Perché le luci di dentisti e chirurghi non proiettano ombre e come funzionano le lampade scialitiche

Come fa il dentista a non fare ombra con la propria mano dentro la bocca del paziente? La risposta è la speciale lampada che usa, la lampada scialitica, la stessa che si usa anche nelle sale operatorie. Si tratta di una lampada in grado di neutralizzare l'ombra dell'ostacolo interposto tra la fonte luminosa ed il campo chirurgico.

Ma come riesce una lampada a non fare ombra? Vediamo l'idea base che c'è dietro al suo funzionamento: è una questione geometrica di sovrapposizione di fasci luminosi e di ellissoidi.

Il principio base della lampada scialitica è semplice: invece di illuminare il campo operatorio (l’area dove si deve operare) con una sola sorgente luminosa lo si illumina con tanti fasci di luce provenienti da diverse direzioni. Spieghiamo meglio, immaginiamo di illuminare l’area interessata con una sola lampada , in questo caso la mano del dentista (o eventuale altro ostacolo), che deve avvicinarsi per operare, creerebbe un’ombra rendendo difficile l’operazione.

Immaginiamo ora di aggiungere altre lampade che illuminano la zona interessata da più direzioni aggirando, in un certo senso, l'ostacolo: la zona d’ombra creata dall'ostacolo rispetto alla prima lampada viene illuminata dai fasci di luce prodotti dalle altre lampade e l’ombra sparisce.

Nelle lampade scialitiche attuali i singoli fasci di luce vengono generalmente realizzati con tanti piccoli LED disposti su una porzione di calotta, tuttavia in passato, invece di tante piccole sorgenti luminose, si usava una sola lampada (in genere alogena) che puntava verso una calotta che rifletteva la luce verso il campo operatorio. Ma come si può fare a controllare la luce di una sola lampada concentrandola in un singolo punto ed annullare le ombre?

Il segreto sta nella nell'uso di specchi curvi, generalmente a forma di ellissoide, una particolare figura geometrica che permette di controllare la direzione dei raggi luminosi. Un ellissoide non è altro che una sfera allungata (o schiacciata a seconda dei punti di vista) ed è caratterizzato da due punti al suo interno, chiamati fuochi che godono della seguente proprietà speciale:

se uno specchio ha forma di ellissoide, e accendiamo una lampadina disposta in uno dei due fuochi, tutti i raggi luminosi che escono dalla lampadina vanno a finire nell’altro fuoco.

Abbiamo rappresentato questa proprietà nell’immagine sotto disegnando una sezione di ellissoide: i raggi che partono dal fuoco in alto vengono riflessi e si concentrano tutti nel fuoco in basso.

La proprietà funziona anche se si prende una porzione di ellissoide , ed è proprio questa l’idea delle prime lampade scialitiche: se disponiamo una lampada in un fuoco di uno specchio a forma di ellissoide i raggi di luce riflessi si concentrano tutti nel secondo fuoco che può essere posizionato, spostando e riorientando la lampada, proprio nell’area dove si deve intervenire.

In questo modo si ottiene lo stesso effetto di cancellazione delle ombre che abbiamo visto precedentemente: se un ostacolo intercetta alcuni raggi di luce provenienti dallo specchio ci saranno comunque tutti gli altri raggi che annulleranno l'ombra, proprio come se lo specchio fosse costituito da tante sorgenti luminose tutte dirette verso un solo punto, il fuoco dell'ellisse, che va collocato proprio nel campo operatorio.

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