Acabou de cair uma chuvinha rápida e rala, típica de um final de tarde de verão, com o Sol quase se pondo.
Abro a janela e não posso ver o Sol, que está às minhas costas, do outro lado do prédio. Mas dou de cara com um Arco-íris. Espetáculo gratuito. É sempre assim quando o Sol está às nossas costas e na frente temos uma "cortina" de gotículas de água na atmosfera.
Irresistivelmente e quase sem pensar, pego o celular e bato uma foto. Infelizmente o CCD*1 da câmera do celular não tem a qualidade necessária para reproduzir o que vejo com os olhos. Mas o resultado está aí ao lado. Algunsfótons*2 foram registrados e temos uma imagem que imita precariamente a natureza (clique nela para ver uma versão ampliada).Toda vez que a luz passa de um meio para outro acontece o que chamamos em Física deRefração. Na Refração é comum acontecerem duas coisas com cada cor componente da luz visível (ou luz branca*3):
1) Mudar de direção, ou seja, sofrer desvio;
2) Mudar de velocidade, ou seja, viajar com rapidez diferente.
Os dois detalhes acima estão previstos pela Lei de Snell-Descartes*4 [ nar.sen(i) = nágua.sen(r) ] onde nar e nágua são os índices de refração absolutos do ar e da água (de valores aproximadamente 1,00 e 1,33, respectivamente) e que dependem da velocidade de propagação da luz em cada um dos meios (veja as equações nas caixas amarelas ao lado onde aparecem as velocidades da luz no ar var, na água vágua e no vácuo c). As grandezas i e rsão, respectivamente, os ângulos de incidência e de refração da luz.
Assim, quando a luz branca passa do ar para dentro de uma gota de água presente na atmosfera, está mudando de meio, ou seja, sofrendo Refração. A luz de cada cor sofre um desvio diferente e passa a ter uma velocidade também diferente na água. A cor mais veloz será o vermelho, que sofrerá desvio menor (menor valor de r). O violeta, na outra ponta do espectro, terá menor velocidade mas vai sofrer desvio maior (maior valor de r). Em outras palavras, as cores deixam de estar misturadas e aparecem individualmente. Parece mágica mas é Física pura. Quando as cores estavam juntas, tínhamos apenas a sensação de luminosidade típica da luz branca*3.
Normalmente, numa única Refração, a separação de cores é muito pequena para ser percebida. Mas na gota, a luz entra numa das faces, reflete-se na outra face e volta para dentro da gota até sair novamente pela face que entrou. Note que são duas refrações, uma na entrada e outra na saída da luz na gota. E a segunda Refração só reforça a separação de cores que já havia acontecido na primeira. É um capricho da natureza para evidenciar os componentes coloridos da luz branca!
Quando olhamos para o Arco-íris, nossos olhos são o vértice de um cone de luz cores distintas. O que vemos é a borda da base deste cone, formando um arco no céu. Assim, duas pessoas jamais podem ver o mesmo Arco-íris pois cada uma tem seu próprio cone de luz, com o vértice posicionado nos seus olhos. É claro que o Arco-íris de uma pessoa é um "clone" óptico do Arco-írisda outra. Mas, tecnicamente, são diferentes!
* 1 – CCD – Charge Coupled Device ou Dispositivo de Carga Acoplada. É uma matriz de sensores fotoelétricos, também chamados pixels, arranjados em linhas e colunas. No caso da foto acima (veja versão maior clicando na foto pequena), o CCD usado tem 640 pixels na horizontal por 480 pixels na vertical.
Observação: Cada sensor, ao ser atingido por um fóton (veja definição abaixo), libera um elétron. Este fenômeno físico é conhecido como Efeito Fotoelétrico e foi explicado de forma original por Albert Einstein (1879-1955) em 1905, 100 anos atrás, no ano mais produtivo da carreira científica deste grande físico.
* 2 – Fóton, de acordo com a Teoria Quântica da Luz, é cada pacotinho (ou partícula) de luz ao qual normalmente atribui-se a energia E dada por E = h.f (f é a freqüência da luz e h a constante de Planck). O CCD vai registrando cada fóton que chega na sua superfície, em cada elemento da matriz de sensores de pixels e, a partir de um processo de somatória (ou integração), forma uma imagem.
*3 – Luz branca é a luz composta por fótons de todas as faixas de freqüências visíveis, que vão do vermelho (~ 4,0.1014 Hz) ao violeta (~7,5.1014 Hz). Isaac Newton (1643 -1727) já sabia da composição da luz branca pois separou as faixas de cores usando um prisma triangular que produz duas refrações. Da mesma forma, Newton juntou as cores separadas e conseguiu recompor a luz branca. Esta descoberta faz parte da publicação Opticks (abril de 1704) que completou 300 anos em 2004.
* 4 - Willibrord Snell van Royen (1591 - 1626), físico e matemático holandês que descreveu a Refração de forma mais completa e pela primeira vez em 1621. Snell nunca publicou a sua teoria oficialmente. Ela apenas ficou registrada em seus manuscritos. René Descartes (1596 – 1650), físico e matemático francês que em 1637 publicou um trabalho no qual descreve a Refração da luz com a notação tal como hoje conhecemos. Apesar deste grande feito, Descartes é mais conhecido pela criação do Sistema Cartesiano de Coordenadas.
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