Você Provavelmente Está Errado Sobre Arco-Íris

olhe para isso tão bonito no outro dia meu filho me perguntou por os arcoíris são curvados eu poderia ter explicado de forma simples mas optei por fazer este vídeo com belas demonstrações inéditas Esta é a visão de um arco-íris de uma única gota de chuva e as melhores animações já criadas sobre o assunto porque eu prometo a você quase todas as explicações por aí arco-íris duplo são uma simplificação excessiva por exemplo se as gotas de chuva espalham luz branca em cores como um prisma Então por que você nunca vê um arco-íris quando olha na direção do sol ou por é mais escuro acima de um arco-íris do que abaixo dele como você pode fazer um arco-íris desaparecer com óculos de sol O que que está acontecendo aqui por que que esse arco-íris é muito menor do que o normal e como esse fenômeno levou diretamente a um prêmio Nobel Ah sim vamos aprofundar nesse porque a explicação completa é muito mais satisfatória do que qualquer coisa que você já viu antes para fazer um arco-íris você precisa de três coisas gotas de chuva o sol e você um observador Ok Este é um daqueles experimentos que parece simp mas eu nunca vi ninguém fazer antes eu tenho uma esfera de vidro e isso representa minha gota de chuva como aprendemos anteriormente as gotas de chuva são essencialmente esféricas preparando a partícula para visualizar os feixes de laser aqui eu tenho um laser e esse feixe de laser representa um raio do sol os raios solares atingem uma gota de chuva praticamente entre si devido à grande distância do sol quando a luz atinge a esfera parte dela reflete na superfície frontal e parte é transmitida para o interior na parte de trás parte da Luz reflete na superfície e parte é transmitida toda vez que a luz passa de um meio para outro parte dela será refletida e parte transmitida e exatamente quanto Depende do ângulo da luz sua polarização e a natureza dos dois meios Isso é realmente útil aqui porque posso usar os reflexos para garantir que o laser esteja alinhado corretamente acho que consegui alinhar este laser vermelho para que esteja atingindo o meio da esfera e está refletindo aqui mas parte da luz passa e parte da Luz reflete na superfície de trás e então parte da Luz vai até a parede agora vou manter o laser na horizontal e movê-lo para cima na Esfera Então vamos chamar a distância do eixo central de parâmetro de impacto ao mover o laser para cima o reflexo da superfície frontal sobe está apenas refletindo na superfície curva eu posso te dizer que isso é um reflexo simples e monótono nada de interessante acontece com ele ele não está envolvido em arco-íris então está lá mas basicamente vamos ignorá-lo pelo resto do vídeo o mais interessante é o reflexo na superfície traseira agora aqui vem aquele raio este ponto está na mesa conforme o laser sobe ele desce de fato todo o feixe dentro da esfera se curva para baixo isso ocorre porque quando a luz entra na Esfera sua Velocidade diminui causando refração Mas por que a luz diminui a velocidade ao entrar em um meio denso como o vidro muitos podem dizer que a luz é uma onda eletromagnética sem refletir sobre o significado disso Você conhece o campo elétrico ao redor de um balão carregado que atrai seu cabelo ou o faz grudar na parede e o campo magnético em torno de um ímã de barra que alinha as limalhas de Ferro bem a luz é o que acontece se você pudesse arrancar o campo elétrico das cargas o campo magnético do ã juntá-los e enviá-los viajando pelo espaço mais ou menos quer dizer na prática as on eletromagnéticas são feitas por cargas aceleradas como ao agitá-la para cima e para baixo Então os campos elétricos e magnéticos em mudança que elas criam se unem como luz e seguem por conta própria a explicação mais clara que eu conheço de como a luz é em um meio vem do Grant do TRE Blue One Brown perguntei se poderia resumir sua explicação para o vídeo e ele concordou gentilmente quando ondas eletromagnéticas encontram carga em um meio como na primeira camada da esfera a luz as empurra para a frente e para trás você pode imaginar cada carga como uma pequena massa em uma mola e os campos elétricos e magnéticos em mudança a fazem vibrar na mesma frequência da luz mas agora você tem cargas oscilando ou seja acelerando então elas também devem criar suas próprias ondas eletromagnéticas e o campo eletromagnético líquido é apenas a soma da onda incidente mais essa nova onda O resultado é quase exatamente como a onda original exceto que ela é ligeiramente deslocada para trás ele recebe um impulso de fase cada camada do material adiciona outro impulso de fase Portanto o efeito líquido é que o comprimento de onda da radiação diminui no novo meio como a frequência não muda um comprimento de onda menor reduz a velocidade da luz no material o índice de refração é a razão entre a velocidade da luz no vácuo e em um meio é cerca de 1.5 para o vidro e 1 p33 para a água então quando a luz entra em um novo meio em um ângulo a parte das cristas da onda que entram no novo meio primeiro desaceleram primeiro e Isso muda o ângulo de todas as cristas da onda e como a direção de um feixe de luz é perpendicular às cristas da onda Isso significa que a luz muda de direção então para recapitular a luz faz com que as cargas se movam então elas criam sua própria onda eletromagnética que dá um impulso de F à luz encurtando seu comprimento de onda o que desacelera e assim ela se curva uma expressão matemática simples relaciona os ângulos de incidência e refração aos índices de refração dos dois meios a lei de snel foi descoberta em independentemente por várias pessoas algumas antes de snel E é isso que estamos vendo na Esfera quanto mais alto o laser atinge a esfera maior o ângulo de incidência e portanto mais ele se curva para baixo devido à refração grande parte da Luz sai pela parte posterior da esfera mas uma fração é refletida é esse raio refletido que vemos saindo da frente da esfera abaixo do feixe incidente agora Vou traçar o gráfico do ângulo do raio refletido conforme movo o feixe para cima na Esfera quando o laser está no centro o feixe refletido retorna direto para a fonte vamos chamar isso de 0 grau então conforme movo o laser para cima esse ângulo aumenta então a Luz está voltando a 5 gra depois 10 gra e continua aumentando quanto mais eu subo agora chegamos ao ponto crítico Observe esse ponto da mesa ao mover o feixe incidente para cima o ponto se move para dentro o raio refletido está se aproximando cada vez mais mas há um certo ponto bem ali onde ele para de se aproximar olha para isso e mesmo que eu continue movendo este feixe cada vez mais alto ele não se aproxima e então ele volta para o outro lado Então o que estamos vendo ali é um ângulo máximo que este raio refletido atinge antes de virar e voltar para o outro lado isso é realmente importante Isso significa que em uma variedade de parâmetros de impacto uma variedade de alturas do laser o feixe refletido sai essencialmente no mesmo ângulo O que significa que a Luz está se concentrando nesse ângulo e uma concentração de Raios de luz é chamada de caústica superfícies aterradas como canecas de café óculos ou água ondulante tendem a criar caústica as caústica criam os padrões de luz que vemos concentrando raios de luz no caso da luz vermelha através de uma esfera de água o ângulo máximo de dispersão e portanto esta caústica sempre ocorre a 40 2 gra abaixo do horizontal como minha esfera é feita de vidro e não de água o ângulo é diferente mas o princípio é o mesmo por que o raio refletido atinge um ângulo máximo e depois se inverte a resposta é simplesmente geometria conforme eu movo o laser para cima na Esfera embora o raio refrat para baixo o ponto na parte de trás da esfera onde ele reflete continua a subir até chegar este ponto especial que é cerca de 7/8 do raio da esfera e aqui o ângulo de incidência é tão íngreme que o raio refratado para de atingir a parte de trás mais alta e comea a atingi-la mais baixa é por isso que a reflexão se inverte e portanto obtemos um ângulo de espalhamento máximo e a concentração de Raios de luz nesse ângulo mas o ângulo exato de espalhamento máximo depende da cor da Luz para entender por vamos voltar à ideia das cargas na Esfera como massas em molas elas possuem uma frequência natural na qual oscilaram se não fossem impulsionadas em uma frequência específica na maioria dos materiais a frequência natural é muito alta superando as frequências da Luz visível agora quando a luz empurra uma carga para frente e para trás a amplitude da vibração resultante depende da entre a frequência da luz e a frequência natural da carga quanto mais próximas as duas frequências estiverem maior será a amplitude da vibração resultante o que faz sentido se você já empurrou alguém em um balanço quanto mais próxima a sua frequência de empurrar estiver da frequência natural do Balanço mais alto eles irão Isso significa que a luz de frequência mais alta como a luz azul fará com que as cargas oscilem com maior amplitude devido a isso as cargas produzem radiação eletromagnética de maior amplitude criando um deslocamento de fase maior que encurta proporcionalmente mais o comprimento de onda isso faz com que a luz de frequência mais alta viaje mais devagar e se Curve mais do que a luz de frequência mais baixa Ok vou mudar os lasers ao repetir o experimento com luz verde ela refrat mais que a vermelha fazendo o ponto verde girar antes do vermelho aí está o desvio mínimo para o verde e é significativamente diferente do vermelho em outras palavras seu ângulo máximo de dispersão era menor que o da luz vermelha se a esfera fosse de água ocorreria cerca de 41 gra abaixo do horizontal similarmente para a luz azul o ângulo máxximo de dispersão é de cerca de 40º um laser especial que é de um azul muito brilhante mas é muito perigoso Então vamos usá-lo com muito cuidado como vamos usá-lo com muito cuidado Derek essa é uma boa pergunta talvez a gente só cole isso aqui [Música] Sim então o azul só chega até aqui Verde até aqui vermelho até aqui então é uma dispersão bastante séria aqui Meu experimento pode estar um pouco estranho creio que este não estava perfeitamente horizontal para realmente ver a importância do custic Imagine que iluminamos a esfera uniformemente com luz vermelha mais luz vai atingir a esfera em parâmetros de impacto mais altos Porque quanto mais você vai para fora mais área existe então eu ao ajustei essas seções para que todas tenham a mesma área então usando o nosso gráfico do ângulo de espalhamento você pode ver onde toda essa luz vermelha vai acabar após refletir na superfície de trás a maioria termina no ângulo de espalhamento máximo para deixar isso mais claro podemos aumentar a iluminação e podemos fazer a mesma coisa para o laranja o amarelo e todas as outras cores e é isso que nos dá o arco-íris Não basta dizer que uma gota de chuva dispersa a luz branca em suas cores componentes pois toda a luz que incide mais próximo do centro também é dispersada as reflexões se sobre Põe ao sair misturando as cores e produzindo Branco novamente é apenas a diferença nos ângulos máximos de dispersão e as causas que eles produzem que nos dão o arco-íris agora sabemos o que ocorre ao longo de um único raio da esfera Então o que acontece se iluminarmos uniformemente toda a esfera com luz branca escureci minha janela e cortei um buraco suficiente para a luz do sol da tarde cobrir a [Música] esfera você pode ver que há um círculo de luz branca vindo dos reflexos da parte de trás da esfera e em torno dela há um anel com as cor arcoíris vamos lá uma gota de chuva cria um cone de luz o interior é todo branco e o anel ao redor do exterior é [Música] colorido Esta é a visão de um arco-íris de uma gota de chuva os diversos raios de luz que entram em diferentes locais refletem nas superfícies frontal e traseira sendo que na superfície traseira atinge um ângulo máximo e para azul verde amarelo e vermelho o ângulo máximo é diferente o ângulo máximo vermelho é o mais distante é por isso que está do lado de fora aqui muito bom muito bom o que eu realmente queria ver é se eu poderia observar o cone de cáusticas de cores diferentes que produzem esse anel você precisa ver esse cone de cor você precisa ver isso meu olho está bem no cone de cor aqui consigo ver o cone de cor Isso é [Música] incrível então este é o foco louco na parte de trás da esfera se você colocar seu dedo lá ele queima muito rápido Ai Essa coisa é uma vocal agora isso realmente parece um arco-íris mas lembre-se essa é apenas a luz vindo de uma única gota Quando você vê um arco-íris bilhões de gotas de chuva projetam cada uma um cone de arco-íris de volta para o sol Então como tudo isso cria um único arco-íris Unificado bem para que seu olho veja uma cor vamos escolher o vermelho em uma certa parte do céu então a caustica vermelha de uma gota de chuva lá deve ir diretamente para o seu olho e isso só acontece quando o ângulo do sol para a gota de chuva para o seu olho é de 42º isso explica porque os arco-íris t a forma de um arco com ângulo de 42º agora a luz Violeta dessas mesmas gotas de chuva passa acima ou ao lado do seu olho então você não pode Possivelmente vê-la mas há gotas de chuva abaixo e dentro do arco daquelas gotas de chuva vermelhas cujas causas Violetas intersectam o seu olho elas formam um ângulo mais raso de 40º entre o sol e o seu olho e claro há gotas de chuva em todos os ângulos intermediários que lhe enviam todas as outras cores do arco-íris então um arco-íris realmente é a ilusão óptica definitiva de bilhões de gotas cada uma projetando um cone de arco-íris você vê um único arco esttico de cor mas as gotas que te enviam essas cores estão constantemente mudando uma única gota ao cair pode enviar ao seu olho primeiro vermelho depois laranja amarelo verde azul índigo e Violeta e porque um arco-íris deve formar um ângulo de 40 a 42º com o seu olho o centro do arco deve estar em uma linha que passa do Sol através da parte de trás da sua cabeça então a sua sombra é o centro do seu arco-íris Isso significa que duas pessoas nunca podem ver o mesmo arco-íris na verdade cada olho vê um arco-íris diferente um arco-íris é uma ilusão óptica feita unicamente para cada perspectiva isso também explica porque na maioria das partes do mundo você só pode ver um arco-íris no início da manhã ou no final da tarde não no meio do dia quanto mais alto o sol está mais baixo é o topo do arco-íris e quando o sol está mais de 42 gra acima do nenhum arcoíris é visível do chão Mas mesmo quando os arco-íris são visíveis você pode torná-los invisíveis usando óculos de sol Isso é se eles forem polarizados a luz solar é não polarizada ou seja seus Campos elétricos estão orientados aleatoriamente oscilando igualmente em todas as direções Mas acontece que quando a luz no raio do arco-íris flete na parte de trás da Gota ela faz isso muito perto de um ângulo especial conhecido como ângulo de brewster neste ângulo toda a luz com seu campo elétrico orientado paralelamente ao plano de reflexão é transmitida Então ela passa pela parte de trás da Gota e portanto a única luz que é refletida tem seu campo elétrico perpendicular ao plano de reflexão Esta é a luz que cria o arco-íris Isso significa que a luz do arco-íris é polarizada ao longo da direção do arco-íris portanto horizontal no topo e mais próxima da vertical nas laterais É por isso que você pode usar um filtro polarizador para fazer um arco-íris desaparecer ou para torná-lo mais brilhante se você orientar o filtro para permitir que essa luz polarizada passe Mas por que é mais brilhante sob um arco-íris do que acima dele isso ocorre porque as gotas de chuva abaixo do arco Íris estão refletindo todas as cores de luz a partir de suas superfícies traseiras foi isso que criou o disco branco no Meu experimento com a esfera de vidro em contraste as gotas de chuva acima do arco-íris não refletem luz em você a partir das suas superfícies traseiras seu olho agora está fora do ângulo de desvio máximo de todas as cores mas se você olhar ainda mais para cima às vezes verá um segundo arco-íris mais fraco com cores invertidas arco-íris duplo então de onde isso vem isso é resultado de um reflexo adicional dentro das gotas de chuva agora em vez de refletir uma vez na Esfera a luz reflete duas vezes essas reflexões também criam cáusticas coloridas Porém bem mais fracas devido à perda de luz a cada reflexão Se você olhar para os ângulos de deflexão essa luz começa a sair pela parte de trás da Gota de chuva então em um ângulo de 180º mas quanto mais a luz atinge a partir do centro menor é o ângulo em que a luz reflete de volta até atingir um mínimo de cerca de 50º para a luz vermelha Então ela vira e volta para o outro lado então entre 42 e 50º está escuro porque nenhuma luz refletida uma ou duas vezes dentro de uma gota de chuva sai neste ângulo isso é conhecido como a faixa escura de Alexander agora H evidências fotográficas de arco-íris de terceira e quarta ordem formados após três ou quatro reflexões internas essa luz sai da parte de trás de uma gota de chuva então eles são os únicos tipos de arco-íris que você poderia esperar ver ao olhar na direção do sol mas eles são tão fracos que as condições teriam que ser perfeitas em laboratório detectaram-se arco-íris de até 200 ordens Mas isso não é o que está acontecendo aqui isso é conhecido como um arco-íris super numerário várias bandas semelhantes a arco-íris surgem abaixo de um arco-íris principal mas isso só ocorre quando as gotas de chuva são muito pequenas com apenas décimos de milímetro de diâmetro agora os raios de luz que passam logo acima e abaixo do raio do arco-íris primário acabam saindo em ângulos semelhantes abaixo de 40º mas percorrem distâncias ligeiramente diferentes na ordem de um comprimento de onda por isso esses raios de luz podem interferir construtivamente e destrutivamente produzindo uma série de bandas Claras e escuras no arco-íris principal as diferentes cores nestes arco-íris super numerários se sobrepõe mais do que no arco-íris principal então eles podem produzir cores estranhas como magenta uma combinação de azul e vermelho os super numerários também oferecem uma pista de como esses pequenos arco-íris funcionam sempre que eu via imagens como esta ou observava isso de um avião me perguntava como um arco-íris poderia ser tão pequeno Esses são conhecidos como glorias ou brocken Balls em vez dos habituais 42º esses círculos de cor tem apenas cerca de 2 a 4 G de largura bem a chave é que assim como nos super numerários as glórias são devidas à interferência eles também exigem minúsculas gotas de água com apenas décimos de milímetro de diâmetro Esses são os tipos de gotículas presentes em Neblina ou nuvens a luz que atinge a borda da gota pode contornar a parte de trás e voltar diretamente para a fonte Você pode ver isso com laser na esfera de vidro mas efetivamente na presença de Raios de luz Paralelos pequenas gotículas se tornam uma fonte de luz em anel para essas pequenas gotículas a distância de um ponto a todas as bordas da esfera pode variar na ordem de um comprimento de onda pegue por exemplo o ponto bem na frente da Gota agora a distância para todas as bordas é a mesma a luz interfere construtivamente aqui e produz um ponto brilhante no entanto um pouco para um lado metade da Lu em média percorreu um extra de meio comprimento de onda e então obtemos um ponto escuro aqui se você for um pouco mais longe a luz percorreu um comprimento de onda Extra inteiro chegando em fase novamente e obtendo um ponto brilhante girando isso em 360º e estendendo em todas as direções obtemos um padrão de alvo difuso as diferentes cores de luz tem comprimentos de onda distintos então esses padrões não estão completamente sobrep então quando eles estão sobrepostos o que vemos são anéis de cor agora este é apenas o padrão de uma única gota mas assim como com um arco-íris se você tiver milhões ou bilhões dessas gotas todas contribuem para produzir este mesmo padrão com sua sombra no [Música] centro foi um padrão assim que inspirou uma descoberta que ganhou o Nobel em setembro de 94 um cientista chamado Charles Thomson R Wilson Wilson visitava um Observatório nas colinas da Escócia Foi então que ele observou os anéis coloridos ao redor da sombra Projetada na névoa ou nuvem ele lembra que essas glórias despertaram muito o seu interesse e o fizeram desejar imitá-las no laboratório então Wilson inventou a câmara de nuvens com o propósito explícito de observar glórias ao descobrir que a câmara de nuvens tornava visíveis as trilhas de partículas energéticas ele abandonou o seu objetivo original sendo posteriormente laureado com o prêmio Nobel mas tudo começou com o Mistério dos Anéis de Cor na névoa uau isso é tão legal como você viu isso então agora espero que você saiba meu filho porque os arco-íris são curvados e porque eles são polarizados e porque eles existem Afinal Além disso Espero que você compreenda porque adoro tanto aprender sobre o nosso mundo porque vale a pena descobrir as coisas por milênios os arco-íris tem sido esse desafio flagrante que a natureza nos apresenta Mas você consegue descobrir isso e é satisfatório dizer nós conseguimos estou olhando para um arco-íris diferente do seu É verdade