Antes de nada, un poco de música para amenizar la lectura:
Los días lluviosos son días tristes. Humedad, poca luz, frío y un cielo gris que nos hace pensar que el mundo está enfadado con nosotros. Sin embargo, como bien dicen, después de la tempestad llega la calma.
En estos días de cuarentena ha llovido bastante. Y no hay mejor colofón para un día lluvioso que ver un alegre arcoiris que recorre todo el cielo y nos recuerda lo bella que es la naturaleza.
En este artículo hablaré del arcoiris: su concepción por parte de algunas civilizaciones y la explicación científica.
Además, es inevitable hablar de “arcoiris” sin mencionar al prisma de Newton, al cual le dedicaré un apartado.
Concepción histórica del arcoíris
A lo largo de la historia y en distintos puntos de la geografía se ha intentado explicar la aparición del arcoiris de distintas maneras. No podían dar una explicación científica debido a que no existía un método científico tal y como lo conocemos actualmente pero al menos daban explicaciones fantásticas.
Concepción bíblica
La explicación según las religiones abrahámicas del arcoíris aparece en el Génesis, y se entendía como un símbolo que Dios mostraba tras la lluvia recordando el pacto que hizo con Noé de no volver a hacer un diluvio universal.
Mi arco he puesto en las nubes, el cual será por señal del pacto entre mí y la tierra. Y sucederá que cuando haga venir nubes sobre la tierra, se dejará ver entonces mi arco en las nubes. Y me acordaré del pacto mío, que hay entre mí y vosotros y todo ser viviente de toda carne; y no habrá más diluvio de aguas para destruir toda carne.
Génesis 9:13-15
Concepción nórdica
Para los nórdicos, el arcoíris o «Bifröst» es un puente que une Midgard (Mundo de los hombres) y Asgard (Mundo de los dioses).
Dicho puente es custodiado por el dios Heimdall, el cual controla quien se mueve entre los mundos.
Mitología irlandesa
Sin duda alguna la concepción más “fantástica” y conocida que se tiene de los arcoíris es la de la existencia de una especie de gnomo con un caldero.
Según la mitología irlandesa, los leprechauns son una especie de gnomos que portan un caldero lleno de oro. Se les define como astutos y avariciosos, y es por ello que cuenta la historia que para proteger su tesoro sólo salen de su escondite cuando aparece un arcoíris.
Se les decía a los niños que, si eran capaces de llegar al punto de la tierra del cual salía el arcoíris se encontraría a uno de estos seres y podría quedarse con el oro.
Y es que, cuando vemos un arcoíris nos da la sensación de que es como un rayo de colores que parte de un punto de la tierra, como si alguien lo proyectara en el cielo. La cosa es que, el arcoíris se “genera” en nuestros ojos (Es un efecto óptico), y andemos lo que andemos nunca alcanzaremos su base. (Veremos más adelante por qué).
El prisma de Newton
La óptica fue el objeto de estudio de numerosas civilizaciones y a medida que pasaron los años los avances en esta rama de la física fueron progresando.
El estudio del arcoiris y los colores pertenece a esta rama, y no fue hasta 1670 aproximadamente cuando Isaac Newton formuló una teoría que relacionaba la luz visible o blanca y los colores del espectro visible.
La luz visible es una de las bandas del espectro electromagnético, y dentro de dicha banda aparecen los colores, ordenados del mismo modo que en el arcoíris. Las ondas electromagnéticas menos energéticas van debajo del rojo y se denominan infrarrojos, mientras que las más energéticas que van tras el violeta se denominan ultravioleta.
El experimento de Newton
Antes que Newton, Descartes ya sospechaba la idea de descomponer la luz en colores. Sin embargo, no fue capaz de obtener más de dos colores y no supo por qué ocurría.
Para estudiar el comportamiento de la luz Newton empleó un par de prismas de vidrio. En una habitación a oscuras en la que sólo entraba un rayo de luz, colocó un prisma delante de dicho rayo, de modo que lo atravesara y reflejara la luz en la pared opuesta. Observó que en la pared aparecían los colores del arcoiris ordenados uno tras otro.
Sin embargo, llegados a este punto existían dos posibilidades; o bien el prisma daba color a la luz, o la luz era la mezcla de todos los colores y el prisma simplemente la descomponía.
Para poder llegar a una conclusión utilizó un segundo prisma que colocó detrás de la luz descompuesta en colores. Tras ir moviendo el prisma por cada uno de los colores observó que el color que salía era el mismo que el que entraba pero desviado (Refracción).
Además, colocando meticulosamente un segundo prisma fue capaz de mezclar todos los colores y proyectar un haz de luz blanca.
Newton demostró que lo que comúnmente se conoce como luz visible o blanca es realmente una unión indistinguible de ondas de diferentes frecuencias, cada una asociada a un color que nuestro ojo es capaz de percibir.
¿Cómo funciona el prisma de Newton?
La explicación es bastante sencilla y se debe a la diferencia de frecuencia de cada uno de los colores + la refracción debido al cambio de medio.
La refracción es el cambio de dirección y velocidad que experimenta una onda al pasar de un medio a otro con distinto índice refractivo.
Esta desviación en la dirección de propagación se explica por medio de la ley de Snell. Por otro lado, y lo que realmente nos importa, es que la velocidad de penetración de la luz en un medio distinto del vacío está relacionada con la frecuencia de la onda.
Para un rayo de luz con un ángulo de incidencia \({\displaystyle \scriptstyle {\theta _{1}}}\) en el primer medio, ángulo entre la normal a la superficie y la dirección de propagación del rayo, tendremos que el rayo se propaga en el segundo medio con un ángulo de refracción \({\displaystyle \scriptstyle {\theta _{2}}}\) cuyo valor se obtiene por medio de la ley de Snell:
\({\displaystyle n_{1}\ \operatorname {sin} \theta _{1}=n_{2}\ \operatorname {sin} \theta _{2}\,}\)Siendo \({\displaystyle n=\frac{c}{v}} \ \) el índice de refracción, que depende la velocidad \(v\) de la onda en el medio.
Ley de Snell
Cuando un haz de luz blanca pasa de un medio a otro, cada color sufre una ligera desviación debido a que cada uno tiene una frecuencia determinada. Este fenómeno es conocido como dispersión de la luz.
Formación de un arcoiris
La manifestación del arcoiris, como hemos explicado con el prisma de Newton, se debe a una descomposición de la luz blanca en colores puros.
La luz viene del sol, pero… ¿Qué hace de prisma?
Efectivamente, las gotas de agua que aún se encuentran en el ambiente. Es por ello que un arcoiris sólo aparece después de haber llovido mucho (Ambiente muy cargado de gotas de agua) o hay una leve llovizna (Están cayendo gotas pero no disminuye la visibilidad ni se tapa el sol).
Para comprender la formación del arcoiris y entender por qué nunca vamos a poder alcanzar su base hay que tener muy bien claro que el arcoiris se genera en nuestro ojo. Es un efecto óptico que depende del observador debido a la incidencia de los rayos. Nada que ver con una aurora boreal por ejemplo, donde lo que se ven son partículas que existen como tal.
El arcoiris se genera en una posición tal que cuando lo vemos justo detrás nuestra se encuentra el sol. La cosa es que, los rayos del sol avanzan y entran en las gotas de agua, produciéndose refracción (Se separan los colores) y reflexión (El rayo vuelve hacia nosotros).
Lo que ocurre es que, este rayo con forma circular debido a su geometría va directo hacia nuestros ojos, y por eso desde la tierra vemos la medio circunferencia o arcoiris.
Es un poco lo que sucede con los espejismos, causados también debido a la refracción del aire caliente sobre la superficie. Ahí NO HAY NADA, es un efecto óptico que se nos genera en nuestra mente.
Además, es posible presenciar un arcoiris secundario, mucho más débil que el principal y con los colores invertidos. Este segundo arcoiris se genera debido a una segunda refracción y sólo se da si nos situamos en una posición determinada y a unas condiciones de visibilidad óptimas.
