El arco iris es un 'conjunto ordenado' de arcos monocromáticos dispuestos de manera circular, que comparten el mismo centro. Aparece en el cielo cuando llueve. Cuando estamos viendo un arco iris siempre tenemos el Sol a nuestra espalda. La lluvia está formando una cortina delante de nosotros a modo de pantalla, y sobre ella podemos verlo. Para que exista un arco iris es imprescindible que haya gotas de agua suspendidas en la atmósfera. El centro común a todos los arcos mono-color estará frente a nosotros, por debajo de nuestra línea de suelo.
Para observar un arco iris que describa una circunferencia completa (360º), será necesario que nosotros estemos elevados suficientemente del suelo, como para poder observar la parte inferior.
Para que podamos ver ‘los colores del arco iris’ es necesario que la luz incida (1) y recorra un cierto tiempo la gota de agua. Una vez que la luz está dentro de la gota de agua (aire-agua = refracción) vuelve a encontrarse con un cambio de medio (2), en este caso agua-aire, por lo que parte de la luz pasará de largo y volverá al aire y parte de ella volverá hacia atrás (agua-agua, reflexión) a través de la gota (3). Una vez hecho esto se volverá a encontrar la frontera agua-aire y por tanto parte de la luz que aún queda saldrá y podrá llegar hasta nosotros, será el arco iris primario. Después de dos reflexiones, (2) y (3), se produce la refracción(4) que origina el arco secundario.
La gota descompone el rayo de luz que proviene del Sol, en todos sus colores, al mismo tiempo que lo desvía. La gota actúa como lo haría un prisma: la primera refracción separa los colores que contiene el rayo de luz y la segunda refracción incrementa aún más esta separación. Cuando esta reflexión / refracción se produce en millones de gotas suspendidas en el aire se forma un arco de colores en el cielo (varios arcos monocromáticos concéntricos).
Cada gota solo nos transmitirá la frecuencia de un solo color.
El grupo de gotas que se ve del mismo color se situará sobre una misma circunferencia. Pero el número de reflexiones internas (4), agua-agua, puede ser mayor de dos (dependiendo de por donde haya entrado el rayo de luz en la gota) y esto dará lugar a la aparición de dos arco iris: el arco iris primario (de colores más vivos e interior) y el arco iris secundario (de colores más débiles y exterior).
Nuestros ojos interceptan los colores separados que parten de las gotas de lluvia, los rayos rojos forman con los rayos de luz blanca incidentes ángulos ligeramente superiores [42º ] que los que forman los rayos azules [40º].
Lo que vemos en el arco iris es un arco de colores con el rojo situado en la parte exterior, y los demás colores: naranja, amarillo, verde y finalmente el azul que está en la parte interior del arco. La razón por la que el arco iris dibuja en el cielo un arco de círculo es que el ángulo entre la luz solar incidente y la luz refractada de cualquier color es necesariamente el mismo para cada gota, siendo en el arco iris primario mayor para la luz roja [42º], por eso se abre más, y menor para la luz violeta [40º ]. Para que estos ángulos se mantengan visibles a nuestros ojos las gotas que los envían deben estar describiendo una circunferencia, conservando la medida de dicho ángulo respecto del eje imaginario de un cono con base el círculo descrito, y cuyo vértice somos nosotros mismos.
Si el rayo de luz que incide sobre la gota de agua realiza dos refracciones y tres reflexiones internas, el resultado es la formación de un arco iris secundario de colores invertidos, más débil y que queda por encima del arco iris 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 arco iris secundario: 50 º para la luz roja y 54º para la violeta. El orden de los colores en el arco iris secundario está invertido debido a la doble reflexión interna. La zona situada entre los dos arco iris es menos luminosa que el resto del cielo. El primero que observó este hecho fue Alejandro de Afrodisia y en su honor se llama zona oscura de Alejandro.
Muchas de las características del arco iris fueron explicadas por Aristóteles. Y hace más de tres siglos que Isaac Newton logró demostrar la descomposición de la luz blanca. La 'Teoría Elemental del arco iris' es anterior a Newton. Desarrollada primero por Antonius de Demini en 1611, fue retomada por Descartes. Posteriormente, la 'Teoría Completa del arco iris' fue propuesta en forma inicial por Thomas Young y, más tarde, elaborada en detalle por Richard Potter y George Biddell Airy.
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e-book The Rise of the Wave Theory of Light, Jed Z. Buchwald
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