Rayos del Sol perpendiculares

Este fenómeno también se conoce como “Sol cenital”, y se refiere a la fecha y la hora en que los rayos solares inciden perpendicularmente a un plano horizontal en la superficie terrestre, donde usted está

El Sol entonces estará lo más alto en el cielo (altitud h≈ +90°), en la dirección opuesta de la plomada (vertical hacia arriba), esto es, el Sol estará efectuando un “tránsito cenital”.

14 de abril de 2004.

Como consecuencia de lo anterior, la sombra del gnomon de un reloj de sol, no solo apuntaría en la dirección Norte-Sur, como todos lo demás días a la hora meridiana, sino que tendría la mínima longitud.

En las regiones de la Tierra cercanas al ecuador terrestre, la observación no confrontada con mediciones, nos puede hacer creer equivocadamente que:

• El paso cenital ocurre todos los días y
• Ocurre siempre a las 12:00, hora local (de su reloj).

Pero ninguna de las dos afirmaciones anteriores es correcta.

El habitante de las zonas templadas o polares, enfrenta casi todo el tiempo, culminaciones del Sol (cruce del meridiano del observador), que nunca son cenitales.
Solo son cenitales dentro de la zona tropical, por eso, generalmente no incurre en la confusión tipo (a).

Ahora bien, aunque la culminación del Sol señala la hora del “mediodía solar local”, esto corresponde a las 12:00:00, hora oficial del observador, sólo si éste está en sitios cuya longitud geográfica es 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°,… etc.

Entonces, si adoptamos como la longitud promedio de Costa Rica 84° Oeste, esto es 6° antes del meridiano de 90°, el mediodía local (culminación del Sol), ocurre  (6°)(1 hora)/(15°)= 0,4 horas ≡ 24 minutos antes; a las 11:36.

Haga usted el ajuste para la longitud geográfica de su sitio de observación. (http://fisica1011tutor.blogspot.com/2011/06/determinar-el-momento-del-sol-cenital.html).

Ahora bien, como la coordenada celeste denominada “declinación δ” es análoga a la coordenada geográfica denominada “latitud λ”, es fácil concluir que el Sol será cenital en un sitio (¡solo entre los trópicos!), cuando la cambiante declinación solar sea igual a la latitud del observador.

Si tomamos entonces que la latitud promedio de Costa Rica es 10° Norte, entonces cuando el Sol tenga esa declinación, en ese día tendríamos “rayos solares perpendiculares a la hora del mediodía solar”.

Esta perpendicularidad de los rayos solares ocurre dos veces al año (vea tabla de declinaciones solares), para Costa Rica alrededor del 15 de abril y del 27 de agosto.
Haga usted el ajuste (estimación) para su respectiva latitud geográfica.

10 de abril de 2015. Zapote, San José.C.R.
!Faltan cuatro días, pero sobran nubes!

Entonces, la medición del día y la hora a la que los rayos solares caen perpendicularmente a su sitio de observación, es realmente un asunto de mero trámite académico, pero muy interesante, por la realización de la medición propiamente dicha y el diseño de un simple aparato para observarla.

Cuando se realiza la medición de un objeto, o de alguna propiedad de un fenómeno físico, se debe:

a) Tener un excelente conocimiento teórico de la situación (digamos como se explicó arriba).
b) Realizar una acertada estimación del valor que tendría el resultado de la medición, o sea, que no que esperemos metros, y resulten kilómetros.
c) Usar los instrumentos de medición que proporcionen la mayor exactitud y la menor incertidumbre (buena precisión).
d) Utilizar un método (construir un aparato y usar un procedimiento), que brinde los mejores resultados, en concordancia con nuestro conocimiento, habilidad y recursos.

En años anteriores he usado el método de la “sombra de la varilla vertical”, que me ha dado resultados no muy claros.
Pero en este 2015 Año Internacional de la Luz utilizaré un método que consiste en proyectar la imagen luminosa del Sol, usando un diseño similar al de una cámara oscura, de la siguiente manera:

Materiales: una tapa de un tarro de alimentos, algunas piezas de madera, broca de pequeño diámetro y taladro, pegamento, papel, lápiz, plomada (o aguja gruesa colgando de un hilo fino), 2 clavos de 1/2 pulgada, martillo, reloj bien calibrado.

¿Qué hacer?

1. Con cuidado use el taladro para hacer un agujero circular en el centro de la tapa (broca de 1 mm de diámetro sería apropiada). 
2. Cerca de mediodía tome la tapa en sus manos y trate de encontrar experimentalmente el mejor enfoque de la imagen del sol, sobre el papel (algo entre 20 y 60 cm).
   Corte entonces una pieza de venilla de madera de esa longitud, para fijar la altura de la tapa. 
3. Marcque el punto en el papel exactamente debajo del agujero de la tapa (use una plomada).

(Opcional). Trace por el punto en el papel dos rectas perpendiculares entre sí y oriéntelas Norte-Sur, Este-Oeste, usando una brújula (¡hay aplicaciones para celulares y tablets!).

Ya está.
Ahora a observar cerca del mediodía solar local, para determinar fecha y hora.
Tome fotografías.

• Nota 1: Este aparatito le puede servir para otras actividades, por ejemplo: observar por proyección el movimiento del Sol durante un día, verificar la dirección Norte-Sur, encontrar el mediodía solar cualquier día, usarlo como un reloj de sol básico, dibujar una analema observando cada semana a la misma hora durante un año, etc.
  
• Nota 2: El diámetro del agujero si es grande deja pasar más luz, pero aumenta la incertidumbre (desenfoca). Si es muy pequeño es más preciso, pero produce una imagen menos intensa y hasta podrían comenzar a influir fenómenos de interferencia y difracción.
  
  Existe un estudio realizado por Lord Rayleigh para una cámara oscura, que liga la distancia foca (f), el diámetro del agujero (d) y la longitud de onda de la luz (λ). Decida primero el diámetro (sólo hay ciertos diámetros de brocas) y entonces calcule la altura de la tapa (f) con la fórmula d= 1,9√(f λ), o use el programa Pinholedesigner 2.0.
  Para una longitud de onda de la luz λ= 550 nm = 0,00055 mm, la que mejor percibe el ojo humano, y un diámetro d= 1,0 mm, resulta f= 503 mm.
  
  
• Nota 3. Si le parece use la situación inversa: “pequeña sombra sobre una región iluminada". Simplemente sustituya la tapa y el agujero por un pequeño balín en el extremo de una delgada varilla. Todo lo demás igual.