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Se o vidro é transparente, então por que suas rachaduras são opacas?

As fissuras aparecem opacas/altamente translúcidas devido a uma combinação de reflexão irregular, reflexão interna total e absorção de luz no interior do vidro.

Se você já quebrou seus óculos, certamente notou que a borda rachada do vidro parece cinza escuro e opaco. De fato, se você usa óculos de armação aberta, certamente também viu que a borda inferior do vidro é de cor verde-acinzentada e também opaca, mesmo sem rachaduras.Isso também acontece com réguas de vidro, janelas e telas de smartphones. Não apenas o vidro, mas os plásticos rígidos e transparentes (como o protetor de tela dos smartphones) também exibem os mesmos fenômenos.

Mas por que isso acontece? O vidro não deveria ser transparente em todas as direções?

A resposta está na própria pergunta, ou seja, na “direção”. No entanto, antes de ir direto ao assunto, devemos primeiro entender alguns conceitos básicos sobre o comportamento da luz em geral.

Noções básicas de óptica geométrica

1) Reflexão da Luz

Quando a luz atinge uma superfície brilhante, ela é refletida na mesma direção de onde veio. Isso é conhecido como reflexão. Ele pode ser definido com mais precisão usando geometria simpl .

 

Uma representação diagramática da lei da reflexão.

Uma representação geométrica do reflexo de um espelho

Imagine que um raio de luz atinge uma superfície plana. No ponto de contato entre a superfície e o raio de luz, desenhe uma linha perpendicular ao plano. Esta linha é chamada de normal. Quando um raio de luz atinge a superfície plana, ele faz algum ângulo com a normal. Isso é chamado de ângulo de incidência . Quando a luz é refletida na superfície, o raio refletido também faz algum ângulo com a normal. Esse ângulo é chamado de ângulo de reflexão .

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Para reflexão, o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão são sempre iguais.

2) Refração da Luz

Quando a luz atinge um objeto transparente, como o vidro, ela se move através desse objeto e sai do outro lado. No entanto, as imagens parecem ser quebradas  na fronteira do vidro e do meio circundante.

Isso é chamado de refração, que também pode ser descrito com mais precisão usando geometria simples.

refração de reflexão da luz através da água

Uma representação geométrica da refração da luz. Observe que o ângulo de refração é menor que o ângulo de incidência. Assim, o meio na parte inferior é mais denso do que o meio acima dele.

Suponha que um raio de luz se propague através do ar e atinja uma placa de vidro espessa. No ponto de contato entre a placa e o raio de luz, desenhe uma linha perpendicular à placa de vidro. Isso é chamado de normal. Quando o raio de luz atinge a placa de vidro, ele faz um ângulo com a normal. Isso é chamado de ângulo de incidência .

Depois de atingir a laje, o raio entra na laje e se move através dela. Este raio de luz dentro da laje é chamado de raio refratado. O ângulo entre o raio refratado e a normal é chamado de ângulo de refração .

Durante a refração, o ângulo de incidência e o ângulo de refração nunca são iguais.

Todo meio tem uma propriedade chamada densidade óptica . A densidade óptica dá uma ideia sobre a velocidade da luz nesse material. A razão entre a velocidade da luz em um material e a velocidade da luz no vácuo é chamada de índice de refração . Quanto maior o índice de refração, mais lenta a velocidade da luz e, portanto, maior a densidade óptica.

, onde v = velocidade da luz no meio

c = velocidade da luz no vácuo

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n = índice de refração do meio

Se a velocidade da luz em um meio é mais lenta que a velocidade da luz no vácuo, então esse meio é considerado opticamente mais denso que o ar.

Se a luz viaja em dois meios com diferentes índices de refração, a lei de Snell fornece uma relação útil.

, onde 1, n 2 = índices de refração dos meios 1 e 2, respectivamente

= ângulo de incidência

= ângulo de refração

fórmula da lei de snell

A lei de Snell é bastante útil para calcular os índices de refração de materiais desconhecidos medindo o ângulo de refração.

3) Reflexão Interna Total

Quando a luz se move de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente mais raro, se o ângulo de incidência for maior que um ângulo limiar, chamado de ângulo crítico,  então o raio de luz é refletido de volta para o meio original, sem sofrer refração. Este fenômeno é chamado de reflexão interna total .

Dentro de um meio mais denso

Dentro de um meio mais denso, se o ângulo de incidência for maior que um limiar, chamado de ângulo crítico, o raio de luz é refletido internamente. Crédito: NCERT Physics Textbook for Class XII-Part II, Capítulo 9, página 320, fig. 9.12

Absorção de Luz

Sempre que a luz se propaga através de um meio, sua intensidade diminui ao longo do tempo. Por exemplo, um feixe de uma tocha só pode chegar até certo ponto antes de desaparecer e se tornar invisível. Isso acontece porque a luz interage com a matéria ao seu redor, e parte dessa luz é absorvida como resultado dessa interação.

Da mesma forma, quando a luz se move através do vidro, parte de sua energia é absorvida, resultando em uma diminuição na intensidade da onda refratada. Se o vidro for grosso o suficiente, a luz deve percorrer uma longa distância dentro do vidro. Assim, uma fração significativa da luz é absorvida e a intensidade do raio emergente é diminuída, em comparação com a intensidade do raio incidente. O quanto um material absorve luz é dado pela lei de Beer-Lambert .

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A intensidade da luz emergente, I é dada por:

, onde I o = intensidade do feixe incidente

l =  distância percorrida pela luz dentro do meio absorvente

c = concentração molar de moléculas absorventes, íons

= coeficiente de absorção molar (dá uma ideia da capacidade de absorção do meio)

Assim, quanto maior o comprimento do vidro, menor é a intensidade do raio emergente.

Esquema vetorial da lei Beer Lambert (petrroudny43)1s

A luz incidente com intensidade ( Io ) é parcialmente absorvida pela solução, resultando no surgimento de luz de intensidade diminuída ( I ). A solução azul pode ser substituída por vidro para obter a absorbância devida ao vidro. (Crédito da foto: petrroudny43/ Shutterstock

Por que as rachaduras no vidro parecem opacas

Agora que temos alguma ideia sobre o comportamento da luz dentro de um meio, vamos discutir a resposta.

Quando a luz atinge uma borda de vidro rachada, acontece o seguinte:

Sempre existe algum reflexo, mesmo em uma superfície transparente como o vidro. A rachadura do vidro expõe as bordas ásperas. Quando um feixe de luz incide sobre essa borda áspera, o feixe se divide em vários raios que são refletidos em várias direções. Esses raios refletidos interferem de tal maneira que nenhuma imagem nítida pode ser formada. Isso é chamado de reflexão irregular. Parte da luz entra no vidro. Quando a luz entra pela borda rachada, alguns dos raios ficam presos no interior devido à reflexão interna total. Isso ocorre porque os raios se movem de tal forma que o ângulo de incidência dentro do vidro é maior que o ângulo crítico. Assim, a luz não pode sair do vidro. Como a luz fica presa no interior, não há visibilidade da região atrás do vidro quebrado, ou seja, do vidro transparente do outro lado. Como resultado, a transparência dessa região vítrea diminui. Como parte da luz permanece presa, ela também é absorvida. Quanto maior o comprimento do caminho (l ) que os raios de luz têm que passar dentro do vidro, quanto maior a quantidade de absorção. Essa diminuição da intensidade da luz ( I ) também é responsável pelo aumento da opacidade das rachaduras. Quanto maior o coeficiente de absorção molar do vidro (), maior é a absorção de luz.

Assim, as fissuras aparecem opacas/altamente translúcidas devido a uma combinação de reflexão irregular, reflexão interna total e absorção no interior do vidro!

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