Pernahkah Anda duduk di dasar kolam renang dan merenungkan langit-langit air Anda? Sebagian besar permukaannya berwarna biru muda, dan Anda tidak dapat melihat menembusnya, meskipun airnya jernih. Namun tepat di atas Anda, ada jendela bundar yang transparan.
Dan inilah hal yang mengagumkan: Melalui cincin ini Anda mendapatkan tampilan mata ikan yang memperlihatkan tidak hanya langit tetapi juga benda-benda di sekitar sisi kolam, seperti pohon atau orang-orang yang menyeruput mai tai di dek kolam. Efek keren ini disebabkan oleh sifat optik air, dan memiliki nama: jendela Snell.
Anda dapat melihat ini bahkan jika Anda tidak menghabiskan banyak waktu di bawah air. Mungkin, seperti saya, Anda lebih suka menonton video spearfishing di YouTube. Berikut ini adalah contoh indah jendela Snell dari saluran YBS Youngbloods (tautan membawa Anda langsung ke segmen menarik berdurasi 15 detik).
Satu hal menarik yang perlu diperhatikan di sana: Saat penyelam (Brodie) dan juru kamera turun, jendela tampak tetap berukuran sama. Jadi apa, Anda bertanya? Nah, pikirkanlah: Jika Anda memfilmkan jendela di rumah Anda saat Anda menjauh darinya, jendela itu akan tampak mengecil.
Faktanya, jendela Snell semakin lebih besar—lihat bagaimana penyelam di permukaan mengisinya semakin sedikit? Namun tidak seperti jendela atau apa pun di daratan, bersudut Ukurannya, sebagaimana yang dipersepsikan oleh mata Anda, tetap sama seiring bertambahnya jarak.
Misteri di dasar laut! Ada beberapa fisika indah di balik semua ini, jadi mari kita selidiki, ya?
Refraksi dan Hukum Snellius
Karena cahaya adalah gelombang elektromagnetik, ia tidak memerlukan medium untuk “meloncat masuk” (tidak seperti suara). Itu berarti ia dapat bergerak melalui ruang hampa—seperti halnya sinar matahari, untungnya bagi kita. Karena cahaya bergerak pada kecepatan 3 x 108 meter per detik, perjalanan dari matahari ke Bumi ini memakan waktu sekitar delapan menit.
Namun, ada sesuatu yang terjadi saat cahaya memasuki medium transparan seperti atmosfer kita: kecepatannya melambat. Udara memperlambatnya hanya 0,029 persen, tetapi saat cahaya memasuki air, kecepatannya berkurang sekitar 25 persen. Ini seperti saat Anda melambat saat berlari dari pantai ke laut, karena air lebih padat daripada udara.
Perbedaan kecepatan ini bervariasi untuk media yang berbeda, dan dijelaskan oleh indeks biasnya (N), yang merupakan rasio kecepatan cahaya dalam ruang hampa terhadap kecepatan dalam suatu material tertentu. Semakin tinggi indeks bias, semakin lambat cahaya bergerak dalam medium tersebut. Di udara, N = 1.00027. Di dalam air, N = 1,333. Di kaca, N = 1,5
Tapi inilah masalahnya: Mengubah kecepatan juga menyebabkan arah cahaya berubah. Itulah yang sebenarnya kita maksud dengan “refraksi.” Anda melihatnya saat melihat sedotan di dalam segelas air: Bagian sedotan yang berada di dalam air tidak sesuai dengan bagian di atas. Mengapa? Pembelokan cahaya dari bagian yang berada di dalam air menyebabkan Anda melihatnya di tempat yang bukan seharusnya.
Mungkin analogi klasik ini akan membantu: Bayangkan Anda memiliki sepasang roda pada poros yang bergulir di jalan masuk Anda. Saat roda terlepas dari beton dan masuk ke rumput, kecepatannya melambat. Namun, bagaimana jika porosnya menyentuh batas antara halaman dan jalan masuk pada sudut tertentu? Dalam kasus tersebut, satu roda melambat sementara yang lain terus melaju pada kecepatan semula, yang menyebabkan lintasan poros berubah saat memasuki rumput.
Anda dapat melihat efek yang sama dengan ombak di pantai. Saat ombak datang ke pantai, kecepatan ombak berkurang saat air menjadi lebih dangkal. Untuk ombak yang datang pada sudut tertentu, Anda dapat melihat pembengkokan muka gelombang seperti halnya cahaya yang bergerak dari udara ke air.
Kita dapat menghitung jumlah pembelokan gelombang cahaya menggunakan hukum Snell. Untuk sumber cahaya tertentu di udara, kita mengukur “sudut datang” terhadap garis vertikal yang tegak lurus terhadap permukaan (lihat gambar di bawah). Kita menggunakan huruf Yunani Teta untuk sudutnya, jadi Saya1 adalah sudut cahaya di udara. Maka cahaya yang dibiaskan di dalam air akan bergerak pada sudut Saya2.
Di Sini N1 Dan N2 adalah indeks bias untuk udara dan air. Oh, dan “dosa” bukanlah sebuah kesalahan moral, melainkan fungsi sinus. Anda dapat melihat bahwa arah akhir gelombang cahaya di air bergantung pada arah awal cahaya di udara. Saya1 meningkat, Saya2 juga harus meningkat. Anda dapat bermain-main dengan ini menggunakan ini simulator luar biasa dari PhET.
Tentu saja jendela Snell ada hubungannya dengan hukum Snell. Jika Anda mulai dengan seberkas cahaya yang menunjuk langsung ke air dari sumber di atas, sudut datang Saya1 adalah 0 derajat; maka Saya2 juga harus nol, dan tidak ada pembiasan.
Namun, saat sumber cahaya diputar ke arah cakrawala, yang mengakibatkan sudut datang yang lebih besar, cahaya membelok saat memasuki air. Karena kedua material memiliki indeks bias yang berbeda, sudutnya pun akan berbeda. Berikut ini adalah plot sudut datang (Saya1) terhadap sudut bias (Saya2 ).
Anda dapat melihatnya sebagai Saya1 meningkat, Saya2 juga meningkat, tetapi tidak sebanyak itu. Faktanya, sudut bias memiliki nilai maksimum. Bahkan ketika cahaya datang memasuki air pada 89,999 derajat, sudut bias tidak pernah melebihi 49 derajat.
Melihat Sesuatu
Sekarang untuk bagian jendela dari jendela Snell. Jika Anda berada di bawah air dan ingin melihat sesuatu di atas air, cahaya dari objek itu harus bergerak sedemikian rupa sehingga masuk ke mata Anda. Ingatlah bahwa mata kita pada dasarnya adalah detektor cahaya—mata tidak memancarkan “penglihatan” (kecuali jika Anda adalah Superman).
Misalkan seekor burung terbang di atas kepala dan sinar matahari terpantul darinya hingga mengenai air pada sudut 60 derajat. Grafik di atas memberi tahu kita bahwa cahaya ini akan dibiaskan hingga sudut 40 derajat di dalam air. Jika Anda menunjuk ke tempat Anda melihat burung itu melalui jendela Snell, Anda sebenarnya akan menunjuk ke langit yang kosong.
Apa yang terjadi saat burung bergerak menuju cakrawala? Cahaya mengenai sudut datang yang semakin besar (Saya1 mendekati 90 derajat), tetapi sudut refraksi hampir tidak berubah lagi. Jadi cahaya dari burung akan mencapai mata Anda, tetapi akan terhimpit bersama cahaya lain dengan sudut datang yang tinggi, sehingga semuanya menjadi campur aduk dan terdistorsi di tepi jendela.
Faktanya, jika Anda berada di bawah air, sudut cahaya terbesar yang dapat dideteksi oleh mata Anda adalah 48,6 derajat dari vertikal, yang menciptakan kerucut cahaya dengan diameter sudut 97,2 derajat. Sudut pembatas ini adalah Jendela Snell. Tapi coba lihat. “Ukuran” jendela ini hanya bergantung pada sudut. Itu berarti bahwa saat Anda bergerak lebih dalam, ukuran tampak (ukuran sudut) jendela adalah konstan.
Refleksi Internal Total
Ingatkah Anda pada contoh kolam renang di awal, kita perhatikan bahwa sebagian besar permukaan air (kecuali jendela Snell), jika dilihat dari bawah, adalah lembaran biru muda yang tidak terlihat apa pun? Hal ini disebabkan oleh fenomena terkait yang disebut refleksi internal total.
Bayangkan kita memiliki cahaya yang mulai di dalam air dan bergerak sampai ke batas antara air dan udara. (Mungkin itu adalah penunjuk laser di bawah air.) Dengan menggunakan hukum Snell, kita bisa mendapatkan ekspresi untuk sudut di udara (Saya1) berdasarkan sudut di dalam air (Saya2).
Ingatlah bahwa indeks bias air adalah 1,33 dan udara kira-kira 1. Ini berarti bahwa N2 /N1 akan menjadi angka yang lebih besar dari 1. Hal ini penting karena nilai dosa(θ1) hanya bisa berada di antara –1 dan +1 (karena membahas rasio sisi-sisi segitiga siku-siku—tetapi Anda mengetahuinya karena Anda memperhatikannya di kelas trigonometri Anda).
Hal ini memberi kita masalah. Sisi kiri harus kurang dari 1, tetapi bagian dari sisi kanan lebih besar dari 1. Pertimbangkan kasus di mana Saya1 adalah 90 derajat. Menyelesaikan soal Saya2 kita mendapatkan 48,6 derajat. Wah—itu seperti jendela Snell. Namun, ini menyatakan bahwa jika sudut cahaya dalam air berada pada sudut lebih besar dari 48,6 derajat, cahaya tidak akan masuk ke udara sama sekali.
Ini tampaknya gila, jadi mari kita uji coba untuk memastikannya. Ini kotak air yang bening. Jika saya mengarahkan sinar laser sehingga menembus air pada sudut yang besar, cahayanya tidak akan masuk ke udara tetapi malah dipantulkan kembali ke dalam air.
Jadi jika Anda berada di bawah air, kita tahu ada jendela melingkar yang memantulkan cahaya dari atas ke mata Anda. Namun, bagaimana dengan permukaan lainnya? Apakah berwarna biru muda karena langit berwarna biru, atau airnya berwarna biru? Tidak, itu karena kolam renang di halaman belakang Anda kemungkinan dicat biru. Anda melihat pantulan cahaya dari dasar kolam.
Berikut foto saya di lautan. Anda dapat melihat langit biru dan awan melalui jendela Snell, tetapi warna hijau di sekitarnya dalam kasus ini adalah cahaya yang terpantul dari pasir di dasar laut. Cahaya itu berasal dari matahari, masuk ke dalam air, lalu memantul di antara dasar dan permukaan air untuk kembali ke kamera. Keren sekali.
Selain itu, ada kemungkinan Anda sedang menggunakan refleksi internal total saat ini. Salah satu aplikasi umum dari fenomena ini adalah pada serat optik. Serat optik adalah filamen kaca tipis. Ingatkah Anda bahwa kaca memiliki indeks bias yang tinggi? Karena refleksi internal total, Anda dapat mengirimkan berkas cahaya ke dalam serat dan semua cahaya akan terpancar meskipun ada lengkungan pada serat tersebut. Jika Anda melihat kabel serat optik, ujungnya terlihat terang karena cahaya dapat masuk dari samping tetapi hanya keluar melalui ujungnya.
Ini cukup berguna untuk mengirim data dari satu tempat ke tempat lain. Ternyata dengan menggunakan cahaya, Anda dapat mengirimkan data pada kecepatan yang jauh lebih tinggi daripada sinyal listrik, jadi ini sangat bagus untuk streaming video spearfishing berdefinisi tinggi. Namun jangan khawatir, jika Anda tidak memiliki internet fiber optik di rumah, Anda dapat pergi keluar dan berenang di kolam renang. Dan pastikan untuk mencari jendela Snell!
