Brincando com a luz

Brincando com a luz.

O que é a luz?

O que é a luz? Damos o nome de luz é um fenômeno muito interessante e muito importante para todos nós. A vida como existe aqui na Terra além de um dos nossos sentidos, a visão, depende da luz para existir. A luz do Sol é essencial como fonte de energia para o nosso planeta, bem como é responsável por quase todas as fontes de energia disponíveis que utilizamos. A luz nos permite enxergar, ela aquece os locais onde atinge, ela é essencial para fotossíntese das plantas, o seu calor gera a formação das nuvens e muito mais. Um dia com o céu bem azul ou um por do Sol é um espetáculo apreciado por muitos bem como uma noite de lua cheia.

Hoje nós entendemos muito sobre o que seja a luz. Este entendimento iniciado na segunda metade do século XIX ampliou muito a nossa compreensão sobre este fenômeno.  Devemos isto a vários pesquisadores e principalmente a James C Maxwell. A luz se apresenta para nós de maneira distinta através de uma das suas propriedades que chamamos cor. O entendimento do que seja a luz nos ensinou que aquilo que chamamos de luz visível, as cores, é apenas uma pequena fração do espectro de um fenômeno mais geral que chamamos radiação eletromagnética. Por isso, a luz visível é um fenômeno da mesma natureza que a radiação infravermelha utilizada para bronzear, do raio X utilizado para tirar radiografias, das ondas de radio, da TV ou do telefone celular.

Muito antes de sabermos alguma coisa sobre a luz a humanidade aprendeu a produzi-la. Provavelmente, a primeira maneira foi descobrindo como fazer o fogo. Esta descoberta é considerada uma das grandes invenções da humanidade. Ele é um fenômeno tão importante que há diversos mitos sobre ele em diversas culturas. Um muito conhecido, na nossa cultura, é o de Prometeu que está presente na mitologia grega. Ele era um ídolo para os humanos, pois roubara o fogo de Zeus e entregou-o para nós, os mortais. Por causa disso, ele foi severamente castigado. A violência do castigo presente nesta lenda reflete a importância do segredo revelado para nós. Foi preso num penhasco onde tinha o seu fígado comido todas as noites por uma águia, que crescia no dia seguinte, para ser novamente devorado.

A capacidade de fazer fogo foi essencial para mudança de hábitos de nossos ancestrais. Isto aparece no hábito de cozinhar os alimentos, ou como fonte de calor para regiões de clima frio, foi essencial para trabalharmos com os metais. Há pouco mais de cem anos, passamos a dispor de fontes de energia que possibilitam a iluminação a nossa noite, antes disso, nós dependíamos do Sol para iluminar o dia e de forma indireta através da Lua para minorar a escuridão das noites, uma fogueira ou uma vela. A presença da Lua cheia é uma das razões para a escolha do dia da Páscoa.

Hoje o nosso conhecimento sobre a luz permitiu o desenvolvimento de diversos dispositivos que estão incorporados ao nosso dia a dia. Você pode apreciar estas mudanças observando as lâmpadas, que começaram com as de bulbo, que ao acender esquentam muito, passando pelas baseadas em descarga elétrica, muitas vezes denominadas de fluorescentes, que são mais frias e mais eficientes que as de bulbo, finalmente as lâmpadas de LED (Light-Emitting Diode = Diodo emissor de luz) muito mais econômicas e duráveis. Os maiores responsáveis pela sua invenção ganharam o Nobel de Física de 2014. Saber manipular a luz permitiu as comunicações ópticas em grande escala e que hoje permite a existência da rede que conecta bilhões de dispositivos tais como telefones e computadores em todo mundo, também premiada em 2009.

Sendo um fenômeno tão importante e tão interessante por onde devemos começar? Por coisas simples, estudando propriedades que possam ser entendidas por todos. Vale lembrar que algumas propriedades básicas da luz possuem relações diretas com a Matemática, em especial a Geometria.

A luz se movimenta.

Mesmo sem saber o que seja a luz nós podemos observar que ela se movimenta. Ela sai da fonte de luz até um anteparo. Você pode comprovar isto fazendo uma experiência com uma lanterna. Ligue uma lanterna e aponte para uma parede e lá surgirá uma região mais iluminada devido a luz que sai da lanterna e chega na parede. Se você colocar um objeto que não deixe passar luz no caminho a luz não atingirá a parede. Se você tirar o objeto da trajetória da luz a parede volta a ser iluminada. A luz sai da lanterna e se movimenta até a parede.

Outra coisa interessante é que isto ocorre muito rápido. Por isso, a velocidade da luz é muito grande, e hoje sabemos que é a maior velocidade possível de um objeto. Como consequência foi muito difícil de medir esta velocidade. Medidas mais precisas só acontecem no meio do século XIX. Hoje ela vale exatamente 299.792.458 m/s ou aproximadamente 300.000 km/s como é mais conhecida.

A luz caminha em linha reta: a sombra.

Se a velocidade da luz é muito difícil de determinar há outra propriedade importante muito mais simples de obter, o seu caminho. Isto pode ser feito trabalhando com a sombra!

Como é que a sombra pode nos ajudar a entender a luz? Em primeiro lugar por que está disponível para qualquer um basta se encontrar sob a luz de uma fonte, como o Sol. As brincadeiras com sombra são muito populares e divertidas. Existem espetáculos que utilizam muito das sombras. É muito fácil de produzir sombras, e por isso, há um conhecimento empírico sobre as sombras adquirido pela maioria das pessoas, incluindo ai, as crianças. Por isso, este assunto pode ser explorado para entender algumas das propriedades da luz.

Vejamos uma figura onde aparece uma sombra. A figura mostra a estátua de um atleta num pedestal e a sua sombra.  Qual é a característica de uma sombra? Ela surge como uma região mais escura cercada de claros. Uma das propriedades interessantes da luz é a cor. Os nossos olhos são capazes de distinguir muitas cores, entretanto, ao olhar uma sombra nós percebemos que ela não tem cor. Esta propriedade curiosa nos permite perceber a sombra é provocada pela ausência de luz. É o contraste entre luz e ausência de luz que nos permite enxergar a sombra.

Esta propriedade da sombra, provocada pela ausência de luz, permite que classifiquemos os corpos em relação à ação da luz. Aqueles que permitem a sua passagem são chamados de transparentes, e os que não permitem a sua passagem, opacos. Por exemplo, uma mesa de madeira, um livro, o corpo humano são objetos opacos por que a luz não consegue não atravessá-los. Já um vidro é um objeto transparente, pois a luz consegue atravessá-lo. Veja que trabalhar com a sombra, além de ser divertido permite classificar, pela sua presença os objetos frente a luz.  Na figura, a estátua é feita de um material opaco, pois ela produz uma sombra. A sombra é causada pela impossibilidade da luz passar.

A sombra é um fenômeno muito rico que nos permite perceber outra importante propriedade da luz, ela caminha em linha reta.  Veja como você pode explorar esta propriedade ao enxergar a sombra da foto. Você pode tirar algumas conclusões interessantes. Por exemplo, poderá imaginar uma reta começando nos limites entre o claro e o escuro, passando pelo lado do objeto até chegar a objeto que ilumina e produz a sombra. Você também pode fazer uma experiência uma lanterna ou uma luz de cabeceira pode produzir a sombra de um objeto e você observará as mesmas características de uma sombra produzida pelo Sol. Você pode utilizar a sombra de um objeto, o fato que a luz anda em linha reta para saber onde está quem iluminou.  Vendo a janela e a sua sombra dá para saber onde está o Sol!

Nós podemos fazer diversos experimentos para explorar e solidificar o conhecimento desta propriedade. A sombra de um objeto mostra o seu contorno. Esta propriedade das sombras permite que façamos muitas brincadeiras. Uma delas é utilizar as mãos para obter sombras de figuras conhecidas, como um gato, um cachorro ou um pássaro como na figura. Esta é uma das muitas figuras que você poderá produzir utilizando a sombra de duas mãos. Lembro que nos antigos almanaques havia páginas mostrando como produzir sombras curiosas. O projeto Gutemberg disponibiliza um livro famoso de sombras, donde esta figura foi copiada, gratuitamente na rede (http://www.gutenberg.org/ebooks/12962), Nele você encontrará dezenas de sombras interessantes para brincar.

Atividade.

Você poderá montar algumas demonstrações para explorar a propriedade da luz caminhar em linha reta. Um deles pode ser feito utilizando uma lanterna, um objeto pequeno, opaco, que você possa manipular e barbante. Veja nessa foto a sombra de um graveto feito pelo Sol. Conecte com barbante o ponto mais alto do graveto com o ponto correspondente na sua sombra, o ponto mais distante. Você poderá observar para onde este barbante aponta; o Sol, a fonte de luz. Esta mesma atividade por ser feita o pátio de uma escola observando a sombra de um(a) aluno(a). Nesse caso o barbante que conectar um ponto do contorno ao seu correspondente na sombra também apontará para o Sol. Cuidado para não olhar para o Sol diretamente. Você pode fazer a mesma coisa com um objeto fixo colocado sob a luz de uma lanterna e repetindo o que foi feita na atividade anterior.

A sombra pode ser uma boa atividade para inspirar o senso geométrico. Veja que na foto, se você conectar com barbante o ponto mais alto do graveto com o ponto correspondente na sua sombra, o ponto mais distante produzirá um triângulo. Com as sobras e a semelhança de triângulos pode ser utilizada para medir altura de árvores ou prédios.

Finalmente a sombra só aparece na presença de uma fonte de luz com alguma intensidade atingindo o objeto que a produz. Por exemplo, no interior de uma sala de aula com iluminação natural e sem que a luz do Sol penetre diretamente as pessoas ou objetos no interior da sala não apresentam sombra.

A Reflexão da luz, os espelhos.

O conhecimento desta propriedade, a luz se propagar em linha reta, é muito antigo, em textos tanto da Babilônia como do Egito há relatos que indicam o conhecimento desta característica da luz. Mas a luz apresenta outras características. No ano 300 AC, Euclides, no seu livro Óptica, postulou que a luz caminha em linha reta, descreveu as leis da reflexão e fez a sua descrição matemática. Em Ciências, quando se postula alguma coisa é que não conhecemos uma explicação para o efeito e, portanto, deve ser uma lei da natureza.

Os espelhos são objetos muito úteis na nossa vida. Eles estão presentes em todos os lugares, em especial nos banheiros e nos quartos. Há diversas lendas sobre a origem e o impacto dos espelhos na nossa vida. No momento vamos nos concentrar numa propriedade que ele tem e será muito útil: ao atingi-lo a luz desvia. Este fenômeno é  chamado de reflexão. Para os seus alunos você poderá dizer que dobrou a luz! Para demonstrar basta uma lanterna e um espelho.

Você também poderá utilizar a reflexão junto com como enxergamos para perceber a lei da reflexão o ângulo de incidência é igual ao ângulo refletido.

O Sol e as fases da Lua.

Você pode utilizar o que aprendeu compreendendo como enxergamos e sobre a reflexão da luz para entender melhor o que acontece no céu. Durante o dia nós enxergamos devido à luz do Sol. O Sol é capaz de produzir luz porque é um objeto muito quente. A Luz do Sol que enxergamos foi gerada na sua superfície, a região mais fria, mas que está a uma temperatura de 5.500 oC,  por isto ele emite luz. A esta temperatura a cor mais intensa é o amarelo. Esta luz é tão forte que você não deve olhar diretamente para o Sol sob pena de danificar os seus olhos. As estrelas são como o Sol, objetos muito quentes que emitem luz. Como elas estão muito longe de nós, podemos olhar para elas sem perigo. Já os planetas, satélites, cometas são corpos frios e não emitem luz e para enxergar é necessário que a luz atinja a eles e depois os seus olhos. É o Sol quem ilumina esses corpos celestes.

Nós conseguimos enxergar a Lua porque a luz do Sol bate nela e depois vem para os nossos olhos. Como a posição da Lua, em relação a Terra muda, seu formato muda todos os dias um pouco, sendo chamados de fases da Lua. Hoje para ajudar a compreender estes fenômenos nós temos acesso a muitas figuras, numa delas você pode observar a Lua sempre com uma metade iluminada, a outra parte fica escura porque a Lua é um objeto opaco, a luz não passa. Então dependendo da posição da Lua em relação a nós observamos um pedaço iluminado da Lua diferente a cada dia. As fases de um corpo celeste não é privilégio da Lua. Nesta foto temos a visão de um observador em Marte, uma das sondas espaciais, olhando para a Terra e a Lua. Nós enxergamos a Terra e a Lua parcialmente iluminadas. Olhando esta foto onde está a fonte de luz?

Separando as cores da luz. A dispersão da luz.

Por que surgem as cores? O que faz surgirem as cores?  As cores da natureza são objeto de admiração pela maioria de nós seres humanos.  É comum em muitos filmes mostrar imagens da natureza em épocas em que há uma grande riqueza de cores. Em regiões com estações bem definidas o outono é um espetáculo de cores. O céu também nos oferece diversos espetáculos coloridos. Os mais comuns, em dias com poucas nuvens, são as mudanças das cores do céu no nascer e no por do Sol, o arco íris quando há nebulosidade parcial e o céu azul da maior parte do dia. Nós já entendemos como nós enxergamos, a luz incide sobre um objeto, é refletida e atinge o nosso olho. Então como surgem as cores?

As cores que enxergamos são as emitidas pelo Sol. A cor predominante emitida pelo Sol é o amarelo, no entanto, ele emite as outras cores, porém com menos intensidade. É por isso que para enxergar as outras cores emitidas pelo Sol tem que acontecer alguma coisa. A nossa atmosfera é responsável pela separação das cores do Sol. Podemos imaginar a atmosfera como sendo transparente a luz, entretanto ela se comporta de forma diferente para cada cor e é por isso que ela separa as diversas cores. Esta propriedade é chamada de dispersão. Ao passar pelos constituintes da atmosfera as diversas cores se separam.

Existem material que separam as cores mais do que outros. Eles são úteis para construir dispositivos que separem a luz. Um exemplo é oprisma de vidro.

O mais curioso destes fenômenos provavelmente é o arco íris. Ele ocorre em situações bem especiais. Sempre do lado oposto ao Sol, antes antes das 10 ou depois das 16. Quem separa as cores do Sol nesse caso? A resposta é a água. A água também é transparente e separa as cores do Sol. Nesse caso, as gotas de água que se formam na atmosfera, permitem que a luz do Sol penetre, do lado oposto gota ela é refletida e volta. Por isso, ele só aparece do lado oposto ao Sol. E como a luz andou dentro da água, as suas cores se separaram. Você poderá testar esta explicação utilizando uma mangueira de água. Faça o jato de água subir e se coloque entre o Sol e este jato. Você verá a separação das cores do Sol.

Com a popularização dos discos compactos (CD) e os DVD, eles também separam as cores da luz, mas o efeito utilizado é outro chamado de difração.

O que é a luz: os fótons.

Alhazen também achava que a luz era formada por uma corrente de pequenas partículas, andando em linha reta, mas ele nunca conseguiu provar. A primeira explicação da luz feita por Maxwell em 1865 indicava que ela tinha características de uma onda. Fenômenos ondulatórios são muito comuns na nossa vida, um deles é o som. Hoje a percepção é mais complexa. Sabemos que a luz também tem característica de uma partícula, uma bola, e para a luz estas partículas se chamam fótons. Esta foi uma descoberta feita por Albert Einstein em 1905. Mostrar que a existência dos fótons é muito difícil, exige um equipamento sofisticado, mas mostrar a luz anda em linha reta e que precisamos dela para enxergar é muito mais simples.

A luz dos átomos.

Utilizando a dispersão da luz como acontece no arco íris ou a difração, se desenvolveu um instrumento chamado de espectrômetro, mede o espectro, que separa as cores. Uma importante descoberta foi que jogando-se a luz emitida por um átomo neste instrumento aparecia algumas cores. Veja o espectro visível do bário. Neste portal, em Spectral lines, você poderá acessar o espectro visível de muitos elementos.

Estudar a luz pode ser numa atividade divertida. Quem não se encanta com as sombras ou com o arco-íris? Nestes dois fenômenos estão presentes diversas propriedades da luz que as crianças podem aprender brincando. Visualizar o caminho reto da luz, o efeito do espelho, são maneiras de desenvolver a percepção espacial.