LA RISPOSTA BREVE
Una cannuccia immersa in parte nell’acqua sembra piegata o spezzata perché la luce che arriva dalla parte sommersa cambia direzione passando tra materiali diversi. Questo fenomeno si chiama rifrazione: l’occhio riceve raggi deviati e la parte immersa appare in una posizione diversa da quella reale. La cannuccia, naturalmente, non si è rotta.
Partiamo dalle basi
La luce cambia strada, la cannuccia no
Per vedere un oggetto deve arrivare luce dall’oggetto ai nostri occhi. Nel caso della cannuccia, una parte della luce che la illumina viene diffusa verso di noi. La luce proveniente dal tratto fuori dall’acqua e quella proveniente dal tratto immerso, però, non attraversano gli stessi materiali.
Nel bicchiere entrano in gioco acqua, vetro e aria. A ogni passaggio fra materiali con proprietà ottiche diverse, un raggio che arriva obliquamente può cambiare direzione. Il tratto sommerso viene così visto attraverso un percorso diverso da quello del tratto emerso: le due immagini possono apparire disallineate.
Fonti: [2][4]Perché vediamo un oggetto nel posto sbagliato?
Immaginiamo di seguire all’indietro la luce che entra nell’occhio. Per localizzare un punto, il sistema visivo usa la direzione da cui arriva la luce. Se il percorso prima dell’arrivo è stato deviato, prolungare idealmente quella direzione in linea retta porta a una posizione apparente diversa dalla posizione del punto reale.
Non è quindi un difetto della vista. La luce arriva davvero da una direzione modificata. Anche una fotografia registra lo spostamento: la macchina fotografica riceve gli stessi raggi deviati. Cambiando punto di osservazione cambia la geometria dei percorsi e può cambiare anche l’apparente piega.
Fonti: [1][3]Che cosa significa indice di rifrazione
La luce si propaga nell’acqua più lentamente che nell’aria. L’indice di rifrazione è un numero che confronta la velocità della luce nel vuoto con quella nel materiale: nell’aria è molto vicino a 1, nell’acqua vale circa 1,33 per la luce visibile. Non misura quanto il materiale sia pesante.
La deviazione dipende sia dagli indici dei due materiali sia dall’angolo con cui il raggio raggiunge il confine. Nel semplice caso aria-acqua, entrando obliquamente nell’acqua il raggio si avvicina alla perpendicolare alla superficie; uscendo si allontana. Se arriva esattamente perpendicolare, può cambiare velocità senza cambiare direzione.
Fonti: [1][3]Il bicchiere aggiunge un altro effetto
La parete curva del bicchiere può agire come una lente. Per questo il tratto sommerso può sembrare anche più largo o deformato, oltre che spostato. Non bisogna attribuire ogni dettaglio della fotografia alla sola superficie orizzontale dell’acqua: contano anche il vetro, la sua forma e la direzione dello sguardo.
Per osservare il fenomeno basta immergere in parte una matita in un recipiente trasparente e guardarla da posizioni diverse. Confrontare una parete piatta con un bicchiere cilindrico aiuta a distinguere lo spostamento dell’immagine dalle deformazioni dovute alla curvatura.
Fonti: [2][3]PER APPROFONDIRE
Un passo più in là
Dalla cannuccia alle lenti
La rifrazione non è soltanto una curiosità da tavola. Le lenti sfruttano superfici sagomate per deviare i raggi e formare immagini: è uno dei principi alla base di occhiali, microscopi e obiettivi fotografici. Nel bicchiere l’effetto sorprende perché ci aspettiamo di vedere la cannuccia nella sua posizione geometrica; in uno strumento ottico lo stesso cambiamento di percorso viene progettato e controllato.
Fonti: [1][2]Tre cose da portare con sé
- È la luce a cambiare direzione: la cannuccia resta intera.
- La posizione apparente dipende dai materiali attraversati e dal punto di osservazione.
- Le pareti curve del bicchiere possono aggiungere ingrandimenti e deformazioni.
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Le fonti, a portata di clic
Materiali consultati per questo articolo. Le fonti possono essere in inglese.
- 1OpenStax — Rice UniversityPhysics: 16.2 Refraction
Velocità della luce, indici di rifrazione, direzione della deviazione e applicazioni alle lenti.
- 2Florida State University — Molecular ExpressionsRefraction of Light
Percorso della luce attraverso acqua, vetro e aria; deformazione della cannuccia e funzionamento delle lenti.
- 3UCAR Center for Science EducationMeasuring Density by Bending Light
Osservazione da angoli diversi; spostamento apparente e distinzione tra indice di rifrazione e densità.
- 4American Physical SocietyBendy Light
Spiegazione didattica della rifrazione e dell’apparente discontinuità di una matita in acqua.
Testo realizzato con assistenza dell’intelligenza artificiale. Come lavoriamo