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Arcoíris. Información y Curiosidades.




Esta fue una integrativa de física de hace unos años. Cuando investigue el tema con mis compañeros no encontrábamos información por ningún lado, y la poca información que encontramos era incompleta o le faltaban datos. Así que después de recopilar la información de diferentes lugares, se me ocurrió subirla acá para que aquel que la necesite le sea más fácil encontrarla y pierda tanto tiempo como nosotros.
Espero que les sea útil y sepan apreciar el aporte y el trabajo.



¿Qué es el arcoíris?

Un arcoíris es un fenómeno óptico y meteorológico que es causado por la reflexión y refracción de la luz en las gotas de agua que se encuentran en la atmósfera terrestre, resultando en el espectro de luz que aparece en el cielo. Este toma la forma de un arco de diversos colores. El arcoíris siempre aparece por acción de la luz del sol, y en la sección del cielo opuesta al sol.

Todos los arcoíris son un círculo enteros, sin embargo, el observador promedio solo ve aproximadamente la mitad superior del el arco: “las gotas se iluminan por encima del horizonte desde la línea de vista del observador”.

En el “arcoíris primario”, el arco muestra color rojo en la parte exterior y violeta en la parte interior. Este arcoíris es causado por la luz que es refractada al entrar a una gota de agua y luego es reflejada en su interior, siendo, finalmente refractada en su salida de vuelta hacia el espacio.

En un arcoíris doble, un segundo arcoíris es visto afuera del arco primario, y el orden de sus colores es inverso al arcoíris primario. Este segundo espectro es causado por la luz que es reflejada dos veces en las gotas de agua.


¿Cómo se forma el arcoíris?

Hace más de tres siglos, Isaac Newton logró demostrar con ayuda de un prisma que la luz blanca del Sol contiene colores partiendo del rojo, a su vez pasando por el naranja, amarillo, por el verde, por el azul y añil hasta llegar al violeta. Esta separación de la luz en los colores que la conforman recibe el nombre de descomposición de la luz blanca.

Pero muchos siglos antes de Newton la naturaleza ya había descompuesto la luz del Sol una y otra vez. Algunas veces, después de una llovizna; otras, tras una tormenta. Lo cierto es que el arco iris fue durante mucho tiempo un fenómeno tan asombroso como sobrecogedor.

La teoría completa del arco iris fue, sin embargo, anterior a Newton. Desarrollada primero por Antonius de Demini en 1611, fue retomada y refinada luego por René Descartes. Posteriormente, la teoría moderna fue propuesta en forma inicial por Thomas Young y, más tarde elaborada en detalle por Richard Potter y George Biddell Airy.

En la teoría actual, cuando la luz solar incide sobre las gotas de lluvia, éstas salen de las gotas con un ángulo de aproximadamente 138° respecto de la dirección que llevaban antes de entrar en ellas. Este es el "ángulo del arco iris", descubierto por René Descartes en el año de 1637. Como el ángulo de salida es de sólo 138°, la luz no se refleja exactamente hacia su origen. Esto hace posible que el arco iris sea visible para nosotros, que no solemos encontrarnos exactamente entre el Sol y la lluvia.

Para ser más precisos, es la luz amarilla la que es dispersada a 138°de su trayectoria original. La luz de otros colores es dispersada en ángulos algo distintos. La luz roja del arcoíris se dispersa en una dirección ligeramente menor que 138°, mientras que la luz violeta sale de las gotas de lluvia en un ángulo un poco mayor.

Un rayo de luz solar cambia su dirección tres veces mientras se mueve a través de una gota de lluvia: Primero entra en la gota, lo cual ocasiona que se refracte ligeramente. Entonces se mueve hacia el extremo opuesto de la gota, y se refleja en la cara interna de la misma. Finalmente, vuelve a refractarse cuando sale de la gota de lluvia en forma de luz dispersa. La descomposición en colores es posible porque el índice de refracción de la gota de agua es ligeramente distinto para cada longitud de onda, para cada color del arco iris.

La luz solar emerge de muchas gotas de lluvia a un mismo tiempo. El efecto combinado es un mosaico de pequeños destellos de luz dispersados por muchas gotas de lluvia, distribuido como un arco en el cielo. Los diversos tamaños y formas de las gotas afectan la intensidad de los colores del arco iris. Gotas pequeñas hacen un arco iris pálido y de colores con tonalidades pastel; gotas grandes producen colores muy vivos.





Características del arcoíris.

Arcoíris Primario y Secundario.

A veces, es posible ver también lo que se conoce como arco iris secundario. El arco iris primario, 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 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. Los ángulos que forman los rayos incidente y refractado hacia el ojo son mayores en el rayo secundario: 50 º para la luz roja y 54º para la violeta. Vimos que en la formación del primario eran de 42º para la luz roja respecto al observador. El orden de los colores en el arco secundario está invertido debido a la doble reflexión interna. Teóricamente puede haber más de tres reflexiones internas, que darían lugar a cuatro y cinco arcos iris. El tercero y cuarto estarían entre el observador y el sol y quizás nunca se puedan ver. El quinto se produce en la misma zona del primero y del segundo y no es perceptible porque es muy tenue.

Es interesante señalar que ninguna luz emerge en la región entre los arcos iris primario y secundario, mientras que en la parte exterior del arco secundario y en la parte interior del arco primario es visible una considerable cantidad de luz, lo cual se debe al reflejo de la luz blanca concentrada justo antes de su refracción para formar el arco iris. Esta zona oscura intermedia se debe a la intensidad de la cortina de agua, que absorbe toda la luz posible hacia el interior de la misma, y es conocida como "Banda de Alejandro".




Este seria un ejemplo:



Arcoíris Terciario y Cuaternario.

En adición a los arcoíris primario y secundarios, que pueden ser vistos en la dirección opuesta a la del sol, es también posible (pero muy poco frecuente) ver dos arcoíris en la dirección al sol. Estos son el arcoíris terciario y cuaternario, formados por los rayos de luz que son reflejados tres o cuatro veces en las gotas de agua, incidiendo a unos 40° desde el sol (en el caso de un arcoíris terciario) y a 45° (arcoíris cuaternario). Estos son muy difíciles de ver simplemente con los ojos debido al resplandor del sol, pero si pueden ser fotografiados.

Arcoíris supernumerarios.

Un arcoíris supernumerario es un fenómeno muy inusual, que consiste en la aparición de un arcoíris dentro del primario y de otro, más inusual que el primero, fuera del secundario. Estos arcoíris son particulares, ya que los colores en su espectro se encuentran ligeramente separados y sus bandas de colores no encajan en el esquema habitual.

No es posible explicar su existencia usando la geometría óptica clásica. Los arcoíris débiles alternados son causados por la interferencia entre los rayos de la luz con direcciones ligeramente diferentes, y por la variación en las gotas de lluvia. Algunos de estos rayos están en fase, y se refuerzan unas a otras a través de la interferencia constructiva, provocando la creación de una banda brillante, mientras que otros están fuera de fase hasta en una media de longitud de onda, lo que provoca la cancelación de uno con otro a través de las interferencias destructivas, y la creación de un vacío. Teniendo en cuenta los diferentes ángulos de refracción de los rayos de diferentes colores, los patrones de interferencia son ligeramente diferentes para los rayos de diferentes colores, por lo que cada banda brillante se diferencia en el color. Los arcoíris supernumerarios son más claros cuando las gotas de agua son pequeñas y de tamaño similar.

La existencia misma del arcoíris supernumerarios fue una de las primeras indicaciones de la naturaleza ondulatoria de la luz, y la primera explicación de esto fue proporcionada por Thomas Young en 1804.

Colores que componen el espectro del arcoíris.

Un espectro obtenido usando un prisma de cristal y una fuente de luz puntual es un continuo de longitudes de onda sin bandas. El número de colores que el ojo humano es capaz de distinguir en un espectro es del orden de 100. En consecuencia, el sistema de color de Munsell distingue 100 tonos. La aparente discontinuidad de los colores principales depende de la percepción humana y el número exacto de los colores principales es una elección un tanto arbitraria.





El patrón de color de un arco iris es diferente de el del espectro normal, y los colores son menos saturados. En el espectro de un arcoíris no se encuentran manchas espectrales, debido al hecho de que para cualquier longitud de onda particular, hay una distribución de ángulos de salida, en lugar de un único ángulo invariable. Además, un arco iris es una versión borrosa del arco obtenido a partir de una fuente de luz puntual. El número de colores de la banda de un arco iris por lo tanto, puede ser diferente del número de colores de la bandas del espectro normal, especialmente si las gotas varían entre grandes o pequeñas. Por lo tanto, el número de colores de un arco iris es variable.

Situaciones donde se forma el arcoíris y tipos de arcoíris.

Respecto de las condiciones para ver un arcoíris 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.

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.

Es importante notar también, la altura del Sol cuando uno observa un arco iris, pues es algo que ayuda a determinar qué tanto alcanza uno a ver de él: cuanto más bajo se encuentre el Sol, más alta será la cresta del arco iris y viceversa. Alguien que pueda elevarse un poco sobre la superficie de la Tierra, se daría cuenta de que ciertos arcos iris continúan por debajo del horizonte. Quienes escalan montañas altas han logrado ver en ocasiones una buena parte de arcos iris circulares completos. Pero ni siquiera las montañas poseen la suficiente altura como para poder llegar a observar un arco iris circular en su totalidad. Son necesarias alturas muy altas, por lo que en ocasiones los arcoíris circulares han sido visto solamente por aviadores.

Este seria un ejemplo:



Experiencia para la formación de un arcoíris.

Fábrica de arcoíris por descomposición de la luz.

La luz blanca puede descomponerse en luces monocromáticas (es decir, de un único color), siempre que consigamos que atraviese algún obstáculo que obligue a las diferentes ondas que constituyen la luz blanca a viajar a velocidades diferentes. El resultado es el arcoíris. Con este experimento podremos descomponer la luz blanca en diferentes luces de colores.

¿Qué necesitamos?

  • Un recipiente grande
  • Agua
  • Un espejo plano de tocador
  • Plastilina
  • Sol (o una linterna potente)


¿Cómo lo hacemos?

Llenamos el recipiente con agua e introducimos el espejo de tocador dentro. Lo sostenemos con la mano en una posición donde le dé el sol (o la luz de la linterna) y luego lo fijamos a la base con plastilina. Tenemos que tener en cuenta que el espejo quede con una inclinación cercana a los 45º. Reflejamos la luz contra una pared u otra superficie blanca, formándose el espectro en esta.

¿Qué vemos?

Lo que observamos reflejado en la pared es un arcoíris. La luz blanca del sol se transforma en una multiplicidad de colores.

¿Por qué sucede esto?

Esto es posible porque cuando la luz penetra en el agua su velocidad cambia, y pasa lo mismo cuando emerge del agua después de haberse reflejado en el espejo. Esos cambios de velocidad provocan que las distintas longitudes de onda se separen, es decir, que la luz blanca se descomponga en las longitudes de onda que la forman, cada una de un color diferente, los mismos colores que los del arcoíris.



Bueno, espero que les haya gustado, se que no es el gran post, ni es muy visual, pero lo importante es la información y poder transmitirla entre todos los usuarios. Ojala aprecien el esfuerzo, comentando y dejando puntos. Cualquier duda pueden mandarme un mensaje.

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