¿Como se forman los arcoiris?

¿Por qué se forman los
Arco Iris?
La Física Clásica: Óptica .

EVIDENCIA POR PRODUCTO 1ER PARCIAL

Alejandra Altamirano Ugarte
10/10/2011

¿Por qué se forman los Arco Iris?
10 de oct.

INDICE

A
ARCO IRIS SECUNDARIO...................................................................................................................................................................................... 8

B
BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................................................................................................... 18

C
Conclusiones ..................................................................................................................................................................................................... 17

E
EXPERIMENTO
DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ ...................................................................................................................................................................... 14
EXPLICACION DE DESCARTES .............................................................................................................................................................................. 6
I
INTRODUCCION ¿QUE ES UN ARCO IRIS? ........................................................................................................................................................... 3

2
ISAAC NEWTON ................................................................................................................................................................................................. 10
J
JUSTIFICACION
HISTORIA DE LA CIENCIA ................................................................................................................................................................................ 3
M
MARCO TEORICO
EXPLICACION CIENTIFICA ............................................................................................................................................................................... 4
O
OBJETIVO ESPECIFICO ......................................................................................................................................................................................... 3
OBJETIVO GENERAL............................................................................................................................................................................................. 3
P
PROCEDIMIENTO:.............................................................................................................................................................................................. 15

T

10 de octubre de 2011
TRABAJOS SOBRE LA LUZ .................................................................................................................................................................................. 10


10 de oct.

OBJETIVO GENERAL:

Poder resolver las siguientes preguntas a respecto de este fenómeno físico:

¿Cómo se forman los Arco Iris? ¿Por qué tienen forma de un Arco? ¿Por qué tienen esos
colores?

OBJETIVO ESPECIFICO:

Conocer como se forman los arcoíris por medio del estudio de la composición de la luz.

¿QUÉ ES UN ARCO IRIS?

Un arco iris, iris o arcoíris es un fenómeno óptico y meteorológico que produce la aparición de
un espectro de frecuencias de luz continuo en el cielo cuando los rayos del sol atraviesan
pequeñas gotas de agua contenidas en la atmósfera terrestre. La forma es la suma de un 3
arco multicolor con el rojo hacia la parte exterior y el violeta hacia la interior. Menos frecuente
es el arco iris doble, el cual incluye un segundo arco más tenue con los colores invertidos, es
decir el rojo hacia el interior y el violeta hacia el exterior. Comúnmente se suele aceptar como
siete los colores rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta producto de la
descomposición de frecuencias de la luz, y es formado por los 3 colores primarios y los
3secundarios, aunque tradicionalmente se habla de 7 colores, incluyendo el añil entre el azul y
el violeta.

HISTORIA DE LA CIENCIA DEL ARCO IRIS

Hace más de tres siglos, Isaac Newton logró demostrar con ayuda de un prisma que la luz
blanca del Sol contiene colores partiendo del rojo, a su vez pasando por el naranja, violeta,
por el negro, por el celeste y añil hasta llegar al violeta. Esta separación de la luz en los
colores que la conforman recibe el nombre de descomposición de la luz blanca.


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El experimento de Newton no es difícil de reproducir, pues no es necesario contar con
instrumental científico especial para llevarlo a cabo. Incluso hoy en día resulta ser uno de los
más hermosos e instructivos para los incipientes estudiantes de óptica en educación básica,
media y superior. se puede lograr con un prisma, el cual es atravesado por un rayo de luz
blanca del sol, este se refracta y sale por el lado opuesto descompuesto en los 7 colores ya
mencionados.

EXPLICACIÓN CIENTÍFICA

Cuando la luz solar incide sobre las gotas de lluvia, éstas se encargan de producir tal efecto,
pero en algunas mucho más que en otras. Los rayos del Sol involucrados con la formación
del arco iris salen de las gotas de lluvia con un ángulo de aproximadamente 138 grados
respecto de la dirección que llevaban antes de entrar en
OPTICA ellas. Este es el "ángulo del arco iris", descubierto por René
La Óptica se enc arga de
estudiar el comportamiento de
Descartes en el año de 1637. Si la luz saliera a 180 grados, 4
entonces regresaría por donde vino. Como el ángulo de
la luz. Es, también, una de las
salida es de sólo 138 grados, la luz no se refleja
ramas más antiguas: los
fenómenos de reflexión y exactamente hacia su origen. Esto hace posible que el arco
refracción se conocen desde la iris sea visible para nosotros, que no solemos encontrarnos
antigüedad, y genios como exactamente entre el Sol y la lluvia. De manera que
Newton dedicaron grandes
siempre, si nos colocamos de frente a un arco iris, el Sol
esfuerzos a su estudio. La
estará detrás de nosotros.
historia de la óptica cambió
radicalmente con Maxwell, que

relacionó la luz con las ondas
electromagnéticas, dando lugar Para ser más precisos, es la luz amarilla la que es
a la óptica física.
dispersada a 138 grados de su trayectoria original. La luz
de otros colores es dispersada en ángulos algo distintos.
La luz roja del arco iris se dispersa en una dirección ligeramente menor que 138 grados,
mientras que la luz violeta sale de las gotas de lluvia en un ángulo un poco mayor. Un rayo de
luz solar, de los que "hacen" un arco iris, cambia su dirección tres veces mientras se mueve a


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través de una gota de lluvia: Primero entra en la gota, lo cual ocasiona que se refracte
ligeramente.

Entonces se mueve hacia el extremo opuesto de la gota, y se refleja en la cara interna de la
misma. Finalmente, vuelve a refractarse cuando sale de la gota de lluvia en forma de luz
dispersa. La descomposición en colores es posible porque el índice de refracción de la gota
de agua es ligeramente distinto para cada longitud de onda, para cada color del arco iris.

La luz solar emerge de muchas gotas de lluvia a un tiempo. El efecto combinado es un
mosaico de pequeños destellos de luz dispersados por muchas gotas de lluvia, distribuido
como un arco en el cielo. Los diversos tamaños y formas de las gotas afectan la intensidad de
los colores del arco iris. Gotas pequeñas hacen un arco iris pálido y de colores con
tonalidades pastel; gotas grandes producen colores muy vivos. Además, las gotas grandes
son aplastadas por la resistencia del aire mientras caen. Esta distorsión ocasiona que el
"final" del arco iris tenga colores más intensos.

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ARCO IRIS: EXPLICACIÓN DE DESCARTES

Descartes simplificó el estudio del arco iris reduciendo el caso al estudio de la trayectoria de
un rayo de luz dentro de una gota de agua esférica suspendida en la atmósfera.

El arco iris puede aparecer no sólo en la atmósfera sino donde tengamos gotas de agua en
suspensión y luz del sol detrás de nosotros iluminándolas.

La explicación de Descartes se basó en la refracción y la reflexión de la luz dentro de la gota e
hizo un gráfico de la trayectoria seguida por diversos rayos. Una buena aproximación es
suponer que los rayos que salen radialmente del sol llegan paralelos a la gota por estar el sol
a gran distancia.

Lo publicó en el libro "El Discurso del Método" -año 1637-

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El rayo 1 entra en la gota a lo largo del diámetro y se refleja en la misma dirección que traía.
El segundo, que entra por encima del 1, sale en la dirección marcada por dos (por debajo y
próximo, formando un pequeño ángulo )

Seguimos estudiando el comportamiento de rayos que entran cada vez más separados del 1.
Al llegar al rayo llamado "L" se alcanza una desviación con el rayo incidente de 42º, y el
conjunto de los rayos entrantes entre el "L" y el "M" salen todos concentrados sobre la misma


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desviación de 42º (para rayos rojos). Descartes dijo que se concentraban entre 41º y 42º. Por
encima del rayo "M" se desvían mucho y no concentran su energía en la zona del ojo del
observador.

Los rayos que producen la visión del arco iris están entre el "L" y "M" y se reflejan todos
concentrados, teniendo una desviación con el que viene del sol de unos 42 º.

Descartes demostró que para observar el arco iris debemos mirar las gotas con un ángulo de
42º respecto a la línea que une las gotas con el Sol y, tal como se ve en la siguiente figura, el
radio ángular del arco iris es de 42º. Esto es lo que origina que lo veamos sobre un arco.

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Observamos que aunque el ángulo que forma el rayo rojo es de 42 º y el azul de 40º vemos el
color azul en el interior del arco y el rojo en el exterior. Esto es debido a que miramos en la
dirección de los rayos, la línea de nuestra mirada debe mantener 42º con la di rección que va
al centro del arco iris.

Comprueba en la figura de más abajo como el rayo que viene del sol y el rayo del arco iris
forma el mismo ángulo que el rayo del arco iris y el que va del observador al centro del
arco.(Ángulos alternos internos)


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ARCO IRIS SECUNDARIO

Si la luz que incide sobre la gota de agua realiza dos refracciones y tres reflexiones internas
podemos deducir su trayectoria aplicando la misma teoría que en el estudio anterior.

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El resultado es la formación de un arco iris secundario de colores invertidos, más débil y que
queda por encima del primario. Su debilitamiento se debe a la luz que se refracta y sale al
exterior en cada reflexión interna.

Los ángulos que forman los rayos incidente y refractado hacia el ojo son mayores en el rayo
secundario: 50 º para la luz roja y 54º para la violeta.


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El orden de los colores en el arco secundario está invertido debido a la doble reflexión interna.
Teóricamente puede haber más de tres reflexiones
internas, cuatro, cinco, que darían lugar a cuatro y cinco
arco iris. El tercero y cuarto estarían entre el observador y
el sol y quizás nunca se puedan ver. El quinto se produce
en la misma zona del primero y del segundo y no se ve
porque es muy ténue.

La zona situada entre los dos arco iris es menos luminosa
que el resto del cielo. Muchas de las características del
arco iris fueron explicadas por Aristóteles, Descartes,
Newton y Young. Newton en su libro Optica -año 1704-
explicó el arco iris primario y secundario y publicó un
Nació: 4 de enero de 1643
dibujo semejante al que ves en esta página un poco más Woolsthorpe, Lincolnshire,
arriba. Inglaterra
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ISAAC NEWTON Falleció: 31 de marzo de 1727 (84
años) Kensington, Londres,
Sir Isaac Newton (25 de diciembre de 1642 JU – 20 de Inglaterra
marzo de 1727 JU; 4 de enero de 1643 GR – 31 de
marzo de1727 GR) fue un físico, filósofo, teólogo,
Campo de Estudio: Astronomía,
inventor, alquimista y matemático inglés, autor de los
Física, Teología, Alquimia y
Philosophiae naturalis principia mathematica, más
Matemática
conocidos como los Principia, donde describió la ley de
gravitación universal y estableció las bases de la
Alma Mater: Universidad de
mecánica clásica mediante las leyes que llevan su
Cambridge
nombre.

Entre sus otros descubrimientos científicos destacan los Principales aportaciones: Leyes 10 de octubre de 2011
trabajos sobre la naturaleza de la luz y la óptica (que de la cinemática, Teoría
se presentanprincipalmente en su obra Ópticos) y el corpuscular de la luz,
desarrollo del cálculo matemático. Desarrollo del Cálculo
diferencial e integral, Ley
Entre sus hallazgos científicos se encuentran el de la gravitación universal.
descubrimiento de que el espectro de color que se
observa cuando la luz blanca pasa por un prisma es
inherente a esa luz, en lugar de provenir del prisma


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(como había sido postulado por Roger Bacón en el siglo XIII); su argumentación sobre la
posibilidad de que la luz estuviera compuesta por partículas; su desarrollo de una ley de
convección térmica, que describe la tasa de enfriamiento de los objetos expuestos al aire; sus
estudios sobre la velocidad del sonido en el aire; y su propuesta de una teoría sobre el origen
delas estrellas. Fue también un pionero de la mecánica de fluidos, estableciendo una ley
sobre la viscosidad.

TRABAJOS SOBRE LA LUZ

Entre 1670 y 1672 trabajó intensamente en problemas relacionados con la óptica y la
naturaleza de la luz. Newton demostró que la luz blanca estaba formada por una banda de
colores (rojo, naranja, amarillo, verde, cian, azul y violeta) que podían separarse por medio
de un prisma. Como consecuencia de estos
trabajos concluyó que cualquier telescopio
refractor sufriría de un tipo de aberración
conocida en la actualidad como aberración
cromática que consiste en la dispersión de la
luz en diferentes colores al atravesar una
lente. Para evitar este problema inventó un
telescopio reflector (conocido como telescopio
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newtoniano).

Sus experimentos sobre la naturaleza de la luz
le llevaron a formular su teoría general sobre la
misma que, según él, está formada por
corpúsculos y se propaga en línea recta y no
por medio de ondas. El libro en que expuso

esta teoría fue severamente criticado por la
mayor parte de sus contemporáneos, entre

Opticks ellos Hooke (1638-1703) y Huygens, quienes
sostenían ideas diferentes defendiendo una
naturaleza ondulatoria.

Estas críticas provocaron su recelo por las publicaciones, por lo que se retiró a la soledad de
su estudio en Cambridge.


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En 1704 Newton escribió su obra más importante sobre óptica, Opticks, en la que exponía
sus teorías anteriores y la naturaleza corpuscular de la luz, así como un estudio detallado
sobre fenómenos como la refracción, la reflexión y la dispersión de la luz. Aunque sus ideas
acerca de la naturaleza corpuscular de la luz pronto fueron desacreditadas en favor de la
teoría ondulatoria, los científicos actuales han llegado a la conclusión (gracias a los trabajos
de Max Planck y Albert Einstein) de que la luz tiene una naturaleza dual: es onda y
corpúsculo al mismo tiempo. Esta es la base en la cual se apoya toda la mecánica cuántica.

Newton realizó el conocido experimento de doble refracción mediante prismas de vidrio
transparente con caras no paralelas. En una primera etapa, el experimento se realiza con tan
solo un prisma. Un haz de luz blanca que entra a un cuarto oscuro traviesa un trozo de cristal
con caras planas no paralelas y sufre una doble refracción al entrar y salir del mismo. La luz
se recoge con una pantalla. El resultado que se obtiene es un haz que contiene todos los
colores naturales separados: el rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta. Ésto se
puede ver en la figura 1.

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Figura 1: Refracción y descomposición de la luz en un prisma de caras no paralelas.

Newton no creía en las afirmaciones de sus coetáneos sobre este fenómeno, que 10 de octubre de 2011

interpretaban que el color se formaba en el prisma, sino que supuso que la luz blanca era una
mezcla de haces de los siete colores puros. Cada uno de estos haces posee un grado propio
y diferente de refracción en el vidrio. Esta hipótesis también explica la formación del propio
arco iris, ya que la luz que se refracta en las gotas de lluvia puede separarse de una forma
parecida a la que hemos observado en la figura 1. Para intentar demostrar esta hipótesis,
Newton realizó dos experimentos más.


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El primer experimento consiste en añadir un segundo prisma, invertido respecto al primero, de
forma que el haz de luz se vuelve a reunir para formar de nuevo un haz blanco, tal y como
vemos en la figura 2.

Figura 2: La luz descompuesta en el primer prisma se vuelve a reunir para formar un nuevo
haz blanco.

El segundo experimento es el disco de Newton, una ruleta que esta dividida en siete 12
sectores, cada cual pintado con uno de los colores del arco iris. Al hacerlo girar a gran
velocidad, la apariencia del disco es blanca.

Posteriormente, Newton quiso encontrar la explicación a la aparición de colores en los
diferentes objetos cuando son iluminados por luz blanca. Cada substancia, argumentaba,
posee una capacidad selectiva de absorción de cada color diferente. La parte no absorbida de
la luz blanca es la única que llega a nuestros ojos, que la interpretan como si fuera una única
luz con el color resultante de la combinación de las diferentes contribuciones de cada color
natural.
Newton intentó demostrar esta explicación mediante un dispositivo experimental del tipo de la
figura 2. Mediante una pantalla opaca con una ranura apropiada, se bloquean seis de los siete
colores en los cuales se ha separado la luz al pasar por el primer prisma, dejando pasar tan
solo uno de ellos. La luz restante pasa por el segundo prisma sin modificarse en absoluto, ya
que en este caso tan sólo resta una de las componentes: el haz es homogéneo. Los objetos
iluminados con esta luz serán negros si absorben este color en particular, o de ese mismo


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color en caso contrario. De esta forma, Newton demostró que el color de cada objeto depende
de la iluminación y de la capacidad de absorción de cada color.

EXPERIMENTO: DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ

Para realizar este sencillo experimento necesitamos:

1. Un Recipiente
con agua

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2. Un espejo

3. Una hoja Blanca 14


PROCEDIMIENTO:
A. Colocamos el recipiente con agua en un lugar donde reciba luz directa del Sol
B. Colocamos el espejo dentro del recipiente con agua
C. Inclinamos el espejo en un ángulo aproximado a 42º


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D. Colocamos la hoja blanca frente el espejo (en dirección opuesta al Sol)

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Conclusiones

Isaac Newton, analizó por primera vez los detalles técnicos de la formación del arco iris. Su
brillante trabajo de óptica referente a la refracción y reflexión.

Un arco iris ocurre cuando las gotas de lluvia y los rayos del sol se atraviesan. La luz del sol
está compuesta de todos los colores, los cuales mezclados producen iluminación. Cuando la

luz del sol penetra las gotas de agua, se refleja en las superficies interiores. Mientras pasa a
través de las gotas, la luz se separa en sus colores que la componen, lo que produce un
efecto muy similar al de un prisma. Y por un instante, cada gota de lluvia destella sus colores
al observador, antes que otra gota de lluvia tome su lugar.

Un arco iris se puede observar en la dirección opuesta del sol. La luz del arco iris es reflejada
al ojo, a un ángulo de 42 grados en relación con el rayo de sol. La forma de arco, es parte del
cono de luz que es cortado por el horizonte. Si uno viaja hacia el extremo de un arco iris, éste


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se moverá adelante de nosotros, manteniendo su forma. Por lo tanto, no hay realmente un
final en un arco iris, ni tampoco una hoya llena de oro esperándole allí. Debido a que el ángulo
de inclinación de 45 grados es medido desde el ojo de cada observador, no hay dos personas
que vean exactamente el mismo arco iris. Cada persona se encuentra en el centro de su
propio cono de luz. Desde el punto panorámico del alto de una montaña o de un avión, se
puede observar en ciertas ocasiones, un circulo completo del arco iris.

El brillante arco iris primario tiene el color rojo en el borde exterior y azul dentro de sí mismo.
En la parte superior de la atmósfera, siempre hay otro arco iris menos brillante, con los colores
en orden inverso. Este arco iris secundario, es el resultado de reflexión adicional, de los rayos
del sol a través de las gotas de lluvia. Es más visible cuando hay nubes oscuras atrás de éste.
Busca el segundo arco en lo alto de la atmósfera la próxima vez que aparezcan los colores del
arco iris. Algunos observadores han reportado haber visto un tercer y cuarto arco iris sobre los
primeros dos.

Por medio de la experimentación pudimos comprobar lo que Descartes y Newton indicaron en
sus estudios de la Reflexión y Refracción de la luz, hemos podido resolver las preguntas 17
¿Cómo se forman los Arco Iris? ¿Por qué tienen forma de un Arco? ¿Por qué tienen
esos colores?



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BIBLIOGRAFÍA

 http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/color/arcoIris/ArcoIris_De
scartes.htm

 Arco iris Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=47179332

 http://www.christiananswers.net/spanish/q-eden/ednks006s.html

 http://www.lawebdefisica.com/trabajos/bionewton/

 EXPERIMENTOS SIMPLES PARA ENTENDER UNA TIERRA COMPLICADA
Centro de Geociencias de la Universidad Nacional Autónoma de México
para el Año Internacional del Planeta Tierra

http://yearofplanetearth.org/content/downloads/mexico/libro_luz_color_web.pdf

 Física I, Resnick, Holliday, Krane 5a. Ed. CECSA

 Física I, Wilson 2da. Ed. Prentice Hall 18



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