El arco iris es uno de los espectáculos más bonitos que la naturaleza tiene para ofrecer – de hecho, ha inspirado innumerables cuentos de hadas, canciones y leyendas. Es una apuesta segura pensar que la mayoría de los artistas que han escrito estos cuentos estaban totalmente desconcertados por el fenómeno del arco iris – como la mayoría de la gente hoy en día.
No obstante, la ciencia del arco iris es realmente simple. ¡Básicamente es óptica! En este artículo, descubriremos cómo el arco iris y el sol se alinean para formar colores en el cielo.
Tabla de Contenidos
La luz se curva
El principal proceso que trabaja en el arco iris es la refracción – la “flexión” de la luz. La luz se curva – o más exactamente, cambia ligeramente de dirección – cuando viaja de un medio a otro. Esto sucede porque la luz viaja a diferentes velocidades en diferentes medios.
Refracción de la luz blanca en un prisma de cristal
Para entender por qué la luz se curva, imagina que estás empujando un carro de compra a lo largo de un aparcamiento. El aparcamiento es un “medio” para el carrito de de compra. Si ejerces una fuerza constante, la velocidad del carro depende del medio a través del que está trabajando – en este caso, la superficie pavimentada del aparcamiento.
¿Qué sucede cuando empujas el carro fuera del aparcamiento hacia una zona de hierba? La hierba es un “medio” diferente para el carro de compra. Si empujas el carro directamente por la hierba, se desplazará mucho más despacio. El medio de la hierba ofrece más resistencia, por lo que necesitas más energía para mover el carro de compra.
Pero cuando empujas el carro sobre la hierba en un ángulo determinado, algo más sucede. Si la rueda derecha golpea la hierba primero, la rueda derecha se ralentizará mientras que la rueda izquierda está todavía en el pavimentado. Como la rueda izquierda se está moviendo brevemente más rápido que la rueda derecha, el carro de compra se volverá hacia la derecha, moviéndose hacia la hierba. Si te mueves en un ángulo del área de hierba al área pavimentada, una rueda correrá más que la otra por lo que el carro terminará girándose.
De la misma forma, un haz de luz se moverá cuando entra en un prisma de cristal
Es una simplificación, pero piénsalo de esta manera: Un lado de la onda de luz se ralentiza antes que otra, así que el haz de luz se vuelve en el límite entre el aire y el cristal (parte de la luz se refleja en la superficie del prisma, pero la mayoría lo atraviesa). La luz se vuelve otra vez cuando sale del prisma debido a que un lado se mueve más rápido que el otro.
Además de doblarse la luz como un todo, un prisma separa la luz blanca en los colores que la componen. Los diferentes colores de la luz tienen frecuencias distintas, lo que hace que viajen a diferentes velocidades cuando se mueven a través de la materia.
Un color que viaja más despacio en el medio del cristal se doblará más bruscamente cuando pase del aire a esta superficie, porque la diferencia de velocidad es más intensa. Un color que se mueva más rápidamente en el cristal no se ralentizará demasiado, así que doblará con menor intensidad. De esta forma, los colores que componen la luz blanca son separados de acuerdo a su frecuencia cuando pasan a través de un cristal. Si el cristal dobla la luz dos veces, como en un prisma, puedes ver los colores separados más fácilmente. Esto es conocido con el nombre de dispersión.
Las refracciones y reflexiones que se producen dentro de una gota de agua
Cuando la luz traspasa las gotas de agua sucede lo mismo. Cuando el rayo de luz entra en la gota de agua sufre la refracción cambiando ligeramente de dirección dependiendo de la frecuencia de onda que posea. Dentro de la propia gota sufre una reflexión interna por lo que rebota en un extremo y vuelve a salir al aire tras una segunda refracción.
Como la gota tiene una superficie redonda, tras el rebote y esta segunda refracción, sale al aire formando un ángulo de 138º respecto de la luz incidente inicial. Este ángulo es el que explica la forma del arco iris
Por lo tanto, a pesar de que una gota de agua individual tiene diferente forma y consistencia que un prisma de cristal, afecta a la luz de forma parecida. Cuando la luz blanca del sol golpea un conjunto de gotas de lluvia en un ángulo bastante bajo, puedes ver los colores que la componen; rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta – un arco iris.
Las gotas de agua de la lluvia pueden refractar y dispersar la luz de la misma forma que un prisma. En las condiciones correctas, la refracción forma el arco iris.
Cómo se forma un arco iris
Un arco iris es normalmente visto como un arco circular en el cielo. Cuando lo observas desde el suelo puedes ver medio círculo, percibiendo el color rojo en la parte superior del mismo. Aquellos afortunados que han podido ver un arco iris en el cielo desde un avión, sabrán que el arco iris puede formar un círculo completo. Los que lo observan desde la tierra solamente pueden ver la mitad superior del círculo ya que la mitad inferior del arco circular es imposible, debido la presencia del suelo (y es bastante obvio el hecho de que las gotas de agua en suspensión no están presentes por debajo del suelo).
Arco iris completo 360º visto desde un avión
Si observas el arco iris a bordo de un avión puedes ver a menudo ambas partes, la superior y la inferior, formando un arco circular completo.
El círculo (o semicírculo) resulta de una colección de gotitas suspendidas en la atmósfera, capaces de concentrar la luz dispersa en los ángulos de desviación de 40-42 grados relativos al original patrón de la luz del sol. Cada gota dentro el arco refracta y flexiona internamente la luz que es captada por el observador dentro del espectro de la luz visible.
La luz roja se refracta a través de una gota en un ángulo más pronunciado hacia el suelo que la luz azul. Así, cuando un observador ve el ángulo más pronunciado con respecto a la tierra, las gotas de agua con esta línea de vista están refractando la luz roja que capta el ojo del observador. La luz azul procedente de las mismas gotas de agua es refractada en un ángulo menos pronunciado y dirigida a lo largo de una trayectoria que pasa por encima de la cabeza del observador. De esta forma, la luz roja es divisada cuando el observador se fija en el arco iris desde los ángulos más pronunciados de la tierra.
El espectro de la luz visible al ojo humano
De forma similar, cuando se disparan en ángulos menos inclinados, las gotas de agua dentro de esta línea de visión están dirigiendo la luz azul al ojo del observador, mientras que la luz roja es dirigida hacia más abajo, hacia un ángulo más inclinado, en concreto hacia los pies del observador.
Este debate explica por qué la luz roja es observada en la parte superior y en el perímetro exterior del arco iris y por qué la luz azul es observada en la parte inferior y en el interior del perímetro del arco iris.
Los arco iris no están limitados a la dispersión de la luz por las gotas de la lluvia. Las salpicaduras de agua en la base de una cascada causan una niebla de agua en el aire que a menudo desencadena la formación de un arco iris. Los rociadores de agua de los patios traseros también son otro elemento que genera arco iris de manera muy común.
La luz del sol brillante, las gotas de agua suspendidas y el ángulo adecuado de observación son los tres componentes necesarios para observar una de las más espléndidas obras maestras de la naturaleza.
Resumen
El arco iris es uno de los fenómenos naturales más espectaculares del mundo.
La luz blanca está compuesta de todos los colores del espectro visible al ojo humano. Por esto, al llevar una dirección en un ángulo determinado y cruzarse con las gotas de agua, que tienen una densidad diferente, se refracta diviéndose en todos los colores que la componen y cambiando de dirección. La refracción tiene que ver con la velocidad y el ángulo de incidencia. Cuanto más abierto sea el ángulo mayor el cambio de dirección y la refracción.
Entonces, ¿Por qué vemos franjas de colores?
Porque nuestro ojo percibe las gotas según su distancia. Las más lejanas envían el color rojo que es el que se encuentra encima o más exterior y así sucesivamente. Además, cada color se refracta con un ángulo diferente en las gotas.
Este fenómeno puede aparecer si se dan los tres componentes esenciales: un ángulo adecuado, un rayo de luz solar y gotas de agua suspendidas en el aire.
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