Fundamentos físicos y tecnológicos de la Informática. Tema 5

Estás diseñando un sistema de "visión artificial" para una fábrica de montaje, cuya función es detectar pequeñas anomalías en los componentes metálicos recién fabricados. Para ello, necesitas una iluminación muy controlada que evite reflejos indeseados en la superficie brillante de las piezas. Has considerado utilizar filtros polarizadores, pero te surge la duda de cómo orientarlos para maximizar el efecto. ¿Qué fenómeno de polarización por reflexión debes aprovechar para eliminar los reflejos no deseados?. La ley de Snell, ajustando el ángulo de incidencia para que la refracción sea mínima y, por lo tanto, la reflexión también lo sea. La difracción en la superficie, utilizando una luz de longitud de onda similar a las micro-rugosidades del metal para que la luz reflejada se disperse uniformemente y el brillo se reduzca. El ángulo de Brewster, haciendo incidir la luz sobre la pieza con un ángulo tal que el haz reflejado esté completamente polarizado, y luego usando un filtro polarizador para bloquear ese reflejo. La reflexión interna total, diseñando el sistema para que la luz se propague dentro del componente y no salga, evitando así que los reflejos se formen.

Estás evaluando un nuevo sistema de enfriamiento para un servidor de alto rendimiento. El sistema usa un compresor que realiza trabajo sobre un gas. El calor generado por esta compresión debe ser disipado para que el sistema funcione. Usando el primer principio de la termodinámica…¿cómo se describe la relación entre el trabajo realizado sobre el gas, el calor disipado y el cambio de energía interna del gas en esta etapa de compresión?. La energía interna del gas disminuye, ya que el trabajo realizado sobre el gas es menor que el calor que el gas libera al entorno. La energía interna del gas aumenta. El trabajo de compresión sobre el gas aumenta la energía interna, y el calor disipado al entorno no cambia el estado final del gas, por lo que la energía interna se mantiene constante. La energía interna del gas aumenta. El trabajo de compresión eleva la energía interna del gas, y aunque el calor es disipado al entorno, el cambio neto de energía interna es positivo. De hecho, si el trabajo es mayor que el calor liberado, la energía interna aumenta, lo que se manifiesta como un aumento de la temperatura del gas. La energía interna del gas se mantiene constante, porque el trabajo realizado sobre el gas es igual al calor que se disipa al entorno, resultando en un equilibrio de energía.

En el contexto de la gestión térmica de un ordenador, se observa que la energía interna de un chip no ha cambiado, a pesar de que se ha realizado un trabajo de compresión sobre el sistema de refrigeración y se ha disipado calor al entorno. Usando el primer principio de la termodinámica… ¿qué relación se puede establecer entre el trabajo realizado sobre el sistema y el calor liberado al entorno en este caso?. El trabajo realizado es igual a la suma del calor liberado y el cambio de energía interna, lo cual no tiene sentido en este contexto ya que no hay un cambio de energía interna. El calor liberado al entorno es mayor que el trabajo realizado sobre el sistema, lo que implica una disminución de la energía interna del sistema, contraria a la condición inicial. El calor liberado es igual al trabajo realizado sobre el sistema. Esto se debe a que, según el primer principio de la termodinámica, la variación de la energía interna es nula cuando el calor liberado es igual al trabajo realizado, lo que es la condición para que la temperatura se mantenga constante. El trabajo realizado sobre el sistema es mayor que el calor liberado, ya que parte de la energía se ha transformado en un aumento de la energía interna.

Un equipo de desarrollo de hardware está diseñando un nuevo sistema de enfriamiento para un servidor de alto rendimiento. Durante el proceso, un gas se comprime para aumentar su presión y temperatura. Según el primer principio de la termodinámica… ¿qué sucede con la energía interna del gas en esta etapa del proceso, y cómo se relaciona con el trabajo y el calor?. La energía interna del gas aumenta. El trabajo realizado sobre el gas durante la compresión contribuye a un aumento de su energía interna. Además, en este proceso se genera calor que, si no se disipa adecuadamente, también incrementa la energía interna. La energía interna aumenta, ya que el trabajo de compresión se realiza sobre el gas, y este trabajo se suma al calor liberado al entorno para incrementar la energía interna del sistema. La energía interna disminuye, ya que el gas realiza trabajo al ser comprimido, lo que consume su energía, y el calor es liberado al entorno. La energía interna permanece constante, porque el calor liberado al entorno es igual al trabajo realizado sobre el gas, lo que resulta en un cambio neto de cero.

Imagina que estás trabajando en el diseño de un sistema de refrigeración para un superordenador, cuya CPU genera una cantidad masiva de calor. Para optimizar el sistema, se te propone utilizar una tecnología basada en un ciclo termodinámico que enfría el gas al expandirse rápidamente, sin que haya intercambio de calor con el entorno. La clave del diseño es que el proceso de expansión debe ser lo más rápido y eficiente posible para que el sistema no se caliente. ¿Qué tipo de proceso termodinámico estás intentando aprovechar en esta fase de refrigeración?. Un proceso isocórico, que mantendría el volumen constante, lo que permitiría la expansión necesaria para enfriar el gas y lograr el efecto deseado. Un proceso isobárico, en el que la presión se mantendría constante durante la expansión, lo que implicaría un intercambio de calor con el entorno. Un proceso adiabático, donde la expansión del gas ocurre sin transferencia de calor con el entorno, permitiendo que la energía interna del gas disminuya. Un proceso isotérmico, que mantendría la temperatura constante.

Trabajas en el departamento de control de calidad de una empresa que fabrica lentes de precisión para cámaras de seguridad de alta gama. Para la inspección, se utiliza un sistema óptico que proyecta un patrón de luz sobre la lente y analiza las distorsiones. Recientemente, un lote ha sido rechazado porque el patrón proyectado no tiene la nitidez esperada, mostrando un efecto de 'halo' alrededor de las franjas. Los técnicos sugieren que esto podría deberse a un fenómeno ondulatorio de la luz. ¿Cuál de los siguientes fenómenos ondulatorios es más probable que esté afectando la nitidez de la proyección en las lentes, y cómo se relaciona con el tamaño de las aberturas o componentes del sistema?. La difracción de la luz, que ocurre cuando la luz pasa a través de aberturas o bordes con dimensiones similares a su longitud de onda, provocando que se curve y se formen patrones de interferencia, reduciendo así la nitidez. La reflexión de la luz, que genera un efecto de brillo en la superficie de la lente, impidiendo la correcta visualización del patrón proyectado. La refracción de la luz, que al pasar por las lentes con diferentes índices de refracción para cada longitud de onda, dispersa el patrón de luz y lo vuelve borroso. La polarización de la luz, que al no estar alineada en una sola dirección, se dispersa en diferentes ángulos al atravesar la lente, disminuyendo la calidad del patrón.

En un proyecto para optimizar la eficiencia energética de un data center, se ha propuesto un sistema de enfriamiento que utiliza la compresión y expansión de un gas. Durante una de las fases del ciclo, el gas se expande lentamente para realizar trabajo sobre el entorno (mover un pistón), mientras se mantiene su temperatura constante. Para lograr esto, se debe permitir que el gas absorba calor del entorno. ¿Qué principio o proceso de la termodinámica describe la relación entre el calor que entra, el trabajo que sale y el estado interno del gas, y por qué es crucial para entender este proceso?. En un proceso adiabático el gas no intercambia calor con el entorno y mantiene constante su temperatura, lo que explica que el calor absorbido se convierta íntegramente en trabajo. El primer principio de la termodinámica, que establece que la variación de la energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre el calor absorbido y el trabajo realizado. El proceso isotérmico se caracteriza porque el gas no intercambia calor con el entorno, de modo que toda la variación de su energía interna se debe únicamente al trabajo realizado. El principio de conservación de la energía, afirmando que el calor absorbido por el gas se convierte íntegramente en trabajo mecánico para mover el pistón, sin afectar la temperatura o energía interna del gas.

Estás trabajando en un proyecto para desarrollar un nuevo tipo de pantalla LCD para dispositivos móviles. La calidad de la imagen depende crucialmente de la capacidad de los píxeles para manipular la luz. Para que los píxeles controlen el brillo, necesitan utilizar un tipo de filtro que aproveche una propiedad de las ondas luminosas. ¿Qué propiedad de la luz se manipula en las pantallas LCD para controlar la cantidad de luz que pasa por cada píxel, y cómo se logra este control?. La refracción, mediante la cual las lentes microscópicas en cada píxel desvían la luz en diferentes ángulos para controlar el brillo en la pantalla. La reflexión, utilizando espejos microscópicos en cada píxel que reflejan la luz para crear una imagen, controlando el brillo a través de la intensidad de la reflexión. La polarización, utilizando cristales líquidos que giran el plano de polarización de la luz. El brillo de cada píxel se controla variando la tensión eléctrica, lo que cambia la orientación de los cristales y, por lo tanto, la cantidad de luz polarizada que pasa por el filtro final. La difracción, ya que cada píxel actúa como una pequeña abertura que difracta la luz. El brillo se controla variando el tamaño de la abertura para que el patrón de difracción sea más o menos intenso.

En un entorno de fabricación de microchips, se utiliza un sistema de microscopía avanzado para inspeccionar las delicadas estructuras grabadas en los circuitos. Para este sistema, es crucial poder distinguir los detalles más pequeños posibles. El ingeniero de calidad te comenta que la resolución del microscopio está limitada por un principio de la física de ondas. ¿Qué fenómeno físico impone un límite fundamental a la capacidad de un microscopio para resolver los detalles más pequeños, incluso con lentes perfectas?. La ley de Snell, ya que la refracción de la luz a través de las diferentes lentes del microscopio introduce distorsiones que impiden una imagen perfectamente nítida. La reflexión difusa, que dispersa la luz al rebotar en las superficies rugosas del microchip, lo que emborrona la imagen y dificulta la detección de detalles finos. El principio de la polarización, que hace que la luz pierda parte de su energía y no pueda formar una imagen clara si las ondas no están correctamente alineadas con los ejes del microscopio. La difracción, ya que al pasar por la apertura del objetivo del microscopio, las ondas de luz se dispersan, lo que causa que los puntos de luz se vean como discos de difracción, y cuando estos discos se superponen, no se puede distinguir entre los detalles cercanos.

Estás desarrollando un sistema de comunicaciones inalámbricas por láser para un entorno industrial con muchos obstáculos, como maquinaria y paredes. El sistema necesita ser capaz de superar estos obstáculos sin perder la señal. Un colega te propone utilizar un modelo de 'rayos' para el diseño del sistema, argumentando que la luz siempre viaja en línea recta y es fácil de predecir. Sin embargo, tú sabes que, a la escala del láser, el modelo de 'rayos' tiene limitaciones. ¿Por qué es más apropiado considerar el modelo ondulatorio de la luz para diseñar este tipo de sistema de comunicaciones, en lugar del modelo de rayos propuesto por tu colega?. El modelo de rayos es obsoleto y ha sido completamente reemplazado por el modelo ondulatorio, que es la única descripción válida de la luz en la actualidad. El modelo de rayos es solo para espejos y lentes. Para las comunicaciones, se deben usar modelos cuánticos que describan a la luz como fotones, lo cual es más preciso y permite una mejor predicción de la señal. El modelo ondulatorio explica fenómenos como la difracción, que permite a las ondas de luz curvarse alrededor de los bordes de los obstáculos, una característica que el modelo de rayos ignora y que es clave para que la señal pueda rodear los obstáculos y llegar al receptor. El modelo ondulatorio describe la luz como una onda transversal, lo que es esencial para entender la polarización. Esta propiedad puede ser utilizada para modular la señal y evitar interferencias en el receptor.

En tu laboratorio, un sistema de comunicación por fibra óptica sufre una caída de rendimiento. Al revisar el equipo, descubres que la potencia de la señal en el receptor es mucho menor de lo esperado. Un análisis de la fibra revela que se ha doblado en un ángulo más agudo de lo permitido en el manual. ¿Qué fenómeno óptico, que es fundamental para el funcionamiento de la fibra, se ve comprometido por este doblez, y cómo afecta directamente la transmisión de la señal?. La reflexión total interna, ya que el ángulo de incidencia de los rayos de luz en la interfaz del núcleo y el revestimiento disminuye al doblar la fibra, cayendo por debajo del ángulo crítico y haciendo que la luz se 'escape' del núcleo, lo que causa una pérdida de señal. La refracción, ya que el doblez cambia el índice de refracción del revestimiento, lo que hace que la luz sea refractada hacia fuera del núcleo en lugar de ser confinada por el revestimiento. La difracción, ya que al doblarse la fibra, la luz se curva excesivamente y se dispersa en diferentes direcciones, impidiendo que llegue al receptor. La polarización, ya que el doblez de la fibra desalinea los pulsos de luz, haciendo que lleguen al receptor en un estado de polarización erróneo y no puedan ser interpretados correctamente.

En un laboratorio de ingeniería, estás calibrando un sensor óptico que utiliza la intensidad de la luz para medir la concentración de una solución química. Un compañero de trabajo sugiere que el rendimiento del sensor podría estar limitado por una ley que describe cómo la luz es absorbida por el medio. ¿Qué ley de la física, que relaciona la intensidad de la luz con la concentración de un medio, es la más relevante para el funcionamiento de este sensor?. El primer principio de la termodinámica, ya que la energía luminosa se convierte en calor al ser absorbida por la solución, y el cambio de temperatura puede ser medido para determinar la concentración. La ley de Snell, ya que la luz cambia de dirección al pasar por la solución, y el ángulo de refracción se relaciona con la concentración del medio. La ley de reflexión, ya que la luz se refleja en las partículas de la solución, y la intensidad de la luz reflejada es una medida de la concentración. La ley de Beer-Lambert, que establece que la intensidad de la luz transmitida a través de una solución disminuye de manera exponencial con la concentración y la longitud de la trayectoria de la luz, lo que permite medir la concentración de la solución en función de la absorción de la luz.

Eres parte de un equipo de ingenieros que diseña un sistema de transmisión de datos para una granja de servidores. Para minimizar las interferencias electromagnéticas y asegurar la máxima velocidad de transmisión, se ha decidido utilizar fibra óptica. Sin embargo, un técnico novato cuestiona la elección, argumentando que la luz viaja en línea recta y no podría seguir el trazado curvilíneo del cableado. Tu tarea es explicarle el principio físico fundamental que desmiente su preocupación y que permite a la luz viajar a través de la fibra sin "escaparse". ¿qué fenómeno físico es el que garantiza la eficiencia de la transmisión en la fibra óptica?. La difracción de la luz, que permite a las ondas luminosas curvarse alrededor de los obstáculos dentro del núcleo de la fibra. La polarización de la luz, que alinea las ondas luminosas en una sola dirección, lo que reduce la dispersión y permite que se muevan a través de la fibra de manera más directa. La reflexión total interna, un fenómeno que ocurre al pasar la luz de un medio con mayor índice de refracción (núcleo) a uno con menor índice (revestimiento) con un ángulo superior al crítico, manteniendo la luz confinada. La refracción de la luz a través de un gradiente de índice de refracción, que enfoca la luz continuamente hacia el centro del núcleo.

En el contexto del diseño de un sensor óptico de proximidad para un sistema de robótica, un ingeniero plantea un desafío: la luz emitida por el sensor y la que regresa al detector a menudo se ve afectada por una señal de interferencia causada por fuentes de luz externas en el ambiente. Para resolver esto, el ingeniero propone utilizar la polarización como mecanismo para filtrar la luz no deseada. ¿Qué propiedad específica de la luz polarizada linealmente permitiría al sensor distinguir y bloquear eficazmente las fuentes de luz externas no polarizadas?. La luz polarizada tiene una longitud de onda más corta, lo que le permite ser más precisa y evitar la interferencia de fuentes de luz no polarizadas que tienen longitudes de onda más largas. La luz polarizada es más rápida que la no polarizada, por lo que el sensor puede distinguir la señal deseada de la interferencia por el tiempo de llegada. La capacidad de la luz polarizada para curvarse alrededor de los obstáculos, evitando así las fuentes de luz no deseadas. La luz no polarizada tiene su campo eléctrico oscilando en todas las direcciones, mientras que la luz polarizada linealmente oscila en una sola dirección.

En la inspección final de una línea de producción de componentes electrónicos, se utiliza un sistema óptico para detectar burbujas de aire dentro de una capa de polímero transparente. Para ello, se proyecta un haz de luz sobre el componente. El haz atraviesa el polímetro, pero cuando encuentra una burbuja de aire, un porcentaje significativo de la luz se desvía en una dirección inesperada. ¿Qué fenómeno físico esta ocurriendo en la interfaz entre el polímetro y la burbuja de aire, y por que es fundamental para la detección?. La reflexión especular, porque el aire y el polímero tienen superficies lisas, y la luz rebota en la burbuja como si fuera un espejo, lo que permite detectarla. La difracción, porque la burbuja de aire actúa como una pequeña abertura que dispersa la luz en diferentes direcciones, creando un patrón de difracción que el detector puede reconocer. C) La polarización, porque la burbuja de aire cambia el estado de polarización de la luz que atraviesa, lo que es detectado por un sensor sensible a la polarización. D) La refracción, porque el haz de luz cambia de medio (del polímetro al aire) con un índice de refracción diferente, desviando la trayectoria de la luz según la ley de Snell. Esta desviación es lo que el sensor utiliza para identificar la presencia de la burbuja.