Experimento analisa incidência da luz em fluidos complexos
Experimentos ajudam a entender como a luz se comporta quando passa pelos fluidos

Fluidos complexos são estruturas que não podem ser classificadas como sólidas, líquidas ou gasosas. Eles podem ser utilizados na produção de painéis luminosos para proteger a visão da luz produzida por lâmpadas de LED.  Para entender como a luz se comporta quando passa pelos fluidos, os professores os professores Alberto Tufaile e Adriana Tufaile, da Escola de Artes, Ciências e Humanidades (EACH) da USP,  reproduziram em laboratório a formação de halos solares e círculos parélicos — fenômenos físicos surgidos a partir do contato da luz do sol com as partículas presentes na atmosfera. No experimento, foi utilizado um fluido complexo em forma de espuma para reproduzir o efeito das gotículas de água e cristais de gelo sobre a trajetória da luz solar.

As espumas podem ser utilizadas como difusores de luz, que podem ter intensidade e a direção de espalhamento da luz variadas. “Quando você olha para um abajur, existe uma capa de algum material difusor de luz para você não olhar diretamente para a lâmpada, para não ofuscar a sua visão. A capa do abajur é um exemplo de difusor de luz”, explica o professor Tufaile. “Com a utilização de LEDs na iluminação, a fonte de luz pode ser muito intensa e concentrada. Para que a luz não incida diretamente sobre os olhos, basta construir uma espuma transparente sólida como material difusor”, afirma o professor.

No experimento, a luz solar foi simulada com uma ponteira de raios laser. Ao incidir sobre a espuma, a luz se espalhou e formou um círculo monocromático por difração e reflexão. “A difração da luz é um fenômeno da óptica ondulatória. A luz quando se choca com a borda de um objeto, sob certas condições, pode contornar o objeto e penetrar em sua sombra. É o que acontece na difração para o som, onde é possível ouvir uma pessoa falando atrás de um obstáculo, mesmo sem vê-la. Na difração, a luz se comporta como onda”, aponta o professor. “Reflexão é o que acontece quando a luz interage com um espelho. A luz se comporta como um raio, ou como pensava Isaac Newton, uma partícula se chocando com uma superfície. Na reflexão temos apenas um ângulo de incidência igual a um único ângulo de saída da luz. Isto é óptica geométrica”.

Halos e arcos solares são fenômenos ópticos na atmosfera com o formato circular, ou uma parte de círculo. “O halo solar pode ser formado, por exemplo, pela refração da luz em cristais de gelo suspensos na atmosfera, recebendo o nome de halo de 22 graus, com referência ao ângulo de visada com relação ao sol”, afirma o professor. A pesquisa descobriu que quando os cristais de gelo possuem a forma de agulhas, formam-se dois tipos de halos, um colorido ao redor do Sol (halo de 22 graus) e outro branco que passa pelo Sol, conhecido como círculo parélico. “Ocasionalmente na interseção entre o círculo parélico e o halo de 22 graus temos a existência de cópias do sol, conhecidos como ‘Cães do Sol’, ou ‘Sun Dogs’, em inglês”, observa Tufaile.

Comportamento da luz
O comportamento da luz depende da relação de escala entre o comprimento de onda da luz e o objeto que ela atinge. “Comprimentos de onda grandes comparados com os objetos pequenos que espalham a luz, entram no caso da difração. Comprimentos de onda pequenos comparados com dimensões de objetos grandes, nos leva para o caso da Óptica Geométrica”, afirma Tufaile. “No meio do caminho estes dois comportamentos deveriam se encontrar. A pesquisa fica nessa interface, onde os dois comportamentos se manifestam, por isso é utilizada a teoria geométrica da difração, que procura explicar os fenômenos nesta interface entre a óptica geométrica (reflexão) e ondulatória (difração).

Para demonstrar a teoria, foi utilizada uma ponteira laser como fonte de um raio luminoso sobre uma estrutura de espuma conhecida como borda de Plateau. “A espuma está numa caixa de acrílico e o padrão luminoso é projetado numa tela e fotografado”, relata o professor. “A característica mais marcante desse padrão é o comportamento bizarro da luz atuando como partícula por reflexão e como onda por difração simultaneamente, no contexto de óptica clássica, fazendo um espalhamento cônico da luz num ângulo de reflexão.

“Até esta pesquisa, o comportamento simultâneo da luz não era associado com o círculo parélico observado no céu”, destaca Tufaile. “Os resultados experimentais são explicados pela teoria geométrica da difração do matemático Joseph Keller, utilizada em engenharia para construção de antenas de comunicação eletromagnéticas e construção de aeronaves e navios invisíveis para radares (camuflagem “stealth”)”.

O objetivo geral do trabalho é estudar a física, em todos os seus aspectos, de fluidos complexos utilizando como base a teoria do Caos. “Como exemplo de fluidos complexos, temos as espumas e ferrofluidos, que possuem propriedades que não nos permitem classificá-los nos estados fundamentais da matéria, como sólidos, líquidos e gases”, diz Tufaile. “Seguindo este objetivo, nossos estudos encontraram recentemente alguns aspectos fundamentais desconhecidos em Óptica pela comunidade científica mundial, que podem ser aplicados ao caso de fenômenos ópticos atmosféricos”.

De acordo com o professor, outra possível aplicação da espuma é como processador de imagens. “Além disso, o experimento é utilizado com o fim didático para demonstrar conceitos complexos de Óptica para estudantes e em palestras”, conclui. O estudo foi publicado numa série contendo três artigos na revista Physics Letters A.

Foto: Divulgação

Mais informações: email tufaile@usp.br, com o professor Alberto Tufaile

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