METROLOGÍA ÓPTICA E INSTRUMENTACIÓN BÁSICA PDF

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metrologia y normalización...

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INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE CALKINI DEL ESTADO DE CAMPECHE

INGENIERIA EN CIENCIAS DE LOS MATERIALES

METROLOGIA Y NORMALIZACION PROFESOR: ING. RICARDO GOMEZ KU

NOMBRE

MATRIC ULA

NUMER

CALF.

CALF.

O

EXPOSICIO

DOCUMEN

ASIGNADO

N DE LA

TAL

UNIDAD

Victor Jesús acosta tzec

3119

José Valentín criollo kantun

2906

Darían panti chuc

2915

Yonatan Abel tzeek trejo

2933

Maria berlina

CALKINI, CAMPECHE A 8 noviembre 2010

Índice Presentación……………………………………………………………….. 1 Introducción…………………………………………………………………. 3

3.1. Introducción a la óptica…………………………………... 4 3.2. Óptica geométrica. ……………………………………………….. 7 3.3. Óptica física…………………………………………………………22 3.4. Diferencia, ventajas y desventajas de instrumentos analógicos y digitales…………………………………………………………… 42 3.5. Instrumentos ópticos…………………………………………….. 47 3.6. Instrumentos mecánicos………………………………………… 58 3.7. Medidores de presión…………………………………………….. 59 3.8. Medidores de torsión……………………………………… 66 3.9. Medidores de esfuerzos mecánicos……………………..74 3.10. Medidores de dureza……………………………………. 78

3.11. Instrumentos de medición por coordenadas (X,Y, Z) …88 Conclusión………………………………………………………………89 Bibliografia………………………………………………………………90

INTRODUCCION

La óptica es la parte de la física encargada del estudio de la luz y de los fenómenos que produce. Desde tiempos muy remotos al hombre le ha inquietado saber que es la luz y cuál es la causa por la que vemos las cosas. A fines del siglo xvLL existían dos teorías que trataban de explicar la naturaleza de la luz. La luz está constituida por numerosos corpúsculos o partículas emitidas por cualquier cuerpo luminoso, dichas partículas al chocar con nuestra retina nos permite ver los objetos. Huygens, quien opinaba; la luz es un fenómeno ondulatorio semejante al sonido, por tanto, su propagación es la misma naturaleza que la de una onda

INTRODUCCION A LA OPTICA La óptica es la rama de la física que estudia la luz y los fenómenos que produce. La luz se propaga por medio de ondas electromagnéticas en línea recta a una velocidad aproximada de 300 mil Km. /s en el vació. Para su estudio la óptica se puede dividir de la siguiente manera a) Óptica geométrica. Estudia fenómenos y elementos ópticos mediante de líneas rectas y geometría plana b) Óptica física. Estudia los fenómenos ópticos mediante del carácter ondulatorio de la luz. c) Óptica electrónica. Trata los aspectos cuànticos de la luz. Cuando la luz llega a la superficie de un cuerpo se refleja total o parcialmente en todas direcciones. Si la superficie es lisa como un espejo, los rayos se reflejan o rechazan en una sola dirección. La refracción de la luz consiste en la desviación que sufren los rayos luminosos cuando llegan a la superficie de separación entre dos sustancias o medios de diferente densidad. Los espejos esféricos son casquetes de una esfera hueca, los cuales reflejan los rayos luminosos que inciden en ellos. Son cóncavos si la superficie reflectora es inferior y convexos si la superficie reflectora es la exterior. Las lentes son cuerpos transparentes, limitados por dos superficies esféricas o por una esférica y una plana. Las lentes utilizan a fin desviar los rayos luminosos con bese en las leyes de la refracción. Redividen en convergentes y divergentes.

Los aspectos y lentes se utilizan para la fabricación de diferentes instrumentos ópticos de mucha utilidad, tales como, la cámara fotográfica, el proyector de transferencia, el microscopio o el telescopio, entre otros. El telescopio, que es utilizado para obtener a los astros, se remonta a principios del siglo VXll. En la actualidad, existen centros de observaciones astronómicas llamados observatorios en varios países, entre ellos se encuentran los siguientes: monte Wilson, monte palomar y mama ken en EUN; El de crimenea, en la federación rusa; el calar alto en España; el de la silla y cerro tololo en chile en nuestro país, operan dos observatorios de investigación astronómica: el de san Pedro mártir, que está situado sobre el kilometro 103 de la carretera Tijuana-ensenada, en el estado de baja california, cuyo funcionamiento está a cargo de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM); el otro, es el observatorio Astrofísico de cananea, sonora que se localiza en las simas de la montaña en la sierra de a mariquita a 26 kilómetros de la cuidad de cananea, su operación está a cargo del Instituto Nacional de Astrofísica, óptica y Electrónica (INAOE).

COMPORTAMIENTO DUAL DE LA LUZ Desde tiempos muy remotos, al hombre le ha inquietado saber que es la luz y cuál es la causa por la que vemos las cosas. En la antigüedad solo se interpretaba a la luz como lo opuesto a la oscuridad. Ms adelante, los filósofos griegos se percataron a la existencia de algo que relacionaba la distancia entre nuestros ojos, las cosas vistas y las fuentes que las iluminaba. Pitágoras que señalaba en su teoría: la luz es algo que emana de los cuerpos luminosos en todas direcciones, choca contra los objetos desde el cual reproduce la sanción de ver el objeto desde el cual reboto. Epicuro de Samos, otro filósofo griego, señalaba: la luz es emitida por los cuerpos en forma de rayos, estos al entrar al ojo estimulan el sentido de la vista.

A fines del siglo VXll existían dos teorías que trataban de explicar la naturaleza de la luz. Una era la teoría corpuscular de Isaac Newton, quien señalaba: la luz está constituida por numerosos corpúsculos o partículas emitidas por cualquier cuerpo luminoso, dichas partículas al chocar con nuestra retina nos permiten ver las cosas al recibir la sensación luminosa. La otra teoría era la otra propuesta por el holandés Christian Huygens, quien opinaba: la luz es un fenómeno ondulatorio semejante al sonido, por eso su propagación es de la misma naturaleza que la de una onda. 1. Propagacion rectilínea; es decir, la luz viaja en línea recta 2. Reflexión; cuando la luz inciden una superficie lisa los rayos luminosos son rechazados o reflejados en una sola dirección. 3. Refracción, desviación que sufre la luz al llegar a la superficie de separación entre dos sustancias de diferente densidad.

Sin embargo, el 1801 se descubrió que la luz también representaba el fenómeno de interferencia, producido al súper ponerse en forma simultánea dos o más movimientos ondulatorios. El fenómeno de interferencia es una pruebe contundente para comprobar si un movimiento es ondulatorio o no. En 1816 se encontró que la luz también se difractaba (fenómeno característico de las ondas), es decir, si una onda encuentra un obstáculo en su camino. Lo rodea o lo contornea. Estos fenómenos permitieron la acotación de la teoría de huygens, pues la proposición de newton no podía aceptar estos fenómenos. En 1865 el físico Escoces james clerk maxwell propuso que la luz está formado por ondas electromagnéticas como la de radios y radiar, entre otras; esto permite su propagación, aun en el vacío, a una velocidad de 300 mil km/s. ello ocasiono que en 1887 los físicos michelson y morley demostraran mediante el interferómetro ideado por michelson, que no existía ningún éter envolviendo a la tierra y, por tanto no producía ningún arrastre sobre los rallos luminosos. Concluyeron que la velocidad de la luz es constante, independiente del movimiento de la tierra.

Óptica geométrica La óptica geométrica ce fundamenta en la teoría de los rayos de la luz, la cual considera que cualquier objeto visible emite rayos rectos de luz en cada punto de el y en todas direcciones a su alrededor. Cuando

estos rayos inciden sobre otros cuerpos puede ser absorbidos, reflejados o

desviados, pero si penetran en el ojo estimularan al sentido de la vista.

Propagación rectilínea de la luz La luz se propaga en línea recta a una velocidad de 300 mil km/s en el vacío. Una demostración experimental de este principio es el hecho de los cuerpos produzcan sombras bien definidas. Un cuerpo opaco es aquel que no permite el paso de luz a través de él, por tanto si recibe rayos luminosos proyectara una sombra definida. Un cuerpo transparente permite el paso de los rayos luminosos, por lo que ce ve con claridad cualquier objeto colocado al otro lado de El. Un cuerpo translucido deja pasar la luz pero la difunde de tal manera que las cosas no pueden ser distinguidas claramente atreves de ellos.

METODOS DE ROEMER Y MICHELSON PARA DETERMINAR LA VELOCIDAD DE LA LUZ El astrónomo danés Olaf Roemer (1647-1710) fue el primero en calcular la velocidad de la luz en forma muy aproximada. Su método consistió en observar al planeta Júpiter y sus satélites. Encontró que uno de ellos ce eclipsaba atrás de cada 42.5 horas, pero cuando la tierra estaba estaba en su punto más alejado de Júpiter el eclipse se retrasaba 22 minutos, es decir 1320 segundos.

En 1907, el físico estadounidense de origen polaco Alberto Michelson (1852-1931) obtuvo el premio nobel de física por haber calculado con mucha exactitud la velocidad de la luz. Su método consistió en disponer ocho espejos planos para formar un prisma octagonal regular, el cual reflejaba la luz y giraba a velocidades angulares muy grandes, previamente determinadas

Intensidad luminosa y flujo luminoso. La fotometría es la parte de la óptica cuyo objetivo es determinar las intensidades de las fuentes luminosas y las iluminaciones de las superficies. Al observar todas las cosas de nuestro alrededor, encontraremos que algunas de ellas emiten luz y otras la reflejan. A los cuerpos productores de Luz, como el sol, un foco, una hoguera o una vela se les nombran cuerpos luminosos, como es el caso de un árbol, una mesa, una piedra, una pelota, etc., se les denomina cuerpos iluminados. La intensidad luminosa es la cantidad de luz producida o emitida por un cuerpo luminoso. Para cuantificar la intensidad luminosa de una fuente de luz, se utiliza en el SI la candela (cd) y en el CGS la bujía decimal (bd). Una candela equivale a 1/60 de la intensidad luminosa que emite 1 cm cuadrados de un cuerpo negro, a la temperatura del punto de fusión del platino (1 773 °c).

Una bujía decimal equivale a la intensidad luminosa producida por una vela de 2 cm de diámetro, cuya llama es de 5 cm de altura. Una intensidad luminosa de una candela, equivale a una intensidad luminosa de una bujía decimal: 1 cd = 1 bd. El lujo luminoso es la cantidad de energía luminosa que atraviesa en la unidad de tiempo una superficie normal (perpendicular) a los rayos de luz. La unidad del flujo luminoso en el SI es el lumen (lu). Un lumen es el flujo luminoso recibido durante un segundo por una superficie de 1 m al cuadrado, limitada dentro de una esfera de 1 m de radio y en cuyo centro se encuentra una fuente con una intensidad luminosa de una candela.

Iluminación y ley de la iluminación. Una superficie está iluminada cuando recibe una cierta cantidad de luz. Es muy importante para nuestra salud, contar con una iluminación adecuada según la actividad que vayamos a realizar. Por ejemplo, hacer ejercicio a plena luz solar por un espacio de tiempo no muy grande, resulta benéfico para el organismo; sin embargo, leer con los rayos luminosos emitidos directamente por el sol es nocivo para la salud. La iluminación es la cantidad de luz que reciben las superficies de los cuerpos, su unidad de medida es el lux (lx). Un lux es la iluminación producida por una candela o una bujía decimal sobre una superficie de 1 m cuadrado que se encuentra a un metro de distancia. Como sabemos, los focos incandescentes con filamento de wolframio utilizados en los hogares, producen una iluminación que depende de su potencia medida en watts. La equivalencia entre una potencia de un watts en un foco y la intensidad luminosa producida es aproximadamente igual a: Frace

Por tanto, un foco de 40 watts equivale a 44 candelas o bujías decimales; uno de 60 watts, a 66 cd o 66 bd. La ley de la iluminación o ley inversa del cuadrado. Es una consecuencia de la propagación en línea recta de la luz. Por ejemplo: al colocar un foco de 40 watts a una distancia de un metro de la superficie de una mesa, se produce una cierta iluminación sobre ella. Si después elevamos el foco a una distancia de 2 metros, observaremos que la iluminación de la superficie de la mesa se ha reducido a la cuarta parte de la anterior. Finalmente, si triplicamos la distancia colocando el foco a 3 metros de la mesa, la iluminación que recibe equivale a la novena parte de la inicial. Por tanto, podemos enunciar dicha ley en los siguientes términos: la iluminación E que recibe una superficie es directamente proporcional a la intensidad de la fuente luminosa I, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia d que existe entre la fuente y la superficie. Donde: E = iluminación expresada en lux (lx) I= intensidad de la fuente luminosa calculada en candelas (cd) D= distancia entre la fuente luminosa y la superficie medida en metros (m)

Leyes de la reflexión de la luz Cuando la luz llega a la superficie de un cuerpo, ésta se refleja total o parcialmente en todas direcciones. Si la superficie es lisa como en un espejo, los rayos son reflejados o rechazados en una sola dirección. Toda superficie que refleja los rayos de luz recibe el nombre de espejo. Ejemplos son el agua de una alberca o un largo, o los espejos de cristal que pueden ser planos o esféricos. Un espejo común como los utilizados en casa o en automóviles, consta de una pieza de cristal a la cual se le deposita una capa delgada de plata en una de sus caras y para proteger dicha capa se recubre con pintura. Al rayo de luz que llega al espejo se le nombra incidente y al rayo rechazado por él se le llama reflejado. Existen dos leyes de la reflexión propuestas por Descartes y son: 1.- El rayo incide, la normal y el rayo reflejado se encuentran en un mismo plano. 2.- El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia.

Se representan dichas leyes; A-B representa la superficie del espejo; N-N’ es una línea imaginaria perpendicular a la superficie reflectora en el punto donde incide el rayo de luz y recibe el nombre de normal; I es el rayo incidente; R es el rayo reflejado; i es el ángulo de incidencia; r es el ángulo de reflexión; y O es el punto donde incide el rayo I. Cuando estamos frente a un espejo plano nuestra imagen es derecha por que conserva la misma posición; es virtual por qué se ve como si estuviera dentro del espejo (la imagen real es la que se recibe en una pantalla), y es simétrica por que aparentemente está a la misma distancia de la del espejo. También si movemos el brazo derecho, en nuestra imagen parece

que movimos el izquierdo; ello se debe a la propiedad que tienen todos los espejos planos y cuyo nombre es inversión lateral. Se forman espejos planos angulares cuando se unen dos espejos planos por uno de sus lados formando un cierto ángulo. Al colocar un objeto en medio de ellos se observarán un número N de imágenes, éste dependerá de la medida del ángulo. Para calcular el número de imágenes que se producirán en dos espejos planos angulares

Espejos esféricos Los espejos esféricos son casquetes de una esfera hueca, los cuales reflejan los rayos luminosos que coinciden en ellos. Son cóncavos si la superficie reflectora es la interior; y convexos si la superficie reflectora es la exterior. Donde: N= número de imágenes que se forman a= ángulo que forman entre sí los espejo planos.

Refracción de la luz La refracción de la luz consiste en la desviación que sufren los rayos luminosos cuando llegan a la superficie de separación entre dos sustancias o medios de diferente densidad. Si éstos inciden perpendicularmente a la superficie de separación de las sustancias, no se refractan. La causa que origina la refracción de la luz es el cambio en la velocidad de los rayos luminosos al penetrar a un medio de diferente densidad. Los rayos oblicuos que llegan a la superficie de separación entre dos medios se llaman incidentes y los que se desvían al pasar por ésta se les nombran refractados. La desviación sufrida por un rayo luminoso dependerá del medio al cual pasa. A mayor densidad, el rayo se acerca a la normal y si el medio tiene una menor densidad, se aleja de ella.

Leyes de la reflexión Primera ley: el rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran siempre en el mismo plano. Segunda ley: para cada par de sustancias transparentes, la relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción, tiene un valor constante que recibe el nombre de índice de refracción n. La segunda ley se conoce también como Ley de Snell, por ser el astrónomo y matemático holandés Willebrod Snell (1591-1626), quien la descubrió. El índice de refracción también puede calcularse con el cociente de las velocidades del primero y segundo medios, porque: n= sen i = v1

sen r

v2

Donde: n= índice de refracción (dimensional) i= ángulo de incidencia r= ángulo de refracción v1= velocidad de la luz en el primer medio en km/s v2= velocidad de la luz en el segundo medio en km/s La velocidad de la luz en el vacío es de 300 mil km/s, mientras que en el aire es de 299 030 km/s y en el agua es de 225 mil km/s. La relación entre las velocidades de la luz en el vacío y en un medio, recibe el nombre de índice de refracción del medio. En el cuadro 16.1 se dan algunos valores de dicho índice.

Cuadro 16.1 ÍNDICE DE REFRACCIÓN

Sustancia

Índice de refracción n

Aire

1.003

Agua

1.33

Alcohol

1.36

Vidrio

1.5

Diamante

2.42

Como se observa en el cuadro 16.1 el índice de refracción para el aire casi es igual a 1; por ello, se considera que las velocidades de luz en el aire y en el vacío, son prácticamente iguales.

Las lentes y sus características Las lentes son cuerpos transparentes limitados por dos superficies esféricas o por una esférica y una plana. Las lentes se emplean a fin de desviar los rayos luminosos con base en las leyes de la refracción, para su estudio se dividen en convergentes y divergentes. Las lentes convergentes son aquellos cuyo espesor va disminuyendo del centro hacia los bordes, razón por la cual su centro es más grueso que sus orillas. Tienen la propiedad de desviar los rayos hacia el eje y hacerlos converger en un punto llamado foco. En las lentes divergentes el espesor disminuye de los bordes hacia el centro, por lo que los extremos son más gruesos y desvían los rayos hacia el exterior, alejándolos del eje óptico de la lente. Las lentes convergentes se utilizan para obtener imágenes reales de los objetos, tal es el caso de las cámaras fotográficas o proyectores de cine; como parte de los sistemas amplificadores de imágenes ópticas en los microscopios; o bien, para corregir defectos visuales de las personas hipermétropes en cuyo caso el ojo se caracteriza por que los rayos paralelos al eje forman su foco detrás de la retina. Las lentes divergentes se utilizan para corregir la miopía. En las lentes convergentes, cualquier rayo luminoso que se pase en forma paralela a su eje principal, al refractarse circulará por el foco principal. En las lentes divergentes, el rayo que pase en forma paralela a su eje principal, al refractarse se separará como si procediera de un foco. La imagen formada de un objeto en una lente se encuentra gráficamente, utilizando los mismos rayos fundamentales de los espejos esféricos, debemos recordar que en éstos los rayos se reflejan, mientras en las lentes se refractan.

El telescopio y el microscopio Telescopio A principios del siglo XVII el holandés Hans Lippershey construyó el primer telescopio que permitió observar cuerpos lejanos. Más tarde, Galileo Galilei elaboró su propio telescopio y demostró que las estrellas están a distancias astronómicas, razón por la cual la mayor parte de ella...