¿Qué es el arco iris?
El arco iris es un fenómeno óptico y meteorológico que produce la aparición de una fuerza energética (espectro de luz) continuo en el cielo cuando los rayos del sol atraviesan pequeñas partículas de humedad contenidas en la atmósfera terrestre,y produce energía que se proyecta.
¿Cómo se forma el arco iris?
Cuando la luz solar incide sobre las gotas de lluvia, éstas se encargan de dispersarla en todas direcciones, pero en unas mucho más que en otras. Los rayos de sol salen de las gotas de agua con un ángulo de aproximadamente 138 grados respecto a la dirección que llevaban antes de entrar en ellas, es decir, que no se refleja exactamente hacia su origen. Este es el "ángulo del arco iris", descubierto por René Descartes en el año 1637, y gracias a él podemos ver como se proyecta la energía solar.
La luz solar emerge de muchas gotas al mismo tiempo. El efecto combinado es un mosaico de pequeños destellos de luz distribuido como un arco en el cielo.
¿De dónde proviene la leyenda?
¿Cuántos colores tiene el arcoíris?
Si alguien nos pregunta ¿Cuántos colores tiene el arcoíris? Lo más común es responder sin dudar que siete, e incluso enumerarlos: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta. ¿Pero cuánta realidad tiene esto? La verdad es que estos siete colores únicamente existen a causa de las creencias de Isaac Newton. El físico que revolucionó la historia de la ciencia, cuando en 1704 publicó Opticks su estudio sobre la descomposición de la luz blanca, enumeró siete colores para que cumpliera con su creencia en la ley de los sietes.
I: Arcoíris
La descomposición de la luz blanca, que Newton demostró mediante un prisma, se puede encontrar en la naturaleza, consiguiendo uno de los efectos que más ha apasionado al hombre a lo largo de la historia: el arcoíris. Por extensión, los siete colores en los que Newton descompuso la luz blanca son los siete colores que cuando somos pequeños nos enseñan a poner en los arcoíris que dibujamos.
La física de la descomposición de la luz blanca, es a día de hoy algo evidente, aunque en su momento supuso muchos quebraderos de cabeza a varios físicos. Según la teoría desarrollada René Descartes y depurada por Newton, cada vez que un rayo de luz atraviesa una pequeña gota de agua en suspensión en la atmósfera, este sale refractado mostrando todos los colores que componen la luz visible.
II: Arcoíris en ojos humanos
Cada uno de estos colores se corresponde con las distintas longitudes de onda de los componentes del espectro de la luz visible, que aparecen separados a su salida de la gota de agua debido a que el ángulo de refracción difiere de unas longitudes de onda a otras. Más concretamente, el ángulo de refracción de la luz amarilla (la central del espectro) es de 138º, lo que hace que un arcoíris únicamente pueda ser visto cuando nos encontramos de espaldas al Sol.
Pero centrándonos en el tema con el que comenzamos el artículo, si se trata de un espectro continuo en el que un color se va convirtiendo en otro, ¿por qué siempre hablamos de siete colores? El siete es un número con una fuerte superstición y misticismo asociado. Isaac Newton, además de establecer las bases de la física moderna, pasó gran parte de su vida estudiando la alquimia, y era un fiel creyente de la ley de los sietes, como la ley que regía el Universo.
III: Prisma refractando luz en “Dark Side of The Moon”
A finales del siglo XVII, siete eran los astros celestes conocidos (Sol, Luna, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno), siete eran los metales usados en la alquimia (oro, plata, cobre, mercurio, plomo, estaño e hierro), siete eran las notas musicales de una escala (do, re, mi, fa, sol, la, si) e incluso siete eran los días de una semana. Yendo más allá, el cristianismo era la religión más extendida en Europa y la profesada por Newton, y en su libro sagrado, la Biblia, se pueden encontrar centenares de referencias al número siete, existiendo únicamente en el Apocalipsis un total de 55.
Por esto, cuando Newton consiguió dividir la luz con un prisma, lo que se esperaba encontrar era un total de siete colores, para así cumplir la ley de los sietes, por lo que no dudó en enumerar los siete colores que comúnmente se asocian al arcoíris. Pero como años más tarde se demostraría, los colores en realidad no son un concepto físico como tal, sino un concepto biológico.
IV: Espectro de luz visible
El ojo humano tiene tres tipos de receptores de color llamados conos, a los que se les puede asociar los colores primarios azul, rojo y verde, correspondiente a la longitud de onda a la que cada tipo de cono es más sensible. Por lo que, siguiendo nuestra interpretación de la luz visible, podríamos decir que el arcoíris tiene únicamente tres colores. Aún así, si lo quisiéramos complicar un poco más, podríamos introducir los colores secundarios resultantes de la combinación los colores primarios dos a dos, resultando un total de seis colores, pero en ningún caso los siete descritos por Newton.
A lo largo del último siglo han sido muchos los científicos respetables (entre los que se encuentra Isaac Asimov) que, basándose en nuevos descubrimientos científicos, rebatieron la teoría de los siete colores de Newton demostrando que el color conocido como añil no era más que una tonalidad distinta del violeta.
El arco iris es un fenómeno óptico que se produce como consecuencia de la reflexión y refracción de los rayos solares sobre gotas de agua, en este caso la lluvia.
Debido a la refracción, la luz blanca del sol atraviesa la gota de agua, que hace de prisma, y se descompone en los colores del espectro visible…el violeta se sitúa en el interior y el rojo en el exterior.
El orden de colores desde del violeta interior es, azul, verde, centro y el rojo, que es el exterior
Debido a la reflexión, lo vemos con forma de arco.
Cuando estas viendo el arco iris, el sol está por tu espalda y por encima de tí, y la lluvia por delante , que es donde se forma el arco de unos 42 grados de radio.
De manera que tenemos una gota de agua esférica a la que llegan rayos de luz paralelos, que al impactar en la gota se difractan. Una vez dentro, el rayo se refleja en la parte de atrás de la gota y vuelve a impactar en la parte delantera, donde parte de ese rayo vuelve al aire, cómo muestra la figura siguiente:
Proceso de refracción y reflexión en una gota de agua
Recordemos que el proceso de refracción venía dado por la Ley de Snell, que se da en Bachillerato, que nos indica cual es el ángulo de desviación del rayo en función del índice de refracción del material:
n1·sin(θ1)=n2·sin(θ2)
La gota recibe el impacto de rayos de luz paralelos (son paralelos pues la fuente de luz, el Sol está muy lejana y tiene un diámetro angular muy pequeño) con diferentesparámetros de impacto (nombre que recibe la distancia del rayo al centro de la esfera), por lo que cada uno de esos rayos recorrerá una trayectoria distinta dentro de la gota.
Para explicar la dispersión de la luz, tenemos que recurrir de nuevo a la Ley de la refracción de Snell. Hemos visto que venía dada por el índice de refracción del material. Pues bien, dicho índice depende también de la longitud de onda de la onda incidente. Concretamente, el índice de refracción disminuye cuando aumenta la longitud de onda, de modo que las longitudes de onda más largas (rojo) se desvían menos que las cortas (azul).
¿Cómo nos influye esto en nuestro arco iris? Tenemos que las ondas incidentes (los detectables por nuestros ojos, el espectro visible) tienen diferentes longitudes de onda (que van desde los 380 a los 750 nm (violeta y rojo respectivamente) y por tanto las trayectorias que siguen son ligeramente distintas, dando lugar a conos de diferentes amplitudes (los 42º que habíamos considerando antes son válidos para el amarillo).
Así, tenemos un cono de 40,5º para el violeta y un cono de 42,5º para el color rojo. Los colores intermedios forman cono cuyos ángulos están comprendidos entre esos dos valores. La consecuencia inmediata es que en el arco iris el color violeta está en el interior y el color rojo en el exterior.
Asociados al arco iris hay multitud de fenómenos: el arco iris secundario (el que acabamos de explicar se conoce como arco iris primario), la polarización de la luz del arco iris, arcos supernumerarios.
La intensidad del color del arco iris viene determinado por el tamaño de las gotas de lluvia. Cuanto mayores son las gotas de lluvia, mayor es la intensidad con que lucen los colores.
El DOBLE ARCO-IRIS!!
Otra curiosidad es que muchas veces podemos observar un doblearco iris que se denomina Arco iris Secundario.
El arco secundario se forma al producirse una doble refracción. Tiene un tono más débil y aparece por encima del arco iris primario, con un arco de 51 grados de radio
En el arco iris secundario, los colores se organizan al revés, de manera que el azul es el exterior y el rojo, el interior.
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