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.

Per què el cel és blau?

El cel a l'espai exterior és completament negre!

El cel a l’espai exterior és completament negre!

Una pregunta típica, sobretot després de veure centenars de fotografies de l’espai on el cel és completament negre!

De fet ara no només podem contestar aquesta pregunta sinó que ho podem experimentar a casa. Necessitem: un recipient allargat, un projector o llanterna i una mica de llet. Si volem arrodonir l’experiència ens caldrà un làmina polaritzant (poden servir alguns tipus d’ulleres de sol).

Cal que originem un raig de llum blanca, ho podem fer amb una senzilla llanterna però és millor fabricar-nos una diapositiva negra amb un forat i posar-la en un projector de diapositives (dels d’abans). Omplim el recipient amb aigua, podem observar com l’aigua, en il·luminar-la, és transparent. Ara afegim a l’aigua una mica (molt poca) de llet. Podem observar, transversalment al raig de llum i especialment al principi del recipient, que l’aigua esdevé blavosa (color del cel), en canvi si observem la llum que travessa tot el recipient comprovarem que ha adquirit una tonalitat clarament ataronjada – vermellosa (color de la posta de sol).

El fenòmen és degut a que les partícules de llet (l’atmosfera) dispersen en totes direccions la llum però especialment la de color blau. La llum que travessa el recipient adquireix tonalitat vermellosa perquè ha perdut gran part de la seva component blavosa. Aquest darrer efecte és especialment important en una posta de sol perquè, per la seva inclinació, els rajos travessen un gruix més important de l’atmosfera.

Un altre fenòmen que és interessant (els fotògrafs el coneixen molt bé) és que la llum provinent del cel és polaritzada especialment en les direccions a 90 graus dels rajos solars. En el nostre cas ho observem amb unes ulleres polaritzants: en una posició observem bé la llum dispersada i en rotar-les 90 graus podem comprovar que la intensitat de llum disminueix clarament. si repetim l’experiència amb la llum vermellosa comprovarem que no està polaritzada.