¿Por qué podemos ver burbujas de aire bajo el agua?

Question

El título se explica por sí mismo.

Supongo que tanto el agua como el aire son transparentes.

Entonces, si son ciertas, ¿cómo puedo distinguir claramente una burbuja de aire bajo el agua?

Answer 1

Tanto el aire como el agua son transparentes con bastante aproximación. Sin embargo, la luz viaja más lentamente en el agua: la velocidad de la luz en el aire es aproximadamente un 33% más rápida que en el agua. Por ello, cuando la luz pasa de un medio a otro, se refleja y refracta (se dobla) en parte. Para la parte refractada, la regla general para determinar el ángulo de curvatura se llama Ley de Snell que se puede expresar así: $$ \frac{\sin\theta_\text{w}}{\sin\theta_\text{a}}=\frac{v_\text{w}}{v_\text{a}} \approx \frac{1}{1.33} \tag{1} $$ donde $v_\text{w}$ y $v_\text{a}$ son la velocidad de la luz en el agua y el aire, respectivamente, y donde $\theta_\text{w}$ y $\theta_\text{a}$ son los ángulos del rayo luminoso respecto a una línea perpendicular a la superficie, en el lado del agua y en el lado del aire, respectivamente.

Si el ángulo en el lado del agua es $\theta_\text{w} \gtrsim 49^\circ$ entonces la ecuación (1) no tiene solución: hay no ángulo del lado del aire $\theta_\text{a}$ que satisface la ecuación. En este caso, como niels nielsen indicó La luz que se propaga dentro del agua se refleja completamente en la interfaz agua-aire. Así, el borde de la burbuja actúa como un espejo: si se hace un trazado de rayos inverso desde el ojo hasta cerca del borde de una burbuja de aire en el agua, el ángulo entre el rayo y la línea perpendicular a la superficie de la burbuja será mayor que $49^\circ$ (esto define lo que significa "cerca del borde"), por lo que esa parte de la burbuja actúa como un espejo para la luz que viene de esos ángulos, como se ilustra aquí:

Answer 2

Se puede ver la luz reflejada en la superficie de una burbuja sumergida porque el índice de refracción del aire dentro de la burbuja es diferente al del agua que la rodea.

Esa diferencia, si es lo suficientemente grande, convertirá la superficie de una burbuja en un espejo para los rayos de luz que se acerquen a ella desde ciertas direcciones, facilitando así su visión.

Esta condición se cumple fácilmente para la combinación de aire y agua.

Una búsqueda en Google sobre "refracción" y "reflexión interna total" proporcionará más ejemplos de esto, y explicará las matemáticas que hay detrás.

Answer 3

El interior de la burbuja no es oscuro porque sólo la luz que realiza una intersección más oblicua que la de 49 grados se refleja completamente. La luz que incide cerca del centro de la burbuja con respecto a la dirección en la que se desplaza se transmitirá mayoritariamente hacia el interior de la burbuja, iluminando el interior.

Answer 4

Por la misma razón por la que se puede ver la lluvia. Las ondas de luz chocan con ella y la dirección de propagación (viaje) de la onda cambia porque pasa de un medio a otro. Su movimiento hace que la refracción se produzca de forma diferente haciendo que sea diferente de su entorno y visible para ti.