La luce è la porzione di radiazioni (onde elettromagnetiche) che l’occhio può percepire. A lunghezze d’onda più corte, lo spettro elettromagnetico si estende nella regione di radiazione ultravioletta e continua attraverso i raggi X e i raggi gamma.
La Percezione dei Colori
La visione cromatica è affidata all’assorbimento della luce da parte dei tre tipi di organi sensoriali presenti nella retina dell’occhio, chiamati coni: coni L attivi soprattutto per il Rosso (Red, R), coni M del Verde (Green, G) e quelli S del Blu (Blue, B). Infatti una luce percepita come avente un certo colore può effettivamente corrispondere a una luce monocromatica emessa a quella lunghezza d’onda (e.g. radiazione gialla a 575 nm) o a una sovrapposizione con opportune intensità di emissioni a diverse lunghezze d’onda (e.g. E’ la logica con cui sono vengono elaborati schermi e proiettori.
Miscelazione Additiva e Sottrattiva
La rappresentazione dei colori può essere realizzata tramite la modulazione di tre colori primari, ed ogni colore può essere riprodotto mediante la miscelazione di una certa quantità di ciascun dei primari scelti. Questa operazione di riproduzione di un colore di riferimento prende il nome di “color matching”. Oggi per facilitare le attività di color matching, ed aumentare la gamma dei colori riproducibili, si utilizzano più colori primari rispetto ai tre minimi richiesti.
La logica “sottrattiva” è utilizzata dai pittori, nella stampa e nel mondo delle vernici, in questo caso di primari sono CMY. Ad esempio: un pigmento giallo assorbe soprattutto blu (B) lasciando rosso-verde (RG), mentre il magenta assorbe (G) lasciando (RB).
Il Bianco e il Nero: Colori o Assenza di Colore?
In Fisica, il bianco e nero non sono considerati colori. Vediamo il colore come risultato delle lunghezze d’onda della luce che rimbalzano sugli oggetti e colpiscono i nostri occhi. I nostri occhi traducono queste lunghezze d’onda in ciò che percepiamo come colore. Quando la luce bianca attraversa un prisma, la luce si scompone nelle luci dei colori dell’arcobaleno, dimostrando che la luce bianca è la somma di più lunghezze d’onda diverse.
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Quando un oggetto assorbe tutte le lunghezze d’onda della luce, vediamo il nero. In un certo senso, il nero non è un colore ma piuttosto l’assenza di colore. Gli oggetti non hanno un colore intrinseco. Una mela è rossa, non perché la buccia è rossa, ma perché la buccia contiene delle delle molecole con caratteristiche tali da riflettere le lunghezze d’onda rosse e assorbire il resto. Quindi vediamo il colore come risultato della luce.
Rientra in questa prospettiva la cosiddetta mescolanza additiva, cioè il metodo utilizzato nei sistemi elettronici e informatici per “produrre” colore. Se ad esempio prendiamo un monitor, noteremo che il nero è l’assenza di colore: i led sono fisicamente spenti. Di contro, il bianco sarà invece la somma dei tre colori primari RGB.
Il punto di vista di un artista invece è poco interessato alle interazioni fisiche, i fotoni di luce e le molecole… motivo per cui gli artisti considerano il bianco e il nero come colori a tutti gli effetti. Il bianco nel contesto della chimica dei pigmenti è un colore ma non si può ricreare dai colori primari: abbiamo anche detto che il bianco puro è l’assenza di colore nel senso più stretto della definizione.
Quando si esamina la chimica dei pigmenti del bianco, scopriamo che vengono utilizzate sostanze macinate (come gesso) o sostanze chimiche (come titanio, zinco o carbonati di calcio) per creare le numerose sfumature di bianco in pittura. La stessa cosa vale per il nero, che in realtà non è ottenuto dalla miscela di colori primari ma da elementi presenti in natura (come il carbone, la fuliggine oppure tramite processi chimici sui minerali come il diossido di manganese…). “Pigmento” e “colore” quindi non possono essere sinonimi, cosi come “radiazione luminosa” e “colore” non sono sinonimi.
Esperimento sull'Assorbimento di Calore
L'attività proposta consiste nell’esplorazione del fenomeno dell’assorbimento di calore da parte dei corpi di colore diverso posti in vicinanza di una sorgente di luce calda. Si foderano delle bottiglie di vetro con nastri adesivi di colore diverso e si riempiono d'acqua; dopo averle posizionate alla stessa distanza da una lampada di misura la temperatura dell'acqua in funzione del tempo.
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Prima di iniziare l'esperimento, si pongono agli studenti le domande:" Per scaldare dell’acqua è migliore un corpo la cui superficie è opaca e nera o uno la cui superficie è bianca?" "Prevedi che la temperatura delle diverse bottiglie seguirà un andamento diverso?". In caso di risposta affermativa, le bottiglie dovranno essere ordinate in ordine di temperatura raggiunta.
Si foderano delle bottiglie di vetro con nastri adesivi di colore diverso, le si riempiono di acqua posizionandole alla stessa distanza da una lampadina a incandescenza. SI misura la temperatura dell’acqua in ciascuna bottiglia a intervalli regolari (ad esempio ogni 2 minuti) con un termometro analogico (per un totale di 20 minuti) e si rappresentano su di un grafico i dati di temperatura in funzione del tempo.
Si esegue la stessa misura utilizzando dei sensori di temperatura, rappresentare in un nuovo grafico i dati ottenuti.Si confrontano infine i grafici ottenuti nei due casi.
Raccolta Dati con Termometri Analogici
Temperatura iniziale dell'acqua nelle bottiglie: 20 °C - 21°C. Si riportano in tabella 1 le misurazioni eseguite con termometri analogici:
Si rileva che la temperatura dell’acqua nella bottiglia ricoperta di nero aumenta più velocemente delle altre, mentre quella della bottiglia bianca aumenta più lentamente. Si conferma la previsione che gli oggetti di colore nero assorbono, nelle stesse condizioni di illuminazione, più calore rispetto agli oggetti di colore verde, rosso e bianco. In particolare, gli oggetti di colore bianco assorbono meno calore di tutti gli altri colori indagati.
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Raccolta Dati con Sonde di Temperatura
Temperatura iniziale dell'acqua nelle bottigline: 16.2 °C - 16.5°C Si riportano in tabella 2 le misurazioni eseguite con cinque sonde di temperatura, ad intervalli di 30 secondi l'una dall'altra.
Si rileva, anche con i dati ottenuti con i sensori, che la temperatura dell’acqua nella bottiglia ricoperta di nero aumenta più velocemente delle altre e quella della bianca aumenta più lentamente. La raccolta dei dati con i sensori e l’elaborazione dati consente di ottenere un grafico più dettagliato e rilevare facilmente il diverso comportamento della temperatura per i diversi colori. Si noti, tuttavia, che non è possibile confrontare direttamente le temperature finale raggiunta dalle diverse bottiglie, in quanto temperatura di partenza e durata del processo di riscaldamento sono diverse nei due casi.
Tabella 1: Misure eseguite con termometri analogici
| Tempo (min) | Bottiglia Nera (°C) | Bottiglia Bianca (°C) | Bottiglia Rossa (°C) | Bottiglia Verde (°C) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 20 | 21 | 20 | 21 |
| 2 | 24 | 22 | 23 | 22 |
| 4 | 27 | 23 | 25 | 23 |
| 6 | 29 | 24 | 26 | 24 |
| 8 | 31 | 25 | 28 | 25 |
| 10 | 33 | 26 | 29 | 26 |
| 12 | 34 | 27 | 30 | 27 |
| 14 | 35 | 27 | 31 | 27 |
| 16 | 36 | 28 | 32 | 28 |
| 18 | 37 | 28 | 32 | 28 |
| 20 | 38 | 29 | 33 | 29 |
Approfondimenti e Discussione
Qual è l’andamento della temperatura dal momento in cui viene accesa la lampada fino all’equilibrio termico? Inizialmente la variazione della temperatura nel tempo ha andamento rettilineo, ma in seguito assume un andamento esponenziale. Come detto in precedenza, dopo l’accensione della lampada ad incandescenza si rileva un aumento di temperatura diverso per ogni bottiglia. Nel caso della bottiglia nera, la pendenza della fase rettilinea è quella più elevata.
Si nota, inoltre, che nei quattro casi la fase transitoria è diversa, a conferma che l’interazione luce - colore dipende dal colore della superficie assorbente.
Riflettività e Emissività
La riflettivitàsi riferisce alla percentuale di luce o energia incidente che una superficie riflette. Sebbene siano spesso utilizzate in modo intercambiabile, la riflettività e la riflettanza hanno significati distinti. La riflettività è una proprietà intrinseca di un materiale, che indica la sua capacità di riflettere l'energia in tutte le lunghezze d'onda.
La riflettività e l'emissività sono proprietà correlate ma opposte. L'emissività misura la capacità di un materiale di emettere energia come radiazione termica. Secondo lalegge di Kirchhoff sulla radiazione termica, all'equilibrio termico l'emissività è uguale a uno meno la riflettività.
Applicazioni della Riflettività
I pannelli solari sono progettati per assorbire la maggior quantità possibile di luce solare, quindi la loro riflettività è ridotta al minimo. Le superfici riflettenti sono utilizzate negli edifici ad alta efficienza energetica per ridurre l'assorbimento di calore e mantenere le temperature interne più fresche. Gli specchi ad alta riflettività sono utilizzati in un'ampia gamma di strumenti ottici, dai telescopi e microscopi ai sistemi laser e alle macchine fotografiche.
La riflettività svolge un ruolo importante nei sistemi radar, dove la capacità del materiale di riflettere le onde elettromagnetiche può influire sull'accuratezza delle letture. In fotografia, la riflettività delle diverse superfici può influenzare l'esposizione e la qualità dell'immagine.
Valori di Riflettività di Diversi Materiali
- Argento: Riflette circa il 95-98% della luce visibile.
- Alluminio: Ha una riflettività di circa il 90%.
- Superfici bianche: Riflettono quasi l'80-90% della luce visibile.
- Superfici nere: Assorbono quasi tutta la luce visibile, con una riflettività di solo circa il 5-10%.
- Vetro: Ha una riflettività moderata, in genere riflette circa l'8-10% della luce visibile.
- Oro: Riflette fino al 98% della luce visibile ed è anche altamente riflettente nella gamma degli infrarossi.
- Acqua: Riflette circa il 10% della luce visibile.
- Legno e tessuti: Hanno una riflettività relativamente bassa e riflettono circa il 20-30% della luce visibile.
- Superfici in calcestruzzo: Riflettono circa il 30-40% della luce visibile.
- Materie plastiche trasparenti: Hanno una riflettività moderata, intorno al 10-20%.
- Materie plastiche lucide: Possono avere valori di riflettività fino all'80-90%.
- Pietre (granito e marmo): Hanno una riflettività moderata, generalmente intorno al 20-40% per le superfici lucide.
Il Paradosso dei Beduini e l'Abbigliamento Scuro nel Deserto
“Bianco!” verrebbe da dire d’istinto: riflette la luce, quindi scalda meno. Eppure nel deserto i beduini indossano spesso lunghi abiti neri o blu scurissimo. Paradosso? La luce solare è radiazione a onde corte (picco intorno a ), mentre il nostro corpo e gli oggetti alla temperatura ambiente emettono nell’infrarosso termico (picco ). È la regola di Wien: .
Questa distinzione è cruciale. Kirchhoff ci dice che, a ogni lunghezza d’onda, un buon assorbitore è anche un buon emettitore: . Ma vale a spettri separati: puoi essere altamente riflettente nel visibile e contemporaneamente quasi “nero” nel medio-IR. I tessuti organici (cotone, lino, lana, pelle) hanno infatti emissività IR molto alta (), indipendentemente dal colore apparente nel visibile.
A mezzogiorno, in condizioni standard, l’irraggiamento globale è valutato con il cosiddetto spettro AM1.5: significa Air Mass 1.5, ovvero la radiazione solare che attraversa un percorso atmosferico pari a 1,5 volte lo spessore dell’atmosfera verticale. È il riferimento internazionale per il fotovoltaico e per gli studi di radiazione, e corrisponde a un Sole alto nel cielo ma non allo zenit, tipico delle medie latitudini. Un tessuto nero può assorbirne la gran parte; uno bianco molto meno.
Ma l’energia assorbita non va automaticamente sulla tua pelle. C’è un classico studio su beduini nel Sinai che tutti citano perché la conclusione è spiazzante: il calore totale che arriva al corpo è praticamente lo stesso con abiti neri o bianchi, a parità di taglio e vestibilità. Il surplus di energia assorbita dal nero viene perso prima di raggiungere la pelle grazie a emissione e - soprattutto - alla convezione a camino dentro l’indumento ampio e poroso. Questa “brezza permanente” lungo il corpo è il vero motivo per cui abiti scuri e svolazzanti funzionano nel deserto.
Nel deserto, notti serene e aria secca offrono condizioni ideali per la perdita radiativa verso il cielo attraverso . Poiché i tessuti comuni in IR sono quasi tutti “neri”, indipendentemente dal colore visibile, bianco e nero si equivalgono come emettitori nel medio-IR: entrambi possono disperdere calore in modo efficace. Il colore conta, ma non da solo. Nel deserto secco e ventilato, un mantello scuro e largo non è una contraddizione, è ingegneria bioclimatica empirica: assorbe di più fuori, emette bene nel medio-IR, innesca convezione interna e lascia che l’evaporazione faccia il resto.
La fisica ci aiuta a spiegare perché accade questo fenomeno: la luce del sole è una forma di onda elettromagnetica, cioè un insieme di onde che trasportano energia. Di queste onde, quelle che ci interessano sono solo una piccola parte, cioè quelle che hanno una lunghezza d’onda tale da poter essere percepite dall’occhio umano come luce nel visibile. Esse ci permettono di vedere i colori (rosso, arancione, verde). se non riflette quasi nessuna lunghezza d’onda, lo vedremo nero. Ciò, applicato ai capi d’abbigliamento, implica che se essi sono scuri, assorbono quasi tutta la luce che ricevono, tutte le onde elettromagnetiche visibili del sole.
Uno studio giapponese, condotto dal National Institute for Environmental Studies, ha evidenziato come il nero non sia il peggior colore da indossare in estate. Lo studio, guidato dal ricercatore Toshiaki Ichinose, ha avuto come scopo quello di esaminare come i diversi colori influenzino la temperatura superficiale degli indumenti quando vengono esposti alla luce solare.
Il gruppo di ricerca ha esposto nove polo di colore diverso (rosso, bianco, blu, grigio, viola, giallo, verde, nero e verde scuro) sotto il sole estivo. I risultati hanno confermato come, dopo l’esposizione, le polo con una colorazione più chiara rimangono più fresche. È il caso delle polo di color bianco e giallo, la cui temperatura superficiale non ha superato i 30 gradi Celsius. Tuttavia, il risultato sorprendente è arrivato dall’analisi della radiazione infrarossa: il verde scuro ha assorbito l’87% dei raggi infrarossi, superando addirittura il colore nero che ne ha assorbiti l’86%. Il colore in grado di assorbire meno infrarossi è stato senza dubbio il bianco, che ha assorbito soltanto il 63% della radiazione infrarossa incidente.
Quindi quale colore indossare nelle giornate più calde? Sicuramente sono da evitare i colori più scuri, come il nero, il verde scuro, il blu e il viola. Gli indumenti di colore scuro, infatti, hanno una capacità riflettente molto bassa e tendono a riscaldarsi molto velocemente. La scelta del colore, però, non è l’unico fattore da considerare: fondamentali sono anche la vestibilità e i materiali. Prediligiamo abiti larghi che consentano di creare uno spazio, tra la nostra pelle e il tessuto, nel quale l’aria può muoversi con facilità, agevolando il processo di evaporazione del sudore.