Arc de Sant Martí: ara el veig… ara no el veig

Tothom ha gaudit alguna vegada de la visió de l’Arc de Sant Martí i si som una mica “frikis” de la ciència haurem observat alguns detalls interessants:

  • Sempre l’observarem quan estem d’esquena al Sol i està plovent davant nostre, això es degut al fet que es forma per una doble refracció però sobretot per la reflexió (limit) que té lloc dins les gotes d’aigua (tal com es pot veure a la imatge).
  • A la part interior de l’arc sempre observarem el color violat i a l’exterior el vermell.
  • Quan la lluminositat és molt alta (i el fons sobre el que l’observem és bastant fosc) podem observar un doble arc sempre menys lluminós que el principal. La seqüència dels colors d’aquest segon arc és inversa a la del principal.
  • L’angle d’observació sempre és de 42º respecte la recta que uneix el Sol amb nosaltres. Per això si aconseguim observar-lo des d’una alçada considerable podem veure un Arc de Sant Martí completament circular (visió clàssica des d’un avió).lpath

Però en aquesta experiència podeu observar un fenomen que possiblement no heu descobert: la llum de l’Arc de Sant Martí és polaritzada!

Així doncs si l’observem amb unes ulleres de sol polaritzades, el podrem veure o no en funció de si posem les ulleres verticals o horitzontals, és a dir, girant el cap d’un costat a l’altre veurem com l’arc apareix i desapareix. En el vídeo s’observa clarament aquest fenomen en un Arc de Sant Martí casolà fet amb un raig d’aigua polvoritzat a la sortida d’una mànega de jardí.

Aquesta polarització es deguda a la reflexió de la llum dins les gotes d’aigua: sempre que la llum es reflecteix en qualsevol superfície no metàl·lica (vidre, plàstic, aigua…) el raig reflectit surt polaritzat i aquest efecte és màxim quan l’angle d’incidència és l’anomenat angle de Brewster (la polarització per reflexió és màxima quan la tangent de l’angle d’incidència és igual a l’índex de refracció de la substància).

Cristall i imatge doble

birefringencia2

Els raigs surten polaritzats en dues direccions perpendiculars

L’espat d’Islàndia és un cristall que podem trobar fàcilment en una botiga o paradeta de minerals, el seu preu és molt assequible i la seva composició química és senzillament carbonat de calci.

Com tots els cristalls (que cristal·litzen en un sistema que no sigui el cúbic) presenta un fenomen espectacular: la birefringència. La birefringència o doble refracció és una propietat que consisteix en el desdoblament dels raigs de llum en dos feixos polaritzats linealment en direccions perpendiculars entre si com si el material tingués dos índexs de refracció diferents. L’espat d’Islàndia és especial perquè és el cristall que té els valors dels dos índexs de refracció més diferents entre ells. Així doncs, tal com es pot veure en el vídeo, quan mirem a través d’un cristall d’espat d’Islàndia veiem una doble imatge, dues  circumferències clarament separades entre elles.

A més, els dos raigs que travessen el cristall surten polaritzats en direccions perpendiculars i això ho podem comprovar amb làmines polaritzants (o utilitzant unes ulleres de sol polaritzants). si anem girant les ulleres observem que anem veient alternativament una circumferència o l’altra en funció de la posició de la làmina polaritzant respecte cadascun dels dos raigs que surten del cristall.

Una experiència senzilla per comprovar l’existència de dos fenòmens: la birefringència i la polarització de la llum i a un preu molt assequible (el cristall del vídeo té un cost de només 1 €!). Ja podeu anar corrents a la botiga de minerals més propera que trobeu.

Ulleres i aigua

Vidres antireflexes: quan vas a l’òptica per renovar-te les ulleres una de les opcions que t’ofereixen és la dels vidres antireflectants… com són i com funcionen?

En el vídeo podem veure que les ulleres en situació normal reflecteixen els llums de color blanc, si ens hi fixem bé hi ha dos reflexes per a cada llum perquè les lents tenen dues superfícies, la de davant i la de darrere, i cadascuna crea una imatge (virtual) dels llums.

Si hi deixem caure una pel·lícula fina d’aigua al damunt aleshores observem que el reflex adquireix un to violat (en el vídeo costa una mica de veure per l’ajustament automàtic de la lluminositat i del balanç de blancs).

A què és degut aquest fenomen? Per evitar els reflexes en un vidre o una lent es recobreix d’una fina capa  d’un material transparent però de diferent índex de refracció, el gruix d’aquesta capa ha de correspondre a una quarta part de longitud d’ona de la llum. Si és així els raigs reflectits en la primera superfície se superposen amb els reflectits en la segona i interfereixen entre ells de manera destructiva (desfasament de mitja longitud d’ona). antireflectant3Així doncs no hi ha llum reflectida gràcies a la producció d’interferències. Observeu l’esquema en el dibuix del costat: el raig es reflecteix (vermell) en la primera superfície i també en la segona (blau) i surten desfasats 180º per tant hi ha interferència destructiva; el segon raig (blau) ha recorregut exactament mitja longitud d’ona de més i això provoca el desfasament.

Una qüestió important és que la llum visible va del roig al violat (cada color té una longitud d’ona diferent: de 400 nm a 700 nm) i cal triar el gruix (únic) de la capa antireflectant. Si triem el color centrat en l’espectre visible, el verd (550 nm), aleshores no hi haurà interferència destructiva pels colors extrems, hi haurà doncs un reflex vermell-violat. Sovint es fa un tractament multicapa per evitar reflexes d’un color determinat en cada capa.

Aquest és el color que observem en el vídeo sobre els vidres de les ulleres quan sobre hi situem una capa fina d’aigua, aquest fa de capa antireflectant però no per la llum de color violada.

Si us compreu unes ulleres antireflectants observeu que sempre hi veureu reflexes violats especialment pels reflexes de llums o focus intensos… podeu anar ara mateix a comprovar-ho.

Piràmide (quasi) hologràfica

Continuant amb l’any de la llum, les holografies sempre impressionen especialment si no tenim ocasió de veure’n massa sovint.holo

Amb un petit artilugi fet amb materials molt a l’abast podem veure una imatge hologràfica amb l’ajut d’un mòbil o d’una tauleta. Es tracta d’utilitzar el plàstic rígid i transparent de la tapa d’algunes caixes de CD o DVD (en algunes també de la part posterior. Primer cal realitzar una plantilla de les mides de la fotografia i amb l’ajut d’un cúter retallar quatre peces idèntiques que, convenientment enganxades, formaran una piràmide truncada tal com es pot veure en el vídeo.

Buscarem a YouTube vídeos amb la paraula clau Pyramid hologram video, en trobarem bastants i de durades variades. Un bon exemple és el Hologram Project by Kiste (16 minuts).

Cal situar la punta de la piràmide truncada sobre la tauleta o el mòbil (en aquest cas haurem de reduir les mides) i observar la imatge lateralment… sembla realment una imatge hologràfica en moviment.

De fet no és realment una holografia perquè la imatge no és en tres dimensions sinó que veiem al mig de la piràmide una imatge virtual en 2D degut a la reflexió de la llum en el plàstic transparent (l’objecte en aquest cas és la imatge en moviment de la pantalla del mòbil o tauleta). Realment no caldria una piràmide sinó que amb un plàstic transparent inclinat 45º sobre la pantalla veuríem perfectament l’efecte (quasi) hologràfic.

Refracció… quin error!

prismaoptic

Imatge correcta de la descomposició de la llum blanca

Continuem encara en el 2015, Any Internacional de la Llum. La refracció és un fenomen característic de la llum i de les ones en general (el so, les ones de l’aigua, les microones, les ones de ràdio…) que consisteix en el canvi de direcció que té lloc quan l’ona canvia de medi. En el cas de la llum té lloc sempre que aquesta passa d’un medi transparent a un altre (d’aire a aigua, d’aire a vidre, d’aigua a oli…) i això origina experiències interessants.

L’índex de refracció d’una substància (relacionat amb la velocitat de la llum en aquest material) ens serveix per poder calcular aquesta desviació i cal tenir molt present que aquest índex és diferent per a cada substància però també per a cada color. Aquest fet fa que la llum blanca (superposició de tots els colors visibles) es descompongui en els colors de l’Arc de Sant Martí i això ho podem fer amb un prisma òptic (també amb un vas d’aigua i un mirall).

pinkfloyd

Imatge errònia en la portada d’un LP de Pink Floyd

Aquesta és un experiment senzill de realitzar i segur que és una imatge que hem vist sovint en webs, anuncis, cartells… per la seva plasticitat. Val a dir però que també sovint les imatges que se’ns presenten són completament errònies des del punt de vista científic. Fins i tot un, molt famós, grup de música va lluir una imatge errònia en la portada d’un dels seus LP supervendes.

Aquí sota us en presento un parell més extretes de internet però és un bon exercici (pels alumnes o pels amants de la ciència) fer recerques a la xarxa, en revistes, en pòsters… intentant descobrir nyaps científics.. A veure si en trobeu una bona colla.

Nota: Clicant sobre les tres imatges errònies podeu veure l’explicació de l’error científic.

prismaerroni2

Imatge també errònia

prismaerroni1

Un altre error trobat a la xarxa