RSS

Archivo de la categoría: Dispersión

Física del Arco Iris

Después de mucho tiempo alejado de la Física (por motivos laborales y a pesar de lo que me gusta), he decidido ponerme a refrescar un poco mis olvidados pocos conocimientos y la mejor forma para empezar a hacerlo, he pensado que era leyendo libros de divulgación sobre los temas más atractivos o controvertidos.

En los últimos días he adquirido unos pocos libros que están ahora “de moda” en las librerías. Entre ellos, uno de los que más me atrajo desde el principio, ha sido uno de un prestigioso profesor de Física del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), cuyas clases de física se han convertido en grandes éxitos en Youtube debido a la pasión que las pone y las demostraciones que hace en sus propias clases. Para el que todavía no sepa quien es,..su nombre es Walter Lewin y el libro al que me refiero es: “Por amor a la Física”.

IMG_20141130_201027

En este libro se explican cosas curiosas como por qué medimos más tumbados que de pie, como funciona una pajita de beber o que relación tiene el tamaño del fémur con la masa de un mamífero. Pero, sin duda, el tema que más me ha gustado ha sido el que da título a esta entrada.

UN POCO DE HISTORIA:

El arco iris, en la mitología antigua, eran llamados el arco de los dioses, y se consideraba el puento o camino entre las moradas de los mortales y las de los dioses.

El primero que trató de explicar racionalmente la aparición del Arco iris fue Aristóteles, proponiendo que era una clase especial de reflexión de la luz solar por las nubes. En 1266 Roger Bacon midió por primera vez el ángulo que forman los rayos del arco iris y la luz solar incidente, obteniendo un resultado de 42º. En 1304 el monje alemán Teodorico de Freiberg rechazó la hipótesis aristotélica de que el arco iris resultase de la reflexión colectiva por las gotas de agua con una nube, proponiendo en cambio que cada gota individual era capaz de producir un arco iris, comprobándolo mediantes experimentos realizados con una gota aumentada.

Tres siglos más tardes, Descartes, redescubrió lo que había había dicho Teodorico siguiendo el mismo método. Ambos comprendieron que todos los rasgos fundamentales del arco iris pueden ser explicados examinando la luz que pasa por una gota única.

En 1666 Newton, con sus experimentos sobre prismas, explicó unas de las características más visibles del arco iris: los colores. Dichos experimentos, demostraron, no solamente que la luz blanca es una mezcla de colores, sino también, que el índice de refracción difiere para cada color, efecto llamado dispersión.

DispersionLuz

Partiendo de sus mediciones, Newton, en su obra Opticks de 1704 calculó que el ángulo de arco iris es de 137º58′ para la luz roja y de 139º43′ para la luz violeta (hay que darse cuenta, que hoy en día, se acostumbra a medir esos ángulos en la dirección opuesta a la que lo hizo Bacon en 1266, atendiendo al cambio de dirección de los rayos de sol procedentes del Sol.

FÍSICA:

El arco iris en el cielo es una colaboración exitosa entre el Sol, una infinidad de gotas de lluvia y tus ojos observando esas gotas justo desde los ángulos apropiados. Recuerda, que todo lo que voy a contar para una sóla gota de lluvia se aplica a innumerables gotas que componen el arco iris. Por lo tanto, para poder ver un arco iris siempre se deben de cumplir tres condiciones:

1) El Sol debe estar a tu espalda.
2) Tiene que haber gotas de lluvia en el cielo delante de ti (pueden ser kilómetros o centenares de metros)
3) La luz debe llegar a las gotas de lluvia sin obstáculos, es decir, sin nubes.

Cómo hemos dicho anteriormente, cuando un rayo de luz penetra en una gota de agua, al igual que lo hace en un prisma, se refracta, es decir, se separa o desvía en todos los colores que componen la luz. Por orden del que menos se refracta al que más sería:

Colores

1) Rojo: de 625 a 740 nm
2) Naranja: de 590 a 625 nm
3) Amarillo: de 565 a 590 nm
4) Verde: de 520 a 565 nm
5) Azul: de 450 a 500 nm
6) Añil: de 430 a 450 nm
7) Violeta: de 380 a 430 nm

Admitiendo que las gotas de lluvía sean esféricas, todos estos rayos de colores continúan su camino por el interior de la gota de lluvía. Parte de la luz sale de la gota de lluvia, pero otra parte se refleja (rebota). De hecho, parte de la luz, se refleja más de una vez. Cuando la luz sale por la parte anterior de la gota, parte de ella se refracta de nuevo, separándose aún más en los diferentes rayos de colores.

Una vez que estos rayos de luz se refractan, se reflejan y vuelven a refractarse cuando salen de la gota de lluvia, llevan, prácticamente, la dirección opuesta a la inicial.

Refracciones_reflexiones_en_una_gota

Para que veamos el arco iris, el ángulo que forma la luz roja al salir de la gota nunca supere los 42º respecto a la dirección original de la luz que entra en ella.

RaiN BoW

Todo esto sucederá para todas las gotas, ya que, para efectos prácticos, el Sol se encuentra a una distancia infinita.

Por otro lado, como se ha visto en el gráfico anterior, algunos de los rayos que penetran en la gota, se reflejan una sola vez, pero, sin embargo, hay otros que lo hacen dos veces antes de salir. Esto es lo que se llama arco iris doble. Realmente, casi siempre hay dos arco iris en el cielo: el llamado arco primario y el arco secundario.

Este arco iris secundario es mucho más tenue que el primario y si has podido verlo y te fijas, el orden de los colores de este arco secundario están invertidos respecto al primario, debido al rebote adicional dentro de la gota.

Ya para finalizar, os muestro unas imágenes de un arco iris tomada desde la ventana de mi casa. Sé que las hay mejores, más bonitas y más nítidas, pero estas las he hecho yo con mi cámara y me apetecía ponerlas :-P. En la segunda, se puede apreciar el arco iris secundario.

IMG_20140402_193535

IMG_20140402_193550

Os dejo también un vídeo de la clase del citado profesor Walter Lewin en la que explica todo esto del arco iris y más(eso sí,..está en inglés 😦 ).

Hasta pronto!!.

BIBLIOGRAFÍA:

* “Por amor a la física”, Walter Lewing con Warren Goldstein.

* Dispersión de la Luz

* Teoría del Arco Iris

* Video clase de Walter Lewin sobre el Arco Iris (en inglés)

* érase una vez Niels H. Abel y Evariste Galois

Anuncios