La rifrazione della luce: la fisica può sembrare magica?

Dalla cannuccia spezzata in acqua ai miraggi nelle roventi giornate estive, la fisica della rifrazione spiega le illusioni ottiche.

Quante volte, sorseggiando l’acqua con l’utilizzo di una cannuccia, avete notato come quest’ultima appare spezzata al punto di confine tra acqua ed aria? Come mai il cucchiaino all’interno del tè sembra sdoppiarsi? Perché, quando scattiamo delle foto ad un nostro amico in acqua, le sue gambe appaiono deformate? L’acqua non modifica di certo la forma dei corpi, ma illusioni ottiche di questo tipo sono causate da un fenomeno fisico conosciuto come rifrazione.

La luce: che cos’è e perché ha una doppia natura

Per poter comprendere il meccanismo della rifrazione, occorre fare un passo indietro e definire il concetto di luce in fisica. La luce, così indispensabile alla nostra vita, è in realtà un fenomeno estremamente complesso sulla cui natura si è dibattuto per secoli. Soltanto nel XX secolo, si è giunti all’ipotesi attualmente accettata dalla fisica moderna, secondo la quale la luce possiede una doppia natura, ossia una natura ondulatoria e una corpuscolare. Esse risultano entrambe valide: la luce si comporta come un’onda, cioè come una trasmissione di energia nello spazio e nel tempo, o come una particella, a seconda degli esperimenti effettuati.

Una delle proprietà fondamentali della luce è quella secondo la quale, in assenza di ostacoli, essa si propaga seguendo una linea retta. Tale caratteristica è, in realtà, frutto di un’assunzione dell’ottica geometrica che semplifica lo studio della luce e dei suoi fenomeni, non considerando la natura ondulatoria della luce. Questa semplificazione è possibile quando la lunghezza d’onda della radiazione luminosa non è confrontabile con le dimensioni dei corpi con cui interagisce. In tale condizione è possibile fornire una spiegazione, seppur limitata, della maggior parte dei sistemi ottici impiegati nella nostra quotidianità, come specchi, prismi e lenti.

Che cos’è la rifrazione?

In ottica geometrica, la rifrazione è quel fenomeno che causa la deviazione dei raggi luminosi nel passaggio da un mezzo trasparente ad un altro mezzo avente densità differente. Il raggio che incontra la superficie è detto propriamente raggio incidente, quello che attraversa il secondo mezzo è detto raggio rifratto. L’angolo di rifrazione, ossia l’angolo che si crea tra la normale alla superficie e il raggio rifratto, dipende dalla densità del secondo mezzo:

– Se il secondo mezzo ha una densità maggiore rispetto  al primo  (per  esempio dall’aria all’acqua), il raggio devia avvicinandosi alla perpendicolare alla superficie.

– Se il secondo mezzo ha una densità minore rispetto al primo (per esempio dall’acqua all’aria), il raggio devia allontanandosi dalla perpendicolare alla superficie.

Perché la cannuccia appare spezzata?

L’occhio umano osserva i raggi luminosi provenienti dalla parte dell’oggetto (la cannuccia) immersa in acqua. Questi raggi, che si propagano all’interno del liquido, vengono deviati in prossimità della superficie di separazione tra aria e acqua. Nello specifico, passando da un mezzo più denso ad uno meno denso, si andranno ad allontanare dalla perpendicolare alla superficie. Il cervello viene pertanto ingannato: i raggi provenienti dall’acqua sembrano provenire da un’altra sorgente, dando per scontato che essi abbiano viaggiato in linea retta dal liquido al nostro occhio.

Il miraggio: un fenomeno illusorio dovuto alla rifrazione

È una calda giornata estiva e state percorrendo una strada asfaltata per dirigervi in spiaggia, quando sull’asfalto in lontananza vi sembra di scorgere una grande pozzanghera riflettente il Sole e le macchine antistanti. Siete così convinti che non ci sia stata pioggia, eppure quella pozzanghera vi sembra così reale. Com’è possibile? Non si tratta di un misterioso comportamento dei vostri occhi: anche i miraggi sono un effetto dovuto alla rifrazione della luce.

Quando il suolo è particolarmente ardente (strade asfaltate, suoli desertici), l’aria immediatamente vicina ad esso risulta più calda e, man mano che si sale in altezza, si raffredda. Aria fredda e aria calda hanno, tuttavia, due densità differenti: l’aria fredda è più densa di quella calda ed è per questo che l’aria calda tende sempre a salire verso l’alto. Questa differenza di densità porta ad una continua deflessione dei raggi luminosi facendo sì che la luce proveniente da un oggetto lontano segui complessivamente una trattoria curva, creando così un’immagine invertita. La grande pozzanghera che ci appare sul terreno non è altro che un’illusione ottica provocata dall’apparente riflessione speculare del cielo sulla strada.

Il miraggio dell’asfalto bagnato rappresenta la forma di illusione più comune. In realtà, esistono miraggi anche più complessi che si classificano in miraggi superiori, inferiori o laterali, a seconda della tipologia di illusione ottica e della posizione in cui viene percepita l’immagine illusoria. Ad esempio, al di sopra di superfici d’acqua gelide, cioè quando gli strati più bassi sono molto freddi, l’immagine illusoria viene vista in alto, come se fosse sospesa in cielo. Quest’ultimo è l’effetto che ci illude di poter vedere navi o isole sospese in cielo.

Sapevate che…

La leggenda narra che la Fata Morgana, la mitica sorellastra di Re Artù, si divertisse ad ingannare gli ingenui e sfortunati navigatori che desideravano giungere in Sicilia attraversando lo Stretto di Messina, proprio sfruttando il fenomeno della rifrazione. Pare che un giorno cadde vittima della sua perfidia persino un re barbaro che, in una calda giornata, convinto che la Sicilia fosse ad un passo  da lui, credette di poterla raggiungere con una bracciata. Egli fu chiaramente vittima di un’illusoria visione e, appena si gettò in acqua, morì affogato.

Il fenomeno ottico, ormai noto come “Fata Morgana”, può infatti essere responsabile della comparsa di intere città fittizie dovute alla distorsione delle immagini riflesse sul mare o sul suolo, portando a pensare che determinati oggetti possano essere molto più vicini di quanto lo siano realmente.

a cura di Giada Cacciapaglia