A MENTE QUE SE ABRE A UMA NOVA IDEIA JAMAIS VOLTARÁ AO SEU TAMANHO ORIGINAL.
Albert Einstein

segunda-feira, 30 de maio de 2011

Introdução ao Estudo da öptica

Tipos de fonte luminosa e de meios de propagação

Quando observamos os fenômenos físicos, notamos que muitos deles podem ser descritos geometricamente. A geometria, que como sabemos é um ramo da matemática, torna-se uma valiosa ferramenta através da qual os físicos traduzem as observações que fazem da natureza em uma linguagem adequada à análise dos fenômenos.
É assim com a astronomia e suas órbitas elípticas e com a mecânica e seus vetores. Também é assim no estudo das propriedades e comportamentos da luz, no ramo da física que chamamos de óptica geométrica.

O principal personagem do mundo da óptica é o raio de luz, que possui uma propriedade que facilita muito a interpretação geométrica de seu comportamento: eles se propagam em linha reta.



Raio de luz

Na verdade o raio de luz é uma abstração, uma figura teórica a partir do qual estudamos os feixes de ondas eletromagnéticas que constituem a luz, os mesmos que podemos ver emitidos de qualquer lanterna.


A lanterna, o sol e até mesmo os vagalumes são fontes primárias de luz, ou seja, corpos que geram luz a partir de alguma transformação físico-química que ocorre neles mesmos. Há também os corpos que não possuem luz própria mas são capazes de refletir a luz gerada por outros corpos. Estes corpos são chamados de fontes de luz secundárias. A lua cheia iluminando a noite é o exemplo mais comum de uma fonte de luz secundária.


Meios de propagação

Uma vez que a fonte de luz emitiu um feixe luminoso, ele passa a se propagar à velocidade de 300.000 Km/s no vácuo. Só que a luz também se propaga por outros meios que não o vácuo. Esses outros meios de propagação da luz são classificados de acordo com o modo como interagem com o feixe de raios de luz que incide sobre eles.

Com base nisso, os meios de propagação da luz podem ser transparentes,translúcidos ou opacos.




Meio de propagação transparente

Transparentes são os meios de propagação que se deixam atravessar pelos raios de luz sem afetar a ordenação de seus feixes. O ar atmosférico é transparente e, por isto, invisível, já que a luz o atravessa quase como se ele não existisse (note-se o quase: a rigor, o único meio totalmente transparente é o vácuo, mas para todos os efeitos práticos podemos estender a definição para outros meios cujas interações com a luz sejam pequenas demais para ser percebidas a olho nu).

A figura que segue mostra um feixe de raios de luz atravessando um meio de propagação transparente.
Meio de propagação translúcido
Os meios translúcidos também se deixam atravessar pelos raios de luz, mas, ao contrário do que ocorre nos meios transparentes, esta passagem não se dá sem interações nas quais o meio afeta a orientação dos raios, fazendo com que objetos vistos através de meios translúcidos pareçam deformados.

A figura abaixo representa o comportamento dos raios de luz através dos corpos translúcidos:
Meio de propagação opaco
Meios opacos são impermeáveis à luz, o que significa que estes meios bloqueiam os raios luminosos, que não conseguem atravessá-lo. Nesse caso, não é possível a um observador ver objetos através dele, conforme a figura:


Princípios de óptica geométrica

Além de sua interação com os meios de propagação, o comportamento dos raios de luz é definido pelos princípios da óptica geométrica.

O primeiro princípio é o da propagação retilínea dos raios de luz, já comentado. Um raio de luz se propaga em linha reta em meios de propagação homogêneos. Em outras palavras: a luz se propaga em linha reta quando as características do meio não variam.

Quando o meio é heterogêneo ou a luz passa bruscamente de um meio para outro pode ocorrer o fenômeno da refração dos raios de luz, situação em que o feixe luminoso se desvia do seu curso original por conta de variações no meio.

O segundo princípio da óptica geométrica é o da reversibilidade na trajetória da luz. A trajetória de um raio de luz continua a mesma quando seu sentido de propagação é invertido, como mostrado na próxima figura:

Por fim, o terceiro princípio da óptica geométrica nos diz que os raios de luz são interpenetráveis ou independentes. Ou seja, quando dois feixes de luz se cruzam, cada um segue seu caminho sem ser afetado pelo outro.


A óptica geométrica explica o comportamento da luz de um modo tão exato que precisamos lembrar que a geometria é uma abstração matemática, enquanto a luz é real. Mais que isso: a luz é nossa principal fonte de percepção da realidade.

Eclipse

A palavra eclipse significa sumir. O eclipse lunar ocorre quando a lua some na sombra da terra. Um eclipse só pode ocorrer quando Sol, Lua e Terra estão alinhados. A animação abaixo nos mostra o eclipse da lua.


 

Eclipse Lunar ocorre quando a lua entra na sombra da Terra. 


Eclipse Solar ocorre quando o Sol some para um observador na Terra devido a Lua se encontrar entre o Sol e a Terra. O eclipse lunar ocorre apenas em noites de lua cheia. Já o Solar, que pode ser total ou parcial, ocorre na lua nova.


Eclipse solar

Aquelas regiões do planeta que estiverem dentro do cone de sombra da lua verão um eclipse total do sol. Dá pra ver as estrelas e a iluminação pública acende. Dura em torno de 10 minutos (parece pouco tempo, mas lembre-se que um orgasmo dura apenas alguns segundos) mas é um espetáculo inesquecível. Veja abaixo algumas imagens de eclipses totais:
Outras regiões estarão no cone de penumbra da lua e verão um eclipse parcial do sol. A lua ocultará apenas uma parte do sol e o céu não ficará totalmente escuro. Como o cone de penumbra é muito maior que o cone de sombra, eclipses solares parciais são mais comuns. Veja abaixo algumas imagens de eclipses solares parciais:
Alunos me perguntam com frequência por que os eclipses não ocorrem todos os meses, já que a lua orbita a terra e leva aproximadamente 28 dias para completar uma translação ao redor da terra.
A resposta é simples: o plano da órbita da lua ao redor da terra é inclinado em relação ao plano da órbita da terra ao redor do sol, havendo portanto, épocas favoráveis aos eclipses e épocas não favoráveis. O esquema abaixo fala por si só:

Eclipse lunar

O eclipse lunar ocorre quando a Lua entra no cone de sombra da Terra. Ocorre com maior frequência que os eclipses solares.

 Câmara Escura


Outra aplicação do princípio da propagação retilínea da luz. As primeiras máquinas fotográficas eram praticamente idênticas a essas câmaras e até as máquinas mais modernas ainda utilizam o mesmo princípio. A luz de um objeto atravessa o orifício de uma câmara para formar a imagem na parede oposta ao do orifício. A imagem é invertida e podemos calcular seu tamanho apenas utilizando semelhanças de triângulos.





o — tamanho do objeto.
a — distância do objeto a câmara.
b — profundidade da câmara.
i — tamanho da imagem.







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