La luce viaggia in linea retta: le ombre

Durante un'eclissi solare totale, il centro scuro dell'ombra della Luna copre spesso una fascia larga meno di 50 miglia, mentre l'ombra parziale si estende per mille miglia o più.

I raggi: un modello semplice della luce

La luce del Sole che passa da una fessura tra le tende forma un fascio dai bordi diritti, e il fascio di una torcia nella nebbia è un cono rettilineo. In un materiale omogeneo la luce viaggia in linea retta. L'ottica sfrutta questa proprietà per rappresentare la luce con raggi: linee rette con frecce che ne indicano il verso di propagazione. OpenStax chiama questa parte della disciplina ottica geometrica. Il modello a raggi funziona bene finché gli oggetti incontrati dalla luce sono molto più grandi della sua lunghezza d'onda, che per la luce visibile è inferiore a un micrometro. Specchi, lenti, macchine fotografiche e ombre rientrano tutti in questo caso.

Vediamo una lampada perché i suoi raggi entrano nei nostri occhi. Vediamo un libro perché i raggi della lampada colpiscono il libro e vengono riflessi in tutte le direzioni; alcuni ci raggiungono. Gli occhi e il cervello presumono allora che la luce sia arrivata in linea retta e collocano l'oggetto lungo quella direzione. Quasi sempre questa ipotesi è corretta. Quando non lo è, per esempio quando la luce viene deviata sulla superficie dell'acqua, vediamo gli oggetti dove non si trovano davvero: ne parleremo in una lezione successiva.

Fori piccoli e immagini capovolte

Una scatola con un forellino su un lato e uno schermo sul lato opposto produce un'immagine senza alcuna lente. Un raggio dalla cima di un albero può raggiungere lo schermo solo passando dal foro, quindi arriva vicino alla parte bassa dello schermo; un raggio dalla base arriva vicino alla parte alta. L'immagine è capovolta. Le sue dimensioni si ricavano dai triangoli simili: altezza dell'immagine ÷ altezza dell'oggetto = profondità della scatola ÷ distanza dell'oggetto. Un albero alto 10 m, distante 20 m, osservato con una scatola profonda 10 cm produce un'immagine alta 10 × 0.1 ÷ 20 = 0.05 m, cioè 5 cm. Come racconta OpenStax, ambienti oscurati con un piccolo foro, detti camere oscure, furono usati da scienziati come Kamal al-Din al-Farisi nei suoi studi sulla luce all'inizio degli anni 1300.

Ombre nette e ombre sfumate

Un'ombra è la regione dietro un oggetto opaco che la luce non può raggiungere in linea retta. Con una sorgente luminosa molto piccola, detta puntiforme, ogni punto è completamente illuminato oppure completamente buio, e l'ombra ha un contorno netto. Anche le sue dimensioni si ricavano dai triangoli simili. Una pallina di 4 cm, a 20 cm da una lampada puntiforme, proietta su uno schermo distante 50 cm dalla lampada un'ombra larga 4 × 50 ÷ 20 = 10 cm. Avvicina la pallina alla lampada e l'ombra si ingrandisce; avvicinala allo schermo e l'ombra si rimpicciolisce, avvicinandosi alle dimensioni della pallina.

Le sorgenti reali, perlopiù, non sono puntiformi. Con una lampada di una certa estensione, alcuni punti dello schermo sono nascosti all'intera lampada e altri solo a una sua parte. Il centro completamente buio è l'ombra, circondata da una fascia più chiara, la penombra, da cui si vede ancora parte della lampada. Le rette che dai bordi della lampada passano per i bordi dell'oggetto delimitano le due regioni. Più la lampada è grande e lo schermo lontano, più la penombra si allarga e l'ombra si riduce; se la lampada è abbastanza grande, l'ombra scompare del tutto e resta soltanto una zona sfumata.

Eclissi: ombre nello spazio

Il Sole è una sorgente estesa, quindi la Luna e la Terra proiettano ombre con una zona d'ombra e una di penombra. La NASA spiega che durante un'eclissi solare gli osservatori nella piccola zona d'ombra vedono il Sole completamente coperto, cioè un'eclissi totale, mentre quelli nella penombra, molto più estesa, lo vedono coperto solo in parte. Allontanandosi dalla Luna, il cono d'ombra si restringe: quando raggiunge la Terra copre quindi un'area piccola. La NASA indica una fascia tipica larga meno di 50 miglia, contro una penombra larga mille miglia o più. In un'eclissi lunare, invece, la Luna entra nell'ombra della Terra. Una parte della luce solare, deviata dall'atmosfera terrestre, la raggiunge ancora, soprattutto nella componente rossa, dando alla Luna eclissata il suo colore rossastro.