1.18 Прозрачные материалы
Совершенно иначе ведут себя те материалы, которые больше света пропускают, чем поглощают или отражают. Лучи практически беспрепятственно проходят через них и попадают в наш глаз. Благодаря этому мы видим не только сами прозрачные предметы, но и то, что расположено за ними.
На самом деле одни материалы более прозрачны, чем другие. Так, через стекло предметы видны лучше, чем через пластик или ткань.
1.19 Преломление света
Переходя из одной прозрачной среды в другую, луч, так или иначе, меняет своё направление. Примером этого явления может служить карандаш в стакане с водой. Мы точно знаем, что карандаш прямой, но видим, как он «ломается», входя в слой воды. Такой обман зрения возникает потому, что происходит преломление света.
Преломлением света называется изменение его направления при переходе из одной прозрачной среды в другую из воздуха в воду, из воды в стекло. Это происходит потому, что скорость распространения световых волн в разных средах различна. В воздухе она больше, в воде меньше, а в стекле совсем маленькая.
Согласно закону преломления света, падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр к границе двух сред в точке падения луча лежат в одной плоскости.
1.20 Прохождение света через стекло
Проходя сквозь стекло, луч света преломляется дважды. Первый раз это происходит при входе в стекло, а второй при выходе из него. При этом луч остаётся параллельным своему первоначальному направлению, лишь немного смещаясь. И чем стекло толще, тем это смещение больше.
Обычно так происходит, когда солнце светит в окно. Но почему же, рассматривая дома и людей за окном, мы не замечаем изменений в их расположении и форме? Дело в том, что оконное стекло достаточно тонкое, и лучи света, проходя сквозь него, смещаются незначительно.
1.21 Направленное и диффузное пропускание света
Прозрачные среды и материалы обладают различными свойствами. Через стекло мы видим чёткие контуры предметов, а через пластинки слюды размытые, поскольку то, как материал пропускает свет, зависит от его строения.
Если материал имеет однородную структуру, то весь световой поток преломляется на определённый угол и проходит через него, не теряя упорядоченности. Именно так ведёт себя стекло. Оно обладает свойством направленного пропускания света.
Если же материал не однороден, то в нём световые лучи беспорядочно меняют своё направление. Ткани и слюда диффузно пропускают свет.
Сквозь прозрачные материалы отчётливо видны предметы. Материалы, которые свет рассеивают, делают очертания объектов плохо различимыми. Их часто используют в осветительных приборах. Например, в изготовлении абажуров. Свет лампы может быть слишком ярким и слепящим абажур делает его более комфортным.
Свою степень прозрачности имеет даже атмосфера Земли, и она может меняться при разной погоде. В ясный день мы прекрасно видим солнце, облака и самолёты в небе, а в дождь или туман всё кажется размытым. Кроме того, в городе, где воздух сильно загрязнён, дома имеют менее чёткие очертания, чем за городом.
Преломлением света называется изменение его направления при переходе из одной прозрачной среды в другую из воздуха в воду, из воды в стекло. Это происходит потому, что скорость распространения световых волн в разных средах различна. В воздухе она больше, в воде меньше, а в стекле совсем маленькая.
1.22 Поглощённый свет
Теперь поговорим о предметах, которые большую часть света поглощают. Такой свет мы больше не видим. Он, в отличие от отражённого и пропущенного света, не участвует в создании изображения. Но, как уже было сказано выше, ни один материал не может полностью поглотить, пропустить или отразить свет.
Мы живём не в идеальном мире, и найти абсолютно чёрный предмет невозможно, хотя разглядеть чёрную кошку в тёмной комнате всё равно очень непросто.
1.23 Быстро убывающий свет
Когда мы хотим вдеть нитку в игольное ушко или прочесть книгу, то обычно подносим эти предметы ближе к источнику света. Вблизи лампы света больше. Мы учитываем это на уровне интуиции. Однако зная некоторые законы физики, можно вычислить освещённость поверхности в зависимости от её удалённости от источника света.
Освещённость убывает пропорционально квадрату расстояния от источника до поверхности. То есть при увеличении расстояния в два раза освещённость уменьшается в четыре. Если же увеличить расстояние в три раза, она станет слабее в девять раз.
Этот закон справедлив по отношению к любому источнику света и к лампе, и к Солнцу.
1.24 Расстояние до Солнца и расстояние до лампы
Находясь на Земле, мы никак не можем стать ближе к Солнцу. И на крыше высотного здания, и у его подъезда освещение будет почти одинаковым. Расстояние до Солнца так велико, что разница в сотню метров не ощутима.
А вот когда декоратор освещает помещение, особенно большое, ему приходится вспомнить о способности света убывать достаточно быстро при увеличении расстояния от источника. Помещение трудно хорошо осветить одной, пусть даже очень мощной лампой. Хотя рядом с ней свет будет слепящим, углы помещения всё равно будут плохо освещены.
Поэтому для комфортного равномерного освещения требуется множество источников света, которые нужно грамотно распределить по помещению. Освещение должно быть многопозиционным.
1.25 Солнечный свет
Давайте вспомним, как дети рисуют Солнце: круг с расходящимися от него линиями-лучами.
Солнце действительно именно так распространяет свой свет. Однако когда мы говорим о солнечном свете, освещающем объекты на Земле, мы представляем его в виде потока параллельных лучей.
Это допущение возможно потому, что Солнце находится очень далеко от нас. Так или иначе, его свет распространяется прямолинейно. Поэтому если на пути потока лучей встаёт препятствие, например, дерево или дом, то за ним образуется тень.
1.26 Как придать направление свету
И Солнце, и лампа накаливания излучают свет в одинаковом количестве во всех направлениях. На распространение солнечных лучей мы повлиять не можем, но искусственный источник света можно направить туда, куда хочется. Для этого в нашем распоряжении есть много приспособлений, являющихся частью светильников.
Если накрыть лампу абажуром, она будет светить в ту сторону, куда повернут абажур. Другой искусственный источник света, прожектор, даёт чёткий луч, для создания которого используется система линз и зеркал.
1.27 Призмы
Свет, как мы уже говорили, распространяется прямолинейно, но с помощью определённых приспособлений можно заставить лучи двигаться по более сложной траектории. Регулировать этот процесс можно с помощью призм.
Призмы это многогранники, имеющие основание и грани, которые наклонены друг к другу. Они изготавливаются из прозрачного материала, обычно из стекла.
Призма пропускает свет, причём делает это направленно, то есть практически не рассеивает световой поток. В то же время она преломляет луч на определённый угол. Каким же образом это происходит?
1.28 Ход луча в призме
На грань призмы световой поток падает под определённым углом. В стекле этот угол уменьшается, поскольку оно обладает большей оптической плотностью.
После преломления луч продолжает свой путь внутри призмы. Для противоположной грани он уже будет падающим. При переходе луча из стекла в воздух угол снова увеличивается. Это естественно, ведь воздух оптически менее плотная среда.
Углы преломления определяются по отношению к перпендикулярам к границам сред в точках падения луча нормалям. За счёт того, что грани призмы не параллельны, нормали находятся под углом друг к другу. В результате мы видим, что свет, проходя через призму, отклоняется к её основанию.
1.29 Закономерности призмы
Насколько призма способна изменить первоначальное направление светового пучка? Это зависит от нескольких факторов: угла между гранями призмы, угла падения луча на первую грань и показателя преломления материала, из которого сделана призма, по отношению к окружающей среде.
Таким образом, подбирая форму призмы и поворачивая её, можно в широких пределах управлять световыми потоками. Мы не только можем задать лучу совершенно иную траекторию, но и даже развернуть его в противоположную сторону.
Хрустальная подвеска, состоящая из нескольких призм, будет сверкать на солнце именно из-за многократного преломления солнечных лучей. Их движение по сложной траектории создаст красивую игру света в хрустале.
1.30 Линза
Если соединить две призмы основаниями, то можно получить новое приспособление линзу. С детства мы знаем, что с её помощью можно разжечь костёр
Дело в том, что такая выпуклая линза собирает солнечные лучи и формирует сходящийся световой поток. Она обладает и другими интересными свойствами, например, увеличивает изображение. Поэтому её обычно используют в качестве лупы. Есть и другие линзы, которые, наоборот, рассеивают свет и уменьшают изображение.
Эти возможности линз позволяют широко использовать их при производстве многих оптических приборов и просто в быту.
Свет распространяется прямолинейно, но с помощью призм можно заставить лучи двигаться по более сложной траектории.
1.31 Эффекты линз
Поведение лучей внутри призм и линз изучает геометрическая оптика.
Мы не будем рассматривать в данной книге все варианты преломления света в них, однако важно запомнить, что световые потоки формируют изображение. И если мы можем изменить направление светового потока, значит, можем манипулировать изображением. С помощью оптических элементов (линз, призм, зеркал и других приспособлений) можно его уменьшать, увеличивать, зеркально поворачивать и проецировать на любую плоскость. Можно создавать искажения и иллюзии.
1.32 Использование оптики
Оптические элементы важнейшие детали любых приборов, позволяющих получить изображение: телескопов, микроскопов, прожекторов, фото- и видеокамер.
Биологической линзой является и хрусталик нашего глаза. Он формирует картинку, которую мы видим, по тем же законам геометрической оптики. Иногда нам бывает нужно скорректировать его работу с помощью очков или расширить его возможности с помощью бинокля или подзорной трубы.
Практика декоратора
Глянцевость и прозрачность
Декоратор постоянно работает с предметами, которые имеют различные свойства и фактуру, а потому отражают и пропускают неодинаковое количество света. Но люди часто путают глянцевость с прозрачностью, поверхностный блеск и внутреннюю мутность.
На самом деле эти качества никак не связаны друг с другом. Стекло может иметь глянцевую поверхность, и при этом через него не будут видны предметы. В то же время оно может быть прозрачным, а его поверхность будет заматированной с помощью химии или пескоструйной обработки.
Чтобы лучше понять этот эффект, представьте себе прозрачное Средиземное море. Сквозь толщу его воды мы можем увидеть всё, что происходит на дне. Но вот дует ветер, и на поверхности появляется рябь. Вода остаётся прозрачной, но из-за волн мы перестаём различать дно. Чем сильнее рябь, тем хуже его видно. Кроме того, поверхность воды больше не отражает предметы.
А теперь представьте Балтийское море. Дно почти не различимо, поскольку в этом море вода обычно непрозрачна. Но в безветренную погоду можно увидеть отражения в воде.
Лаки
Чтобы сделать поверхность любого предмета блестящей, декораторы часто используют лаки. Это субстанции, которые, высыхая, образуют прозрачную твёрдую плёнку. Такая плёнка защищает поверхность и создаёт декоративный эффект.
Современные лаки бывают глянцевые, матовые, а также промежуточные. Их называют полуматовыми, полуглянцевыми или шелковистыми.
Всего выделяют двенадцать степеней блеска лаковой поверхности. На сегодняшний день эти эффекты достигаются за счёт разной степени мутности. Можно сказать, что современный матовый лак более мутный, чем глянцевый. Но так как лаковая плёнка очень тонкая, мы практически не замечаем того, что он непрозрачный.
Этим современные лаки отличаются от традиционных. Раньше матовый эффект достигался не замутнением лака, а за счёт обработки поверхности. Сам лак оставался прозрачным, а поверхность приобретала нужную степень матовости благодаря шлифовке и полировке.
К слову сказать, если вы хотите получить идеальную блестящую гладкую поверхность лака, надо шлифовать и полировать его так же тщательно, как это делается с дорогими автомобилями, роялями или стёклами на заводах.
Боковой свет
О том, как свет взаимодействует с шершавыми и фактурными поверхностями, декоратор тоже не должен забывать. Помимо того, что они рассеивают свет, их неровности могут отбрасывать тени.
Так, свет бра на стене или любой другой косой луч света подчеркнёт её красивую фактуру или выявит погрешности некачественной отделки.
Большая разница
Зачастую нам не нужно прикасаться к предметам, чтобы понять, насколько различна их фактура. Так, разница между куриным яйцом и страусиным видна невооружённым взглядом.
Куриное яйцо кажется матовым и гладким, а страусиное блестящим и неровным. Яйцо страуса выглядит так потому, что поверхность вокруг мелких углублений на нём освещена, а в сами углубления попадает меньше света. Нам даже не нужно трогать оба яйца руками, чтобы почувствовать разницу. Мы делаем этот вывод только за счёт зрительных образов. Это удивительно, но иногда зрение может заменить нам осязание.
Основное из Главы 1
Свет это электромагнитное излучение.
Предметы становятся видимыми благодаря свету.
Источники света бывают естественными и искусственными.
Луч света может быть отражён, пропущен или поглощён предметами.
Поведение луча света подчиняется строгим законам.
Взаимодействие света и разнообразных материалов создаёт зрительные эффекты.
Поверхности бывают блестящими и матовыми, а материалы прозрачными и непрозрачными.
С помощью линз и призм можно манипулировать направлением световых лучей.
Глава 2. Физика для декоратора. Цвет
Был этот мир глубокой
тьмой окутан.
Да будет свет!
И вот явился Ньютон.
2.1 Цветной мир
Зрительный образ возникает тогда, когда в наш глаз поступает излучение с длиной волны от 380 до 740 нм. Но мы не просто видим мир, мы видим его цветным, ведь всё видимое по определению имеет цвет.
Почему трава кажется нам зелёной, мак красным, а песок жёлтым? Чем с точки зрения физики объясняется такое различие?
2.2 Опыт Ньютона
Ещё в XVII веке английский учёный Исаак Ньютон провёл следующий эксперимент. Он пропустил луч белого солнечного света через трёхгранную призму.
Луч проник в тёмную комнату через отверстие в ставне окна, прошёл через хрусталь и разделился на множество разноцветных лучей. На противоположной стене Ньютон увидел полосы нескольких цветов. Друг за другом непрерывно следовали фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый и красный.
Этот эффект впоследствии стали называть разложением света или дисперсией. В природе мы тоже можем его встретить. Это радуга, переливы в каплях росы или мыльных пузырях.
2.3 Смысл опыта Ньютона
Описанный эксперимент не просто фокус с призмой. Он объясняет природу цвета. Опыт Ньютона демонстрирует его связь с длиной волны светового излучения. Дело в том, что трёхгранная призма обладает свойством отклонять лучи с различной длиной волны на разный угол. Излучение одной длины волны проходит через неё по собственному маршруту. В результате смешанный свет делится на составляющие.