Nella tela del ragno

Povero bambino! Si era davvero spaventato quando scoprì un ragnetto che stava facendo un giro sulla sua mano. E, come sempre accade quando si ha paura, in queste situazioni si possono commettere dei danni irreparabili... Il bambino, infatti, non si accorse che con la sua agitazione aveva distrutto la ragnatela che pazientemente aveva costruito il ragno su quel muro... Peccato davvero (e non solo per il ragno), poiché così non si accorse così di un bello spettacolo colorato che avrebbe potuto ammirare con quella ragnatela nella bella giornata di sole...

Già, perché se normalmente – ovvero, sotto la luce diffusa – le ragnatele appaiono grigiastre, a guardarle bene in controluce, con il Sole alle spalle della ragnatela (e noi a guardarla davanti), si possono osservare dei bei luccichii colorati... Provateci, se non ci credete!

A cosa è dovuto questo bel fenomeno? Il fenomeno è molto simile a quello che appare quando osservate un CD (dal lato inciso) illuminato ad una certa angolazione: avete mai notato quella sorta di arcobaleno che si forma?

Il fenomeno fondamentale è quello della diffrazione, che si verifica solo in presenza di onde, come appunto le onde luminose. Navigando su internet (per esempio con Google Earth), potreste divertirvi a scoprire cosa avviene quando le onde del mare oltrepassano la fenditura di una barriera. Se la larghezza della fenditura è molto più grande della lunghezza d'onda, ovvero della distanza tra due creste, non noterete nulla di strano: le onde passano attraverso la fenditura senza alcuna deviazione apprezzabile. Tuttavia, se trovate una fenditura in una barriera larga approssimativamente quanto la lunghezza d'onda (3 o 4 volte più grande va bene lo stesso), allora noterete che, dopo la fenditura, le onde si “piegano” verso gli estremi della fenditura, invadendo la parte a ridosso della barriera. Questo fenomeno della diffrazione è tipico delle onde, ma si manifesta in maniera più apprezzabile (le onde si “piegano” di più verso la barriera) se la larghezza della fenditura è dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda. Esso è dovuto al fatto che i fenomeni ondulatori non sono causati da particelle (di acqua, nel caso nostro) che si muovono (e che si muoverebbero solo in linea retta, senza deviare), come ci si potrebbe aspettare, ma, come abbiamo visto più volte, da energia che si propaga (nell'acqua) con caratteristiche particolari, e che non segue necessariamente una “strada rettilinea”. 

Lo stesso fenomeno lo si può osservare anche con le onde luminose, anche se più difficilmente, a causa della estrema piccolezza della lunghezza d'onda. Ad esempio, se fate incidere un fascio di luce laser sulla fenditura di un calibro, e proiettate la luce (attraverso la fenditura) su una parete dietro il calibro, man mano che chiudete sempre più il calibro la zona luminosa sulla parete si assottiglia sempre più (vedi anche questo esperimento qualitativo). Ma se proseguite a ridurre la larghezza della fenditura, ad un certo punto osserverete che cominciano ad apparire delle strisce luminose (frange) anche nella zona buia oscurata dal calibro, ossia alla destra e alla sinistra della zona luminosa centrale. E più chiudete il calibro, più compaiono queste frange luminose. Evidentemente, come sopra, la luce si è “piegata” attraverso la fenditura. E, cosa più interessante, la deviazione della luce attraverso la fenditura dipende dalla lunghezza d'onda (come anche nel caso delle onde marine): maggiore è la lunghezza d'onda, maggiore è la deviazione. Ciò vuol dire che, poiché la lunghezza d'onda della luce determina il suo colore, se fate lo stesso esperimento con due fasci laser di colore diverso, per esempio rosso e verde, le frange luminose non si trovano nella stessa posizione (a parità di altre condizioni), ovvero non si sovrappongono se fate i due esperimenti contemporaneamente. La cosa vi può sembrare complicata da realizzare, ma è proprio quello che si verifica quando un fascio di luce bianca (il cui colore risulta dalla sovrapposizione di tutti i colori dell'arcobaleno) incide su un CD: la parte dove si incide la musica è composta di tante piccolissime fenditure (proprio come su un disco di vinile, ma con fenditure molto più piccole, invisibili ad occhio nudo), e il fenomeno della diffrazione devia in modo differente le varie componenti colorate della luce bianca, producendovi un bell'arcobaleno.

Una cosa interessante del fenomeno della diffrazione è che esso si verifica in modo identico se sostituite la fenditura con un ostacolo; ovvero, nel caso delle onde marine, se invece di avere una barriera con una fenditura, avete uno scoglio in mezzo al mare libero. Se l'ostacolo ha dimensioni comparabili con la lunghezza d'onda, le onde si “piegano” dietro lo scoglio. E lo stesso avviene se fate incidere un fascio di luce laser su un capello: si producono delle frange luminose lateralmente al capello.

Cosa c'entra tutto questo con la tela del ragno? Ad osservare bene, la ragnatela è composta da fili che si diramano come raggi dal centro, e da un filo a spirale che si “annoda” sui raggi, come in figura.

Quando la luce che illumina la ragnatela incide sui trattini di fili, radiali o a spirale, essa produce della frange luminose come nel caso del capello. Ma quando la luce incide sui nodi di attacco della spirale ai raggi, avviene qualcosa di più complesso (poiché la diffrazione avviene su un ostacolo in 3 dimensioni con dimensioni variabili (nel mare, le onde incidevano solo su una parte dello scoglio che produceva diffrazione, non su tutto lo scoglio in altezza).

Avviene, allora, qualcosa di simile al fenomeno osservato sul CD, in cui la luce bianca si scinde in più colori, ma le immagini che si producono sono geometricamente più complesse, come nella figura qui sotto. Ed anche più belle.

Un peccato davvero, allora, che il bambino non fosse un'onda: non ha deviato dal suo percorso, e ha distrutto la ragnatela. Pazienza!

S. Esposito, fisico