Hace poco me topé con esta interesante imagen de una avispa flotando en el agua:
Asumiendo que esto no es photoshop, tengo un par de preguntas:
¿Por qué ve su imagen así (cuál es la explicación física; seguro que hay una interesante)?
¿Por qué las manchas que rodean las patas de la avispa tienen forma de círculo? ¿Tendrían forma cuadrada si las "patas" de la avispa tuvieran forma cuadrada?
El mecanismo en juego es tensión superficial . La cohesión de las moléculas de agua es lo que mantiene a la avispa a flote. Debido a esta cohesión, la superficie del agua se comporta como una membrana y se curva hacia dentro. Los rayos de luz que se refractarían en la superficie perfectamente plana inciden ahora con un ángulo alterado y se reflejan o refractan con ángulos alterados alrededor de la punta de las patas de la avispa, de ahí la sombra.
La curvatura de la superficie traza la forma del objeto que toca la superficie. Sin embargo, como puedes ver, el área de la sombra es mucho mayor que las puntas de las patas de la avispa. Por tanto, la forma de la sombra será siempre redondeada. Los radios de la curvatura también pueden ser calculado dada la diferencia de presión entre el aire y el agua.
+1 También pensaría que los márgenes brillantes alrededor de las sombras de los "pies" se deberían al agua curvada que enfoca la luz.
¡Es una foto realmente sorprendente! No soy en absoluto un experto, pero tengo una idea.
Cuando la avispa está sobre el agua, se curva ligeramente hacia abajo. La luz que incide en estas partes se curvará entonces más hacia fuera que si sólo incidiera en el agua normal. Esto ocurre en todos los lados del círculo, por lo que la luz siempre se desvía hacia fuera y no llega al fondo en esos puntos.
Por lo tanto, se obtiene este efecto.
Además, para responder a tu segunda pregunta, los pies son tan pequeños en comparación con la sombra que no juegan un gran papel en la forma.
Este es un gran ejemplo de lo bonito que puede ser razonar sobre cosas de refracción utilizando el principio de Fermat.
Reduzcamos todo esto a 2 dimensiones. La tensión superficial produce algo así: 
Ahora bien, si queremos saber dónde tiene que ir un "rayo" de luz para llegar desde alguna fuente de luz, sólo tenemos que encontrar el camino que le lleve el menor tiempo. La luz es más lenta en el agua, por lo que quiere llegar lo más lejos posible en el aire, por supuesto, sólo si no tarda demasiado en llegar. Por lo tanto, un rayo de luz entraría en el agua en perpendicular, ya que eso minimiza tanto la longitud total del camino como la trayectoria en el agua. 
Sin embargo, justo debajo del pie del insecto, eso no funcionará - el pie en sí no es translúcido † - y, lo que es más importante, un poco a la izquierda o a la derecha de justo debajo del pie el camino más rápido todavía ser justo a través del pie, ya que cualquier otro camino requerirá que la luz viaje sustancialmente más a través del agua, mientras que la longitud total del camino es sólo un poco más corta. 
por lo que todos estos rayos son "invisibles". Que esto funcione así depende de la distancia a la que nos encontremos del pie derecho, por lo que se produce una sombra circular, incluso cuando el propio pie tiene otra forma.
† En realidad, es <em>es </em>algo translúcido, supongo, pero sabemos que el pie pequeño sólo recibirá una pequeña cantidad de luz. Así que si ese poco de luz tiene que repartirse por todo el terreno, no habrá mucha intensidad ahí abajo.
En mi opinión, lo que ocurre en el momento en que el pie del insecto toca el agua no es muy interesante ni esclarecedor. ¿Por qué se dobla a la izquierda y no a la derecha? Sería más claro dibujar lo que ocurre con la luz refractada a medida que se acerca más y más al pie. Debido a la curva del agua, la luz se refracta cada vez más lejos de la línea recta, no es el pie el que proyecta la sombra, es el agua la que refracta la luz lejos del punto en el que el pie toca el agua. Que el pie sea translúcido o no es irrelevante. Un efecto similar, llamado cáustico, se produce sin ningún pie.
No estoy de acuerdo: "a medida que se acerca al pie" llevaría a enredar con la ley de Snell, que es físicamente mucho menos esclarecedora que el principio de Fermat. - Como ya he dicho, el pie en sí no importa. Lo que importa es que hay una "pica" en la que un montón de rayos de luz tienen su camino más rápido (y por lo tanto ninguno de ellos recibe mucha energía). En cuanto a "por qué se doblaría a la izquierda", creo que está claro que es sólo un rayo de ejemplo, como el recto.
Sí, pero la pica en sí sólo desempeña una pequeña parte en todo el proceso, ya que la mayor parte de la refracción la realiza el resto de las curvas.
I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.
0 votos
No sabía exactamente qué etiquetas serían adecuadas aquí, quería darle la etiqueta "fenómenos", pero esa ha sido eliminada recientemente, así que siéntanse libres de editar las etiquetas.
2 votos
Definitivamente, no es photoshop. O si lo es, se pueden hacer fotos reales como ésta. Uno ve esto a menudo en verano, con luz solar fuerte, cuando se sienta junto a aguas poco profundas y claras en los bordes de los arroyos con arena de río muy limpia en sus fondos. Pero, sin embargo, es una imagen maravillosamente bella.