Cos'è la riflessione?

È il fenomeno per cui un'onda che incide sulla superficie di separazione (interfaccia) tra due mezzi differenti non attraversa l'interfaccia, ma cambia direzione di propagazione ritornando nel mezzo da cui è venuta. In generale l'onda incidente viene in parte riflessa e in parte trasmessa nel secondo mezzo (dove può essere assorbita). Per quantificare la frazione di energia riflessa si introduce un numero puro, compreso tra zero e uno, detto coefficiente di riflessione definito come rapporto tra l'energia riflessa e l'energia totale incidente.

Nei paragrafi seguenti illustriamo

• quale legge lega la direzione di incidenza e la direzione di riflessione;
• cosa succede se l'interfaccia ha dimensioni piccole rispetto alla lunghezza d'onda della luce;
• da quali fattori fisici dipende l'efficienza della riflessione dell'interfaccia.

La legge del biliardo

${\displaystyle {\theta }_i=}$angolo di incidenza ${\displaystyle {\theta }_r=}$angolo di riflessione n=normale alla superficie I giocatori di biliardo sanno per esperienza che, nei tiri senza effetto, l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione. Nei tiri a più sponde essi sono aiutati a prevedere la traiettoria della biglia da una serie di contrassegni (diamanti) posti sulla sponda del biliardo che, empiricamente, permettono di tener conto di questa semplice legge. Per i fisici la legge così formulata è una conseguenza di due fatti: la sponda spinge la biglia solo in direzione perpendicolare a sé stessa, quindi la componente della velocità parallela alla sponda non cambia; e l'urto è quasi perfettamente elastico, quindi la biglia conserva la sua energia cinetica e la componente della velocità perpendicolare alla sponda cambia verso senza cambiare valore. Tale legge va integrata dall'osservazione che, nel caso di riflessione nello spazio, e non in un semplice piano come il biliardo, il raggio incidente, la normale dell'interfaccia e il raggio riflesso devono giacere nel medesimo piano.

Riflessione speculare

Nell'interpretazione corpuscolare della luce la legge del biliardo aiuta a prevedere in modo semplice il funzionamento degli specchi, cioè di superfici lavorate in modo tale da "riflettere" quasi completamente un raggio di luce incidente in una direzione ben definita.

Specchio piano

Nel caso dello specchio piano l'interfaccia è un piano. Nella figura a lato è mostrato il principio di funzionamento di uno specchio piano basato sulla "legge del biliardo". L'occhio dell'osservatore, abituato a considerare che la luce viaggi in linea retta, colpito dal raggio riflesso, ritiene che la luce provenga da un oggetto posto dietro allo specchio.

La spiegazione è così semplice che essa ha costituito per molto tempo uno dei punti di forza dell'interpretazione corpuscolare (newtoniana) della luce. Siamo in effetti nel pieno dominio dell'ottica geometrica in quanto le dimensioni dell'interfaccia sono molto maggiori della lunghezza d'onda della luce incidente (si veda raggio d'onda e diffrazione per approfondire la questione).

L'interpretazione ondulatoria spiega la riflessione tramite il Principio di Huygens: il fronte d'onda riflesso ${\displaystyle A{S}_3}$ nasce come inviluppo delle onde sferiche secondarie generate dai punti ${\displaystyle S_1}$, ${\displaystyle S_2}$, ${\displaystyle S_3}$ nel momento in cui questi vengono colpiti dall'onda incidente. Rispetto alla semplice spiegazione fornita dalla "legge del biliardo" ad apparire artificiosa è la spiegazione escogitata da Huygens! In figura è rappresentato, per semplicità, un unico fronte d'onda del raggio riflesso. Se ne avessimo disegnato più di uno avremmo notato che la "spaziatura" tra due fronti d'onda (cioè la lunghezza d'onda) successivi sarebbe risultata la medesima dei fronti d'onda incidenti. Ciò è un'ovvia conseguenza del fatto che la velocità di propagazione del raggio riflesso è uguale a quella del raggio incidente in quanto essa dipende solo dalle caratteristiche del mezzo in cui si propaga il fenomeno ondulatorio. Se vuoi vedere un'animazione in cui sia evidente l'uguaglianza tra l'angolo di incidenza e l'angolo di riflessione l'uguaglianza della lunghezza d'onda dell'onda incidente e di quella riflessa visita il nostro laboratorio virtuale Onde 2D ed esegui l'esperienza descritta alla pagina Riflessione da uno specchio piano

Specchi parabolici ed altro

Gli specchi parabolici (per i quali cioè l'interfaccia è sagomata a forma di parabola o paraboloide) godono di una proprietà "focale" straordinaria che ne giustifica l'impiego sui tetti delle nostre case per ricevere le onde elettromagnetiche provenienti dal "satellite": i raggi paralleli all'asse di simmetria dello specchio generano raggi riflessi tutti passanti per uno stesso punto detto fuoco. Se nel fuoco è posto un ricevitore, esso sarà in grado di rivelare tutti i raggi che colpiscono lo specchio parabolico con ovvio miglioramento della qualità del segnale ricevuto. La condizione appena descritta si verifica se il "puntamento" della parabola è ottimale: i raggi provenienti dal satellite, è bene ripeterlo, devono essere paralleli all'asse di simmetria dello specchio parabolico. Se l'allineamento non è ottimale si parla, non a caso di segnale "sfocato" (non più raccolto correttamente dal fuoco).

La capacità di concentrare i segnali degli specchi parabolici è, per l'ottica geometrica, un'immediata conseguenza delle proprietà focali di quella specialissima curva detta parabola e della "legge del biliardo". Per applicare quest'ultima occorre precisare, come per ogni specchio "curvo", che l'angolo di incidenza e di riflessione in un dato punto vengono misurati rispetto alla perpendicolare alla retta tangente alla curva in quel punto (si veda la figura a lato).

La spiegazione in termini ondulatori, ricorrendo cioè al principio di Huygens, è così complicata (già lo era per lo specchio piano!) che conviene, ancora una volta visitare il nostro laboratorio virtuale Onde 2D ed eseguire l'esperienza descritta alla pagina Riflessione da uno specchio parabolico

Riflessione da reticoli

Quando pensiamo ad uno specchio pensiamo ad una superficie levigata, estremamente compatta capace di riflettere in modo molto efficiente le onde che la colpiscono. È sorprendente scoprire che il fenomeno della riflessione può avvenire anche se la superficie riflettente è costituita da una rete, tipo gabbia da pollaio: la sorpresa ovviamente deriva dal fatto che la superficie ci appare come piena di buchi che, a prima vista, dovrebbero far passare l'onda anziché rifletterla. In realtà se la lunghezza d'onda dell'onda incidente è molto maggiore della dimensione dei fori la superficie si comporta da specchio.

Tale principio viene sfruttato ad esempio:

• nelle cavità di cottura dei forni a microonde;
• negli apparati riceventi dei radiotelescopi che possono essere, in realtà costituiti da griglie metalliche;

Riflessione diffusa

La maggior parte degli oggetti non si comporta come uno specchio ma, ricevendo un raggio di luce incidente, lo riflette più o meno in tutte le direzioni. Tale fenomeno prende il nome di riflessione diffusa e gioca un ruolo nel fatto che si possano vedere anche oggetti non luminosi, cioè che non emettono autonomamente radiazione luminosa. I nostri occhi vengono colpiti dalla radiazione diffusa dai corpi. La composizione spettrale della radiazione diffusa determina il colore dei corpi. Un criterio per stabilire se una data interfaccia rifletterà in modo speculare sta nella "ruvidità" della superficie: se la profondità media delle irregolarità della superficie è molto minore della lunghezza d'onda della luce incidente si avrà riflessione speculare. È interessante notare che questo è un criterio relativo nel senso che una superficie che riflette specularmente un'onda di una certa lunghezza d'onda può riflettere in modo diffuso un'onda di differente lunghezza d'onda.

L'esempio che si fa sempre è quello del fondo di una pentola in ferro: essa riflette specularmente le microonde (di grande lunghezza d'onda) ma non la luce visibile (di lunghezza d'onda minore). L'effetto pratico di tutto questo è che non ci si può specchiare nel fondo di una pentola !!.

Quanto viene riflesso?

La frazione di energia riflessa dipende da quanto sono diversi i due mezzi e precisamente dalla loro impedenza, la grandezza che misura quanto un mezzo "si oppone" al moto prodotto dall'onda. Se i due mezzi hanno la stessa impedenza l'onda passa senza essere riflessa; quanto più le impedenze sono diverse, tanto più l'onda viene riflessa. Per esempio l'impedenza acustica dell'acqua è circa 3600 volte quella dell'aria: un suono che dall'aria arriva sulla superficie di un lago viene riflesso per il 99,9% della sua energia. Per questo chi è sott'acqua sente pochissimo i rumori che vengono dall'esterno. Lo stesso accade per un'onda che percorre una corda formata da due tratti di spessore diverso (si vedano riflessione nelle corde, rifrazione in una dimensione e coefficienti di trasmissione e riflessione).

Ogni corpo riflette?

Da quanto detto sembra che in modo speculare o diffuso ogni corpo debba riflettere. Cosa succede però se le dimensioni trasversali dell'interfaccia riflettente diventano confrontabili (o inferiori) con la lunghezza d'onda dell'onda incidente? Per sperimentarlo ti invitiamo a visitare il nostro laboratorio virtuale Onde 2D. Ti proponiamo di seguito una serie di esperienze guidate, ma puoi benissimo sperimentare nuove configurazioni e nuovi esperimenti. L'app è molto intuitiva; per una corretta comprensione di quello che osservi, tieni solo presente che le zone colorate rappresentano l'ampiezza dell'oscillazione. Tanto più brillante appare il colore, maggiore è l'ampiezza delle oscillazioni (verde per le cime, rosso per le valli).

• Diffrazione prodotta da un ostacolo

L'esperienza lascia pochi dubbi: quando le dimensioni dell'ostacolo sono minori della lunghezza d'onda dell'onda incidente, l'ostacolo non è in grado di riflettere in modo significativo l'onda incidente. Quest'ultima, anziché riflettersi, prosegue quasi imperturbata come se non "avesse visto" il corpo!

Tale fenomeno è solo uno dei possibili casi del fenomeno fisico tipico ondulatorio detto diffrazione.

Nella tabella seguente sono riportate le lunghezze d'onda tipiche di alcune onde e le dimensioni caratteristiche di alcuni ostacoli.

Prova a usare la tabella per rispondere alle prime due domande della sezione Verifica la comprensione.

Verifica la comprensione

Approfondimenti e collegamenti

• Visita la pagina sulla diffrazione per approfondire l'argomento
• La riflessione gioca un ruolo fondamentale nella formazione delle onde stazionarie nelle corde e nei "tubi" degli strumenti musicali. Se vuoi approfondire l'argomento visita la sezione Riflessione nelle corde ed interferenza tra onde riflesse.
• Il fenomeno della riflessione ovviamente non si limita alle onde luminose ma interessa ogni tipo di onde. Nel caso particolare delle onde sonore esso è responsabile del ben noto fenomeno della eco e gioca un ruolo fondamentale nel determinare l'acustica di un ambiente.