¿Qué hace que los insectos proyecten grandes sombras desde donde están sus pies?

Recientemente me topé con esta interesante imagen de una avispa, flotando en el agua:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Asumiendo que esto no está retocado, tengo un par de preguntas:

  1. ¿Por qué ves su imagen así (cuál es la explicación física; seguro que hay una interesante)?

  2. ¿Por qué las manchas que rodean las patas de la avispa tienen forma de círculo? ¿Tendrían forma cuadrada si los 'pies' de la avispa tuvieran forma cuadrada?

No sabía exactamente qué etiquetas serían adecuadas aquí, quería darle la etiqueta 'fenómenos', pero esa se eliminó recientemente, así que siéntete libre de editar las etiquetas.
Definitivamente no está photoshopeado. O si lo es, se pueden tomar fotografías reales como esta. Uno ve esto a menudo en verano bajo la fuerte luz del sol cuando se sienta junto a aguas claras y poco profundas en las orillas de arroyos con ríos muy limpios y arena en sus fondos. Pero, sin embargo, la imagen más maravillosamente hermosa.

Respuestas (3)

  1. El mecanismo en juego aquí es la tensión superficial . La cohesión de las moléculas de agua es lo que mantiene a flote a la avispa. Debido a esta cohesión, la superficie del agua se comporta como una membrana y se curva hacia el interior. Los rayos de luz que se refractarían desde la superficie perfectamente plana ahora inciden en un ángulo alterado y se reflejan o refractan en ángulos alterados alrededor de la punta de las patas de la avispa, de ahí la sombra.

  2. La curvatura de la superficie traza la forma del objeto que toca la superficie. Sin embargo, como puede ver, el área de la sombra es mucho más grande que las puntas de las patas de la avispa. Por lo tanto, la forma de la sombra siempre será redondeada. También se pueden calcular los radios de la curvatura , 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 deben al agua curva que enfoca la luz.
Véase también, Cáusticos .

¡Esa es una imagen realmente asombrosa! No soy un experto, pero tengo una idea.

Cuando la avispa se para en el agua, se curva ligeramente hacia abajo. La luz que incide en estas partes se desviará más hacia el exterior que si solo incidiera en agua normal. Esto sucede en todos los lados del círculo, por lo que la luz siempre se dobla y no llega al fondo en esos puntos.

Por lo tanto, obtienes este efecto.

Además, para responder a su segunda pregunta, los pies son tan pequeños en comparación con la sombra que no juegan un papel importante en la forma.

Este es un gran ejemplo de lo bueno que puede ser razonar sobre cosas de refracción usando el principio de Fermat.

Reduzcamos todo esto a 2 dimensiones. La tensión superficial produce algo como esto:2Dschem-simple

Ahora bien, si queremos saber a dónde debe ir un "rayo" de luz para llegar desde alguna fuente de luz, solo necesitamos encontrar la forma 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, solo si no es mucho más. Tan lejos del insecto, un rayo de luz entraría en el agua en línea recta y perpendicular, ya que eso minimiza tanto la distancia total como la trayectoria en el agua.2Dschem-straightray

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 desde debajo del pie, el camino más rápido seguirá siendo 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 solo un poco más corta.2Dscheme-forbiddencurveray

por lo que todos estos rayos son "invisibles". Si eso funciona de esta manera depende de qué tan lejos estemos de la derecha debajo del pie, de modo que crea una sombra circular, incluso cuando el pie en sí tiene otra forma.

† En realidad, supongo que es un poco translúcido, pero sabemos que el pie pequeño solo será golpeado por una pequeña cantidad de luz. Entonces, si ese poco de luz tiene que extenderse sobre una gran cantidad de terreno, no habrá mucha intensidad allí abajo.

En mi opinión, lo que sucede en el punto en que el pie del insecto toca el agua no es muy interesante ni esclarecedor. ¿Por qué se doblaría a la izquierda y no a la derecha? Sería más claro dibujar lo que sucede con la luz refractada a medida que se acerca más y más al pie. Debido a la curva en el agua, la luz se refracta cada vez más lejos de la línea recta, no es el pie el que proyecta sombra, es el agua la que refracta la luz desde el punto donde los pies tocan el agua. Si el pie es translúcido o no, es irrelevante. Un efecto similar llamado cáustico ocurre sin ningún pie.
No estoy de acuerdo: "a medida que se acerca al pie" llevaría a jugar con la ley de Snell, que es físicamente mucho menos esclarecedor que el principio de Fermat. — Cierto — como dije, el pie en sí no importa. Lo que importa es que hay una "pica" donde 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 este es solo un ejemplo de rayo, como el recto.
Sí, pero la pica en sí solo juega un papel pequeño en todo el proceso, ya que la mayor parte de la refracción la realiza el resto de las curvas.
La refracción es simplemente una forma especial de ver la propagación de fotones que solo funciona para superficies lisas (diferenciables). Para describir algo como este fenómeno, primero tienes que hacer una discusión de límite desagradable (por supuesto, la mayoría de los físicos no darían ese paso explícitamente). Por otro lado, el principio de Fermat funciona directamente (ya que corresponde a la propagación de los fotones más fundamental en el camino de Feynman) y, por lo tanto, puede usarse para describir la sombra circular de inmediato.
Pero incluso si suavizas un poco la pica, la sombra seguirá siendo muy visible. El lucio no es una causa necesaria ni principal de la gran sombra. Esta respuesta, aunque buena, en mi opinión se centra demasiado en la discontinuidad, que creo que contribuye muy poco a la sombra que el resto de la curva.
Sin embargo, con una pica suavizada, ya no sería realmente una sombra, solo un área menos iluminada y posiblemente borrosa. Sólo para el límite de r pags i k mi ≪ r d i pags ¿obtienes las sombras circulares nítidas reales de las que trata esta pregunta?
¿Qué hace que los insectos proyecten grandes sombras desde donde están sus pies?
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