Introdução à óptica geométrica

A vida do ser humano no planeta Terra é repleta de fenômenos luminosos fantásticos que embelezam nossos dias. Quem nunca observou uma eclipse lunar ou a reflexão de uma linda paisagem na superfície de um lago? Todos esses eventos acontecem graças aos fenômenos macroscópicos da luz. O estudo que aborda os fenômenos e propriedades macroscópicas da luz é denominado de óptica geométrica.

Ondas eletromagnéticas

A energia pode ser encontrada no meio de diversas formas como, por exemplo, na forma de energia elétrica, térmica, química ou até mesmo radiante. O processo de transmissão de energia de um ponto para outro distinto é realizado por ondas, mais precisamente por ondas transversais e longitudinais. Nesse wiki, abordaremos as formas de transporte de energia realizado pelas ondas eletromagnéticas. Esse tipo de onda compreende as radiações infravermelho, visível e ultravioleta (UV), as micro-ondas, os raios-X e as ondas de rádio.

Como é característico das ondas, a vibração é uma propriedade causada pela diferença de frequência que acaba resultando na variação das ondas eletromagnéticas.

As ondas eletromagnéticas podem ser classificadas de acordo com seus valores de frequência e a essa classificação damos o nome de espectro eletromagnético. Uma curiosidade sobre o espectro eletromagnético é que os seres humanos são capazes de enxergar uma faixa de frequência entre 4,3.10¹⁴ e 7,5.10¹⁴ Hz. Assim, ondas eletromagnéticas de frequência fora de faixa são imperceptíveis pelos olhos humanos como, por exemplo, as ondas de rádio e raios-UV. Segue abaixo imagem representativa da classificação dos espectros de acordo com a frequência e o seu respectivo comprimento de onda.

Um fator importante que deve ser lembrado é a relação matemática entre a frequência e o comprimento de onda. A frequência é o inverso do valor do comprimento de onda conforme equação abaixo.

– f: frequência (Hz);

– λ: comprimento de onda (m).

Dentre a grande variedade de tipos de ondas eletromagnéticas, a luz possui um protagonismo, pois compõe a faixa perceptível aos olhos do ser humano. O espectro eletromagnético da luz possui uma subdivisão de acordo com as cores identificadas pelo homem. As cores que nós enxergamos possuem basicamente tonalidades diferentes devido a valores diferentes de frequência, conforme figura abaixo.

Analisando a figura, podemos notar falta da cor branca. Isso porque ela é uma luz policromática, diferente dos exemplos apresentados. A luz branca é basicamente a junção de todas as cores monocromáticas do espectro acima.

Por um período longo na história, a velocidade da luz foi um grande enigma e houve uma grande busca dos cientistas pelo seu valor. O valor mais preciso que os cientistas conseguiram estimar é o de 299.792,4586 km/s. Para facilitar os cálculos, o valor aproximado da velocidade da luz (c) no Sistema Internacional é:

Esse valor diz respeito à propagação da luz no vácuo. A propagação da luz em outros meios é menor.

Óptica geométrica

Como abordado anteriormente, a óptica geométrica é o estudo das propriedades e dos fenômenos macroscópicos da luz. Antes de trabalharmos a fundo os espelhos, os prismas e as lentes, precisamos discutir alguns conceitos primordiais como fonte de luz, raios de luz e os meios de propagação.

Primeiramente, as fontes de luz são corpos que possuem a propriedade de emitir ondas eletromagnéticas que os olhos são capazes de perceber, neste caso em especifico a luz. As fontes de luz podem ser classificadas em fonte de luz primária, que produz a luz que emite, e fonte de luz secundária, que não produz a luz que emite.

As velas acessas e lâmpadas ligadas são exemplos de fonte de luz primária, já as fontes de luz secundárias são exemplificadas por pinturas, lousas de sala de aula e pela própria Lua.

Os raios de luz são linhas orientadas que partem de uma fonte de luz até atingirem o ponto de visão do observador. Os raios de luz possuem suas particularidades com relação à direção e sentido na sua propagação no meio e podem ser caracterizados como divergentes, convergentes e paralelos. Caso os raios de luz sejam emitidos de um único ponto, seu conjunto é denominado pincel de luz ou feixe de luz.

O último conceito introdutório da óptica geométrica são os meios de propagação, que podem ser definidos como a região do espaço onde as ondas eletromagnéticas irão se propagar. As regiões mais conhecidas de propagação são o meio transparente, translúcido e opaco. No meio transparente, a propagação da luz quase não sofre perda de intensidade e, assim, é possível visualizar nitidamente os corpos presentes. Por outro lado, no meio opaco não é possível visualizar os corpos, pois a intensidade da luz é anulada. No meio termo dessa classificação, o meio translúcido possibilita a visualização dos objetos, porém sem a nitidez presente do meio transparente.

Princípios da óptica geométrica

A óptica geométrica, assim como diversas áreas da física, possui princípios que são essenciais para seu entendimento. Os princípios essenciais da óptica geométrica são os da propagação retilínea da luz, da independência dos raios de luz e da reversibilidade dos raios de luz. No princípio da propagação retilínea da luz, como o próprio o nome já diz, a luz se propaga de forma reta em meios transparentes e homogêneos. Já o princípio da independência dos raios de luz consiste basicamente na constatação de que os raios de luz se propagam de forma independente, sem influência de outro raio. Ou seja, um raio de luz que não altera sua trajetória ao interceptar um outro raio. Por fim, de acordo com o princípio da reversibilidade da luz, a trajetória da luz não se modifica quando mudamos o seu sentido de propagação.

Consequência da propagação retilínea da luz

A sombra e a penumbra são dois fenômenos ópticos que são frequentemente observados por nós no dia-a-dia. A sombra é uma área desprovida de luz, graças ao bloqueio da propagação da luz por um objeto opaco. Já a penumbra é uma região em que os feixes de luz são parcialmente bloqueados, e esse fato se deve porque a fonte luminosa é extensa, ou seja, seu tamanho não é desprezível. A figura abaixo representa a formação da sombra e da penumbra.

Outro fenômeno de grande curiosidade das pessoas é a formação dos eclipses. Esse fenômeno é explicado basicamente pelo bloqueio total ou parcial da propagação da luz que é transmitida por um astro, fazendo outro “desaparecer” aos olhos do observador. No eclipse lunar, a Lua “entra” na sombra da Terra, e no eclipse solar, a Terra é atingida pela sombra da Lua. A figura abaixo ajuda a explicar como é formado o eclipse.