Física do ensino fundamental · Grades 1–9
49Fontes de luz e propagação
Por que você consegue ler esta página? Uma lâmpada acende — mas a página não é lâmpada nenhuma e, mesmo assim, o seu olho recebe luz de cada linha impressa. Entre as coisas que fabricam luz e as que apenas a repassam existe uma distinção sem a qual a óptica não vive; e com ela vem a resposta completa à pergunta mais antiga deste livro: o que é preciso para enxergar alguma coisa?
49.1 Fabricantes e repassadores
Definição 49.1 (Fontes primárias)
Uma fonte primária fabrica a própria luz: o Sol e as estrelas, as chamas, os filamentos incandescentes, o aço em brasa branca da forja, os vaga-lumes, os relâmpagos. A luz dela existe brilhando qualquer outra coisa ou não — apague o mundo, e uma fonte primária continua brilhando.
Definição 49.2 (Objetos difusores)
Toda outra coisa visível é um objeto difusor: ela recebe luz e reenvia — difunde — uma parte dela em todas as direções. A página, a maçã, a Lua, o seu próprio rosto: nenhum deles fabrica um brilho sequer; cada um espalha com generosidade, para todos os lados, a luz que recebeu. Um difusor no escuro é simplesmente invisível.
Exemplo 49.3 (Difundir não é espelhar)
Tanto os espelhos como as páginas devolvem a luz recebida — mas com modos opostos. O espelho quica numa única direção disciplinada (ângulos iguais — a sua velha regra do quique), preservando a imagem; a rugosidade microscópica da página borrifa luz para toda parte, destruindo a imagem mas se oferecendo a todos os olhos ao mesmo tempo. É por isso que um espelho mostra a lâmpada, enquanto a página mostra apenas a si mesma, de onde quer que você esteja.
Exemplo 49.4 (O processo da Lua, encerrado)
O veredito da infância agora ganha as palavras formais: a Lua não é fonte primária; ela é um objeto difusor do tamanho de um planeta — rocha cinzenta espalhando luz do Sol em todas as direções, inclusive na nossa. Então o luar é luz do Sol de segunda mão, e o “lado escuro” é simplesmente a metade que naquele momento não tem luz nenhuma para repassar.
49.2 Enxergar, resolvido
Proposição 49.5 (As duas condições da visão)
Um olho enxerga um objeto exatamente quando
- a luz sai do objeto — fabricada, se o objeto for fonte primária; difundida, se ele for repassador — e
- essa luz viaja em linha reta e desimpedida até o olho.
Quebre qualquer uma das condições — um difusor sem iluminação, ou uma parede atravessada na linha de visada — e o objeto não é visto. Todo enigma de visibilidade deste livro se desdobra nessas duas conferências.
Exemplo 49.6 (O feixe tornado visível)
No ar limpo, um feixe de lanterna atravessando a sala não pode ser visto de lado — o ar quase não repassa nada, e nenhuma luz do feixe se vira para o seu olho. Sacuda um pano empoeirado: o feixe salta à vista. Cada partícula de poeira é um difusor minúsculo, capturando a luz do feixe e espalhando um pouco na sua direção — milhares de partículas desenhando para você a linha reta do feixe. A neblina, a névoa e a fumaça prestam o mesmo serviço aos feixes dos faróis e aos projetores de cinema.
49.3 Três roupas para a luz
Definição 49.7 (Transparente, translúcido, opaco)
Os materiais encontram a luz de três modos:
- transparente: a luz atravessa quase sem perturbação, mantendo a ordem — vidro limpo, água parada, ar; as imagens passam intactas;
- translúcido: a luz atravessa, mas embaralhada — vidro fosco, papel vegetal, uma cortina fina; o brilho passa, as imagens não;
- opaco: a luz é detida — absorvida ou difundida de volta — madeira, pedra, metal, a sua mão; atrás de uma coisa opaca fica sombra.
Método 49.8 (Separar materiais à luz da lanterna)
Um cômodo escuro, uma lanterna, uma página impressa e a amostra no meio:
- segure a amostra sobre o texto, com a lanterna atrás dela;
- consegue ler o texto através dela? — transparente;
- vê brilho mas nenhuma letra? — translúcida;
- vê escuridão e uma sombra do outro lado? — opaca.
Teste com honestidade: muitos materiais mudam de time conforme a espessura — uma lâmina de água é transparente, o mar profundo é escuro como a noite; uma folha de papel é translúcida, o livro fechado é opaco.
Exemplo 49.9 (Os três times da arquitetura)
Os construtores usam os três de propósito. Vidro transparente de janela: vista e luz juntas. Vidros translúcidos de banheiro e divisórias foscas de escritório: luz do dia entrando, privacidade mantida — brilho sem imagens é exatamente a descrição do cargo deles. Paredes e venezianas opacas: escuridão sob encomenda. As cúpulas de luminária são translucidez a serviço do conforto: o brilho ofuscante do filamento é embaralhado num clarão suave e sem fonte aparente.
Observação 49.10 (Nada para repassar, nada para ver)
Charada: uma astronauta entre as estrelas olha de lado para um vazio atravessado por luz do Sol. O que ela vê? Escuridão — embora a luz do Sol jorre passando pelos olhos dela. O espaço não carrega poeira digna de nota: nada difunde a luz que passa na direção dela, e luz que não entra no olho não pinta nada. O céu diurno é azul justamente porque o nosso ar de fato repassa a luz do Sol para baixo, até nós — um planeta inteiro de difusão suave lá em cima. Sem ar, céu preto, mesmo ao meio-dia: os astronautas da Lua ficaram de pé sob o sol, embaixo de uma cúpula preta e sem estrelas.
49.4 Exercícios
Exercício 49.1 ★
Separe: a chama de uma vela; a Lua; um vaga-lume; esta página; um semáforo vermelho aceso; o planeta Vênus ao anoitecer.
Solução
Solução de Exercício 49.1.
Fontes primárias: a chama da vela, o vaga-lume, o semáforo vermelho aceso. Difusores: a Lua, esta página, Vênus — o planeta brilha por luz do Sol difundida, por mais parecido com estrela que ele seja.
Exercício 49.2 ★
O que um objeto difusor faz com a luz que recebe — e o que acontece com ele num cômodo escuro?
Solução
Solução de Exercício 49.2.
Ele reenvia parte da luz recebida em todas as direções. Num cômodo escuro ele não recebe nada, não repassa nada — e fica invisível.
Exercício 49.3 ★
Enuncie as duas condições da visão e use-as: por que você não consegue enxergar a própria superfície de um espelho perfeitamente limpo, apenas as coisas que ele reflete? (Cuidado — pergunta fina; responda com simplicidade: o que o polimento dele se recusa a fazer com a luz?)
Solução
Solução de Exercício 49.3.
A luz precisa sair do objeto na direção do olho. Um polimento perfeito se recusa a difundir: ele reenvia a luz numa única direção disciplinada, então nenhuma luz diz “aqui está a superfície” a todos os pontos de vista — o olho recebe apenas as imagens redirecionadas de outras coisas.
Exercício 49.4 ★
Por que todo mundo em volta da mesa vê a mesma maçã, enquanto apenas uma posição de olho afortunada pega o reflexo da lâmpada numa colher?
Solução
Solução de Exercício 49.4.
A maçã difunde para todas as direções ao mesmo tempo — cada olho recebe uma parte. O polimento da colher manda a luz da lâmpada numa única direção, e só uma posição de olho fica nessa estrada única.
Exercício 49.5 ★
Por que um feixe de lanterna é invisível de lado no ar limpo e visível na névoa? Diga o nome do processo.
Exercício 49.6 ★
Classifique: vidro de janela; papel vegetal; um tijolo; água limpa e rasa; o bulbo fosco de uma lâmpada; papel-alumínio.
Solução
Solução de Exercício 49.6.
Transparentes: o vidro de janela e a água limpa e rasa. Translúcidos: o papel vegetal e o bulbo fosco. Opacos: o tijolo e o papel-alumínio.
Exercício 49.7 ★
Que serviço a translucidez presta numa janela de banheiro e numa cúpula de luminária? O que passa e o que é detido?
Solução
Solução de Exercício 49.7.
O brilho passa; as imagens são detidas (embaralhadas). A janela do banheiro admite a luz do dia e nega a vista aos curiosos; a cúpula converte um filamento pontual e ofuscante num clarão largo e suave.
Exercício 49.8 ★
A Lua é iluminada pelo Sol — e, mesmo assim, os astronautas lunares viam um céu preto ao meio-dia. Explique com a Observação 49.10 e diga por que o céu de meio-dia da Terra, em vez disso, é de um azul brilhante.
Solução
Solução de Exercício 49.8.
A Lua não tem ar: nada acima dos astronautas difundia a luz do Sol que passava na direção dos olhos deles, e por isso o céu não oferecia nada para ver — preto ao meio-dia. O ar da Terra repassa uma parte da luz do Sol vinda de todas as direções do céu: a nossa cúpula azul brilhante é difusão lá em cima.
Exercício 49.9 ★★
Uma única folha de papel brilha, morna, na frente de uma lanterna; o livro fechado detém a luz por completo. O que a espessura faz com a filiação de time de um material? Dê um segundo exemplo de material que troca de time.
Solução
Solução de Exercício 49.9.
Cada camada acrescentada embaralha e rouba um pouco mais: os times dependem da espessura. A água é o segundo exemplo do capítulo — transparente num copo, opaca em oceano. (Papel fino, translúcido; livro fechado, opaco.)
Exercício 49.10 ★★
Truque de cinema: os feixes dos projetores são invisíveis num salão limpo e, mesmo assim, os filmes os mostram cortando o ar de forma dramática. O que a equipe de cena precisa acrescentar ao ar, e que física eles estão comprando?
Exercício 49.11 ★★
Você enxerga o rosto de um colega junto a uma fogueira. Percorra a viagem completa da luz — fonte, difusão, linhas retas — e conte quantos difusores existem na cadeia se você também enxergar esse rosto refletido no lago.
Solução
Solução de Exercício 49.11.
O fogo (fonte primária) linha reta até o rosto o rosto difunde linha reta até o seu olho: um difusor na cadeia. Pelo lago: a luz difundida pelo rosto viaja reto até a água parada, quica como num espelho (não é difundida — o lago é polido) e segue reto até o seu olho: continua sendo um difusor, mais um quique de espelho — o rosto e depois a dobra disciplinada do lago.
Exercício 49.12 ★★★
O espetáculo de luz da própria natureza: num dia claro, o céu longe do Sol é azul e o disco do Sol é de um branco ofuscante — e, no pôr do sol, o Sol baixo fica alaranjado enquanto as nuvens lá em cima pegam um tom rosado. Usando apenas “o ar difunde um pouco da luz que o atravessa, e tanto mais quanto mais longo for o caminho”, explique por que o sol baixo é roubado de parte da luz dele — e quem recebe a parte roubada. (A história completa das cores é o capítulo de espectros do ano que vem; raciocine aqui só com mais caminho, mais difusão.)
Solução
Solução de Exercício 49.12.
A luz do Sol atravessando o ar perde uma parte para a difusão ao longo de todo o caminho — quanto mais longo o caminho, maior o roubo. No pôr do sol a luz do Sol raspa a atmosfera pela estrada mais comprida dela, e por isso o feixe direto chega até você roubado e enfraquecido — o disco alaranjado e domado. A parte roubada não sumiu: ela foi espalhada pelo caminho, entregue a outros céus como a luz do dia deles — e uma parcela, espalhada mais tarde, pinta de rosa as nuvens altas. (Quais cores são roubadas primeiro é a história do ano que vem.)
49.5 Problema: Iluminar o museu
Problema 49.1
Problema de fim de semana — a nova sala de esculturas; o turno da noite de um projetista de iluminação; fontes, difusores e três tipos de vidro
A nova sala do museu abre na segunda-feira: uma estátua de mármore, quadros nas paredes, uma vitrine de vidro e um curador nervoso. Você ajuda o projetista de iluminação.
Parte I — Princípios básicos no local.
- O curador pergunta por que a estátua, “tão brilhantemente branca”, ainda precisa de luminárias. Responda com as duas condições da visão.
- Liste as fontes primárias e os difusores da sala depois de as luminárias serem ligadas: luminárias, estátua, quadros, visitantes, o vidro da vitrine.
- O mármore parece brilhar de toda parte, sem nenhum ponto ofuscante. Qual modo de devolver a luz está em ação, e por que toda posição de visitante o recebe?
- Uma placa polida de latão, ao contrário, joga um único reflexo ofuscante de uma luminária. Diga o nome do outro modo e enuncie a regra que governa para onde vai esse ofuscamento.
Parte II — Domando o ofuscamento.
- As lâmpadas nuas ofuscam os olhos dos visitantes. O projetista envolve cada uma num globo fosco. A que time de material o globo pertence, e o que ele faz com a luz do filamento?
- Os quadros precisam ser iluminados, mas nenhuma luminária pode aparecer refletida no verniz deles a partir do ponto principal de observação. Usando a regra do espelho, onde o projetista coloca as luminárias em relação ao quadro e ao observador?
- O vidro limpo da vitrine é quase invisível — até a manga branca de um visitante aparecer nele como um fantasma. Por que o vidro limpo transmite e ao mesmo tempo espelha de leve? O que o nicho de paredes pretas atrás da vitrine, escolhido pelo projetista, consegue?
- Partículas de poeira às vezes flutuam pelos feixes dos holofotes, desenhando fios brilhantes no ar. Curador: “Que lindo! Mantenha.” Projetista: “Isso quer dizer ar sujo.” Quem está certo sobre a física, e o que são os fios?
Parte III — O teste noturno.
- Luzes apagadas, venezianas fechadas: o guarda relata que a sala fica “absolutamente preta — nem sequer a estátua branca”. Explique com as duas condições por que a brancura é impotente no escuro.
- Propõe-se uma claraboia: vidro fosco lá em cima. O que ela vai entregar durante o dia, e o que ela vai se recusar a entregar (vistas das nuvens, ofuscamento direto do sol)?
- O curador teme que a luz do sol desbote os quadros e pede “luz sem nenhum sol”. O projetista sorri: de dia, até a luz suave das janelas voltadas para o norte é luz do Sol. Explique — quem a repassou?
- Escreva o relatório do projetista: três frases — uma sobre por que a difusão é a melhor amiga do museu, uma sobre onde os reflexos do modo espelho precisam ser vigiados e uma sobre o time de vidro escolhido para cada função.
Solução
Solução de Problema 49.1.
1. O mármore não fabrica luz: enxergar exige luz saindo do objeto na direção do olho, e um difusor sem iluminação não manda nada. Branco é uma promessa sobre repassar, sem valor nenhum sem uma entrega. 2. Fontes primárias: só as luminárias. Difusores: a estátua, os quadros, os visitantes — e, de leve, o vidro da vitrine (que sobretudo transmite). 3. A difusão: a superfície do mármore espalha a luz recebida para todas as direções, então cada posição da sala é servida e nenhuma é ofuscada. 4. O reflexo do modo espelho: o latão polido quica a luz da luminária em ângulos iguais para uma única direção — o ofuscamento cai apenas onde essa estrada única chega. 5. Translúcido: o globo deixa passar o brilho e embaralha a imagem — o ofuscamento pontual do filamento vira uma bola suave de luz. 6. Pela regra do quique, uma luminária aparece no verniz quando a luminária e o observador ficam em ângulos iguais dos dois lados da superfície do quadro. O projetista põe as luminárias no alto e bem inclinadas, para que a estrada quicada delas mergulhe no chão à frente do quadro — nunca nos olhos do ponto principal de observação. 7. O vidro sobretudo transmite, mas sempre quica como espelho uma parte fraquinha — janelas limpas são espelhos fracos, vistos contra a escuridão que houver atrás. O nicho preto dá à vista transmitida um fundo escuro, para que os reflexos fracos não possam competir — as mangas fantasmas desaparecem. 8. Os dois: fisicamente, os fios são difusão pelas partículas de poeira — luz do feixe espalhada até os olhos dos visitantes; e ar empoeirado é realmente o que os torna possíveis. A física está com o projetista; a poesia, com o curador. 9. Sem fonte, nenhuma luz sai, e não há nada para receber: a brancura é uma alta taxa de repasse aplicada a nada. A condição um falha para todos os objetos ao mesmo tempo. 10. Luz do dia suave, uniforme e sem sombras por toda a sala — brilho sem imagens: nada de vistas das nuvens e nada de ofuscamento direto do sol sobre o mármore. 11. O próprio céu: o ar difundindo a luz do Sol. A luz do norte é luz do Sol repassada por um hemisfério de ar — suave, sem fonte aparente e ainda assim solar; só o feixe direto foi recusado. 12. Por exemplo: “A difusão é a nossa melhor amiga: ela entrega cada obra a cada visitante sem um único ofuscamento. As superfícies do modo espelho — verniz, latão, vidro de vitrine — precisam ser vigiadas, porque entregam luminárias aos olhos por estradas exatas e previsíveis. E cada vidro serve pelo time dele: transparente para se enxergar através, translúcido para o ofuscamento e a claraboia, opaco para o escuro.”