Refracción

La “belleza poética” y la física

Esta semana en la radio me ha dado por hablar de un tópico que, al menos yo, he oído muchas veces. El tópico dice que conocer la explicación física, o racional, de algunas cosas le quita belleza.

Lo primero es dejaros el audio, después pondré una interpretación libre en formato texto para el que le guste más la lectura.

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Evidentemente no estoy en absoluto de acuerdo. Yo creo que siempre suma, y para ello utilizaré el ejemplo del Arcoiris y sus colores.

¿Cómo se forma el Arcoíris?

Supongo que estáis de acuerdo en un arcoíris es algo muy bonito, e incluso han inspirado más de una poesía. Bien, pues vamos a intentar destrozar el espectáculo.

Lapiz dentro de un vaso de agua

Lápiz dentro de un vaso de agua

El arcoíris se produce por un fenómeno que sufre la luz al cambiar de medio. Al pasar del aire al interior del agua, o un vidrio. Este fenómeno se conoce como refracción, y todos lo hemos observado cuando vemos cómo parece que la cuchara se dobla al meterla en un vaso de agua.

La cantidad que se “dobla” la luz al cambiar de medio depende de la longitud de onda, es decir, del color. Con lo que al cambiar de medio lo distintos colores comenzarán a separarse. Esto es lo que se produce cuando la luz blanca atraviesa un prisma, ya que la luz blanca es la mezcla de todos lo colores. Sí como en la portada del disco de Pink Floyd “The Dark Side of the Moon”.

Prisma actuando sobre la luz blanca en el disco

Prisma actuando sobre la luz blanca en el disco “Dark Side of the Moon”

Este mismo efecto es el que forma el arcoíris. El arcoíris no es más que la segunda refracción de la luz en la gotitas de agua en suspensión. Es decir, la luz entra con cierto ángula en las pequeñas esferas que forman estas gotitas de agua. De esta forma se desvía la luz y se separan un poco los colores. Una vez dentro de la gotita, cuando llega a la parte trasera, parte de la luz se reflejará quedándose dentro de la gotita y volviendo hacia la parte delantera, donde una vez más vuelve a ocurrir el mismo fenómeno, parte se reflejará pero parte de la luz volverá a cambiar de medio separándose aún más los colores. Y es esta segunda refracción la que vemos en forma de bonitos arcoíris.

Esquema del camino recorrido por la luz en una gota de agua. Y formación del arcoíris (Crédito:wikipedia)

Esquema del camino recorrido por la luz en una gota de agua. Y formación del arcoíris (Crédito:wikipedia)

Y para los que llegados a este punto piensen que le esto le quita belleza al asunto, les diré que no solo se puede reflejar una vez sobre la parte trasera de la gota, sino que puede volver a rebotar y volver a salir por delante formando un arcoíris doble. Este segundo arcoíris es mucho más tenue, ya que en cada rebote se pierde luz (parte se refleja y parte cambia de medio). Así que gracias a esto podemos estar atentos a ver si somo capaces de ver un fenómeno aún más bonito como es un arcoíris doble.

Y no solo eso, si pensamos en lo dicho veremos que para ver el arcoíris, el Sol deberá estar a nuestra espalda. Así que cuando veamos que está dejando de llover y empiezan a salir los primeros rayos de Sol, ya sabemos la dirección en la que tenemos que mirar para poder buscar el arcoíris. Con lo que siendo pragmáticos veremos que gracias a saber cómo se forman, tenemos más opciones de disfrutar de este maravilloso espectáculo.

¿Nos seguimo leyendo?

@guardiolajavi

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Astronomía para bañistas

¿Qué tipo de astronomía se puede hacer en las piscinas de verano?. Hay un fenómeno muy curioso, que todos hemos observado en las piscinas expuestas a la luz del sol, que está muy relacionado con otro del que todos hemos dado cuenta al observar las estrellas cualquier noche, ya sea por curiosidad científica o por un arrebato romántico ;-).

Luz difractada en el fondo de la piscina

Luz difractada en el fondo de la piscina

Cualquiera que haya observado las estrellas alguna noche habrá caído en la cuenta de que algunas parecen parpadear. La luz que nos llega desde esos pequeños puntos brillantes parece cambiar, tiene una variación en intensidad, como el brillo de una vela en la oscuridad,  pero, ¿os habéis planteado porqué ocurre eso?, pues bien, para pensar sobre ello no hace falta que sea de noche, imaginad que estamos en una piscina de verano y que la lectura del “HOLA” ha dejado de interesarnos, para matar el aburrimiento os recomiendo que hagamos algunas hipótesis de porqué podría suceder esto con las estrellas.

Posibles causas del parpadeo de las Estrellas

Llegados a este punto nos afanamos en buscar un boligrafo para realizar anotaciones al margen de nuestra revista favorita.

El brillo de las estrellas varía por:

  1. Quizá la atmosfera presenta algún tipo de cambio temporal en su transparencia provocando que se absorba parte de la luz que proviene de estas estrellas parpadeantes. Esta variación puede ser debida a la formación y desaparición repentina de nubes o acumulación de polución que se produce de una manera semi-aleatoria.
  2. La intensidad de la luz emitida por la estrella varia por si misma, en un continuo aumento y disminución de la energía de fusión producida por estos enormes generadores. (Leemos el “HOLA”, pero también de vez en cuando vemos documentales de “La 2”, ¡no te vayas a creer!)
  3. ¿A ver si el parpadeo va a estar producido por algún tipo de pantalla no-uniforme situada entre el observador (que somos nosotros) y lo observado (que es la estrella), y que además esta pantalla se mueve produciendo una atenuación variable con el tiempo?

Llegado a este punto, y para ser una tarde de verano en la que queremos estar relajados en la piscina, nos tomamos un descanso y seguimos leyendo el reportaje donde presentan un chalet que parece un palacio, pero no podemos resistir la tentación y nos echamos una siestecica para dejar enfriar la neurona después de tanta formulación de hipótesis.

Una vez recuperada la temperatura adecuada de la neurona, retomamos nuestras notas y vamos argumentando cada una de las hipótesis.

Reflexiones sobre las hipótesis propuestas:

  1. Que las nubes o la polución se acumule de manera tan rápida no parece que tenga mucho sentido, primero porque de día no se observa y segundo porque de noche los planetas no parecen parpadear, con lo que la atmósfera mantiene su transparencia al menos bajo circunstancias normales.
  2. Que la potencia del generador de fusión varíe con la velocidad a la que parpadean las estrellas no parece una cosa muy lógica, ya que estaríamos observando unas convulsiones importantes en esta energía, y además cuando observamos la misma estrella desde una altura mayor, como la cima de una montaña, no parece parpadear. Incluso hay testimonios de personas que han viajado al espacio y aseguran que las estrellas no parpadean. ¡Qué fuerte!. ¿Y si se encendiesen y se apagasen las estrellas? Déjate de tonterías que esto está explicado en el post “vecino” Apagando el interruptor del Sol 😉
  3. O me quedo con la última hipótesis o me voy a dar un baño.

Efectivamente y dado que solo hace 3 horas que hemos comido y nuestra madre siempre nos aconsejaba al menos 8 horas de digestión antes del baño, no nos queda otra opción que trabajar sobre esta última hipótesis.

La existencia de una pantalla no uniforme sería consistente, y además dependiendo de las características de esta pantalla podría ser consistente con que los planetas no se viesen afectados, y dado que es una pantalla producida por la atmósfera, también sería consistente con el movimiento que hemos supuesto, ya que el viento u otras perturbaciones atmosféricas podrían ser la causa de dicho movimiento.

¡Alé! pues ya tenemos explicación, hay una pantalla que se mueve y que produce esta perturbación, es decir, el parpadeo de las estrellas está provocado por las perturbaciones de la atmósfera. Bonita teoría, y cierta, pero dado que aún nos quedan 5 horas de digestión nos da por seguir desarrollando nuestra teoría.

La primera duda que nos asalta es ¿Es posible tener una estructura que no absorba la luz y que cambie la intensidad de la luz percibida de las estrellas sin afectar a los planetas?

La respuesta a esta pregunta es clara, , de hecho cualquier lente cambia la intensidad de luz que apreciamos, concentrándola (lentes convergentes como en una lupa) o dispersándola (lentes divergentes como las de un miope), además a nuestro lado en la piscina, tenemos un ejemplo claro, los brillos de la luz que se observan en el fondo de la piscina a pleno sol como en la foto que encabeza este post, o de un modo más concreto como en la siguiente foto:

Avispa formando lentes divergentes

Avispa formando lentes divergentes

Como bien se explica en este post, la tensión superficial soporta el peso de la avispa, pero esta deforma el agua formando unas pequeñas lentes divergentes. Ese oscurecimiento del fondo de la piscina se produce porque el índice de refracción del agua es distinto al del aire lo que provoca que los rayos de luz se vean desviados como se observa en la figura.

Lentes acuáticas por deformación de la superficie

Lentes acuáticas por deformación de la superficie

Lo que nos termina de explicar estos dibujos que se forman en el fondo de la piscina. Estas formas son debidos a la deformación de la superficie del agua, de manera muy similar a la pantalla transparente que hemos supuesto en nuestra hipótesis.

¡Qué tranquilos nos hemos quedado! ya tenemos explicación, y además tenemos un ejemplo claro al lado nuestro, con lo que orgullosamente vamos a contárselo al primero que veamos que se levanta de la siesta, porqué además sabemos que este cambio en el índice de refracción se puede producir en la atmósfera debido a cambios de temperatura, solamente que esta pantalla estará mucho más alta.

El problema es que la próxima vez que estemos mirando las estrellas no podremos evitar sentirnos como si estuviésemos en el fondo de una piscina.

Después de contarle nuestra disquisición al “ex-siestero” de turno, que casualmente se ha mostrado interesado (no tenía escapatoria ya que su madre utilizaba la misma tabla que la mía para calcular los periodos de digestión segura), este nos suelta: “que vale, que muy bien, pero … ¿Porqué esa pantalla de lentes transparentes móviles que se encuentra sobre nuestras cabezas afecta a las estrellas y no a los planetas?“. Lo que convierte nuestra alegría en dudas, (cosa que normalmente pasa a los científicos, pero que a partir de ahora queda demostrado que también puede pasarle a los lectores del “HOLA”).

Desgraciadamente la respuesta no estaba en nuestra neurona, así que decidimos, por fin, ir a pegarnos un baño que para eso estamos en una piscina, sin embargo la suerte no nos acompaña ya que se nubla lo que hace que el baño sea una cosa muy poco apetecible.

Sin embargo y como pasa en numerosas ocasiones, ¡esa nube vino a salvarnos!. Como por arte de magia, los bonitos dibujos que hacía la luz del sol en el fondo de la piscina desaparecen, lo que nos da la solución a la duda planteada.

En un cielo nublado no se producen esos dibujos, ya que la fuente de luz es mucho más extensa, la luz proviene desde todos los ángulos, y no solo de ese puntazo amarillo que es nuestro sol. La explicación para que las estrellas parpadeen y los planetas no, debe ser similar, y lo es.

Aunque los planetas sean más pequeños que las estrellas, están muchísimo más cerca de nosotros, y aunque difícil de apreciar, eso supone que ocupan una mayor extensión en el cielo, lo que se traduce en un tamaño angular mayor que el de las estrellas. Esa capa de lentes atmosféricas que hemos supuesto tendrán un tamaño que no afectará a nuestra visión de los planetas.

Y ahora sí, ya tenemos la explicación completa, y además la nube pasó y nos podemos bañar. Maravillados por los descubrimientos hechos en una piscina de verano, llegamos a la conclusión de que nuestro planeta es fabuloso, y que gracias a su atmósfera vemos esos parpadeos tan evocadores, cosa que no podrán decir los marcianos, porque con una atmósfera tan tenue como la de Marte, será muy difícil que se den las condiciones que permitan sentirnos como en el fondo de una piscina ;-).

Esta entrada participa en la XL edición del Carnaval de la Fisica, alojado en esta ocasión por Cuantos y Cuerdas

Referencias:

Este post está basado en el siguiente artículo de American Journal of Physics

Why do stars twinkle, and do they thinkle on Mars?