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9 de enero de 2016

¿Por qué es curvo el arco iris?

En un día soleado es fácil ver un arco iris en la rociadura de una manguera de jardín: bastará colocarse de forma que el Sol esté a nuestra espalda pero ilumine las gotas de agua. El fenómeno es el mismo que produce en el cielo un arco iris natural, pero el Sol, en lugar de incidir sobre una cortina de agua cercana, lo hace sobre una lluvia lejana, y el arco de bandas de colores se forma a una escala mucho mayor.

Vemos el arco iris porque las innumerables gotas de agua actúan como diminutos prismas y espejos. Cuando un rayo de luz entra en cada gota, se refracta y se descompone en todos los colores del espectro; luego se refleja en la superficie posterior de la gota y llega hasta nuestros ojos. Como la luz de cada color se refracta según un ángulo ligeramente distinto, vemos bandas bien definidas, desde el violeta al rojo, pasando por el verde y el amarillo. La luz nos llega siguiendo los ángulos de refracción desde innumerables gotas esparcidas por el cielo, y vemos el arco iris como una curva continua.

Es cierto que la luz viaja en línea recta, pero al pasar a través del agua se refracta; es decir, cambia de dirección. El arco iris es curvo porque los rayos solares entran en cada gota de lluvia, se reflejan en su superficie interior y luego se dirigen a los ojos del observador en un ángulo de 42 grados con respecto a la dirección del sol. Este ángulo hace que los rayos se dispongan en forma circular, sólo que nada más alcanzamos a ver un semicírculo porque el suelo oculta la mitad inferior.
 Fuente:

Villavicenciocintia

8 de octubre de 2012

La física de los arcoíris múltiples con gotas de agua no esféricas



Esta imagen de un arcoíris doble y bífido no es real, ha sido obtenida mediante el mejor software de simulación de arcoíris del mundo, resultado de una colaboración internacional en la que participa el grupo de investigación de Francisco Serón en la Universidad de Zaragoza. Para ello se ha mejorado el modelo físico de Lorenz-Mie, que asume gotas esféricas, para considerar gotas con forma no esférica realista (porque las de mayor tamaño lo son). En concreto, en esta imagen se observa un arcoíris ”bífido” porque se ha utilizado una mezcla de gotas pequeñas (esféricas) y gotas grandes no esféricas. El resultado es realmente espectacular y si no te dicen que está hecho por ordenador, lo mismo hasta te crees que es una fotografía de verdad. 

El artículo técnico para los interesados en los detalles técnicos es Iman Sadeghi, Adolfo Muñóz, Philip Laven, Wojciech Jarosz, Francisco Serón, Diego Gutiérrez, Henrik Wann Jensen, “Physically-Based Simulation of Rainbows,” ACM Transactions on Graphics 31: 3, January 2012 [tuit de Rafael Bachiller (@RafaelBachiller); la verdad es que ya no leo revistas de investigación en gráficos por ordenador (cuando hace un lustro las leía todas).

¿Realmente existen los arcoíris bífidos? Por supuesto, la imagen de la izquierda es una fotografía real obtenida por Benjamin Kuehne y la parte derecha la simulación correspondiente utilizando el nuevo software; se han utilizado gotas de agua de dos tamaños, con radio 0,4 mm y 0,45 mm. El acuerdo entre teoría y realidad es espectacular. Haz click en la imagen para verla en tamaño más grande (si te apetece disfrutar de sus sutiles detalles).


En estas cuatro imágenes de arcoíris incluyendo los arcos supernumerarios, la banda oscura de Alejandro y diferentes efectos. En concreto, arriba-izquierda, el arcoíris ideal según la teoría de Lorenz-Mie (gotas esféricas), arriba-derecha, cómo cambia éste cuando se introduce la efecto de que el Sol no es puntual, abajo-izquierda, una arco doble mostrando cómo cambian los colores de orden en el secundario, y abajo-derecha, un arcoíris doble con múltiples arcos supernumerarios resultado de una distribución uniforme de muchas gotas pequeñas.


La clave de la nueva teoría del arcoíris es considerar gotas de agua que no son esféricas. Beard y Chuang construyeron un modelo teórico de las gotas en 1987, que ratificaron con medidas experimentales. Os voy a confesar que yo le propuse a uno de mis estudiantes de doctorado hacer casi exactamente lo mismo que han hecho Paco Serón y sus colegas, estudiar cómo cambia la teoría de Lorenz-Mie cuando se usa el modelo de Beard-Chuang para la forma de las gotas. Pero al final mi estudiante, sin beca de investigación, no pudo completar su trabajo. Quizás por ello me ha encantado este nuevo trabajo. Los interesados en este modelo de gotas disfrutarán con Kenneth V. Beard and Catherine Chuang, “A New Model for the Equilibrium Shape of Raindrops,” Journal of the Atmospheric Sciences 44: 1509-1524, 1987, y Kenneth V. Beard, Rodney J.Kubesh, Harry T. III Ochs, “Laboratory Measurements of Small Raindrop Distortion. Part I: Axis Ratios and Fall Behavior,” Journal of Atmospheric Sciences 48: 698-710, 1991.


No este blog el lugar adecuado para discutir la teoría de la formación de los arcoíris. Quienes no la recuerden o nunca la hayan estudiado pueden recurrir a la web. En cualquier caso, resumiendo mucho, un arcoíris se forma por la refracción y reflexión de la luz del Sol en el interior de gotas de agua, incluyendo efectos de óptica geométrica (u óptica de rayos) y ondulatoria. El arcoíris primario (ver figura arriba-izquierda) se forma gracias a la luz que se refleja en el interior de la superficie interior de la gota, que ha llegado allí tras una refracción y que llega a nuestros ojos tras otra. El arcoíris secundario (ver figura arriba-derecha) requiere dos reflexiones en el interior de la gota (más las dos refracciones). Los arcos supernumerarios que se ven debajo del arcoíris primario se deben a la combinación de dos fenómenos ondulatorios, por un lado la interferencia (ver figura abajo-izquierdo), que les da los detalles finos, y por otro la difracción (ver figura abajo-derecha), que emborrona estos detalles finos.


El responsable de los maravillosos colores del arcoíris es la dispersión de la luz, el hecho que la refracción dependa de la longitud de onda de la luz incidente. La intensidad y el color de la luz dependen del ángulo con el que penetra la luz en el gota de agua y de su radio, como muestran estas dos figuras obtenidas utilizando la teoría de Lorenz-Mie para gotas esféricas. Para el caso de gotas no esféricas, el nuevo artículo técnico ha desarrollado un método numérico capaz de obtener el equivalente a estas figuras para diferentes radios de la gota de agua modelada según la teoría de Beard-Chuang.


Fotografía de un arcoíris en la que se ha insertado un trozo simulado por ordenador (solo se ha ajustado el color de fondo del arcoíris insertado). Click para ampliar.

¿Cómo compara el nuevo algoritmo con fotos reales de arcoíris? En estas fotografías reales de arcoíris se han insertado un pequeño trozo del arcoíris simulado por el nuevo modelo (los colores simulados no han sido retocados, solo se ha retocado el color de fondo para lograr un mejor ajuste con la fotografía). Tienes que ser click en la imagen para ampliar esta imagen y disfrutar del increíble acuerdo entre teoría y experimento. Los valores de los parámetros del arcoíris utilizados en estas fotografías aparecen en la siguiente tabla.


Haz click en la imagen para verla mejor. Arriba, se comparan la teoría de Lorenz-Mie y la nueva teoría; abajo izquierda, se ilustra el efecto del radio de la gota; y abajo derecha, se ilustra el efecto de la posición del Sol para gotas de 0,5 mm de radio.

En resumen, ya habrás notado que soy un apasionado de la óptica física de los arcoíris (y de otros fenómenos ópticos atmosféricos). Realmente si te apasionan como a mí este tema, te recomiendo leer el artículo de Paco Serón y sus colegas, así como muchas de las otras fuentes que hay disponibles por la web. 

Conocer la teoría detrás de los arcoíris te permitirá disfrutar mucho más del espectáculo que puedes contemplar cuando ves regar con aspersores el césped en cualquier parque de tu ciudad, o cuando disfrutas de los primeros rayos de Sol al acabar de llover

Fuente:

25 de mayo de 2012

Para qué sirven los arcoiris atrapados

arcoiris

Los científicos creen que los arcoiris atrapados pueden tener múltiples utilidades en distintos ámbitos.

¿Qué hay más mágico y efímero que un arcoiris? Es por ello que se dice que el mítico leprechaun, esa especie de duende irlandés cascarrabias, suele esconder su oro en uno de los extremos de este fenómeno de luz.

Si esa historia fuera real, hace tiempo que a la pobre criatura le habrían robado su tesoro, ya que la tecnología no sólo es ya capaz de "atrapar" el arcoiris, sino que ya está usándose en modelos experimentales de sensores.
Un grupo de investigadores atrapó nuevamente el arcoiris desplegando unas 25.000 capas de invisibilidad tan finas como un cabello humano, y elaboraron un prototipo de sensor con posibles usos no sólo en sistemas de invisibilidad sino como sensor en biomedicina.

Más allá de la invisibilidad

Las llamadas capas de invisibilidad están permitiendo a los científicos manipular la luz con mayor precisión que nunca, según señala un reporte recientemente publicado en el New Journal of Physics. Una habilidad, que podría ser muy útil, por ejemplo, en áreas como las comunicaciones.

En los últimos años, estas pesquisas han dado lugar a una gran variedad de técnicas para ocultar personas u objetos jugando con las propiedades de la luz, ya sea desviándola o bloqueándola con materiales que hacen que los objetos sean invisibles para el observador.

Pero todas estas innovaciones tienen potenciales que van más allá de la mera invisibilidad.

Oro para atrapar el arcoiris

Recientemente, un trabajo publicado en el PhysicalReview B, reveló los resultados de una investigación en la que se comprobó que una serie de estas capas diminutas colocadas en una cuadrícula de dos dimensiones podría usarse como sensor en biomedicina.

Por su parte, Vera Smolyaninova de la Universidad Towson en Maryland, Estados Unidos, y sus colegas han empezado a poner estas ideas en práctica.

El equipo fabricó una "matriz de micro-lentes", una red de diminutas lentes de un ancho de 50 millionésimas de metro. Cubrieron la matriz con una fina capa de oro y lo colocaron sobre una lámina de vidrio cubierta del mismo metal.

La luz se proyectó sobre esta matriz desde un lateral y se direccionó alrededor de cada pequeña lente, generando un área oculta en el centro de cada una.

Sensores más precisos

microlentes

Una de las técnicas para atrapar el arcoiris emplea una matriz de microlentes.

Según explicaron, esta alineación de capas puede utilizarse en la fabricación de sensores, dado que el efecto que consiguieron fue el de ralentizar la velocidad de la luz, y como ocurre en un prisma, el efecto fue un tanto diferente usando luces de distintos colores dando lugar a una especie de "arcoiris atrapado".

Cabe decir que atrapar el arcoiris no es una novedad. Este efecto lo logró, en 2007, el equipo científico liderado por el profesor Ortwin Hess, quienes publicaron el hallazgo en la revista Nature.
Pero la novedad con las nuevas técnicas, es que estas están dirigidas a poner el arcoiris atrapado a nuestro servicio.

El motivo principal, es que aunque hoy abundan las técnicas que utilizan luz para hacer distintos tipos de análisis: desde sistemas de detección de explosivos a análisis de sangre, lo cierto es que la sensibilidad de muchos de estos métodos depende de cuanta luz interactúa con el material investigado.

El hecho de poder ralentizar la velocidad de la luz, permite interactuar de una forma más intensa con la materia, por lo que los "arcoiris atrapados" parecen ser un buen recurso para mejorar todas estas técnicas.

El profesor Hess, del Imperial College de Londres, calificó este tipo de trabajos "incentivadores y excitantes".

"Cuando surgió el concepto del arcoiris atrapado, se vio que era un efecto fundamental con una gran cantidad de aplicaciones", dijo a la BBC.

"Por lo que llevar esto más allá a una fase experimental es algo muy bonito de ver".

Fuente:

BBC Ciencia

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