“Waarom worden natte dingen donker?” Die vraag stelde een 6-jarige op ikhebeenvraag.be. Het antwoord staat in een Eos-column die ik vorig jaar schreef, maar die ik nog niet online geplaatst had. Tijd om dat te veranderen!
Welke kasseien zijn droog en welke nat? Dat zie je meteen, maar hoe komt dat eigenlijk?
Deze column is in licht gewijzigde vorm verschenen in het zomernummer van Eos (2016).
We zitten op een terras aan de kust en ik bestel een glas water. Saai, vind je? Dan serveer ik je een raadsel erbij. Het water en het ijsblokje zijn transparant. Het schuim van de branding en de wolken erboven zijn wit, terwijl die toch ook uit water bestaan. Hoe kan dat?
Het verschil zit in de vorm: bij het glas water en het ijsblokje zijn de oppervlakken ook op kleine schaal vlak. Hierdoor zien we zowel spiegeling als transparantie optreden. Bij schuim en wolken is het oppervlak onregelmatig: hierdoor wordt het licht in alle richtingen weerkaatst en zien we geen afgelijnd spiegelbeeld, maar slechts een witte waas. Natuurkundigen noemen dat ‘diffuse reflectie’.
Met het onderscheid tussen spiegelreflectie aan gladde oppervlakken en diffuse reflectie aan ruwe oppervlakken kunnen we een heel scala aan alledaagse waarnemingen begrijpen. Om te beginnen verklaart het hoe uit zand, dat korrelig en wit is, vlakglas gemaakt kan worden, waar we doorheen kunnen kijken of waar we ons in kunnen spiegelen. Als glaswerk door intensief gebruik ruw wordt, wordt het opnieuw wit en mat. Maar er is meer.
Als we ongekleurd katoen of papier onder vergroting bekijken, dan blijkt dat de individuele vezels transparant zijn. Door diffuse reflectie aan het ruwe oppervlak zien we een vel papier of een katoenen doek echter als wit. Tenzij we het nat maken, dan worden papier en katoen alsnog transparant.
Denk maar aan een keukenhanddoek: die vertoont heldere vlekken als we hem na gebruik tegen het licht houden. Daar schreef ik al over naar aanleiding van de natte-theedoek-vraag bij de Nationale Wetenschapsquiz 2011. Ook onderstaande iconische scène uit Dirty Dancing, waarbij Baby de lift oefent in een meer, dankt haar populariteit deels aan het fenomeen dat wit textiel doorzichtiger wordt als het nat is. En iedereen die al eens een doordrenkte krant uit de brievenbus heeft gehaald weet dat je het binnenlandse nieuws dan door de voorpagina heen ziet schemeren.
Een iconische scène uit de jaren tachtig.
We zijn hier zo vertrouwd mee, dat je je wellicht nog niet had afgevraagd hoe dat mogelijk is. Welnu, het water vult de holtes tussen de vezels op: er ontstaat een gladder buitenoppervlak, waardoor er minder diffuse reflectie is en zo wordt het natte materiaal beter transparant voor licht.
Bovendien is de brekingsindex van water hoger dan die van lucht en dichter bij die van papier- of katoenvezels. En met olie is het effect sterker, omdat de brekingsindex nog beter aansluit. Denk maar aan de vetvlekken op het papier rond een pak frieten: de vlekken lijken donker zolang het papier op tafel ligt, maar zodra je het naar het licht houdt, zie je dat het eigenlijk transparante stukken zijn. (De vlekken lijken alleen maar donker zolang het onder het papier donker is.)
Nu weet je meteen waarom regen donkere vlekken maakt op stenen of op zand (evenals blauwe jeans en schoenen, zoals op een foto bij mijn vorige bericht): het water vult de holtes in de ruwe bovenkant grotendeels op en dan werkt het natte oppervlak als een spiegel. Een spiegel is donker, tenzij je net onder de juiste hoek naar een lichtbron kijkt. (Dit wordt ook prima uitgelegd met een plaatje in deze fotostrip van Ype & Ionica.) Dat maakt het zo moeilijk om ’s nachts over een nat wegdek te rijden: er is minder diffuse reflectie dan op een droge weg, waardoor er van je eigen koplampen minder licht terug jouw richting uitkomt. Maar er is meer spiegelreflectie, waardoor je niet alleen de koplampen van de tegenliggers ziet, maar ook nog eens de weerspiegeling ervan.
Hier is de effect van de ruwheid van het oppervlak duidelijk zichtbaar. Op kleinere schaal speelt een soortgelijk effecten. Ook zie je dat het natte oppervlak grotendeels donkerder is, maar ook beter spiegelt (en lokaal dus juist veel helderder is).
Als afleiding voor ons zoontje hebben we een speelgoedmat meegenomen naar het terras, waarop hij kan tekenen met water. Waar de mat nat is, wordt hij tijdelijk blauw. Als we het matje naar de zon houden, dan zien we dat achter de witte bovenlaag een blauwe laag klaar zit. Aanvankelijk dacht ik dat de toplaag van het tekenmatje uit textielvezels bestond, maar volgens het patent gaat het om een “hydrochromatische inkt”, die transparant wordt bij contact met water. (En de uitleg die erbij gegeven wordt, verwijst opnieuw expliciet naar ruwheid: in droge toestand is het inktoppervlak ruwer.) Behalve voor speelgoed wordt dit soort inkt ook gebruikt om paraplu’s te maken die tijdelijk kleurrijker worden als het regent en om het waterniveau in transparante containers beter zichtbaar te maken.
Dit effect kan ook bereikt worden met een dubbele laag stof. Mijn zomertip voor in de tuin of op kamp is dan ook: leg een gekleurd dekzeil op de grond met een dun, wit laken erover. Daarop kan je tekenen met water in het groot!
Ik hield de AquaDoodle eens tegen het licht (onder). Volgens mij heb je er geen hydrochromatische inkt voor nodig: een plastic zeil met een dunne witte doek erover zou moeten volstaan. Ook op kasseien kan je trouwens prima tekenen met water: de regen doet het elke keer!
PS: Ik krijg wel eens de vraag waar ik de inspiratie vandaan haal voor mijn columns. In dit geval zat een waterlek in de kelder er voor iets tussen. Het water dagelijks opsoppen gaf me genoeg gelegenheid om het effect van dichtbij te bekijken en de emmers vervolgens naar buiten dragen ook om over ruwheid en weerspiegeling na te denken.
Het detail om het effect van ruwheid op reflectie te illustreren maakte ik in onze kelder, waar vorig jaar een lek was.
Eind augustus reisden we – lief, zoon & ik – naar Stockholm. Eerder (in voorhistorische tijden voor wat dit blog betreft) bezocht ik al Denemarken en Noorwegen, waardoor ik er erg naar uitkeek om ook eens naar Zweden te gaan. Het was onze eerste vliegreis samen, maar de kleuter was er nauwelijks van onder de indruk. Het weer in Stockholm was zonnig en zacht tijdens ons verblijf (terwijl er ons vanuit België berichten over een hittegolf bereikten) en we hadden een fijne tijd in de hoofdstad van Scandinavië.
Er kwam nog eens een originele optica-vraag binnen, dus ik schreef een antwoord.
