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).

Anuncis

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.

Espectre de Brocken

Els fantasmes existeixen… però costen de veure!

Espectre de Brocken aterrant a Tampere (Finlàndia) un capvespre de l'estiu del 2014

Espectre de Brocken aterrant a Tampere (Finlàndia) un capvespre de l’estiu del 2014

Amb una mica de sort i amb condicions excepcionals podeu gaudir d’un efecte òptic sorprenent, l’espectre de Brocken. No és res més que l’ombra d’una persona projectada sobre la boira que li dóna un aire misteriós i fantasmagòric. Si anem d’excursió a muntanya és possible que alguna matinada emboirada se’ns aparegui, dic matinada perquè cal que el sol estigui baix i es projecti la nostra ombra sobre la boira o els núvols que estigui per sota nostra.

Un efecte semblant es pot observar des de la finestreta d’un avió quan aterrem a primera hora o cap al tard i estem a punt de travessar un mar de núvols, aleshores podem veure l’ombra de l’avió projectada en els núvols.

Sovint aquest fenomen l’observem associat a una glòria, un conjunt d’anells concèntrics de colors deguts a la difracció, reflexió i refracció de la llum solar deguda a les gotes d’aigua dels núvols, en aquest cas l’ombra del muntanyenc (o de l’avió) s’observa just al mig de la glòria.

Pots veure una web molt interessant sobre efectes òptics atmosfèrics des de raigs, ombres, arcs de sant martí, iridscències, halos… a http://www.atoptics.co.uk

Guardiola màgica

La guardiola màgica, podem observar el cub que està dins i en suspensió

La guardiola màgica, podem observar el cub que està dins i en suspensió

Heu vist mai una guardiola que faci desaparèixer les monedes que hi tirem? Realment tenir-la no serà una bona inversió econòmica! Però si que podem aprofitar-la per treballar en el tema de les imatges òptiques virtuals.

Si observem per la finestra de la guardiola (un cub negre) podem observar que és buida de dins i que just al mig, surant a l’aire, hi ha un dau platejat (en altres models hi ha un avió…). Dalt de la guardiola hi ha l’escletxa clàssica per on dipositarem les monedes però quan ho fem esperaríem que la moneda impactés just amb el dau surant que hi ha dins la guardiola… doncs misteri perquè la moneda no solament no toca el dau sinó que, tot i sentir el soroll de la seva caiguda, no veiem que entri a la guardiola!!!

L’explicació és senzilla però l’efecte òptic és realment sorprenent. De fet no hi ha un dau sinó que hi ha mig dau enganxat a un mirall situat diagonalment dins de la guardiola. Justament aquest mig dau juntament amb la seva imatge virtual (produïda pel mirall) dóna la sensació de veure un dau en suspensió. Així mateix la paret del fons no és res més més que la imatge del terra reflectida pel mirall.

guardiolamagica

Trajectòria dels raigs. Podem observar les imatges virtuals d’un vèrtex del cub (raig vermell) i d’un núvol (raig blau)

En la imatge del costat podem observar aquest efecte, la trajectòria dels rajos i la formació de les imatges virtuals.

Bé, una senzilla joguina que farà passar una bona estona als més petits i que, amb els grans, podem aprofitar per fer alguna juguesca: cal dipositar una moneda d’euro dins la guardiola, si s’aconsegueix tocar el cub els doblem la moneda i en cas contrari nosaltres ens quedem l’euro. Algú hi vol jugar?

Nota: aquest joguina científica la podem trobar en moltes botigues especialitzades en jocs matemàtics, òptics… i particularment a tots els museus de la ciència o bé la podem adquirir per internet.

Escarabat real o virtual?

Imatge virtual d'un escarabat feta per un mirall pla

Imatge virtual d’un escarabat feta per un mirall pla

Quantes vegades ens hem mirat en un mirall? Està clar que moltes i sempre hi hem vist la nostra imatge, una imatge virtual perquè si anem darrere el mirall on veiem la imatge de ben segur que no la trobarem. De fet parlem en aquest cas d’una imatge virtual perquè els raigs de llum que arriben als nostres ulls no venen realment d’aquesta imatge, el mirall reflectint els raigs fa que aquests ens vinguin virtualment (línies de punts), tal com podem veure a la figura del costat.

Però i una imatge real, l’has vist mai? Això és més complicat però amb el Mirascope, una senzilla joguina que podem comprar en qualsevol museu de ciència o botiga de jocs matemàtics/científics, ho podem aconseguir fàcilment… i a més és molt sorprenent!

Formació de la imatge real després de la reflexió doble ens els miralls parabòlics

Formació de la imatge real després de la reflexió doble ens els miralls parabòlics

El Mirascope està format per dos miralls parabòlics col·locats de tal manera que el vèrtex d’un coincideix amb el focus de l’altre a més en un d’ells hi ha un forat (just en el vèrtex) per tal de poder observar la imatge. Hem de recordar que els miralls parabòlics tenen la propietat que qualsevol raig que incideixi paral·lel al seu eix surt reflectit passant pel seu focus i viceversa. De manera que si situem l’escarabat al focus del mirall inferior els raigs que surten d’ell en totes direccions convergeixen de nou (després de dues reflexions) en el vèrtex de l’altre just on hi ha el forat. Per tant, és en aquest punt on el nostre ull veurà l’escarabat però com una imatge real (imatge perquè l’objecte no està situat en aquest punt i real perquè els raigs passen realment per aquest punt).

El que és sorprenent és que veurem perfectament l’escarabat (i en 3 dimensions) però quan l’anem per agafar comprovarem que no existeix… és una imatge real!