Como fica a imagem de um objeto observado através da câmera escura de orifício?

Um dos princípios básicos da Óptica, no âmbito da Física Clássica, diz que a luz se propaga em linha reta, e uma boa aplicação deste princípio se dá no entendimento de como funciona um instrumento conhecido como Câmara Escura de Orifício. 

Este instrumento pode ser construído usando-se uma caixa com um furinho em uma das faces, obtendo-se as imagens dos objetos projetadas na face oposta. Uma opção é colocar um papel fotográfico ou filme no fundo da câmara para captar as imagens, e revelar as fotos a seguir.

Um esquema de como as imagens são formadas, e porque elas aparecem invertidas em relação aos objetos, é mostrado na figura.

Para simplificar, só foram representados dois raios de luz saindo do pescador, passando pelo furo e atingindo o fundo da câmara. Um dos raios parte da ponta da vara de pescar, e o outro da ponta do pé do pescador. Desta forma é fácil entender porque a imagem aparece invertida. Na verdade, há infinitos raios de luz partindo do pescador. Eles determinam pontinhos (pixels) no fundo da câmara, que formarão a imagem completa. Algo semelhante acontece nas câmeras fotográficas e nos nossos olhos. Nestes dois últimos casos citados, temos a presença de uma lente convergente posicionada próxima ao orifício, que permite a regulagem do foco. No caso do olho humano, a lente natural é chamada cristalino, que é flexível, e controla o foco "engordando" quando o objeto está próximo, ou "afinando" quando o objeto está distante. Esta é uma fantástica adaptação que não se pode encontrar em nenhum instrumento óptico produzido pela tecnologia atual.

Pin Hole
A câmara escura de orifício foi a precursora das câmeras fotográficas. Muitas pessoas no mundo ainda se utilizam desta técnica primitiva de obtenção de fotos, que é também conhecida como Pin Hole ("buraco de alfinete"). Tais máquinas podem ser construídas artesanalmente e a qualidade das fotos obtidas são surpreendentes. Veja uma delas:

Foto tirada usando câmara Pin Hole

Teoria e geometria

Quando ensino esta matéria aos alunos, coloco inicialmente na lousa uma figura parecida com esta:

Através de uma geometria simples, envolvendo dois triângulos semelhantes, bem evidentes na figura, faço com que os próprios alunos obtenham a fórmula que relaciona as medidas mostradas.

Através desta fórmula é possível determinar, por exemplo, o tamanho da foto que será obtida, desde que se faça uma estimativa das distâncias e tamanhos envolvidos: A altura do objeto (o), distância do objeto à câmara (a), e a profundidade da câmara (b).
As  imagens também podem ser observadas diretamente, como no exemplo do vídeo a seguir, tirado de um programa educativo que passava a alguns anos atrás na TV Cultura, chamado O Mundo de Beakman. Vejam:

(Unicesumar-SP) Uma pessoa de altura h coloca-se diante de uma câmara escura de orifício com o intuito de produzir, na face oposta ao orifício da câmara, uma imagem que corresponda a três quartos (¾) de sua altura. Sabendo que a câmara escura tem profundidade d, qual será a distância entre a pessoa e sua imagem?

a) (7.d) ÷ 3

b) (4.d) ÷ 3

c) (4.d.h) ÷ 3

d) (3.d.h) ÷ 4

e) (4.d) ÷ (3.h)

(IF-GO) O olho humano comporta-se de forma semelhante a uma câmara escura de orifício. Sabemos que os raios de luz que partem do objeto e atravessam o orifício determinam a imagem no fundo do olho. A figura a seguir representa um esquema simplificado do comportamento de formação de imagens no fundo de um olho saudável. Vemos que a imagem formada no fundo do olho se apresenta invertida, de cabeça para baixo.

Sabe-se que o olho humano apresenta aproximadamente 20 mm de profundidade (x' = 20 mm) e o objeto tem 8 m de altura colocado em uma posição a 32 m de distância do orifício do olho (x = 32 m). Nessa situação, a altura da imagem formada no fundo do olho será de:

a) 5 mm.

b) 7,5 mm.

c) 8 mm.

d) 10,8 mm.

e) 12,8 mm.

Um estudante de Física observa a imagem de uma árvore formada em uma câmara escura. Com o objetivo de definir a altura da árvore, o estudante posiciona a câmara, de 20 cm de comprimento, a uma distância de 30 m da árvore. Se o tamanho da imagem obtida pelo instrumento foi de 10 cm, qual era a altura da árvore?

a) 10 m

b) 15 m

c) 20 m

d) 22 m

e) 25 m

Um objeto de altura H está a uma distância D de uma câmara escura de orifício, que registra uma imagem de altura igual a 5 cm. Ao aproximar o objeto 15 m da câmara, a imagem formada foi de 8 cm. Determine o valor de D.

a) 30 m

b) 25 m

c) 50 m

d) 15 m

e) 40 m

Letra A

Considere a semelhança de triângulos e que x é a distância entre a pessoa e a câmara escura:

A distância (D) entre a pessoa e sua imagem é a soma de x com o tamanho da câmara.

Letra A

Considere a semelhança de triângulos e que H é a altura do objeto e h é a altura da imagem:

Letra B

A razão entre a altura da árvore (H) e a altura da imagem (h) deve ser igual à razão entre a distância da câmara à árvore (D) e o tamanho da câmara (d).

Letra E

A razão entre as alturas do objeto (H) e da imagem (h) deve ser igual à razão entre a distância da câmara ao objeto (D) e o tamanho da câmara (d). Aplicando essa igualdade para o caso de o objeto estar a 40 m da câmara, teremos:

Aplicando a mesma igualdade para o caso de uma aproximação de 15 m do objeto, teremos:

A partir das igualdades acima, podemos escrever:

Como fica a imagem na câmara escura?

Quais as características da imagem formada em uma câmara escura de orifício?

O que acontece no experimento da câmera escura?

O que acontece com a imagem em uma câmara escura quando é aproximada a um objeto?