A luz desvia

O processo fundamental para o funcionamento de um arco-íris é a refração - a "inclinação" da luz. A luz desvia - ou mais precisamente, muda de direção - quando viaja de um meio material para outro. Isto ocorre porque a luz viaja com velocidades diferentes em meios diferentes.

Imagem cedida pela National Oceanic & Atmospheric Association

Para entender por que a luz se desvia de sua trajetória original, imagine que você está empurrando um carrinho de compras por um estacionamento. O estacionamento é um "meio material" para o carrinho de compras. Se você estiver exercendo uma força constante, a velocidade do carrinho depende do meio em que ele viaja - neste caso, a superfície pavimentada do estacionamento. O que acontece quando você empurra o carrinho de compras para fora do estacionamento, ou seja, para uma área gramada? A grama é um "meio" diferente para o carrinho de compras. Se você o empurra direto para a grama, ele simplesmente desacelera. O meio chamado grama oferece mais resistência, então, é preciso mais energia para mover o carrinho.

Mas, quando você empurra o carrinho sobre a grama em um ângulo, algo diferente acontece. Se a roda direita atinge a grama primeiro, ela desacelera enquanto a roda esquerda ainda está sobre o pavimento. Devido ao fato da roda esquerda estar por um breve momento se movendo mais rápido que a roda direita, o carrinho de compras virará para a direita enquanto se move sobre a grama. Se você movimentar o carrinho da área gramada para a área pavimentada, fazendo um certo ângulo, uma roda acelerará antes da outra e o carrinho sofrerá um desvio.

Igualmente, um feixe de luz sofre um desvio quando entra num prisma de vidro. Isto é uma simplificação, mas pense nisso desta forma: um lado da onda de luz desacelera antes do outro, então o feixe de luz desvia sua trajetória na divisa entre o ar e o vidro (parte da luz na verdade é refletida pela superfície do prisma, porém a maior parte atravessa). A luz sofre um novo desvio quando sai do prisma, porque um lado acelera antes do outro.

Além de desviar a luz como um todo, um prisma separa a luz branca em suas cores componentes. Cores diferentes de luz têm freqüências diferentes, o que as faz viajar em diferentes velocidades quando se movem através da matéria.

Uma cor que viaja mais devagar no vidro sofrerá uma inclinação maior quando passar do ar para o vidro, porque a diferença de velocidade é mais severa. Uma cor que se move mais rapidamente no vidro não desacelerará tanto, então encurvará menos. Dessa forma, as cores que formam a luz branca são separadas de acordo com a freqüência quando elas atravessam o vidro. Se o vidro desviar a luz duas vezes, como em um prisma, você pode ver as cores separadas mais facilmente. Isso se chama dispersão.

Um prisma separa a luz branca em suas cores componentes. Para facilitar, este diagrama mostra apenas vermelho e violeta, que são as extremidades opostas do espectro de luz visível.

Gotas de chuva podem refratar e dispersar a luz na mesma forma básica que um prisma. Nas condições certas, esta refração forma o arco-íris. Na próxima seção, descobriremos como isso acontece.