Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 60)
Gurriarán, Alberto; Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Hacar, Fernando; Ingeniero Técnico de Obras Públicas

Se estudian aspectos relacionados con la Óptica aplicada en algunos elementos muy frecuentes en las obras civiles. La señalización de carreteras con la incorporación de microesferas de vidrio, los captafaros, las balizas y otros elementos reflectantes, la fibra óptica, etc., en todos esos elementos la Óptica Geométrica facilita una aproximación para comprender cómo funcionan.

Se detiene el estudio un poco más en el análisis de la formación del arco iris según el modelo cartesiano pues será el punto de partida para el estudio en detalle de la visibilidad nocturna de las marcas viales cuando se le incorporan microesferas de vidrio para favorecer la retrorreflexión.

En la segunda parte de este artículo se estudia en detalle la óptica de las microesferas de vidrio empleadas en las marcas viales, analizando la influencia del índice de refracción de las mismas, del hundimiento de éstas en la pintura, así como la retrorreflexión que producen según la distancia al observador (conductor).

1.Notas de óptica elemental

La Óptica es la parte de la física que tiene por objeto el estudio de los fenómenos debidos a la luz o parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano, es decir, el agente físico que impresiona nuestra vista y nos permite ver los objetos.

La suposición de que cada punto de un objeto luminoso -o iluminado- emite rayos rectos de luz en todas direcciones es la hipótesis principal de la teoría de la luz que se llama Óptica geométrica: las trayectorias de esos rayos son ortogonales a los frentes de onda de la teoría ondulatoria.

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Hipótesis básica de la “Óptica geométrica”: Cada punto de un objeto luminoso emite rayos rectos de luz en todas direcciones.
Si la mirada se dirige en dirección perpendicular a las zonas de perturbación se estimula el sentido de la vista. En las ondas esféricas esta dirección coincide con un radio de la esfera.

En esta teoría la naturaleza de los rayos luminosos no se cuestiona, ni siquiera es importante. El propósito es entender lo que ocurre a los rayos emitidos por los objetos, y como para esto solamente es necesario aplicar conocimientos de geometría, el nombre de la teoría es Óptica geométrica.

Nuestro estudio prácticamente no rebasará los límites de la óptica geométrica, límites que se justifican en los libros de electromagnetismo².

1.1.Reflexión de luz

Este es uno de los fenómenos ópticos más sencillos (en su explicación elemental). Cuando la luz (o un rayo luminoso) incide sobre un cuerpo, éste retine unos instantes su energía y a continuación la devuelve al medio en mayor o menor proporción, de manera que en superficies ópticamente lisas, debido a interferencias destructivas, la mayor parte de la radiación se pierde, excepto la que se propaga con el mismo ángulo que incidió. Este fenómeno se llama reflexión y gracias a él podemos ver los objetos no luminosos por sí mismos.

Las leyes de la reflexión fueron descubiertas experimentalmente por Snell (o Snellius) y dicen:

  • El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal (la perpendicular N al espejo en el punto de incidencia) se encuentran en el mismo plano.
  • El ángulo de incidencia (i) es igual al ángulo de reflexión (r) para todas las longitudes de onda.
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Ángulo de incidencia=Ángulo de reflexión.

1.2.Retrorreflexión

La retrorreflexión es la capacidad que tienen algunas superficies que por su estructura pueden reflejar la luz de vuelta hacia la fuente, sin que importe el ángulo de incidencia original. Este comportamiento se puede observar en un espejo plano únicamente cuando éste se encuentra perpendicular a la fuente, es decir, cuando el ángulo de incidencia es igual a 90°.

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Principio de funcionamiento de un “reflector esquinero”.

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Esquema de funcionamiento de un catadióptrico cuando el vehículo delantero se encuentra con las luces apagadas.

Un retrorreflector simple es la esquina truncada de un cubo macizo hecho de un material transparente como el vidrio óptico convencional (reflexión interna total), o colocando tres espejos planos perpendiculares entre sí (triedro trirrectángulo, espejo triple, etc.). Son los llamados reflectores esquineros o de esquina de cubo.

1.3.Refracción de la luz

Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro con distinta velocidad de propagación (por ejemplo aire→agua o aire→vidrio) cambia la dirección de los rayos.

Se conoce como índice refracción de un cuerpo a la relación entre la velocidad de propagación de la onda en el vacío (c) y su velocidad en el medio del que se trate:

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La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal exactamente igual a c=299792,458 m/s (se acostumbra aproximar a 3·108 m/s). Para los materiales y las frecuencias que emplearemos en nuestro estudio, como la velocidad de la luz es mayor en el vacío que en dichos cuerpos, el índice de refracción será en nuestros casos mayor que la unidad (no siempre sucede así, e incluso puede haber materiales con índices negativos, los llamados “Negative Index Metamaterials, NIM³ para frecuencias del espectro electromagnético de microondas e infrarroja).

Las leyes de la refracción de Snell dicen:

– El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.
– Los senos de los ángulos de incidencia (i) y refracción (r) son proporcionales a la velocidad de propagación en los dos medios:

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que también puede escribirse:

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Refracción.

El índice de refracción (n) de un cuerpo depende de la longitud de onda (λ) de la luz incidente. Por ejemplo, para el agua a 20 ºC se tienen los valores promedio señalados en el siguiente cuadro (valores que adoptamos para los cálculos del arco iris que seguidamente veremos).

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Haciendo pasar la luz blanca del Sol a través de un prisma, Isaac Newton (1642-1727) demostró que la luz está formada por diferentes colores, de ahí los 7 colores tradicionalmente considerados: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta. Precisamente el que los rayos de luz de longitudes de onda (λ) diferentes se desvíen según ángulos ligeramente diferentes es la explicación de la formación del arco iris.

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Isaac Newton (1642-1727) “Destejiendo el arco iris”.

Algunos grandes poetas se sintieron perturbados por el hecho de que Newton hubiera destejido la luz, el arco iris. John Keats⁴ consideraba que Newton había destruido toda la poesía del arco iris al reducirlo a los colores prismáticos.

2.Arco iris

Más adelante se estudia la visibilidad nocturna de la señalización horizontal y se realiza una aproximación al comportamiento de las microesferas de vidrio que frecuentemente se emplean con el propósito de mejorar su visibilidad en determinadas condiciones (de noche, con lluvia, etc.). El estudio de la formación del arco iris por las gotas de agua es una introducción interesante para comprender el funcionamiento de dichas microesferas de vidrio en las marcas viales.

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Rayos incidentes (con ángulo sobre la horizontal θF) sobre una microesfera.

En este apartado se expone en primer lugar el comportamiento óptico de unos elementos que designamos como microesferas, y que bien pueden ser las gotas de agua que en ciertas condiciones pueden formar el arco iris, aspecto éste que se estudia al final de éste apartado.

2.1.Estudio con un modelo en 2D

El haz de los rayos del Sol (o en su caso los faros de un vehículo) iluminan la gota de agua analizada con rayos paralelos cubriendo toda la superficie expuesta de la gota. La figura esquematiza este aspecto en tres dimensiones.

En nuestro estudio se considerará que se trata de un problema en dos dimensiones, trabajando en el plano vertical en el que se encuentra el observador, el foco y el eje vertical de la microesfera.

2.2.Ángulos de reflexión y refracción. Desviación de los rayos transmitidos y reflejados

Siendo los índices de refracción del aire nₐ y de la microesfera nₑ, según las Leyes de Snell, para un rayo con ángulo de incidencia θi, los ángulos de reflexión y de refracción son:

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En la figura superior siguiente se representa el rayo incidente Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio, el reflejado en la superficie exterior Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio y el que, por refracción, es transmitido al interior de la microesfera Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio. Éste rayo transmitido incidirá en el punto B, y, desde ese punto se refractará saliendo de la microesfera (rayo no dibujado), e igualmente se refleja (1ª reflexión interna en el punto B) según Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio. Del mismo modo, el rayo que llega al punto C sale al exterior refractado según Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio y, según la figura inferior siguiente, vuelve a reflejarse (2ª reflexión interna en el punto C) según Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio. En el punto D el rayo se refracta saliendo al exterior según Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio, y se refleja (3ª reflexión interna: ese rayo reflejado no se representa en la figura).

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Desviación de los rayos incidentes por reflexión (rayo R) y por transmisión después de 1 reflexión interna (rayo T1).

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Desviación de los rayos incidentes por reflexión (rayo R) y por transmisión después de 2 reflexiones internas (rayo T2).

El rayo incidente Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio, al ir refractándose y reflejándose pierde energía, se debilita, de forma que la intensidad de los rayos tras 3 reflexiones internas es prácticamente nula. En el estudio de arco iris los rayos Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio y Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio dan lugar al arco iris primario y arco iris secundario, respectivamente. Éste segundo es mucho más débil que el primario por lo que no siempre puede verse.

La desviación angular del rayo incidente Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio debida a las refracciones y reflexiones puede calcularse con las Leyes de Snell. De esa manera la desviación angular de los rayos transmitidos al exterior de la microesfera para el caso general de Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio reflexiones internas es:

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

2.3.Intensidad de la luz reflejada y transmitida según Fresnel

Por las ecuaciones de Fresnel sabemos que cuando un rayo luminoso no polarizado, que expresamos como I┼║, que se propaga en un medio con índice de refracción n₁ (aire por ejemplo) incide sobre la superficie de otro medio con índice de refracción (gota de agua o cristal de una microesfera), una parte de la luz se refleja en la superficie R┼║ y otra se transmite al interior T┼║, expresándose ambas fracciones de la intensidad de luz (la intensidad se define como la media temporal de la energía radiada por unidad de tiempo y de superficie) transmitida y reflejada según:

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Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

Siendo:

Luz polarizada perpendicular ┼ : suponemos despreciable la absorción del material.

Luz polarizada paralela ║ : suponemos despreciable la absorción del material).

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio=Ángulo de incidencia contra la cara exterior de la esfera.

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio=Ángulo de refracción de los rayos que se transmiten por refracción al interior de la esfera.

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

En una microesfera obtenemos para cada rayo incidente de intensidad I┼║ (rayos incidentes definidos por el ángulo de incidencia Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio y por la altura de impacto contra la microesfera Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio) el porcentaje respecto a la intensidad incidente de las intensidades reflejadas y transmitidas en los puntos A, C y D. En las siguientes figuras sólo se han representado los rayos que “escapan” de la microesfera, y no se representa el que escapa en el punto B pues éste rayo quedará siempre oculto al observador.

2.4.Arco iris formado por gotas de agua

Al incidir un rayo de la luz del Sol en una gota de agua (Punto A) se produce, además de una reflexión en la cara externa de la gota, la refracción de los rayos que se transmiten dentro de misma. Al producirse esa refracción los rayos de luz, con diferentes longitudes de onda, cambian de velocidad y se desvían. Esos rayos dentro de la gota se reflejan (Punto B) en la cara interna de ésta (además de aquellos otros que se transmiten al exterior refractándose de nuevo) y se vuelven a refractar al salir al aire (Punto C).

Los dos gráficos siguientes ilustran la formación del arco iris primario y secundario generados por la concentración de rayos que escapan de la gota:

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Formación del arco iris primario por las gotas de agua. Arco iris primario.

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

Formación del arco iris secundario por las gotas de agua. Arco iris secundario.

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Ángulos de Observación del arco iris primario y secundario.

El Sol ha de quedar a espaldas del observador y los rayos que llegan a la gota se suponen paraxiales.

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Arco iris primario y secundario.

  • Para los colores (longitud de onda λ) que hemos indicado, el ángulo de observación respecto a la horizontal en el que se verá el arco iris primario es Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio42º, la diferencia angular entre los colores extremos del arco -rojo y violeta- es de (42,456º-40,730º)=1,73º (mayor el rojo).
  • En el caso del arco iris secundario (que, como hemos dicho, se origina tras dos reflexiones en puntos del interior de la gota) el orden de los colores que se observan son los opuestos al arco iris primario. El ángulo de observación respecto a la horizontal en el que se verá el arco iris secundario es Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio51º, la diferencia angular entre los colores extremos del arco (rojo y violeta) es de (53,326º-50,210º)=3,12º (mayor el violeta).

Como ya hemos indicado, el ángulo de desviación del rayo incidente es:

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Es interesante observar que en la gota de agua (ne=1,3339) los rayos que conforman el arco iris primario son los que escapan por la parte inferior de ésta. En el arco iris secundario lo conforman los que escapan ligeramente por debajo de la mitad superior de ésta.

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Aire n=1,0002926, Agua n=1,3339.
Ángulos de desviación de los Rayos Transmitidos T1 y T2 / Altura de escape.

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Aire n=1,0002926, Agua n=1,3339.
Rayos correspondientes al arco iris primario y secundario.

2.5.Arcos supernumerarios

Hasta ahora hemos aplicado las herramientas propias de la Óptica geométrica y así hemos visto la marcha de los rayos del Sol incidiendo y saliendo por las gotas de agua. Según las ecuaciones de Fresnel podríamos calcular las intensidades reflejadas o transmitidas sumando las de cada uno de los rayos que salgan de la gota.

Pero según la teoría ondulatoria, los rayos que salen de la gota podrán interferirse (interferencia estudiada por Young en 1803⁵: el conocido experimento del haz de luz incidiendo sobre una superficie con dos rendijas), mostrando unas series de bandas alternativamente brillantes (interferencia constructiva) y oscuras (interferencia destructiva). Son los llamados Arcos supernumerarios (Supernumerary Arcs) que aparecen en el lado interno del arco iris primario.

Los arcos supernumerarios se forman por la interferencia entre dos porciones diferentes de la misma onda de luz. En la figura se muestra un único tren de ondas paralelas incidente sobre la gota, observamos cómo ese frente de ondas se refleja internamente y se refracta, generando –muy próximas al arco iris primario- una alternancia de bandas de colores más intensos con otras más oscuras.

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

Arco iris primario y supernumerarios.
(Lee, Raymond L.; Fraser, Alistair B.)

Como se ha dicho, eso se produce en la región interna del arco iris (o región iluminada) y muy cerca del valor correspondiente al ángulo de dicho arco iris primario. Dichas ondas luminosas coherentes (es decir, longitud de onda, frecuencia y amplitudes iguales) habrán recorrido diferentes longitudes ( y ) por dentro de la gota y en su salida se interferirán, dando lugar a interferencias constructivas o a interferencias destructivas. Si las gotas son muy pequeñas los recorridos de ambas ondas serán muy parecidos y las interferencias serán constructivas y serán visibles los arcos supernumerarios . En gotas grandes se distinguirán peor dichos arcos (en gotas superiores a 1 mm son casi imposibles de distinguir).

Pero la teoría ondulatoria de la luz según Young no explicaba la transición suave de la luz en la zona oscura de Alejandro, (nombre en honor al filósofo griego Alejandro de Afrodisias, aproximadamente año 200 d.C.), entre los arcos iris primario y secundario. Fue Airy quien en 1838 (y ampliado en 1849), introduciendo la difracción, logró el modelo matemático que explica el arco iris y esa zona oscura.

En el gráfico adjunto (tomado del estudio de Nussenzveig) se indican los resultados según las diferentes teorías señaladas: Descartes, Young y Airy. Recuérdese que se trata de ángulos de desviación muy próximos al del arco iris primario.

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

Arco iris primario.
Ángulo de desviación de los rayos incidentes/Intensidad de la luz transmitida.
(Nussenzveig, Herch Moysés. 1996)

A diferencia de lo que sucede con las microesferas de vidrio parcialmente hundidas en la pintura de las marcas viales, las gotas de agua se encuentran al aire y transmiten los rayos en todas direcciones: algunos de dichos rayos son los que hemos visto que conforman el arco iris primario, secundario o los supernumerarios, éstos últimos tras interferencia y difracciones.

Para microesferas de vidrio de índices de refracción n=1,5–1,7-1,9 y hundida en la pintura el B=40% del diámetro, los rayos que pudieran conformar el arco iris quedarán embebidos en la marca vial, y, como consecuencia, en los cálculos de las intensidades transmitidas los fenómenos de interferencia y difracción serán menos significativos, sino nulos.

3.Marcas viales

3.1.Definición

Una marca vial -o marca sobre el pavimento- es una guía óptica, reflectorizada o no, situada sobre la superficie de la calzada, formando líneas o signos, con fines informativos y reguladores del tráfico que pueden ser percibidas por el conductor a una distancia tal como para que tenga tiempo suficiente de percepción y reacción (más adelante se estudia la distancia necesaria de visibilidad de las marcas viales), y ello tanto en condiciones de iluminación diurna como en condiciones de iluminación nocturna, bajo los faros de su propio vehículo.

Normalmente las marcas viales se construyen in-situ mediante la aplicación directa sobre la calzada de una película de un material base (pinturas, termoplásticos, plásticos en frío con o sin microesferas de vidrio de premezclado) y/o materiales de post-mezclado.

También pueden utilizarse para su construcción marcas viales prefabricadas, cintas . Algunos modelos de cintas emplean esferas cerámicas resistentes a la abrasión y partículas antideslizamiento incrustadas en una capa superior de poliuretano de alta durabilidad.

3.2.Funciones de las marcas viales

Las marcas viales, son uno de los factores más importantes que inciden en la seguridad vial, especialmente en condiciones con niebla o lluvia y su fin inmediato es el de aumentar la seguridad, eficacia y comodidad de la circulación, por lo que es necesario que se tengan en cuenta en cualquier actuación vial como parte integrante del Proyecto, y no como un mero añadido posterior.

Esta función prevista para las marcas viales está relacionada con las necesidades visuales de los conductores, es decir, con la distancia de visibilidad, la que se consigue mediante la conjugación proporcionada de su geometría (anchos y modulaciones de líneas) y sus características fotométricas (retrorreflexión, color y factor de luminancia), todas las cuales, junto a la resistencia al deslizamiento definen el nivel de servicio mínimo que deben mantener las marcas viales.

Por lo tanto, las carreteras deben dotarse de aquellos elementos que, sobre todo en condiciones de conducción nocturna, proporcionen una información visual a la mayor distancia y con la mayor claridad posible. En este sentido, las marcas viales longitudinales que acompañan continuamente a la carretera constituyen el elemento que mayor contraste ofrece sobre ella, siendo, en muchas circunstancias, más visibles al conductor que ella misma.

3.3.Propiedades de las marcas viales

Las marcas viales, junto a los captafaros, constituyen los instrumentos para la señalización horizontal. La mayor parte de las marcas viales son de color blanco o amarillo, aunque en casos especiales pueden emplearse otros colores.

Entre las exigencias más destacadas que han de cumplir las marcas viales son la resistencia al deslizamiento SRT, Skid Resistance Tester y el RL coeficiente de retrorreflexión. De éste último aspecto nos ocupamos en las siguientes páginas.

Cuando existe una macro-textura superficial, el paso de ruedas puede producir, además, efectos acústicos o vibratorios (marcas sonoras).

Las marcas viales con resaltes facilitan la visibilidad nocturna de las marcas sobre pavimento mojado gracias a que las bandas transversales emergen de la película de agua. Además producen una señal audible y una vibración cuando se circula sobre las mismas.

4.Microesferas de vidrio en marcas viales

4.1.Incorporación de microesferas de vidrio en las marcas viales

Con el propósito de que las marcas viales sean visibles de noche o/y con malas condiciones de visibilidad se incorporan microesferas de vidrio sobre la superficie de la pintura en el momento de la aplicación, además de las que puedan ya venir premezcladas con la pintura.

Entre otros aspectos, cada tipo de microesferas se diferencia en su distribución granulométrica y en su tratamiento superficial. Son estos dos parámetros los que determinan en gran medida el nivel de retrorreflexión de la marca vial. La granulometría se determina de acuerdo con el espesor de la pintura. El tratamiento superficial de las microesferas es fundamental para ajustar el grado de inmersión de éstas en la pintura y favorecer su adherencia durante más tiempo.

Las sustancias transparentes como el vidrio de las microesferas reflejan parte de la luz incidente en una dirección fija de acuerdo a las leyes de la reflexión. Si tales sustancias incoloras se encuentran en forma de pequeños gránulos (gránulos de mayor tamaño que la longitud de onda de la luz) la sustancia se ve blanca. La luz blanca incidente es parcialmente reflejada en muchas direcciones, dependiendo de la orientación de las superficies del gránulo.

La luz que proviene de los faros también se refracta al penetrar en el interior de los gránulos, siendo nuevamente reflejada en las superficies interiores de éstos, y tras otra nueva refracción puede regresar a los ojos del observador desde varias direcciones, es decir, se retrorrefleja. Puesto que ninguno de estos procesos discrimina color, la luz que regresa será blanca y difusa.

En los pavimentos con lluvia las microesferas podrán sobresalir sobre la lámina de agua y favorecer la visión de la pintura por retrorreflexión. En el esquema adjunto se representa una microesfera embebida en la pintura en un pavimento seco y en un pavimento cubierto por una lámina de agua de espesor tal que cubre sólo parcialmente a la microesfera. Observamos que los rayos que sean devueltos por la microesfera (por ahora no consideramos los rayos directamente reflejados en la superficie de la microesfera) quedarán, parte “atrapados” en la propia pintura, y otra parte más “atrapados” por la lámina de agua en el caso de pavimento mojado. Esos rayos que escapan de la pintura y quedan “atrapados” (indicados en color verde a trazos) no podrán tomar parte en la retrorreflexión de la marca vial.

Si la microesfera quedase totalmente cubierta por agua los rayos incidentes no la alcanzarían, así como todos los rayos devueltos (si los hubiera) por ésta quedarían atrapados.

El estudio óptico en detalle del funcionamiento de las microesferas en la pintura es complejo. Además, y como es obvio, han de tenerse en cuenta aspectos propios de las técnicas de colocación de la pintura, así como las propias características de dichas microesferas. En este estudio no se considera la diferente casuística relativa a la ubicación en detalle de las microesferas en la pintura, la diferente granulometría, las imperfecciones de la microesfera (impurezas y burbujas internas, ovalización, etc.), el efecto de los recubrimientos superficiales, etc¹⁴.

4.2.Índice de refracción y granulometría

Según sea el índice de refracción (n) las microesferas de cristal que se utilizan con cierta frecuencia en la señalización horizontal se clasifican en:

  • Clase A: n ≥ 1,5
  • Clase B: n ≥ 1,7
  • Clase C: n ≥ 1,9

La mayoría de las microesferas empleadas en carreteras tienen un índice de refracción (índice obtenido según un método de ensayo específico ) entre 1,50 y 1,55, frecuentemente fabricadas a partir de cristales de ventanas de vidrio reciclado. Las microesferas con índices de refracción más altos, 1,65 y 1,90, están fabricadas partiendo de vidrio virgen y tienen una composición química diferente. Las de mayores índices de refracción no se utilizan con frecuencia porque son más caras y pueden resultar algo menos duraderas que las de 1,50-1,55. En ocasiones se emplean mezclas con microesferas de índices de refracción mayores y menores.

Las granulometrías pueden ser muy diversas, atendiendo a los requisitos de cada caso . Normalmente los diámetros están comprendidos entre 0,6 y hasta 1,7 mm. Como requisitos generales pueden apuntarse los dos siguientes:

– Las microesferas más gruesas (0,600 a 1,200 mm y mayores, con dosificación de 720 g/m2) deben conservar una parte importante emergente.
– Las más finas (< 0,500 mm) deben jugar bien el papel de esferas premezcladas, si hay buena humectación (llegando a ser útiles progresivamente, gracias al desgaste del producto) o bien permanecer en la superficie, y en este caso, merced a su menor diámetro, ser menos sensibles a la acción de los neumáticos.

En el cuadro siguiente se muestra una distribución de microesferas del Departamento de Transportes de Texas (EE.UU.), así como la figura se corresponde a la granulometría designada como Tipo III.

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

Típica distribución para microesferas
(Tipo III: son de una gradación más grande y se utilizan por su capacidad de proporcionar retrorreflexión bajo condiciones desfavorables.).

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

4.3.Visibilidad de las marcas viales

4.3.1.Visibilidad diurna

La visibilidad diurna se consigue mediante la aplicación de productos que presenten un adecuado contraste con el pavimento sobre el que están colocados. El contraste se logra por diferencias entre colores o luminancias (es decir, la parte de luz reflejada por un cuerpo que llega al ojo) entre un elemento del campo visual y el resto. Mientras mayor sea mejor lo veremos, más detalles distinguiremos y menos fatigaremos la vista. Una buena iluminación ayudará mucho y puede llegar a compensar bajos contrastes en colores aumentando la luminancia.

En señalización horizontal se define:

  • Relación de contraste de noche (Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio):

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

  • Relación de contraste de día (Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio):

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

4.3.2.Visibilidad nocturna Retrorreflexión

Por la noche, el conductor con sus faros encendidos, ve la señalización horizontal merced a la luz que es retrorreflejada. Las luces de carretera tienen un gran alcance e iluminan todo el camino al frente del vehículo, incluyendo el carril por donde circulan los vehículos en sentido contrario. Las luces de cruce enfocan más en el borde lateral derecho del carril, produciendo una zona de sombra bien marcada en el carril contrario para evitar el deslumbramiento del otro conductor.

La visibilidad nocturna se consigue por retrorreflexión mediante la adición normalmente de microesferas de vidrio a los materiales a aplicar, las que se incorporan bien a través del mismo material (premezclado), bien por post-mezclado o por los dos.

Las marcas viales blancas con microesferas de vidrio alcanzan valores del coeficiente de luminancia retrorreflejada (RL) entre 300 y 400 (mcd/m2)/lx. Ese valor puede llegar a duplicarse al emplear microesferas con alto índice de refracción. Por el desgaste producido por los neumáticos y por acciones climatológicas, ese valor desciende significativamente, considerándose un mínimo absoluto admisible de 100 (mcd/m2)/lx. En el caso de las marcas amarillas ese valor de RL es el 20% inferior.

En señalización horizontal se define el Coeficiente de luminancia retrorreflejada (RL) o retrorreflexión de una marca vial según:

Óptica elemental. Señalización horizontal. Microesferas de vidrio

Siendo:

L =Luminancia de una sección del campo sometida a una iluminación procedente de una fuente individual situada de tal forma que la luz que emite incide con un ángulo (medido con respecto a la superficie de la cual se va a determinar la luminancia) muy pequeño (mcd/m2).

EL =Iluminancia o iluminación creada por la fuente de luz (sobre la sección considerada) en un plano perpendicular a la dirección de iluminación (lx).

R=Coeficiente de luminancia retrorreflejada o retrorreflexión de una marca vial ((mcd/m2)/lx).

Los equipos para la evaluación dinámica de las visibilidades -diurnas y nocturnas- de las marcas viales miden en un solo barrido las luminancias de dichas marcas por medio de la retrorreflexión. Con esas luminancias obtenemos los parámetros que interesan: el coeficiente de luminancia retrorreflejada (RL), y los contrastes diurno (CD) y nocturno (CN).

 

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