Una de las obras maestras más espléndidas de la naturaleza es el arco iris. Un arco iris es una excelente demostración de la dispersión de la luz y una prueba más de que la luz visible está compuesta por un espectro de longitudes de onda, cada una asociada con un color distinto. Para ver un arco iris, debe estar de espaldas al sol mientras observa un ángulo de aproximadamente 40 grados sobre el suelo en una región de la atmósfera con gotas de agua suspendidas o incluso una ligera neblina. Cada gota de agua individual actúa como un pequeño prisma que dispersa la luz y la refleja de vuelta a su ojo. A medida que mira hacia el cielo, las longitudes de onda de luz asociadas con un color específico llegan a su ojo de la colección de gotas. El efecto neto de la gran variedad de gotas es que se ve un arco circular de ROYGBIV a través del cielo. Pero exactamente, ¿cómo se dispersan y reflejan la luz las gotas de agua? ¿Y por qué el patrón siempre aparece como ROYGBIV de arriba a abajo? Estas son las preguntas que trataremos de entender en esta página de The Physics Classroom Tutorial. Para comprender estas preguntas, necesitaremos aprovechar nuestra comprensión de la refracción, la reflexión interna y la dispersión.
El camino de la luz a través de una gotita
Una colección de gotas de agua suspendidas en la atmósfera sirve como refractor de la luz. El agua representa un medio con una densidad óptica diferente que el aire circundante. Las ondas de luz se refractan cuando cruzan el límite de un medio a otro. La disminución de la velocidad al entrar la luz en una gotita de agua provoca una curvatura del camino de la luz hacia la normalidad. Y al salir de la gota, la luz se acelera y se dobla de lo normal. La gota causa una desviación en el camino de la luz cuando entra y sale de la gota.
Hay innumerables caminos por los cuales los rayos de luz del sol pueden pasar a través de una gota. Cada camino se caracteriza por esta inclinación hacia y fuera de lo normal. Un camino de gran importancia en la discusión de los arcoíris es el camino en el que la luz se refracta en la gota, se refleja internamente y luego se refracta fuera de la gota. El diagrama de la derecha muestra ese camino. Un rayo de luz del sol entra en la gota con una ligera trayectoria descendente. Al refractar dos veces y reflexionar una vez, el rayo de luz se dispersa y se dobla hacia un observador en la superficie de la tierra. Otras ubicaciones de entrada en la gotita pueden dar como resultado caminos similares o incluso que la luz continúe a través de la gotita y salga por el lado opuesto sin una reflexión interna significativa. Pero para la ubicación de entrada que se muestra en el diagrama de la derecha, hay una concentración óptima de luz que sale de la gotita en el aire en ángulo hacia el suelo. Como en el caso de la refracción de la luz a través de prismas con lados no paralelos, la refracción de la luz en dos límites de la gota da como resultado la dispersión de la luz en un espectro de colores. La luz azul y violeta de longitud de onda más corta refracta una cantidad ligeramente mayor que la luz roja de longitud de onda más larga. Dado que los límites no son paralelos entre sí, la doble refracción da como resultado una separación clara de la luz solar en sus colores componentes.
El ángulo de desviación entre los rayos de luz entrantes del sol y los rayos refractados dirigidos a los ojos del observador es de aproximadamente 42 grados para la luz roja. Debido a la tendencia de la luz azul de longitud de onda más corta a refractarse más que la luz roja, su ángulo de desviación de los rayos solares originales es de aproximadamente 40 grados. Como se muestra en el diagrama, la luz roja se refracta fuera de la gota en un ángulo más pronunciado hacia un observador en el suelo. Hay una multitud de caminos por los cuales el rayo original puede pasar a través de una gotita y posteriormente inclinarse hacia el suelo. Algunos de los caminos dependen de qué parte de la gotita contactan los rayos incidentes. Otros caminos dependen de la ubicación del sol en el cielo y la trayectoria posterior de los rayos entrantes hacia la gota. Sin embargo, la mayor concentración de rayos salientes se encuentra en estos ángulos de desviación de 40-42 grados. En estos ángulos, la luz dispersa es lo suficientemente brillante como para dar como resultado una pantalla de arcoíris en el cielo. Ahora que entendemos el camino de la luz a través de una gota individual, podemos abordar el tema de cómo se forma el arco iris.
La formación del arcoiris
Un arco iris se ve con mayor frecuencia como un arco circular en el cielo. Un observador en el suelo observa un semicírculo de color, siendo el rojo el color percibido en el exterior o la parte superior del arco. Aquellos que tienen la suerte de haber visto un arco iris desde un avión en el cielo pueden saber que un arco iris puede ser un círculo completo. Los observadores en el suelo solo ven la mitad superior del círculo ya que la mitad inferior del arco circular se evita por la presencia del suelo (y el hecho bastante obvio de que las gotas de agua suspendidas no están presentes debajo del suelo). Sin embargo, los observadores en un avión en el aire a menudo pueden mirar hacia arriba y hacia abajo para ver el arco circular completo.
El círculo (o semicírculo) resulta porque hay una colección de gotitas suspendidas en la atmósfera que son capaces de concentrar la luz dispersa en ángulos de desviación de 40-42 grados con respecto a la trayectoria original de la luz del sol. Estas gotitas en realidad forman un arco circular, con cada gotita dentro del arco dispersando la luz y reflejándola hacia el observador. Cada gota dentro del arco refracta y dispersa todo el espectro de luz visible (ROYGBIV). Como se describió anteriormente, la luz roja se refracta desde una gota en ángulos más pronunciados hacia el suelo que la luz azul. Por lo tanto, cuando un observador mira en un ángulo más pronunciado con respecto al suelo, las gotas de agua dentro de esta línea de visión están refractando la luz roja al ojo del observador. La luz azul de estas mismas gotas se dirige en un ángulo menos pronunciado y se dirige a lo largo de una trayectoria que pasa sobre la cabeza del observador. Por lo tanto, es la luz roja la que se ve al mirar los ángulos más pronunciados en relación con el suelo. Del mismo modo, cuando se observa en ángulos menos pronunciados, las gotas de agua dentro de esta línea de visión están dirigiendo la luz azul al ojo del observador mientras que la luz roja se dirige hacia abajo en un ángulo más pronunciado hacia los pies del observador. Esta discusión explica por qué es la luz roja que se observa en la parte superior y en el perímetro exterior de un arco iris y la luz azul que se observa en la parte inferior y el perímetro interior del arco iris.
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Los arcoiris no se limitan a la dispersión de la luz por las gotas de lluvia. Las salpicaduras de agua en la base de una cascada causaron una neblina de agua en el aire que a menudo resulta en la formación de arcoíris. Un aspersor de agua de jardín es otra fuente común de arcoíris. La luz solar brillante, las gotas de agua suspendidas y el ángulo adecuado de observación son los tres componentes necesarios para ver una de las obras maestras más espléndidas de la naturaleza.
Fuente: Aula de Física.