A Luz

Espectro de luz e suas frequências

Com a evolução da Física ao longo dos anos, os cientistas perceberam que a luz possui um comportamento similar ao das ondas, a luz é uma oscilação de natureza eletromagnética e se propaga no vácuo com uma dada velocidade que no vácuo é igual a 300.000 Km/s. Podemos associá-la como exemplo, ao som^[1], sem caracterizar muitos detalhes o som é uma vibração mecânica do ar, onde frequências diferentes caracterizariam sons graves e agudos. Assim como o som, as frequências determinam as cores  para a luz, para uma determinada faixa de frequências podemos observar as cores, e essa faixa de cores é chamada de espectro de luz.

Figura 3 – Ilustra a faixa dentro do espectro eletromagnético visível, ou seja, o Espectro Visível, escala em comprimento de onda (nm).

Os limites do espectro visível  variam de pessoa para pessoa mas via de regra os olhos dos seres humanos tem uma faixa definida, se limitando entre 350nm a 700nm dos comprimentos de ondas para a luz visível.

Podemos dizer então que para cada cor temos uma determinada frequência e comprimento de onda que a distingue das demais, temos por exemplo: a luz vermelha que é uma luz de menor frequência e consequentemente menor energia, já o violeta é uma luz de maior frequência e nos submete a maior energia.

Existe a relação entre comprimento de onda (λ) e frequência (f), cuja relação é inversamente proporcional, onde o comprimento da onda é dado pela divisão da velocidade da onda (no caso a velocidade da luz (c = 3×108m/s), pela frequência da onda.

λ = c/f

Abaixo segue uma tabela que ilustra bem cada faixa de frequência e comprimento de onda para as faixas de luz visíveis

Comprimento de onda de luz visível
Cor	Comprimento de Onda (nm)	Frequência (THz)
Vermelho	625 a 740	480 a 405
Laranja	590 a 625	510 a 480
Amarelo	565 a 590	530 a 510
Verde	500 a 565	600 a 530
Ciano	485 a 500	620 a 600
Azul	440 a 485	680 a 620
Violeta	380 a 440	790 a 680

            Os estudos da energia da luz podem ser observados em diversos trabalhos da física, desde Newton com os estudos da separação da luz branca utilizando um prisma, as mais sofisticadas técnicas de análises espectrográficas.

            Um exemplo muito próximo de nós que mostra a energia transportada por um feixe de luz, é o efeito fotoelétrico, que está presente nos shoppings ou estabelecimentos, onde a porta abre sozinha quando nos aproximamos.

            Um dos precursores nesse estudo foi Heinrich Hertz em meados 1884, e outro trabalho muito famoso que explicou satisfatoriamente o efeito publicado em 1905, intitulado “Um ponto de vista heurístico sobre a produção e transformação da luz”, onde ninguém mais que Einstein propôs uma explicação do efeito fotoelétrico e ganhou o prêmio Nobel por isso.

            A relação energia (E) e frequência (f), proposta por Einstein, é proporcional e está relacionada por uma constante, a constante de Planck (h), dada pela equação abaixo:

E = hf

            Ao observarmos o espectro de radiação por completo as ondas eletromagnéticas tem uma atuação muito presente em nossas vidas, muito mais do que se imagina, a figura abaixo trás as frequências para as ondas e algumas aplicações.

Figura 4 - Espectro Eletromagnético

O olho humano

Figura  5 - Esquema de um olho humano

O olho humano é uma estrutura esférica de 20 a 25 mm de diâmetro. A cobertura externa, conhecida como “branco do olho”, é uma mebrana elástica resistente chamada de esclerótica.

No frontal do olho, a esclerótica arqueia para frente, formando a córnea. A córnea é o primeiro elemento opticamente ativo do olho. A córnea permite a recepção de luz do ambiente agindo como uma lente simples que começa captando e concentrando luz.

Atrás da córnea econtra-se uma pequena câmara preenchida com um fluido, chamado humor vítreo ou humor aquoso, similar ao fluido cerebral que banha as cavidades do cérebro. Evidências embriológicas mostram que os componenetes nervosos do olho na verdade se desenvolveram a partir da mesma estrutura que forma o cérebro.

O anel colorido que se observa nos olhos, com um oríficio negro no centro, é uma membrana chamada de íris, e a luz passa através desse oríficio negro, a pupila. A pupila, além de variar com a intensidade da luz, também depende de variáveis emocionais, como, por exemplo, quando o ser humano humano encontra-se em situação de perigo. Nesse caso, uma das reações possíveis consiste na dilatação da pupila, como um mecanismo de defesa, procurando deixá-lo mais atento ao que está vivenciando. A dilatação da pupila é possível graças aos músculos ciliares.

No processo de percepção da imagem, é importante mencionar que o olho humano possui uma região conhecida como ponto cego, uma região do globo ocular que não tem células nervosas; portanto, quando uma imagem é projetada sobre essa região não é vista pela pessoa. Importante ainda é que os músculos responsáveis pelo controle do globo ocular rotacionam em todas as direções, a fim de que a imagem seja projetada sobre essas células sensíveis a luz da retina.

O cristalino está localizado imeditamente atrás da pupila e é responsável por focalizar objetos, curvando-se através dos músculos ciliares para focalizar objetos pertos e ficando retílineo para focalizar objetos distantes.

A segunda e maior câmara do olho está localizada atrás do cristalino, e é preenchida com substância gelatinosa chamada de humor vítreo. Essa substância é geralmente clara, apesar de alguns fragmentos serem encontrados fluando nela.

Figura 6 -Esquema da retina humana onde pode ser observados cones e bastonetes.

A imagem real formada pelo sistema óptico é focalizada numa rede elementos neurais que envolvem a surperfície da parte de trás da maior câmara do olho, chamada retina. A retina consiste em três camadas neurais, e a última a receber a luz é a de fotorreceptores. As células finas, longas e cilindricas são chamadas de bastonetes, e as mais curtas são chamadas de cones. A ponta dessas células libera pigmentos com a absorção da luz e inicia o processo visual.

 A visão

Ao pensar sobre a visão humana geralmente é comum associarmos a capacidade de enxergar aos olhos, contudo a visão é um mecanismo complexo do corpo que captura relações espaciais e temporais de objetos que se encontram no espaço visual formada pelo conjunto de olhos, nervos ópticos e cérebro.

O processo de visão inicia-se na córnea, onde ocorre a entrada do estímulo luminoso. A retina converte esse estímulo em sinais elétricos que são transmitidos para o cérebro através do nervo óptico, que contém aproximadamente um milhão de fibras nervosas. A chave para a percepção visual se encontra na retina, que ocupa uma área de aproximadamente 1.000 mm² e é composta por cerca de 100 milhões de sensores. Cada sensor converte somente uma parte do estímulo luminoso da imagem para o sinal elétrico que será processado pelo cérebro. Para se ter uma ideia comparativa. As câmeras digitais atuais possuem cerca de 16 milhões de sensores.

Então, a visão ao contrário do que se possa pensar, não se processa diretamente. Na realidade os objetos que os seres humanos enxergam são interpretados e reconhecíveis porque o homem aprendeu a reconhecê-los assim. O sistema visual não é simplesmente uma câmera, um receptor e registrador de informações. O olho e o cérebro, juntos, constituem um sistema de informações que analisa e processa a grande quantidade de dados que vêm do mundo exterior. O olho é receptor seletivo da energia radiante, e o cérebro desempenha um papel importante de integração. O cérebro dedica milhões de seus neurônios e trilhões de suas sinapses à visão.

A visão é a resposta ao estímulo luminoso que atravessa as camadas transparentes da retina e, no nível dos cones e bastonetes, desencadeia reações fotoquímicas que são transformadas em impulsos nervosos, transmitidos pelas fibras ópticas aos centros cerebrais superiores. O sistema óptico é formado por um esquema fisiológico complexo que permite interpretar não somente a sensação de cor, mas também a profundidade, a textura, o movimento etc.

O cérebro humano possui duas partes ligadas de tal forma que o hemisfério esquerdo constrói o campo visual do direito e vice-versa. Um engano comum é pensar que o olho direito está conectado ao hemisfério esquerdo e vice-versa. Na verdade, os dois estão conectados a ambos os hemisférios. Mas devido ao fato da óptica do olho reverter em esquerdo e direito, assim como em ponto superior e inferior, a metade direita de cada olho vê a metade esquerda do campo visual, e a metade esquerda de cada olho vê a metade direita do campo visual.

A percepção das cores

A imagem é formada a partir da quantidade de luz refletida ou emitida pelo objeto observado. A cor pode ser descrita de três formas: a cor física, a cor do objeto e a cor percebida. A análise da cor física considera a descrição da cor em termos de energia radiante da fonte emissora de luz. A cor do objeto é aquela refletida por um objeto quando este é iluminado por uma fonte de luz (e é essa cor que atinge o sistema visual do observador). A cor percebida pode ser entendida como sendo a percepção imediata que se tem do objeto. Assim, a cor pode ser considerada a propriedade de um objeto ou fonte de luz relacionada não apenas às propriedades físicas do objeto ou fonte de luz, mas também às características do sistema visual do observador.

Figura 7-Esquema da do olho onde pode ser observada localização da fóvea

O olho humano é capaz de perceber cores graças às células localizadas numa pequena região da retina que pode ser localizada pelo eixo óptico, que é um eixo imaginário que passa pelo centro da pupila. É no eixo óptico que se encontra uma pequena depressão circular de aproximadamente 0,5 mm de diâmetro, chamada de fóvea, local onde a imagem de um objeto observado frontalmente irá se formar. Nessa região encontram-se apenas células cones, que são os elementos ativos na visão colorida. Os cones são bem menos sensíveis a luz do que os bastonetes e só permitem a visão para grandes luminosidades (condição para o olho normal adaptado a uma luminância superior a 3 cd/m³). Como sua densidade é maior no centro da retina, essa é a região principal para melhor se ter visão das cores, ou fotóptica, ali se produz uma imagem colorida muito nítida. Estas células são estimuladas de acordo com o comprimento de onda das cores, isto é, cada comprimento de onda, vermelho, verde e azul, estimula um tipo de cone diferente. A imagem formada pelo olho no cérebro será o conjunto de inúmeros pontos cujo cada um será formando pelo conjunto de três tipos de cones diferentes, um para cada radiação RGB.

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^[1] Convém esclarecer que o som é uma vibração mecânica e portanto diferentemente da luz necessita de um meio para se propagar. De outro lado uma onda sonora se propaga  longitudinalmente , enquanto que para a luz a sua propagação é transversal.