Entenda um pouco a classificação de imagens para conseguir desvendar os mistérios da Óptica Geométrica e dos Espelhos Planos!
Caramba, esse sou eu?!
Um dos objetivos da Física é descobrir as leis básicas que governam o comportamento da luz, como a lei da reflexão e da refração. Um objetivo mais amplo é encontrar aplicações práticas para essas leis; a aplicação mais importante é provavelmente a produção de imagens.
As primeiras imagens fotográficas, produzidas em 1824, eram meras curiosidades; já o mundo moderno não pode passar sem imagens. Imensas indústrias se baseiam na produção de imagens nas telas dos aparelhos de televisão, Smartphones e cinemas. As imagens colhidas por satélites são usadas por estrategistas militares em tempo de guerra e por estrategistas ambientais para lidar com pragas.
A ciência ainda tem muito a aprender sobre o modo como as imagens são produzidas pelo olho humano e o córtex visual do cérebro, mas já é possível criar imagens mentais em algumas pessoas cegas estimulando diretamente o córtex visual. Então, vamos começar revisando um pouco da classificação de imagens para conseguirmos desvendar, ao longo das próximas semanas, os mistérios da Óptica Geométrica e dos Espelhos Planos! Simbora!
1 – Dois Tipos de Imagens
Para que alguém possa ver, digamos, um gato, é preciso que os olhos interceptem alguns dos raios luminosos que partem do gato e os redirecionem para a retina, no fundo do olho. O sistema visual, que começa na retina e termina no córtex visual, localizado na parte posterior do cérebro, processa automaticamente as informações contidas nos raios luminosos.
Esse sistema identifica arestas, orientações, texturas, formas e cores e oferece à consciência uma imagem (uma reprodução obtida a partir de raios luminosos) do gato; o observador percebe e reconhece o felino como estando no local de onde vêm os raios luminosos, à distância apropriada.
O sistema visual executa esse processamento mesmo que os raios luminosos não venham diretamente do animal, mas sejam antes refletidos por um espelho ou refratados pelas lentes de um binóculo. Nesse caso, porém, o animal é visto na direção onde se encontra o espelho ou a lente, e a distância percebida pode ser muito diferente da distância real.
Assim, por exemplo, se os raios luminosos foram refletidos por um espelho plano, o gato parece estar atrás do espelho (ou lá dentro), já que os raios que chegam ao olho vêm dessa direção. Naturalmente, não existe nenhum gato atrás do espelho. Esse tipo de imagem, que é chamada de imagem virtual, existe apenas no cérebro, embora pareça existir no mundo real.
Uma imagem real, por outro lado, é aquela que pode ser produzida em uma superfície, como em uma tela de cinema. Podemos ver uma imagem real (caso contrário, os cinemas estariam vazios), mas, nesse caso, a existência da imagem não depende da presença de espectadores.
“Eu fico incrível no espelho.”
2 – Uma Miragem Comum
Um exemplo comum de imagem virtual é a poça d’água que parece existir nas estradas asfaltadas nos dias de calor, sempre algumas dezenas de metros à frente do nosso carro.
A poça d’água é uma miragem (um tipo de ilusão) formada por raios luminosos que vêm do céu.
Quando os raios se aproximam da estrada, atravessam camadas de ar cada vez mais quentes, por causa do calor irradiado pelo asfalto. Com o aumento da temperatura, as moléculas do ar ficam mais esparsas, facilitando a passagem de luz (isso tem a ver com o índice de refração do ar, que discutiremos nas próximas semanas). Assim, o raio muda de meio, passando de uma camada menos quente para uma camada mais quente, sofrendo refração e tornando-se horizontal.
Mesmo depois que o raio se torna horizontal, pouco acima da pista de rolamento, continua a encurvar-se, já que a parte inferior da frente de onda está em uma região onda o ar é mais quente e, portanto, propaga-se mais depressa que a parte superior.
Esse movimento não-uniforme da frente de onda faz com que o raio se encurve para cima.
Quando um raio desse tipo atinge o olho de um observador, o sistema visual supõe automaticamente que o raio se propagou em linha reta, o que significaria que se originou em um ponto da estrada à frente. Como a luz vem do céu, a miragem tem um tom azulado que lembra a água. Além disso, as camadas de ar aquecido normalmente apresentam uma certa turbulência, o que torna a imagem trêmula, contribuindo ainda mais para a ilusão de que se trata de um reflexo na água.
Seu cérebro pode te pregar umas peças.
3 – O Labirinto de Espelhos
Em um labirinto de espelhos as paredes são cobertas por espelhos do piso até o teto.
Andando no interior de um desses labirintos, o que se vê, na maioria das direções, é uma superposição confusa de reflexos. Em certas direções, porém, parece haver um corredor comprido que conduz à saída. Ao tomar um desses corredores porém, descobrimos, depois de esbarrar em vários espelhos, que ele não passa de uma ilusão.
A figura abaixo representa uma vista de topo de um labirinto de espelhos simples, no qual o piso foi dividido em triângulos equiláteros (ângulos de 60°) e as paredes foram cobertas por espelhos verticais.
O observador está no ponto O, no centro da entrada do labirinto. Olhando na maioria das direções o que vê é uma superposição confusa de imagens. Entretanto, quando o observador olha na direção do raio mostrado na figura acima algo curioso acontece. O raio parte do centro do espelho B e é refletido no centro do espelho A antes de chegar ao observador. (A reflexão obedece à lei da reflexão e, portanto, o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão são iguais a 30°).
Para entender o raio que está chegando, o cérebro do observador automaticamente prolonga o raio na direção oposta. Assim, ele parece se originar em um ponto situado atrás do espelho A. Em outras palavras, o observador observa uma imagem virtual de B atrás de A, situada a uma distância entre A e B.
Assim, quando o observador olha nessa direção, enxerga o ponto B, aparentemente na extremidade de um corredor constituído por quatro cômodos triangulares.
Esta descrição, porém, não está completa, já que o raio visto pelo observador não parte do B, mas é apenas refletido nesse ponto. Para determinar a origem do raio, reconstituímos seu trajeto ao longo dos espelhos, aplicando a lei da reflexão, e chegamos à conclusão de que provém do próprio observador!
O que o observador vê ao olhar na direção do corredor aparente é uma imagem virtual de si próprio, a uma distância de nove cômodos triangulares.
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