Waarom lijkt het dat een ijzeren staaf, die je gedeeltelijk in water houdt, vervormt?

Antwoord

Beste Makaya,

Dit is een gevolg van de breking van lichtstralen bij de overgang tussen media met een verschillende brekingsindex.

Zoals je misschien al in de lessen Fysica hebt gezien, wordt het concept van een brekingsindex geïntroduceerd om de voortplanting van licht doorheen materialen te beschrijven. De fasesnelheid van licht is immers verschillend in verschillende materialen. In vacuüm is deze gelijk aan de lichtsnelheid c. De brekingsindex n van een bepaald materiaal wordt dan gedefinieerd als de verhouding van de lichtsnelheid c ten opzichte van de fasesnelheid van licht in dat materiaal v_φ: n = c/v_φ.

Voor de lucht op aarde is de brekingsindex ongeveer gelijk aan 1. Water heeft een hogere brekingsindex (n_water ≈ 1.3).

Je hebt misschien ook al gehoord van de wet van Snellius-Descartes. Deze bepaalt hoe een lichtstraal gebroken wordt bij overgang tussen twee media met een verschillende brekingsindex. Zoals weergegeven in de eerste figuur in bijlage, breekt een lichtstraal van de normaal op het scheidingsoppervlak weg, bij overgang van een medium met hoge brekingsindex naar een met een lagere brekingsindex.

Dit stelt ons nu in staat om te begrijpen waarom een voorwerp gebogen lijkt wanneer het ondergedompeld wordt in water. In bijlage zie je enkele lichtstralen die van de staaf, ondergedompeld in water, vertrekken naar de waarnemer. Aan het oppervlak tussen het water en de lucht worden deze lichtstralen gebroken, volgens de wet van Snellius-Descartes. Hierdoor zullen deze onder een andere hoek de waarnemer bereiken.

In onze waarneming vergeten we echter dat de lichtstralen een gebogen traject hebben gevolgd en lijkt het alsof ze recht op ons afgekomen zijn, vertrokken vanuit een ander punt; een punt (y  in de figuur) dat hoger gelegen is dan het punt waar de staaf zich in werkelijkheid bevindt (x in de figuur). Deze redenering kan je herhalen voor elk punt van de staaf en verklaart dan ook waarom deze staaf onder water lijkt af te buigen naar het wateroppervlak toe.