferencia entre los potenciales excitatorios y los inhibitorios?
12-Explique la contracción muscular en términos eléctricos
miércoles, 19 de septiembre de 2007
NOTICIA IMPORTANTE PARA TODOS
URGENTE!!!!
Por favor dirigirse a ésta url:
http://www.educared.org.ar/lapuntadelovillo/expedicion/, y analizar la posibilidad de participar con algunos de los trabajos que ya realizaron, y los alumnos que algunos de Uds tienen hoy
Por favor dirigirse a ésta url:
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