A magia das cores: mistura aditiva e sombras coloridas Teach article

Teste algumas experiências simples mas impressionantes, para ilustrar a mistura aditiva temporal de cores e criar uma mistura de sombras coloridas.

Habitualmente, muito pouco tempo é dedicado ao estudo da luz e das cores nos programas curriculares do ensino secundário, por isso há uma lacuna nos conhecimentos dos alunos sobre esta área da Física quando terminam a escola.

Antigamente, as demonstrações de mistura aditiva de cores eram asseguradas por projetores e transparências com cor vermelha, verde e azul. Hoje, uma abordagem mais comum utiliza projetores de díodo emissor de luz (LED) vermelho, verde e azul. Aqui, apresentamos outras possibilidades de baixo custo, como por exemplo, autocolantes coloridos. Também investigamos sombras coloridas iluminando uma superfície branca com três luzes coloridas e introduzindo um objeto entre elas.

Estas atividades são adequadas para alunos com idades entre os 11 e os 16 anos.

Mistura de cores

De acordo com a teoria desenvolvida por Thomas Young e Hermann von Helmholtz, no século XIX, experienciamos as cores graças a três tipos diferentes de células recetoras (agora conhecidas como cones) na retina, cada uma das quais é mais sensível aos comprimentos de onda vermelho, verde ou azul da luz. Young escolheu três cores principais porque descobriu que poderia produzir qualquer cor do espectro (assim como o branco) por uma mistura de três luzes sobrepostas definidas para intensidades apropriadas. Ele também descobriu que isso poderia ser alcançado com uma gama de comprimentos de onda; isso significa que há um certo grau de arbitrariedade na definição das três cores primárias.^[1]

A teoria de Young–Helmholtz levou ao desenvolvimento do chamado modelo vermelho, verde, azul (RGB). O modelo RGB foi aplicado nas primeiras experiências de fotografia colorida e atualmente é usado para produzir cores em ecrã de computadores, televisões e telemóveis.

Na mistura aditiva de cores, a combinação das três cores primárias, vermelho, verde e azul, em proporções iguais produz o branco, enquanto a mistura de quaisquer duas cores primárias em proporções iguais produz as chamadas cores secundárias: amarelo, ciano e magenta. Quando a mistura aditiva de duas cores produz o branco, essas cores são ditas complementares, ou seja, ciano e vermelho, magenta e verde, e amarelo e azul.

Atividade 1: Taumatrópio com autocolantes coloridos

Em 1826, John Ayrton Paris inventou o taumatrópio, um brinquedo que consiste num disco com uma imagem em cada lado, que, quando girado rapidamente usando cordas torcidas, criava a ilusão de que ambas as imagens estavam sobrepostas. Este dispositivo também é chamado de Roda de Faraday, em homenagem ao físico britânico Michael Faraday, que mais tarde o usou para investigar o fenómeno da persistência retiniana.^[2]

This first activity explores the temporal additive mixing of two primary colours using cardstock paper and a stick. Students will be able to see for themselves that additive colour mixing does not yield the colours expected fromEsta primeira atividade explora a mistura aditiva temporal de duas cores primárias usando cartão e um bastão. Os alunos poderão ver por si mesmos que a mistura aditiva de cores não produz as cores obtidas nas experiências de mistura de tintas ou argilas. Eles também poderão observar o fenómeno da persistência retiniana.

Uma alternativa é construir um equipamento com um motor para girar os bastões; isso é mais útil para discussões com todos os alunos.^{[3, 4]} Veja o material de apoio para ter mais detalhes sobre como construir o equipamento com motor para uma atividade alternativa. Outra alternativa simples para a Atividade 1 pode ser encontrada na Ref. [5].

Esta atividade demora aproximadamente 20 minutos, sem incluir a produção das cartas.

Materiais

• Ficha de trabalho do aluno: Como percecionamos as cores
• Quadrado de cartão, 6 cm × 6 cm, idealmente preto
• Autocolante vermelhos, verdes, azuis e amarelos com 15 mm de diâmetro
• Varas ou espetos de madeira com uma fenda numa extremidade para segurar as cartas
• Cola

ProcedureProcedimento

Prepare as cartas

1. Escolha duas cores, por exemplo, vermelho e verde, e cole uma em cada lado de um dos quadrados de cartão. Os autocolantes devem ser colocados fora do centro, para que os autocolantes da frente e de trás tenham alguma sobreposição.

2. Insira os cartões na fenda da haste de madeira ou espeto e cole-os. Faça cartões para cada combinação de cores diferente.
3. Depois de a cola secar, pode agarrar a haste e rodá-la para a frente e para trás entre a palma das mãos.

Atividade

1. Leia na ficha a introdução sobre como percebemos as cores. Certifique-se de que os alunos entendem a diferença entre mistura aditiva de cores (mistura de luz) e mistura subtrativa de cores (mistura de pigmentos), bem como os três tipos de cones no olho e quais as cores de luz que os estimulam.
2. Peça aos alunos que escolham um cartão com cores primárias. Eles podem fazer isso individualmente ou em conjunto com os outros alunos.
3. Peça para eles preverem o que verão quando a carta for girada. Que tipo de mistura eles esperam?
4. Peça aos alunos para girarem o cartão rapidamente rolando a haste entre as palmas das mãos e depois descrever o que veem. É diferente do que esperariam ao misturar tinta? Como eles podem explicar isso? Veja a secção de discussão.
5. Repita com outros pares de cores primárias, fazendo sempre uma previsão primeiro.
6. Repita com duas cores complementares (amarelo + azul). Peça aos alunos para fazerem uma previsão primeiro e depois explicarem o resultado (branco).
7. Tente girar mais devagar e mais rápido. Como isso afeta o resultado; funciona melhor em velocidades mais rápidas ou mais lentas? O que isso nos pode dizer sobre quanto tempo dura a persistência retiniana?

Discussão

É importante que os alunos percebam que na mistura aditiva de cores falamos de misturar luz com cores diferentes. Ao misturar tintas (ou seja, pigmentos), é a mistura subtrativa de cores que ocorre, ou seja, cada um dos materiais misturados absorve (subtrai) certos comprimentos de onda à luz (branca) de entrada. Os alunos geralmente estão mais familiarizados com a mistura subtrativa de cores devido à sua experiência de misturar diferentes cores de tinta ou argila, então esta questão deve ficar clara.

À medida que o suporte e o cartão giram, observamos a mistura aditiva temporal das duas cores no cartão: vermelho e verde piscam em rápida sucessão, ativando os cones sensíveis a essas duas cores primárias em nossa retina. Ao misturar duas cores complementares, como azul e amarelo, vemos o branco na área sobreposta. A luz refletida do autocolante amarelo ativa os cones que são sensíveis ao vermelho e ao verde, enquanto a luz refletida do autocolante azul ativa os cones sensíveis à luz azul.

Atividade 2: Bola de LED multicolorida

Esta atividade usa uma bola de LED que pisca vermelho, verde e azul sequencialmente em uma frequência alta o suficiente para parecer branca quando em repouso. Como na Atividade 1, os fenómenos de mistura de cores aditivas e persistência retiniana são explorados. A atividade leva cerca de 10 minutos.

Materiais

• Bola de LED multicolorida com corda (LED Poi)

Procedimento

1. Desligue as luzes da sala e ligue a bola de LED.
2. Mantendo a bola parada, pergunte aos alunos qual cor eles veem (deve ser branco ou quase branco).
3. Em seguida, certificando-se de que há espaço suficiente para isso, gire a bola na corda para observar a separação das cores.
4. Pergunte novamente, aos alunos o que eles veem e peça para eles explicarem por que as cores são observadas agora e não quando a bola está em repouso. Dica: que tipo de LEDs eles acham que estão dentro da bola com base no resultado?
5. Varie a velocidade com que balança para controlar a sobreposição de cores, pedindo feedback aos alunos (“O que vê agora?” “Devo girar mais rápido ou mais devagar?”).
6. Quantas cores conseguem ver no total?
7. Opcional: pode pedir aos alunos que fotografem a bola balançando com uma exposição mais longa para observar melhor as cores individuais (vermelho, verde, azul) e suas misturas (ciano, magenta, amarelo).

Discussão

A bola de LED contém três LEDs de alta intensidade (vermelho, verde, azul), que, quando ligados, piscam sequencialmente em alta frequência. No entanto, quando a bola está em repouso, percebemos uma luz branca constante devido à persistência retiniana. A bola não é bem branca, mas tem um brilho rosado, porque o LED vermelho é um pouco mais intenso do que os LEDs verde e azul.

No entanto, quando a bola é balançada na corda é possível observar todas as três cores individualmente, pois a bola está em uma posição diferente cada vez que os LEDs piscam. Se reduzirmos a velocidade da bola, as luzes vermelha, verde e azul começam a se sobrepor e observamos magenta, amarelo e ciano.

Atividade 3: Sombras coloridas

Se perguntarmos aos alunos quais são as cores das sombras, a maioria responderá que as sombras são pretas. No entanto, as sombras podem assumir cores diferentes, como vemos nesta atividade,^[4] que leva cerca de 20 minutos para ser concluída.

Materiais

• Três lâmpadas LED (vermelha, verde e azul)
• Tela de projetor (ou parede branca)
• Objeto para gerar sombra (por exemplo, uma haste)

Procedimento

1. Coloque as três lâmpadas LED numa mesa de frente para a tela ou parede. As cores devem sobrepor-se em pares para produzir as cores secundárias, e as três cores devem sobrepor-se no centro para produzir o branco (pode ser necessário desligar as luzes). Peça aos alunos para nomearem cada cor visível na tela e nomearem as cores primárias de que é composta.

2. Coloque uma haste (ou outro objeto) entre as lâmpadas e a tela para criar uma sombra na área branca. Três sombras aparecerão. Ajuste a posição da haste para variar a sobreposição das três sombras. Em cada caso, peça aos alunos para identificar a cor da sombra nas diferentes regiões (áreas com fundo colorido diferente) e para nomear as cores primárias das quais ela é composta, identificando assim qual dos LEDs está a ser bloqueado pela haste.
3. Comece em uma posição mais distante da tela, para que três sombras fiquem visíveis.
4. Em seguida, mova o objeto para mais perto da tela, de modo que as três sombras comecem a sobrepor-se.
5. Por fim, mova o objeto ainda para mais perto para que todas as três sombras se sobreponham e produzam escuridão real.

Discussão

Devido às posições ligeiramente diferentes de cada um dos três LEDs, a haste gera três sombras. Cada uma dessas sombras forma-se quando o objeto bloqueia uma das três luzes. Em cada caso, a cor da sombra corresponde ao efeito combinado das duas luzes que não foram bloqueadas pelo objeto.

A sombra amarela forma-se onde os raios vindos da luz azul são bloqueados pelo objeto. Como a luz dos LEDs vermelho e verde alcança essa região, as cores combinam-se, dando à sombra uma cor amarela.

In the same way, the magenta shadow forms where the green light is blocked by the object. The red and blue light in that region mixes, giving rise to a magenta shadow. Finally, in the region where the red light is blocked by the object, blue and green light mixes, giving rise to a cyan shadow.Da mesma forma, a sombra magenta forma-se onde a luz verde é bloqueada pelo objeto. A luz vermelha e a luz azul naquela região misturam-se, dando origem a uma sombra magenta. Finalmente, na região onde a luz vermelha é bloqueada pelo objeto, a luz azul e luz verde misturam-se, dando origem a uma sombra ciano.

Se trouxermos o objeto para mais perto da tela, as sombras aproximam-se e eventualmente começam a sobrepor-se: a superposição das sombras amarela e ciano produz verde, pois isso corresponde ao bloqueio das luzes vermelha e azul, enquanto a superposição das sombras ciano e magenta produz azul, pois isso corresponde ao bloqueio das luzes amarela e verde. A combinação de todas as três sombras leva à familiar sombra preta.

Conclusão

Este conjunto de experiências pode ser facilmente realizado na sala de aulas e ajuda os alunos a familiarizarem-se com os conceitos de mistura de cores aditivas e persistência retiniana, bem como a entender a origem das cores complementares e das sombras coloridas. O conteúdo aborda outros tópicos curriculares encontrados em física (luz), biologia (visão) e arte (mistura de cores). Em relação ao último, os alunos ficarão cientes da diferença entre misturas de cores aditivas e subtrativas, normalmente estando mais familiarizados com as últimas a partir das experiências da infância com tintas ou argila.

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Supporting materials

Montagem da caixa com motor

Atividade alternativa

Ficha de trabalho do aluno

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