Refração da luz solar nas gotas de chuva
O arco-íris é um fenômeno óptico que provoca a refração da luz ao separar a luz do sol em seu espectro contínuo, à medida que ela reflete sobre gotículas de água na atmosfera, formando um espectro de luzes ou cores.
O espectro de dispersão da luz branca forma um arco multicolorido com vermelho na parte exterior e violeta no seu interior, no entanto, existe uma infinidade de cores sem qualquer delimitação entre elas.
Em consequência da capacidade limitada de distinção de cores pela visão humana, o arco-íris é resumido em sete pigmentações visíveis: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta. Algumas pessoas só consigam enxergar cinco delas.
As cores do arco-íris foram simplificadas pelo físico inglês Isaac Newton. Apesar de ter admitido que só conseguiu ver cinco, Newton acrescentou mais duas cores para fazer analogia com as sete notas musicais.
Arco-íris é um arco multicolorido com o vermelho no seu exterior e violeta em seu interior. (Foto: Pixabay)
Conceituação teórica
Os primeiros estudos sobre o arco-íris ocorreram a partir da experiência do físico René Descartes. Em 1637, ele realizou a sua primeira experiência ao incidir raios de luz através de uma grande esfera de vidro cheia de água.
Descartes mediu os ângulos que os raios emergiam e concluiu que o primeiro arco era causado por uma única reflexão interna dentro da gota de água, e que o segundo arco podia ser causado por duas reflexões internas. Com o auxílio da lei da refração calculou corretamente os ângulos dos dois arcos.
Os experimentos sobre a formação do arco-íris realizados por Descartes não foram suficientes para explicar suas cores. A estrutura das cores fora explicada de acordo com os estudos de Isaac Newton, que foi o primeiro a demonstrar que a luz branca era composta por todas as pigmentações do arco-íris.
Em seu experimento, Newton utilizou um prisma de vidro para decompor a luz branca no espectro completo de cores e, com auxílio outro prisma, foi possível recombinar o feixe de luz em luz branca. Assim, demonstrou que a luz vermelha é menos refratada do que a azul, o que levou a completa explicação do efeito óptico do arco-íris.
Outro efeito da Física que explica a composição do arco-íris é a polarização. Esse efeito ocorre devido às reflexões dentro das gotículas de águas, que são corpos transparentes. De modo que, a polarização é total quando o raio refletido for perpendicular ao raio refratado.
Esse efeito se explica, pois segundo a lei de Brewster, para haver polarização por reflexão em corpos transparentes o grau de polarização deve variar conforme o ângulo de incidência, comprimento da onda da luz e pelo par de meios transparentes por onde passa.
Como ocorre a formação do arco-íris
A formação do arco-íris ocorre quando uma luz branca é interceptada por uma gotícula de água. Quando ocorre a interceptação uma parte da luz solar é refratada para dentro da gota, refletida em seu interior e refratada novamente para fora da gota, formando o espectro de cores.
Considerando que a luz branca é, na realidade, a mistura de várias cores, é possível compreender porque ela faz aparecer o espectro de cores ao atravessar uma superfície líquida ou uma superfície sólida transparente. Esse fenômeno acontece pois um lado da onda de luz desacelera antes do outro, causando a separação das cores de acordo com a frequência.
Além de ocorrer na natureza, o fenômeno do arco-íris pode ser reproduzido através da refração de luz por um prisma de vidro. A refração é o processo de desvio do feixe de luz ao passar de um meio material para outro. Os meios transparentes e translúcidos, meios materiais capazes de propagar luz, apresentam um índice de refração que varia de acordo com suas características.
Ao atravessar do meio material ar para o meio material água, a luz passa pelo processo de refração, uma vez que o índice de refração de ambos os meios possuem valores diferentes. Isso faz com que a velocidade da luz seja diferente nos dois. Dessa forma, as gotas de chuva funcionam como um prisma natural, pois elas também possuem seu índice de refração. Cabe ressaltar que é necessário que elas tenham um tamanho e formato ideais para formar o arco-íris.