A câmera escura

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Nas postagens anteriores foi visto que a luz pode se comportar como onda ou como partícula, a depender do fenômeno e do modo que o analisamos. Esse tipo de abordagem normalmente está ligado ao ramo da Óptica conhecido como Óptica Física. Neste ramo, as considerações sobre a natureza da luz são essenciais para compreensão dos fenômenos estudados.

Por outro lado, quando essas considerações não se fazem necessárias, costuma-se abordar os fenômenos luminosos a partir de uma perspectiva geométrica, considerando os raios de luz como se fossem segmentos de retas, orientados ou não. Dessa maneira, alguns fenômenos menos complexos podem ser entendidos através da Óptica Geométrica, é o caso do funcionamento da câmera escura que analisaremos a seguir.

A câmera escura ou câmera obscura, ou ainda, câmera escura de orifício, é um dispositivo óptico que consegue captar imagens através de um orifício e projetá-las em seu interior (observar a figura abaixo). Recebe esse nome devido a cor escura do material que normalmente reveste seu interior. O seu mecanismo simples foi a base para a obtenção das primeiras fotografias¹.

Figura 8: Estrutura da câmera escura.

Fonte: Próprio autor.

Na figura, uma fonte de luz primária tem sua imagem projetada na parede do fundo de uma câmera escura. Observe que a imagem do objeto está invertida em comparação ao próprio objeto. As letras p e p’ se referem às distâncias do objeto ao orifício e da imagem ao orifício, respectivamente, assim como o e i se referem ao tamanho do objeto e da imagem, nessa mesma ordem. O tamanho da imagem formada na câmera depende de suas dimensões e da distância do objeto ao orifício. Utilizando semelhança de triângulos é possível chegar à seguinte relação:

Equação 1: 

Veja na animação a seguir o processo de formação da imagem nesse tipo de câmara:

Animação 7: Funcionamento da câmera escura.

Fonte: Próprio autor.

Na animação foi mostrado que o ponto superior do objeto (pinguim) espalha raios de luz em diversas direções, naturalmente, somente aqueles que atingem o orifício conseguem atravessar e chegar à parte inferior do fundo da câmara. De forma similar, o ponto inferior do objeto projeta raios, dos quais somente aqueles que atravessam o orifício conseguem chegar a parte superior do fundo da câmara. Apesar de não ter sido mostrado na animação, esse mesmo processo se repetiria de forma semelhante para os demais pontos que formam o objeto. Dessa maneira, cada ponto do objeto possui o seu correspondente no local de formação da imagem, formando uma imagem invertida devido o sentido de propagação dos raios que atravessam o orifício.

Para construir uma câmera escura você pode seguir os passos mostrado no vídeo a seguir, disponível no canal do Youtube Manual do Mundo:

Vídeo 1: Câmera escura que foca - Youtube.

Fonte: Canal do Youtube “Manual do Mundo¹”.

O mecanismo de formação das imagens nas câmeras fotográficas também se processa de forma semelhante ao apresentado no vídeo. Além disso, a formação de imagens no olho humano também possui suas similaridades com o processo descrito anteriormente. Analise a imagem a seguir, representando a estrutura básica da visão humana.

Figura 9: Estruturas do organismo responsáveis pela visão.

Fonte: Próprio autor.

Percebe-se que além do olho, o processamento da visão também depende das estruturas cerebrais. Veja uma representação desse processo na animação a seguir:

Animação 8: Óptica da visão humana.

Fonte: Próprio autor.

No vídeo, a imagem dentro do olho é formada de forma similar à câmera escura. Nesse caso, a pupila tem correspondência com o orifício. O cristalino por sua vez, não possui correspondência, estando aí uma das principais diferenças entre as estruturas da câmera escura e do olho humano. Esse elemento do nosso olho pode ser entendido como uma lente natural, que possui a capacidade de aumentar ou diminuir o “grau” conforme a necessidade.

Prosseguindo a animação, nota-se que a imagem é formada na região do “fundo” do olho chamada de retina. A partir daí as informações visuais são transmitidas ao cérebro pelo nervo óptico, passando pelo núcleo geniculado lateral até chegar ao córtex visual. Nesse ponto, somos capazes de interpretar o que o olho capta.

Agora que entendemos um pouco mais sobre a formação das imagens na câmera escura e no olho humano, realize as atividades propostas a seguir:

Atividade 3

1) Qual as principais diferenças entre a Óptica Física e a Óptica Geométrica?

2) Na imagem sobre a câmera escura, uma fonte de luz primária (a vela) é projetada no fundo da câmera. Entretanto, o corpo (pinguim) projetado no vídeo não emite luz própria, como você explica a formação da imagem nesse caso?

3) Se na imagem sobre a câmera escura a vela possui 20 cm de altura e está situada a 30 cm do orifício da câmara, qual o tamanho da imagem obtida sabendo-se que o comprimento da caixa é de 25 cm?

4) Explique de que forma a imagem é formada na câmera escura.

5) Pesquise a função de cada parte nomeada na figura sobre o olho humano.

6) Faça um resumo explicativo do processo de visão mostrado no vídeo sobre a visão humana.

7) Pesquise sobre os principais defeitos da visão humana e explique suas causas.

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Referências

1CÂMERA escura. In: Wikipedia: a enciclopédia livre. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A2mera_escura>. Acesso em: 3 dez. 2018.
2 THENÓRIO, Iberê. Câmera escura com lente (EXPERIÊNCIA de FÍSICA). 2012. (4m). Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=yZlt8VgjKdc>. Acesso em: 02 jul. 2019.

Alguns apontamentos históricos sobre o estudo da natureza da luz

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Ao longo do texto abaixo serão mencionados alguns fenômenos físicos relativos ao comportamento da luz. Acesse mais informações e animações clicando sobre as palavras em destaque (ou tocando, se estiver usando um smartfone).

O estudo sobre a natureza da luz é algo consideravelmente antigo, remontando os filósofos gregos dos primeiros séculos antes de cristo. Tais pensadores, a exemplo de Epícuro, acreditavam que assim como todos os outros elementos da natureza, a luz seria formada por pequenos corpos, respaldando o pensamento atomista.

A influência dos filósofos gregos perdurou durante muito tempo, inspirando pensadores de diversos lugares, como Alhazen, filósofo árabe do século X, célebre por seus estudos de óptica geométrica, cuja criação da CÂMARA ESCURA lhe é atribuida¹.

Figura 1: Epícuro e Alhazen.

Fonte: Compilação do próprio autor¹.

Mais tarde, no século XVII, concepções ondulatórias sobre a luz foram claramente defendidas, principalmente por Christiaan Huygens (1626 -1695), físico e matemático holandês, que afirmava que a luz era constituída de pulsos que se propagavam em um meio, o éter. Na mesma época, o eminente físico inglês, Isaac Newton (1643 - 1727), retomava as ideias atomistas, e contrariamente ao modelo de Huygens, defendia em seu livro intitulado Optics (Óptica) a ideia de que a luz seria formada por corpúsculos.

Devido ao prestígio adquirido por Newton pela Lei de Gravitação Universal e pela formulação da mecânica, o modelo corpuscular tornou-se predominante no meio científico do século XVIII².

Figura 2: Huygens e Newton.

Fonte: Compilação do próprio autor¹.

Por outro lado, o padre jesuíta, físico e matemático italiano Francesco Maria Grimaldi (1618 – 1663), havia observado e descrito o fenômeno de curvatura da luz na formação das sombras, processo denominado de DIFRAÇÃO. E no início do século XIX, o físico e médico inglês Thomas Young (1773 – 1829), demonstrou experimentalmente que a luz sofre INTERFERÊNCIA. Esses dois fenômenos são caracteristicamente ondulatórios, também observados em outros tipos de ondas, como as que são formadas na água e as ondas sonoras.

Figura 3: Grimaldi e Young.

Fonte: Compilação do próprio autor¹.

Apesar da demonstração de Young, o modelo ondulatório só foi melhor aceito quando o engenheiro francês de pontes e estradas Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827) apresentou uma explicação detalhada para o fenômeno da difração, combinando a interferência de Young e os conceitos de Huygens.

Mais tarde, o físico e matemático escocês James C. Maxwell (1831 – 1879) coroa esse sistema com sua teoria eletromagnética, prevendo teoricamente que a luz é uma ONDA ELETROMAGNÉTICA.

Figura 4: Fresnel e Maxwell.

Fonte: Compilação do próprio autor¹.

Essas ondas foram constatadas experimentalmente pelo físico alemão Heinrich Hertz (1857 – 1894). Mas além dessa constatação, ele e seu colega de trabalho Philipp Lenard (1862 – 1947) observaram um outro fenômeno que viria a ser conhecido como EFEITO FOTOELÉTRICO.

Figura 5: Hertz e Lenard.

Fonte: Compilação do próprio autor¹.

Nesse fenômeno, a luz incidente sobre uma superfície metálica era capaz de ejetar elétrons dessa superfície. Pelas observações feitas, verificou-se que o modelo ondulatório não oferecia uma explicação satisfatória, causando embaraço no meio científico.

Como solução, em 1905, Albert Einstein propõe uma interpretação que se relacionava a nascente teoria quântica de Plank, onde a radiação eletromagnética (a luz) continha “pacotes” de energia, os quanta. Esses pacotes ficaram conhecidos como fótons, considerados partículas.

Figura 6: Plank e Einstein.

Fonte: Compilação do próprio autor¹.

Essa teoria foi confirmada em 1916, por Robert Millikan (1868 - 1953), físico experimental estadunidense, e em 1922, Einstein recebe o Prêmio Nobel pela explicação do fenômeno. Essas novas descobertas construíram um elo entre a Óptica e a Física Quântica, assim como a teoria Maxwell conectou o Eletromagnetismo à Óptica.

Desde então, o modelo corpuscular voltou a ser apreciado, mas seu sucesso dentro da explicação do efeito fotoelétrico não anulou a compreensão ondulatória que elucida outros fenômenos.

Figura 7: Millikan e Bohr.

Fonte: Compilação do próprio autor¹.

Atualmente, a DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA é aceita no meio científico. Nessa representação, a luz pode se apresentar como onda ou partícula a depender do fenômeno. A esse conceito foi acrescido o princípio de complementaridade de Niels Bohr (1885 – 1962), físico dinamarquês, que ressaltou que essas propriedades são complementares e mutuamente exclusivas, sendo ambas necessárias para a compreensão do todo que é a luz.

Atividade 2

1) Pelo que foi exposto no texto, é possível que durante o processo de desenvolvimento das teorias científicas haja erros, divergências e reformulações dos conceitos? Justifique de acordo com as passagens do texto.

2) Durante os processos de produção de uma teoria, a experimentação possui alguma importância? Justifique com base no texto.

3) O trabalho de cada cientista é dependente ou independente dos outros trabalhos feito por outros estudiosos? Justifique com base no texto.

4) Pelo que você entendeu do texto, e de acordo com sua opinião, a teoria sobre a luz já está finalizada? Ainda descobriremos algo mais sobre ela?

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Referências

1BERNARDO, M. L. História da Luz e das Cores. v. 1. Porto, 2005.

2ASSIS, A. K. Óptica: Isaac Newton. 1. ed. Editora da Universidade de São Paulo, 2002.

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Fontes da imagens:

1 Disponíveis em: <https://razaoinadequada.com/wp-content/uploads/2018/03/epicuro-1.jpg> e <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f4/Hazan.png>. Acesso em: 02 jul. 2019.
2 Disponíveis em: <htt ps://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a4/Christiaan_Huygens-painting.jpeg/800px-Christiaan_Huygens-painting.jpeg> e . Acesso em: 02 jul. 2019.
3 Disponíveis em: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9b/Young_Thomas_black_white.jpg> e . Acesso em: 02 jul. 2019.
4 Disponíveis em: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/02/Augustin_Fresnel.jpg> e . Acesso em: 02 jul. 2019.
5 Disponíveis em: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7c/Lenard.jpg> e . Acesso em: 02 jul. 2019.
6 Disponíveis em: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/af/Einstein1921_by_F_Schmutzer_2.jpg/200px-instein1921_by_F_Schmutzer_2.jpg> e . Acesso em: 02 jul. 2019.
7 Disponíveis em: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6d/Niels_Bohr.jpg/800px-Niels_Bohr.jpg> e . Acesso em: 02 jul. 2019.

Introdução ao estudo da natureza da luz

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A luz é uma das partes componentes da natureza cuja ação nos influencia diretamente de diversas maneiras. Não é a toa, que um dos ramos da Física, a Óptica, se ocupa em estudá-la e compreendê-la em seus diversos aspectos.

Os fenômenos a ela relacionados estão presentes nos instrumentos tecnológicos que estão a nossa volta. Desde os usados para o estudo do microcosmo, a exemplo dos microscópios, até aqueles utilizados no estudo do macrocosmo, como os telescópios. Ademais, podemos identificar facilmente outros fenômenos luminosos em diversos utensílios que empregamos diariamente, tais como os variados tipos de lâmpadas que utilizamos em nossas residências, os óculos, câmeras fotográficas, CDs, DVDs, etc.

Mas sua atuação vai muito além dos meios artificiais que criamos. Em nosso planeta, por exemplo, a luz proveniente do Sol foi e é essencial para evolução e manutenção da vida como a conhecemos. Segundo as teorias da evolução mais aceitas, o oxigênio atmosférico, elemento imprescindível para a maior parte das formas de vida da Terra, teve seus níveis aumentados em razão do surgimento dos primeiros seres fotossintetizantes há cerca de 3,5 bilhões de anos¹. O processo de fotossíntese realizado por eles e posteriormente pelas plantas, faz uso da luz solar como fonte primária de energia, e após algumas atividades químicas intracelulares, esses seres nos disponibilizam o oxigênio que respiramos. A seguir, temos uma animação que exemplifica esse processo:

Animação 1: Fotossíntese.

Fonte: Próprio autor.

Essa animação mostra que durante o processo da fotossíntese a planta necessita de luz solar, água e gás carbônico para que depois dos processos químicos sejam obtidos gás oxigênio e glicose. O processo de fotossíntese é dividido em duas fases, a clara e a escura, no primeiro caso é necessária a presença da luz, no segundo não há essa necessidade. A próxima animação nos mostrará a ação da luz dentro de uma estrutura celular chamada fotossistema durante a fase clara.

Animação 2: Fótons e fotossíntese.

Fonte: Próprio autor.

A animação mostra que as partículas de luz denominadas fótons doam energia às moléculas de clorofila (pigmento verde das plantas), essa energia é transferida gradativamente ao centro de reação (CR). Nesse instante, dois elétrons são liberados e captados pelo receptor primário, iniciando a partir de então uma cadeia de transferência de elétrons durante os demais processos que não foram mostrados na animação. A liberação dos elétrons ocorre devido a quantidade de energia que o CR recebe de diversas clorofilas, excitando os átomos de seus compostos e liberando os elétrons das últimas camadas.

Além desse processo tão importante, a luz está relacionada a outros fenômenos que nos influenciam diretamente. Permanecendo no campo bioquímico e mais diretamente relacionada à saúde humana, sabe-se que a exposição à luz solar pode trazer consequências benéficas ou prejudiciais ao funcionamento de nosso organismo. Expor a pele à luz do Sol de 15 a 20 min diariamente contribui para síntese dos hormônios esteroides lipossolúveis (vitamina D), no entanto, ultrapassar esse limite em horários de alta intensidade de radiação solar (das 10 h às 15:30 h nas regiões tropicais) pode contribuir para o surgimento do câncer de pele². Logo abaixo, temos uma animação que esquematiza o metabolismo desses hormônios essenciais:

Animação 3: Metabolização da vitamina D3.

Fonte: Próprio autor.

Na animação é mostrada a metabolização da vitamina D3. Ela exibe que os fótons dos raios UVB são capazes de quebrar uma ligação na molécula de 7-Deidrocolesterol, devido ao processo de absorção do fóton por esta molécula, transformando-a na pré-vitamina D3. Em seguida, devido a ação do calor que provoca reações químicas, essa pré-vitamina se transforma na vitamina D3, que posteriormente segue para a corrente sanguínea³.

Outro fator de influência da luz sobre nossa saúde está relacionado a exposição direta de nossos olhos às radiações solares. O contato dos olhos com a radiação ultravioleta pode ocasionar lesões na córnea e na retina, além de doenças, como a catarata e o pterígio⁴. Para minimizar o problema, é comum o uso de óculos de sol, em especial aqueles que funcionam com lentes polarizadas. Esse tipo de lente possui maior eficácia na filtragem da luz que atinge o aparelho da visão, pois impede a passagem das radiações ultravioletas A e B (UVA e UVB)⁵. Para entender um pouco mais sobre a polarização da luz nos óculos polarizados observe a animação seguinte:

Animação 4: Óculos polarizado.

Fonte: Próprio autor.

Neste vídeo, é possível observar que os óculos polarizados diminuem o brilho devido ao reflexo da luz solar que atinge os corpos. Na próxima animação veremos como ocorre a polarização das ondas luminosas vindas do Sol, e que são refletidas numa superfície até atingirem nossos olhos.

Animação 5: Polarização da luz 1.

Fonte: Próprio autor.

O vídeo mostra que as ondas luminosas provenientes do sol se propagam em diversas direções. Ao atingirem a superfície, elas passam a ser refletidas com polarização horizontal, por fim, ao atingirem a lente, ocorre uma espécie de bloqueio das ondas, que não são capazes de atingir os olhos.

Isso ocorre porque o processo de polarização é uma espécie de filtragem. Ao passar por um polarizador (como a lente da animação), a onda luminosa que se propagava em diversos planos é "filtrada" e passa a se propagar no plano determinado pelo filtro polarizador. Observe esse processo na animação a seguir:

Animação 6: Polarização da luz 2.

Fonte: Próprio autor.

Na animação, a fonte de luz emana luz não polarizada, com diversas componentes representadas pela diversas cores. Ao passar pelo primeiro filtro, que polariza verticalmente, só é possível verificar a presença da componente vertical daquela luz, representada na cor azul. Quando chega no segundo filtro, que polariza horizontalmente, nenhuma componente consegue atravessar.

Diante da variedade de fenômenos aqui expostos e de tantos outros aos quais não nos referimos, mas que têm em sua base uma relação direta com a luz, poderíamos nos questionar: a luz se comporta igualmente em todos os casos? A explicação relativa a um fenômeno se aplica igualmente aos demais?

Pelas animações e suas explicações, prontamente respondemos negativamente a esses questionamentos. Por um lado, nos fenômenos da fotossíntese e da metabolização da vitamina D se enfatiza a ação dos corpúsculos de luz (fótons), por outro, no processo de polarização, a luz é tratada como uma onda.

Ante essa situação, voltamos a questionar: como a ciência explica esse comportamento? Afinal, a luz é uma onda ou uma partícula?

Na tentativa de esclarecer a natureza da luz, indagações semelhantes a essas têm sido feitas por pensadores e cientistas desde a antiguidade. Nas postagens que se seguem, abordaremos as principais descobertas e tentativas feitas nesse sentido e que se destacaram ao longo da história.

Atividade 1

1) Diante das informações expostas no texto e nas animações, qual a importância do reino vegetal para o equilíbrio ecológico do nosso planeta?

2) De que forma a luz pode contribuir positivamente para nossa saúde? E negativamente?

3) Descreva a atuação da luz nos seguintes fenômenos:

a) Fotossíntese;

b) Metabolização da vitamina D₃;

c) Polarização.

4) Qual a função dos óculos polarizados? Como funciona a polarização da luz nas lentes polarizadas?

5) Na segunda animação sobre a fotossíntese um fóton é refletido enquanto outros dois são absorvidos. Explique o porquê.

6) Pesquise: O que são raios UVA e UVB?

7) O que você entendeu sobre a natureza da luz a partir desta postagem?

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Referências

1 NOGUEIRA. S. A grande oxigenação. Revista Pesquisa Fapesp, 2011. Disponível em: <http://revistapesquisa.fapesp.br/2011/12/26/a-grande-oxigenacao/>. Acesso em: 15 nov. 2018.

2 STUPPIELLO, B. Especialistas esclarecem 12 dúvidas sobre a vitamina D. Minha Vida: saúde, alimentação e bem-estar, 2016. Disponível em: <https://www.minhavida.com.br/alimentacao/galerias/17222-especialistas-esclarecem-12-duvidas-sobre-a-vitamina-d>. Acesso em: 15 nov. 2018.

3 CASTRO, Luiz Claudio Gonçalves de. O sistema endocrinológico vitamina D. Arq Bras Endocrinol Metab [online]. 2011, vol.55, n.8 [cited 2019-07-06], pp.566-575. Disponível em: . Acesso em: 06 jul. 2019.
4 BONFADINI, G. Por que os olhos pedem cuidados (e óculos de sol) no verão. Saúde, 2018. Disponível em: <https://saude.abril.com.br/blog/com-a-palavra/por-que-os-olhos-pedem-cuidados-no-verao/>. Acesso em: 15 nov. 2018.

5 LENTES POLARIZADAS. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Lentes_polarizadas>. Acesso em: 15 nov. 2018.