Físicamente Excepcional

EXPLICACIÓN DE LA FORMACIÓN DEL ARCO IRIS COMO EFECTO DE LA REFRACCIÓN, REFLEXIÓN Y DISPERSIÓN DE LA LUZ

  José Vicente Flores Hernández

jvfhernandez@hotmail.com

Resumen 

     En algunas ocasiones y bajo ciertas condiciones, después de la lluvia aparecen en la naturaleza, una serie de hechos que dan lugar en una región de la atmósfera a un abanico de colores llamado también arco iris. Este fenómeno es difícil de ser ignorado y representa es uno de los espectáculos visibles más hermoso que ofrece la naturaleza, que ha inspirado a muchas persona incluso artistas y esto se debe a su gran influencia de paz y armonía.  Pero al mismo tiempo ha originado interrogantes, en especial para los interesados en saber o tratar de explicar los fenómenos de la naturaleza desde un enfoque científico. En este sentido, dichas personas se han formulado las siguientes preguntas; ¿Qué es el arcoíris?, ¿Por qué se forma?. En esta ocasión daremos respuestas a estas interrogantes a través de la física específicamente por medio de una de sus ramas que es la óptica.  Al comienzo se dijo que para que tenga lugar el fenómeno del arco iris, se tiene que dar la combinación de algunos hechos, uno de ellos es que aparece después de la lluvia, pero hay otro factor determinante que es la luz proveniente del sol, sin esta combinación no se originaría tal efecto. La luz siempre ha sido objeto de estudio para el hombre, siempre ha tratado de descifrar su origen. Se sabe que la misma se propaga en línea recta y se refleja siguiendo leyes bien definidas.  A partir de estos dos componentes esenciales (luz y lluvia) se origina el efecto de refracción, reflexión total y dispersión de la luz, y es lo que da origen al arco iris. La velocidad de la luz en el aire es un poco menor a su velocidad en el vacío, y esta disminuye en cualquier otro medio material, como por ejemplo el agua donde también es menor que en el vacío. La relación a razón de la velocidad de la luz en una determinada sustancia o medio es llamada índice de refracción.

     Esta ocurre cuando la luz incide oblicuamente de un medio a otro de diferente densidad óptica, tal rayo se desvía o cambia de dirección dando origen al efecto de refracción de la luz.

     Uno de los tantos personajes que realizo estudios sobre la luz es Newton, el mismo observo que la luz blanca está compuesta de una serie de colores (policromática). Para descomponer la luz blanca utilizo un prisma de material transparente (vidrio o cristal). Cuando un rayo de luz blanca atraviesa el prisma dicho rayo experimenta 2 desviaciones consecutivas, al entrar y salir del mismo; es decir el rayo se refracta al entrar y al salir se expande en forma de abanico con una sucesión de tonalidades cromáticas que aproximadamente son sietes colores diferentes y van desde el rojo hasta el violeta. (Ver figura N°1).

     El fenómeno por el cual cada color o longitud de onda que compone la luz blanca se refracta según un ángulo diferente es lo que se denomina dispersión de la luz, y gracias a que la luz es policromática y no monocromática es que se observa tal fenómeno.

     Otro fenómeno de gran importancia en la formación del arco iris es la reflexión total, la misma ocurre para valores mayores que un ángulo limite o critico, es decir, cuando el ángulo de rayo incidente es mayor que el ángulo critico, esto significa que para tales valores del ángulo de incidencia ya la luz no sufre ninguna refracción sino que se refleja totalmente y justamente para el ángulo critico el rayo refractado es rasante con la superficie de separación de ambos medios, es decir el rayo refractado formara un ángulo de 90° respecto a la normal.(ver figura N°2)

     Para que la reflexión total ocurra debe existir ciertas condiciones, como que la luz deba pasar de un medio más refrigerante a uno menos refrigerante, es decir el índice de refracción del medio más refrigerante n1 debe ser mayor que el índice de refracción del medio menos refrigerante n2, n1≥ n2, y que el ángulo de incidencia sea mayor que el ángulo critico relativo de los dos medios refrigerantes en contacto. (Ver figura N°3).

     Se sabe que en la dispersión cromática existe una refracción, se puede observar a la salida del prisma donde se forma el abanico de colores llamado espectro de luz blanca esto nos lleva a deducir cierta restricción necesaria para que se forme el espectro.

     Las leyes de refracción permiten calcular el ángulo crítico cuando la luz procedente del vidrio o cristal en el caso del prisma se refracta en el aire. Entonces para nuestro caso (prisma), podemos calculamos dicho índice de la siguiente manera:

Sen i = 1/1.5 = 0,6  ArcSen 0,6 = 44°

     Donde 1,5 = n, y representa el índice de refracción del medio más refrigerante (vidrio), lo que nos permite decir que si un rayo de luz blanca se propaga dentro del vidrio e incide en la superficie de separación con el aire con ángulos mayores a 42° no se refractara sino que se reflejara totalmente en la superficie de separación y cumplirá con las leyes de la refracción. Ahora bien la velocidad de la luz depende de la naturaleza del medio y del color o longitud de onda en particular. La variación del índice de refracción con la longitud de onda se llama aberración monocromática. (Ver figura N°4).

  Si la luz incidente no es monocromática, sino que se compone de varias longitudes de ondas o colores caso de la luz blanca, y se hace incidir en un prisma cada color o longitud se refractara según un angulo diferente, este fenómeno se llama dispersión. 

     

Ya hemos explicado lo que ocurre con la luz blanca cuando atraviesa un prisma, esto nos permite comprender lo que ocurre con el arco iris ya que se trata del mismo efecto pero en este caso no se trata de un prisma como medio sino, que ahora el medio son las gotas de agua.

     El fenómeno de la aparición del arco iris (Ver figura N°5), después de la lluvia o alguna tormenta es muy común, este se debe al paso de la luz a través de las gotas de agua en suspensión de la atmósfera, las cuales producen la dispersión de la luz, es decir, la descomposición de la luz blanca en los distintos colores que mezclados dan una sensación óptica impresionante tal como lo afirma Semansky (2004) en el libro Texto de Física Universitaria:

Cuando se experimenta la belleza de un arco iris, se observan los efectos combinados de la dispersión, la reflexión y refracción. La luz solar proveniente de atrás de un observador entra en una gotita de agua, se refleja (parcialmente) en la superficie posterior de la gotita y se refracta de nuevo al salir de la gotita (Ver figura N°6). Los rayos de luz que entran por el punto medio de la gotita se reflejan directamente de regreso. Todos los demás rayos salen de la gota dentro de un ángulo β. Debido al apilamiento del rayo de luz, el disco es más brillante en torno a su borde, el cual vemos como un arco iris (p.1226).

     Entonces decimos que el arco iris se produce por los efectos combinados y simultáneos de la refracción, dispersión y reflexión de la luz en las gotas de agua contenidas en la atmósfera, las mimas actúan como pequeños prismas en este fenómeno.

     Cuando alguien mira un arco iris, lo que está viendo en realidad es luz dispersada por ciertas gotas de lluvia. Otra persona que se encuentre al lado del primer observador verá luz dispersada por otras gotas. De manera que, aunque suene gracioso, puede decirse que cada quien ve su propio arco iris, distinto (hablando en un sentido estricto) del que ven todos los demás.

     Respecto de las condiciones para ver un arco iris se reducen a que el observador tiene que estar localizado entre el sol y una lluvia de gotas esféricas (una lluvia uniforme). Es posible que el observador crea que la lluvia no es uniforme donde él se encuentra, pero sí debe serlo desde donde localizaría el arco iris. ¿Y cuándo son las gotas esféricas? Las gotas son esféricas cuando caen a una velocidad uniforme, constante. Esto es posible en condiciones de aceleración gravitatoria contando con las fuerzas viscosas de oposición del aire. Cuando se cumple que la velocidad de las gotas es uniforme, la gota adquiere un volumen máximo con la mínima superficie (esfera). Sólo en estas condiciones es posible la dispersión luminosa dentro de la gota y por tanto el arco iris, aunque ligeras variaciones de la esfera puedan dar diversas variaciones en un arco iris. Por lo tanto, la lluvia no debe ser torrencial, ni estar afectada por el viento. Es por ello que no siempre se contempla el arco iris cuando hay lluvia y sol.

   A veces, es posible ver también lo que se conoce como arco iris secundario. el arco iris primario, que hemos dado en llamar simplemente "arco iris", es siempre un arco interior y más próximo al observador que el arco iris secundario. si la luz que incide sobre la gota de agua realiza al menos. dos refracciones y tres reflexiones internas, por lo que podemos deducir su trayectoria. El resultado es la formación de un arco iris secundario de colores invertidos, más débil y que queda por encima del primario. Su debilitamiento se debe a la luz que se refracta y sale al exterior en cada reflexión interna. (Ver figura N° 7)

     Incluso si las condiciones atmosféricas y el sitio de observación son perfectos, entonces la lluvia y el Sol trabajan juntos para crear un anillo de luz completo, denominado arco iris circular como el que se vio el 06/08/2007 en la isla de Langkawi, Malasia. En los arco iris normales el rojo es el color exterior, y el violeta el interior, pero en los circulares la variación es la contraria.

     A pesar de que el arco iris muestra un espectro continuo de colores, comúnmente se suele aceptar como siete los colores rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta producto de la descomposición de frecuencias de la luz, y es formado por los 3 colores primarios y los 3 secundarios, aunque tradicionalmente se habla de 7 colores, incluyendo el añil entre el azul y el violeta. (Ver figura N° 8).

Referencia:

·         Tippler, P. (1999) Ficha para la Ciencia y Tecnología. Cuarta edición, volumen II. Editorial Reverte, S.A. Barcelona España-

·         Sear. F, Zemansky. F, Young. H y Freedman.R. (2004) Física Universitaria, volumen II. Editorial Addison Wesley Logman de México D.F.

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