ARCO-IRIS

A formação de um arco-íris envolve dois fenômenos básicos da óptica geométrica: A REFLEXÃO e a REFRAÇÃO da luz.

O aparecimento das cores do arco-íris ocorre quando a luz branca irradiada pelo sol penetra nas gotículas de água suspensas na atmosfera. A luz ao mudar de meio de propagação, no caso do ar para a água, sofre refração que neste caos é acompanhada de um desvio do raio de luz.

O desvio sofrido pelo raio de luz é diferenciado para cada cor sendo o maior para a luz de cor violeta e o menor para a luz vermelha, isto causa a decomposição da luz branca em suas cores fundamentais. Os raios que surgem da decomposição da luz branca são refletidos internamente nas paredes das gotículas retornando á atmosfera, formando assim o arco-íris.

Vê-se o arco-íris apenas quando chove e ao mesmo tempo à sol, e sempre que o sol se ache ao lado oposto ao observador. O sol, à vista do observador e o centro do arco devem estar em linha reta. Se o sol está a mais de 42 graus sobre o oriente, o arco-íris não é visível. Em conseqüência, o arco-íris somente é visto de manhã cedo e ao cair da tarde. De tarde, porque o sol brilha a oeste e chove a leste do observador e de manhã, porque chove a oeste do observador e o sol, brilha a leste. Nunca surgindo ao meio-dia.

Vemos ás vezes pequenos arco-íris na poeira da água lançada por uma cascata, e até mesmo ao regar um gramado.

O arco-íris primário corresponde a uma reflexão interna dos componentes da luz: vermelho em R1 e o violeta em V1; o arco-íris secundário tem origem em raios que passavam por uma segunda reflexão interna, como acontece em R2 e V2.

Fonte: www.fisica.net

Arco-Íris

As cores do arco-íris

Em seu livro sobre a Óptica, Newton explica a origem das cores do arco-íris. Esse belo fenômeno acontece quando o sol está relativamente baixo, em um lado do céu, e no outro lado existem nuvens escuras de chuva. Para entender como surge o arco-íris vamos ver o que acontece com um raio de luz do sol que incide sobre uma gota de água que está na nuvem. Esse raio se dispersa em suas cores componentes e cada componente se desvia de um ângulo diferente. Para simplificar, vamos examinar apenas as componentes vermelha e violeta. Como já sabemos, a componente violeta se desvia mais que a vermelha. Depois de percorrer um pequeno trecho, cada raio chega à superfície interna da gota. Nessa superfície, uma parte do raio de luz sai da gota mas outra parte se reflete e continua na gota até atingir de novo a superfície. Nesse ponto, parte da luz sai da gota, desviando-se novamente. É essa luz que, eventualmente, pode chegar a seus olhos. Ao sair da gota, o ângulo da componente violeta com a direção do raio de sol é MENOR que o ângulo da componente vermelha.

É fácil ver, portanto, que a luz de cada cor que chega a seu olho foi desviada por gotas de alturas diferentes. A luz violeta que atinge seu olho foi desviada por uma gota mais baixa, enquanto que a luz vermelha foi desviada por outra gota mais alta. Isso explica a ordem das cores no arco-íris: o vermelho fica na parte de fora do arco. Nesse desenho mostramos os raios do Sol penetrando horizontalmente mas o resultado é semelhante, mesmo se eles vierem em outra direção.

As cores vistas em ângulos diferentes.

Se a luz do Sol vier na horizontal, isto é, se o Sol estiver bem baixo no horizonte, o ângulo entre o arco e a horizontal é 42°, aproximadamente, um pouco maior para o vermelho e um pouco menor para o violeta. É claro que essa condição é satisfeita para todos os pontos em um cone com vértice no olho do observador e semi-ângulo igual a 42°. Essa é a razão pela qual vemos um arco. Quanto mais alto o Sol estiver, menor a parte visível do arco. Se o Sol estiver mais alto que 42°, o arco não é visto pois fica abaixo do horizonte.

O arco, na verdade, é formado pelo desvio e dispersão da luz do Sol em um número enorme de gotas. Só algumas dessas gotas desviam a luz na direção de seus olhos. Outra pessoa a seu lado verá a luz desviada por outras gotas diferentes, isto é, verá outro arco-íris. Cada um vê seu arco-íris particular e cada um está no vértice de seu próprio arco-íris.

Qual é a distância do arco-íris até você? Qualquer uma, pois qualquer gota situada nas laterais do cone que tem seu olho no vértice pode contribuir para seu arco-íris. As gotas podem estar até bem perto de você, como acontece quando você vê um arco-íris formado pela água espalhada por um dispersor de jardim.

Fonte: www.seara.ufc.br

As ciências experimentais como a Física e a Química, utilizam o denominado método científico experimental, cujas principais fases iremos analisar a seguir, utilizando-nos de um caso real. Para tanto, propomos que você se imagine como se já fosse um cientista e tivesse como incumbência dar uma explicação a um fenômeno natural como, por exemplo, o arco-íris.

Como você planejaria sua atividade e que passos darias até encontrar resposta a todas as perguntas que envolvem o fenômeno do arco-íris?

No decorrer desse texto vamos tentar guia-lo por esse caminho onde você será o principal protagonista.

A observação do fenômeno

Observação do arco-íris

Uma vez definido o fenômeno de estudo, a primeira coisa a fazer é observar seu acontecimento, as circunstâncias em que se produz e suas características.

Esta observação deve ser reiterada (deve ser realizada várias vezes; deve ser repetida), minuciosa (deve-se tentar apreciar o maior número possível de detalhes), rigorosa (deve ser realizada com a maior precisão possível) e sistemática (deve ser efetuada de forma ordenada).

Em que circunstâncias aparece o arco-íris?

A observação reiterada e sistemática do fenômeno lhe permitirá constatar que o arco-íris aparece quando chove (mais tarde você poderá simular uma chuva, em laboratório, e não precisará mais ficar aguardando 'chover')e, além disso, que há sol (mais tarde, no laboratório, um boa lâmpada irá simular o Sol). A mesma seqüência de observações fará com que você perceba que o arco-íris só será visível quando você estiver situado entre o sol e a chuva, de costas para o Sol. Você anotará em seu caderninho de campo: "O arco-íris não é visto de qualquer lugar que eu fique e, quando o vejo, estou de costas para o Sol entre o sol e a chuva". Na ilustração acima, onde você deverá estar? Onde está o Sol?

Qual é a forma do arco-íris?

A forma do conhecido arco-íris é a de um arco de circunferência. Entretanto, você não deverá anotar apenas isso em seu caderno de campo. Anote também: "Será que observado do alto de uma montanha o tamanho desse arco aumenta? diminui? O raio médio da circunferência se altera? Se eu estivesse num avião teria ele, ainda, a forma de um arco?"

Que cores ele nos mostra e em que ordem aparecem?

Poderás observar (apenas usando seus olhos) que existe sete cores diferentes no arco-íris e que são, de dentro para fora do arco: violeta, anil, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho.

Em busca de informações

Você não é a primeira pessoa a observar um arco-íris, com certeza. Assim, como passo seguinte e com o objetivo de confirmar e reafirmar as observações efetuadas, deve-se consultar livros, enciclopédias ou revistas científicas que já descrevem algo sobre o fenômeno que está sendo, mais uma vez, estudado. Não esqueça que nos livros encontram-se os conhecimentos científicos acumulados através da história. Por esse motivo, a busca de informações e a utilização dos conhecimentos existentes são imprescindíveis em todo trabalho científico.

Coincidem as informações que encontrou com aquelas obtidas durante suas observações?

A consulta de qualquer livro de Física Elementar lhe confirmará que as conclusões a que chegou através de suas observações são corretas. Ou seja:

a) O arco-íris só aparece e pode ser visto quando chove e, além disso, há sol.

b) O arco-íris sempre apresenta as mesmas cores e essas se sucedem na mesma ordem.

Atende para o fato de que esse livro texto elementar não deu resposta ás suas dúvidas anotadas em seu caderno de campo; talvez outros livros as dêem.

Que outras informações puderam ser colhidas nos livros consultados?

A consulta de livros e revistas poderão lhe informar que, por exemplo, por vezes, aparecem dois arcos-íris, se bem que um deles é bem mais tênue que o outro e, portanto, mais difícil de se ver.

Arco-íris principal e secundário.

A formulação de hipóteses

Depois de observar o fenômeno e de reunir documentação suficiente sobre observações já efetuadas por outros, o cientista deve buscar uma argumentação que permita explicar e justificar cada uma das características de tal fenômeno. Como primeiro passo desta fase, o cientista começa a fazer várias conjecturas ou suposições a partir das quais, posteriormente, mediante uma série de comprovações experimentais, elegerá como explicação do fenômeno a mais completa e simples, a que melhor se ajuste aos conhecimentos gerais da ciência no momento. Essa explicação racional, razoável e suficiente se denomina hipótese científica.

O arco-íris é um fenômeno luminoso?

Parece que sim, posto que só se produz quando existe uma fonte luminosa (o Sol).

Sua existência tem algo a ver com água?

A resposta também é afirmativa, posto que o arco-íris só aparece quando chove.

É um fenômeno de reflexão ou de refração?

Parece que, a princípio, podemos descartar a reflexão, posto que o aparecimento do fenômeno não se observa em nenhum corpo opaco refletor. Por sua vez, podemos propor a hipótese de que o arco-íris seja um fenômeno de refração da luz e que seu aparecimento se dê por causa da decomposição da luz solar quando essa passa através das gotas de água da chuva. É uma hipótese razoável.

A comprovação experimental

Uma vez formulada a hipótese, o cientista deve comprovar que esta é válida em todos os casos e, para tanto, deve realizar experiências nas quais se reproduzam o mais fielmente possível as condições naturais nas quais se verifique o fenômeno estudado. Se sob tais condições o fenômeno acontece, a hipótese terá validade, ou seja, será uma proposição verdadeira nas condições estipuladas.

Como faremos para reproduzir as condições de aparecimento do arco-íris?

Comecemos por simular uma chuva e, para tanto devemos ter água caindo em gotas. Não é difícil fazer isso, basta pegar uma mangueira de regar o jardim e apertar a extremidade de saída com as mãos de modo a fazer um jato fino e largo. Máquinas de lavar, elétricas, permitem o ajuste desse fluxo com facilidade. Dirija o jato para cima e dê suas costas para o Sol. Pronto, você reproduziu com fidelidade os requisitos indispensáveis para o aparecimento do arco-íris; simulou uma chuva, há sol e você se colocou entre ambos.

Que acontecerá quando você realizar essa experiência?

Se seguiu todos os passos descritos acima, poderá comprovar que no horizonte da 'chuva' irá aparecer um pequeno arco-íris.

Poderemos admitir como válida a hipótese formulada?

Tudo indica que sim, porque com as mesmas condições que se dão na Natureza, porém em escala reduzida (tudo de tamanho menor), conseguimos obter um arco-íris.

Simulação do arco-íris.

Trabalhando no laboratório

Uma das principais atividades do trabalho científico é a de realizar medidas sobre as diversas variáveis que intervêm no fenômeno que se estuda e que são susceptíveis de serem medidas.

Se nos prendermos ao experimento descrito acima dificilmente você poderá tirar alguma medida, por isso, é conveniente repetir a experiência em um lugar adequado onde isso possa ser feito, ou seja, num laboratório.

Estas experiências realizadas nos laboratórios se denominam 'experiências científicas' e devem cumprir os seguintes requisitos:

a) Devem permitir realizar uma observação sobre a qual possa-se extrair dados.

b) Devem permitir que os distintos fatores que intervêm no fenômeno (luminosidade, temperatura etc.) possam ser individualmente controlados.

c) Devem permitir que se possam realizar (repetir) tantas vezes quanto necessárias e por distintos operadores.

Habitualmente, em ciências experimentais, os trabalhos de laboratório permitem estabelecer modelos, que são situações ou suposições teóricas mediante as quais se efetua uma analogia (formalização)(equivalência) entre o fenômeno que ocorre na Natureza e o experimento que realizamos.

Como poderemos fazer uma montagem em laboratório na qual se possa efetuar medidas sobre o fenômeno arco-íris?

Com a ajuda de seu professor você poderá realizar sem muita dificuldade uma experiência sobre o arco-íris. Para tanto deverá preparar um modelo no qual se verifique as seguintes equivalências:

Montagem de laboratório para a observação do arco-íris e seu esquema explicativo.

Efetuando-se a montagem acima ilustrada e dirigindo o feixe de luz proveniente da fonte para o balão cheio de água (e isso pode ser substituído por um bulbo de lâmpada incandescente da qual se extraiu seu 'miolo'), poderá observar projetado sobre a tela, uma em seguida a outra, as cores que formam o arco-íris.

Como explicaremos o que ocorreu?

Quando o estreito feixe de luz branca atinge a região [A] do balão e penetra na água ele muda de direção ampliando a abertura do feixe (observe a região interna de [A] para [B]). Ao chegar na região [B], ao sair da água, novamente ocorre outra mudança de direção e nova ampliação da abertura do feixe --- é o fenômeno da refração que se faz acompanhar da decomposição da luz branca. As luzes coloridas provenientes dessa decomposição atingem a tela. Cada gota da chuva, nas condições citadas, tem esse comportamento. Devida a essas milhares gotas de chuva que participam dessa decomposição é que se torna possível ver o arco-íris no horizonte.

Além dessa importante observação, o experimento permite medir os diferentes ângulos de desvio de cada uma das cores em relação ao estreito feixe incidente inicial. É um experimento científico, preenchendo os requisitos básicos.

Assim, se comprova que a formação do arco-íris pode ser explicada pelas leis que regem a refração da luz.

O tratamento dos dados

As medidas efetuadas sobre os fatores que intervêm em um determinado fenômeno devem permitir encontrar algum tipo de relação matemática entre as grandezas físicas que caracterizam o fenômeno em estudo. Para chegar a essa relação matemática os cientistas procuram seguir dois passos prévios: a análise dos fatores pertinentes e a construção de tabelas e gráficos.

1. Análise dos fatores

O estudo em profundidade de um fenômeno requer, em primeiro lugar, a determinação de todos os fatores que nele intervêm. Para que esse estudo se realize de forma mais simples, fixa-se uma série de grandezas que não variem (variáveis controladas) e se estuda a maneira como varia uma dada grandeza (variável dependente) quando se produz uma variação de outra grandeza (variável independente). Assim, se reconhecidamente existem 10 fatores intervindo num dado fenômeno, fixam-se os valores de 8 deles, variamos deliberadamente (de modo muito bem determinado) um dos dois restantes e se determina, mediante cuidadosas medidas que variação sofreu aquele fator restante. Isso se repete ciclicamente até esgotar toda a série.

Eis um exemplo prático: queremos estudar o alongamento que uma mola que tem uma das suas extremidades fixa experimenta, quando colocamos 'pesos aferidos' na outra extremidade. Há um conjunto de grandezas que, de início, poderão ser consideradas com valores invariáveis (temperatura do recinto onde se faz o experimento, a pressão barométrica dentro do mesmo, a umidade relativa do ar etc.), que correspondem ás variáveis controladas. Nesse caso, a medida da deformação da mola (seu alongamento) será a variável dependente e o 'peso' (massa aferida ou massor) que colocamos na extremidade livre será a variável independente (nós escolhemos os valores desses pesos).

2. A construção de tabelas e gráficos

A construção de tabelas consiste em ordenar os dados numéricos obtidos para a variável dependente em correspondência com os dados numéricos da variável independente. Sempre devemos especificar as unidades com as quais se medem essas duas variáveis em jogo. Normalmente se utilizam de parêntesis em continuação a seus nomes. No caso da mola, a tabela poderia ser assim:

Montagem do experimento e a relação linear (y = k.x).

A representação gráfica consiste em transferir os dados das medidas (pares ordenados) para um sistema de eixos cartesianos ortogonais onde, normalmente, a variável independente se faz corresponder ao eixo X (eixo das abscissas) enquanto que a variável dependente se faz corresponder ao eixo Y (eixo das ordenadas).

Denominamos 'ajuste do gráfico' ao procedimento mediante o qual se determina qual a melhor linha que passa (que se ajusta) por todos os pontos (ou pela maioria deles) do gráfico, representativo dos pares ordenados. Na maioria dos casos, os gráficos que se obtém são linhas retas, o que indica que a relação entre as grandezas físicas representadas é da forma Y = k.X, onde k é uma constante. Veja ilustração acima.

Em outros casos, a relação entre as grandezas pode ser do tipo 'parabólico', o que matematicamente se representará por Y = k.x² , ou do tipo 'hiperbólico', cuja expressão será da forma X.Y = k.

Relação 'parabólica' (y = k.x²) e Relação 'hiperbólica' (x.y = k).

As conclusões e a comunicação de resultados

A análise dos dados e a comprovação das hipóteses levam os cientistas a emitirem suas conclusões, que podem ser empíricas, ou seja, baseadas na experimentação ou dedutivas, ou seja, obtidas mediante um processo de raciocínio do qual se parte de uma verdade conhecida (premissa verdadeira) até chegar á explicação do fenômeno.

A imprensa científica comunica os resultados obtidos pelos investigadores.

Uma vez bem solidifica essas conclusões, estas devem ser comunicadas e divulgadas para o restante da comunidade científica para que sirvam de ponto de partida para outros descobrimentos ou como fundamento de uma aplicação tecnológica prática.

Qual o caminho trilhado para se chegar á explicação da formação do arco-íris?

O primeiro cientista que estudou de forma rigorosa a decomposição da luz foi Isaac Newton (1642 - 1727) e suas publicações serviram para que, posteriormente, a formação do arco-íris pudesse ser bem explicada. Mais adiante ainda, a tecnologia aproveitou o fenômeno da refração da luz e foram inventados numerosos instrumentos ópticos, como máquinas fotográficas, projetores etc. em cujo funcionamento intervêm esse fenômeno.

A elaboração de Leis e Teorias

O estudo científico de todos os aspectos de um fenômeno natural leva á elaboração de leis e teorias.

Uma lei científica é uma hipótese que tenha sido comprovada sua validade.

Uma teoria científica é um conjunto de leis que explicam um determinado fenômeno ou grupo deles.

Assim, por exemplo, a hipótese comprovada de que o arco-íris se forma devido á refração que a luz branca (solar) experimenta ao atravessar as gotas de chuva, é uma lei integrante de um conjunto de leis que regem outros fenômenos luminosos (reflexão, dispersão, difração etc.). Esse conjunto é conhecido como a Teoria sobre a luz.

Tanto as leis como as teorias devem cumprir os seguintes requisitos:

a) Devem ser gerais, ou seja, não devem explicar apenas casos particulares de um fenômeno.

b) Devem ser comprovadas, ou seja, devem estar alavancadas (avalizadas)(corroboradas)(assentadas)
pela experimentação.

c) Devem, quando possível, estar 'matematizadas', ou seja, devem poder expressar-se mediante funções matemáticas.

As teorias científicas têm validade até que sejam incapazes de explicar determinados fatos ou fenômenos, ou até que algum descobrimento novo comprovado se oponha a elas. A partir de então, os cientistas começam a elaborar outra teoria que possa explicar esses novos descobrimentos. A Ciência é conhecimento evolutivo e não estacionário.

A que conclusão você chegaria se viesse a ver um arco-íris em um dia sem chuva?

De acordo com o que até agora foi estudado, a teoria da luz exige que, para que se produza o arco-íris é preciso que chova, para que as gotas de água possam decompor a luz solar em suas sete cores. Se no ambiente não houver água, teremos que repensar sobre a mencionada teoria e tentar completá-la com outros argumentos (novas hipóteses, novas comprovações) que passem a explicar o fenômeno observado. Se tal não for possível toda teoria cairá por terra.

Fonte: www.feiradeciencias.com.br