La Fisica Quotidiana: Luci E Immagini (Riflessione Speculare – Parte I)

In questo articolo parleremo della riflessione della luce e di altri curiosi effetti che fanno parte del nostro osservato quotidiano. Il fenomeno della riflessione della luce, essenziale nel nostro vivere quotidiano, è fonte di innumerevoli sorprese. Il fatto che noi siamo in grado di vedere gli oggetti che ci circondano anche quando non emettono luce, cioè non sono di per se delle sorgenti di luce, è dovuto per l’appunto alla riflessione. Se essi si limitassero ad assorbire la luce che li investe senza rifletterne almeno una parte, noi vivremmo una notte eterna, anche in presenza di un Sole splendente. La riflessione della luce può essere di due tipi: speculare o diffusa.

La riflessione speculare, come dice la parola, è quella tipica delle superfici lucide e in particolare gli specchi. Essa avviene secondo la legge della riflessione : il raggio riflesso forma con la superficie un angolo uguale a quello del raggio incidente (Fig 1). In questo caso i raggi riflessi portano con se la forma dell’oggetto osservato, evetualmente deformato dal fatto che lo specchio possa avere una superficie ondulata, sferica, cilindrica o altro. Di una sorgente luminosa puntiforme o quasi, diciamo il Sole, lo specchio fornirà un immagine ugualmente quasi puntiforme (molti di noi da ragazzi avranno giocato ad abbagliare i compagni con un pezzo di specchio!). La riflessione diffusa si ha invece quando i raggi luminosi vengono riflessi in modo casuale in tutte le direzioni: esa è caratteristica delle superfici scabre, tipicamente fogli di carta, neve, pareti a intonaco, tavole di legno ecc. l’immagine della sorgente si smarrisce, la superficie riflettente – meglio dire diffondente – risulta uniformemente luminosa ma non rivela la forma della sorgente luminosa. E il caso ad esempio della faccia della Luna – aspra e corrugata – quando essa è colpita dai raggi del Sole.

In questo articolo esamineremo alcuni fenomeni causati dalla riflessione speculare. Negli articoli successivi ci occuperemo dei fenomeni causati dalla riflessione diffusa, forse più interessante per la spettacolare varietà di fenomeni che danno colore al mondo che ci circonda.

E’ opportuno ricordare che un raggio di luce bianca (luce solare) è il risultato della sovrapposizione di tutti i colori dell’iride, come si verifica con l’esperimento del prisma ottico il quale decompone il raggio luminoso bianco nelle sue componenti colorate. Ricordiamo anche, da precedenti articoli, che i colori sono il nostro modo di percepire (per come natura ci ha fatti) le diverse lunghezze d’onda di quella piccola porzionedi onde elettromagnetiche che noi “vediamo” che va sotto il nome di luce visibile (Fig. 2)

Specchi metallici e… il colore dei metalli

Perche i metalli, a differenza di altri materiali, sono così buoni riflettori della luce e di immagini ?  (ricordiamo che in un comune specchio la luce è riflessa da un sottile strato di metallo – tipicamente Alluminio o Argento –  depositato  su una delle sue superfici).  I metalli si comportano così perché al loro interno c’è un elevatissimo numero di elettroni liberi di muoversi. Gli elettroni superficiali dello specchio quando sono investiti dalle onde elettromagnetiche della luce bianca entrano in oscillazione con esse sottraendogli energia. Il processo di sottrazione di energia è così efficace che praticamente tutte le componenti cromatiche (dal rosso, al giallo, al verde, al blu ecc) della luce incidente vengono assorbite dagli elettroni. Attenzione: quando un elettrone assorbe energia entra in uno stato cosidetto “eccitato”.  Ma natura vuole che non ci può stare per cui torna immediatamente nel suo stato iniziale riemettendo l’energia che aveva assorbito, sottoforma di onda eletromagnetica, cioè di luce. Quindi la luce incidente non penetra a fondo nel metallo e viene piuttosto riflessa verso l’esterno.

A questo punto chiediamoci: perché allora, se è vero che i metalli riflettono tutte le componenti cromatiche, non sono tutti bianchi e taluni sono gialli come l’oro e l’ottone, o rossi, come il rame?

La risposta è abbastanza semplice: in certi metalli il meccanismo di assorbimento e riemissione della luce è tanto meno forte quanto più è piccola la lunghezza d’onda (colori verso il blu-viola). Questo comporta che nella luce riflessa prevalgano le lunghezze d’onda più lunghe, cioè i colori verso il giallo-rosso. Da qui la nostra percezione di colorazione giallastra, arancione o addirittura rossa di alcuni metalli. Metalli quali l’Argento o il Platino riflettono egualmente tutte le componenti cromatiche per cui noi percepiamo la loro somma che tende alla luce bianca.

Ci sono poi metalli che riflettono egualmente tutte le componenti cromatiche ma in proporzione minore che nel caso dell’Argento, allora la loro colorazione vira verso il grigio scuro cone nel Piombo.

Il “mistero” dello specchio

Quando guardiamo un oggetto (la lampadina) per riflessione in uno specchio, esso ci appare come immagine virtuale dietro lo specchio, sul prolungamento del raggio visivo che arriva al nostro occhio, come mostra la Fig. 4.  Notiamo che la lampadina appare capovolta, cioè c’è una inversione fronte-retro. Questo genera un fatto curioso. Se immaginiamo che la lampadina sia tenuta dalla nostra mano destra, la nostra immagine riflessa terrà la lampadina con la sinistra. Sembra che lo specchio scambi di posto le due mani, cioè scambi la destra con la sinistra. Intanto viene da chiedersi perché non scambi l’alto con il basso, cioè la testa con i piedi! Lo scambio destra-sinistra della nostra immagine riflessa da uno specchio è un fatto che ha messo in difficoltà ognuno di noi la prima volta che abbiamo compiuto certe operazioni – nodo alla cravatta, trucco – con l’ausilio dello specchio.

L’apparente incongruenza nasce dalla confusione che si fa tra la relazione destra-sinistra in una immagine e la sua orientazione rispetto a chi guarda. Se io appoggio le mani nello specchio (Fig.5), le mani reali, messe faccia a faccia con quelle virtuali si corrispondono perfettamente. Ma attenzione:il palmo della mano reale è rivolto in senso opposto a quello dell’osservatore, mentre il palmo della mano virtuale è rivolto verso l’osservatore.

Approfondiamo con un esperimento che si può fare in casa. Poniamo davanti ad uno specchio un quadrante di orologio, disegnato su una lastra trasparente, e osserviamolo, così come osserviamo la sua immagine, guardando in trasparenza attraverso la lastra stessa (Fig. 6).

Sia sul quadrante reale, sia sulla sua immagine, ogni cifra apparirà scritta all’indietro; inoltre, si noti bene, in ambo i casi le cifre appaiono di valore crescente in senso antiorario. Dunque visti “faccia a faccia” i due quadranti si corrispondono perfettamente. Ma attenzione: il quadrante vero è rivolto in senso opposto alla posizione dell’osservatore. E’ il non tenere conto di questa inversione fronte-retro (vedi lampadine in Fig. 4) che da l’impressione dello scambio destra-sinistra.

Il panorama visto dai pesci…e dai subacquei

Uno specchio riflette il 100% della luce (si chiama riflessione totale). Esiste un’altra circostanza in cui la riflessione può essere totale, ed è quando la luce procede da un mezzo più denso a uno meno denso, incidendo sulla superficie di separazione tra i due mezzi con una inclinazione superiore ad un certo angolo, detto angolo limite. E’ il casodella successione di mezzi molto familiari come acqua-aria o vetro-aria. L’angolo limite nel caso acqua-aria è circa 50°. La situazione è illustrata in Fig. 6 dove è raffigurato il panorama esterno visibile ad un pesce – ma anche a un subacqueo -, tutto contenuto in un cono con angolo alla base di circa 50°. Nei limiti della base del cono la superficie è trasparente e lascia passare la luce del sole per cui si può vedere, per esempio, la chiglia di una barca che passa. Fuori dalla base del cono, la superficie gli si presenta come uno specchio. Per cui si vedono, riflessi, soltanto oggetti immersi nell’acqua, per esempio dei pesci o un granchio sul fondo, ma non si vede l’anatra!

Continua

Luigi Catalani nasce a Norma (LT) nel 1946. Si laurea in Ingegneria Elettronica con indirizzo Calcolatori e Controlli Automatici nel 1975. E’ assunto da una società romana leader nel settore della Meccanottica di precisione occupandosi di progettazione elettronica e software di sistemi di Aereofotogrammetria per applicazioni cartografiche civili e militari. Nel 1980 è assunto da una primaria azienda Aerospaziale italiana come dirigente del reparto progettazione e sviluppo di apparati avionici di bordo per aerei ed elicotteri militari e civili. Nel 1988 passa alle dipendenze di una società romana leader nel settore dei sistemi di difesa avionica con l’incarico di Project Manager per diversi contratti internazionali per lo sviluppo e produzione di apparati destinati alle aeronautiche di Italia, Germania, UK e Spagna. Nel 2007,nella stessa società, conclude la sua carriera in qualità di Responsabile Commerciale degli stessi contratti.

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