La scatola di Einstein

Lunedì il professor Giorgio Häusermann ha presentato la Scatola di Einstein con un laboratorio-spettacolo sulla luce.
Ecco alcuni degli argomenti presentati.

Come funziona l’occhio 
Gli occhi sono due organi sferici costituiti da membrane e mezzi trasparenti.
La parte anteriore dell’occhio è la cornea, una sottilissima membrana di lamelle fibrose sovrapposte. L’anello colorato è l’iride, al cui centro si apre un foro nero, che permette alla luce di entrare. I raggi luminosi attraversano la pupilla e il cristallino, una lente rivestita da una capsula trasparente, che li mette a fuoco. Sul fondo del globo oculare si trova la retina, uno strato di cellule sensibile alla luce che reagiscono all’immagine producendo un segnale nervoso, che viene trasmesso al cervello dal nervo ottico. Sei muscoli che collegano ogni globo orbitale al fondo della cavità orbitale consentono il movimento in ogni direzione.

La lente d’acqua (boccia)
La boccia riempita d’acqua funge da vera e propria lente d’ingrandimento. Essa, come il cristallino del nostro occhio, focalizza la luce che l’attraversa. I raggi di luce provenienti dall’oggetto (la candela), quando entrano nella boccia colma di acqua, deviano dal loro percorso rettilineo (a causa della rifrazione) e così fanno quando escono dalla sfera. Gli unici raggi che non deviano sono quelli che passano dal centro della boccia. L’immagine risulta quindi capovolta rispetto all’oggetto originale. Invertito risulta anche il suo movimento: se l’oggetto si muove verso l’alto, l’immagine va verso il basso, se si avvicina alla boccia, l’immagine si allontana…



Palla gelatinosa in acqua 
La sfera è di un gel incolore e trasparente (poliacrilamide) che si gonfia d’acqua. Quando la sfera è immersa nell’acqua, la luce praticamente non subisce alcuna deviazione nel passare dal liquido alle sfere e poi nel riemergere, perché l’indice di rifrazione delle sfere è praticamente uguale a quello dell’acqua.

Fibre ottiche
Le fibre ottiche sono sottilissimi filamenti trasparenti in cui la luce entra da un’estremità ed esce dall’altra: per effetto della riflessione totale interna la luce resta imprigionata all’interno, in qualsiasi modo venga piegato il filamento. Le fibre ottiche sono usate per creare lampade, per esplorare il corpo umano, per la trasmissione di dati …
La luce segue il percorso della guida di luce curva. All’interno, i raggi si riflettono in continuazione contro le pareti procedendo a zig zag, intrappolati per effetto della riflessione totale interna.

Ombra (luce bianca) 

Se un fascio di luce viene intercettato da un oggetto, (nel nostro caso il fascio di luce proveniente dal proiettore viene intercettato da una mano) vediamo formarsi un’ombra scura dal contorno non netto ma sfumato (sullo schermo). In realtà si possono osservare una zona d’ombra e una zona di penombra. La zona d’ombra è quella in cui non giunge alcun raggio di luce. La zona di penombra è quella in cui giungono i raggi provenienti da una sola zona della sorgente luminosa che non è puntiforme.


Ombre colorate

 La retina dell’occhio umano ha tre recettori di colore: uno più sensibile alla luce rossa, uno alla verde e uno alla blu. Con questi tre recettori riusciamo a percepire le tonalità di colore. Quando una luce rossa, una verde, e una blu convergono su uno schermo, questo appare di colore bianco perché le tre luci colorate stimolano, pressoché allo stesso modo tutti i recettori della retina dando a chi lo osserva la sensazione della luce bianca. È per questo motivo che i colori rosso, verde e blu vengo o chiamati colori primari additivi.
Sovrapponendo queste tre luci, si possono produrre ombre di sette diversi colori: blu, rosso, verde, nero, ciano (blu-verde), magenta (blu e rosso) e giallo (misto di blu e rosso). Arrestando il passaggio di due delle tre luci, si ottiene un’ombra del terzo colore.
Impedendo a tutte e tre le luci di giungere sullo schermo, si avrà un’ombra nera. Se, invece si impedisce ad una sola luce di giungervi, l’ombra sarà una mescolanza degli altri due colori. Man mano che si sposta la mano verso lo schermo l’ombra che si ottiene diventa sempre più scura, perché essa impedisce alla luce di raggiungere lo schermo. I colori primari della luce (rosso, blu e verde) sono proiettati su uno schermo bianco per studiare le possibili combinazioni di colore. Si osserva che luce verde e luce rossa formano il giallo, luce blu e luce rossa il magenta, luce blu e luce verde il ciano. La somma delle tre luci genera il bianco. Il colore delle ombre è dato dalla sovrapposizione delle luci che, non essendo assorbite dalla mano, raggiungono lo schermo, che le rifl ette e le fa arrivare ai nostri occhi, stimolando i recettori luminosi presenti nella retina. L’ombra nera corrisponde alla zona dello schermo non raggiunta da alcuna luce.

Occhiali con prisma

Attraverso i prismi avviene una riflessione totale come rappresentato nella figura sottostante. Da questa riflessione totale ne risulta un’immagine invertita.

LED di tre colori e occhiali con i reticoli

Le luci emesse dai LED sono monocromatiche e quindi è possibile ottenere dai tre colori fondamentali rosso, verde e blu i colori complementari giallo, turchese e magenta nonché il bianco con la sintesi additiva delle luci emesse dai LED. Per rivedere le singole componenti monocromatiche possiamo utilizzare degli occhiali con i reticoli di diffrazione (pellicole con tantissime righe perpendicolari tra loro) che separano nuovamente i colori perché ciascuno è deviato con angoli diversi.

L'arcobaleno
L’arcobaleno o iride è un fenomeno ottico e meteorologico che produce uno spettro di luce quasi continuo quando la luce del Sole attraversa le gocce d'acqua rimaste in sospensione dopo un temporale, o presso una cascata o una fontana.
E' un arco multicolore, rosso sull'esterno e viola sulla parte interna, senza transizioni nette tra un colore e l'altro. La sequenza delle bande colorate è: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto. I raggi solari, quando entrano in una goccia di pioggia vengono rifratti, cioè deviano la loro traiettoria. Ciò deriva da un principio fisico che si verifica quando un raggio luminoso passa da un ambiente poco denso (l’aria) ad uno più denso (l’acqua). Poiché questa deviazione è leggermente diversa per i vari colori che compongono la luce bianca, avviene anche il fenomeno della dispersione. In pratica quello che inizialmente era un unico raggio di luce bianca, diventa un fascio di luce colorata. Quando infine questo fascio colorato arriva alla parete opposta della goccia, esso viene riflesso e rimandato indietro verso l’osservatore che può vederlo.